近观德国“工业4.0”：正在进行的工业革命

摘要：

    中德双方近期宣布，两国将开展“工业4.0”合作，该领域合作有望成为中德未来产业合作的新方向。“工业4.0”是在德国学术界和产业界的建议和推动下形成的，已上升为德国国家级战略。仅从定义看，它是指工业生产方式的革新，即继第一个自动纺织机、第一条流水线和第一个可编程逻辑控制器（PLC）诞生之后，互联网、大数据、云计算、物联网等新技术给工业生产带来的革命性变化。不过，据称德国业界有300多种对于“工业4.0”的不同阐述，而这主要是因为“工业4.0”是一场正在实际进行的工业革命。

　　未来工厂

　　被誉为德国“工业4.0”模范工厂的西门子安贝格电子制造厂正是未来德国工业的一个缩影。

　　这座位于巴伐利亚州东北小镇上的工厂其貌不扬，只有三座外观简朴的厂房，但却拥有欧洲最先进的数字化生产平台。工厂主要生产PLC和其他工业自动化产品，在整个生产过程中，无论元件、半成品还是待交付的产品，均有各自编码，在电路板安装上生产线之后，可全程自动确定每道工序；生产的每个流程，包括焊接、装配或物流包装等，一切过程数据也都记录在案可供追溯；更重要的是，在一条流水线上，可通过预先设置控制程序，自动装配不同元件，流水生产出各具特性的产品。

　　由于产品与机器之间进行了通信，整个生产过程都为实现IT控制进行了优化，生产效率因此大大提高：只有不到四分之一的工作量需要人工处理，主要是数据检测和记录；工厂每年生产元件30亿个，每秒钟可生产出一个产品，产能较数字化前提高了8倍，而由于对所有元件及工序进行实时监测和处理，工厂可做到24小时内为客户供货。此外，由于实时监测并分析质量数据，次品率大大降低。

　　安贝格工厂不是孤例，相似的生产方式革新正在德国其他大大小小的工厂中展开，尤其是在汽车、机床制造业等领域。

　　行业分析人士指出，“工业4.0”至少发出了这样一些革命性讯号：首先，工业生产的出发点将发生变化。通过规模效应以及员工生产率来降低成本的时代一去不返，未来工业制胜的秘诀在于如何在提高生产率的同时尽量缩短产品从创意到上市的周期，以及如何满足更复杂、个性化的产品需求。其次，虚拟与实际的界限似被消除。其三，人工似乎将被机器智能取代。

　标准化之争

　　离开安贝格，再来到德国北部的雷蒙哥，这里是德国弗劳恩霍夫研究院工业自动化应用中心（IOSB-INA），专门为企业研发并生产推动“工业4.0”所需的设备和解决方案。

　　“我们更换生产线上的一台设备只需要几分钟的时间，然后生产继续进行，”东威斯特法利亚-利珀大学工业信息技术教授、弗劳恩霍夫研究院工业自动化应用中心负责人尤尔根.雅思博奈特这样说到。“如果在传统的工厂条件下，根据设备的复杂程度不同，更换设备的工作可能要花费数天的时间。”

　　这是因为在传统设备的安装过程中，技术人员需要先把新的部件手动连接到工作环境，然后再去调整生产线上的控制装置。

　　“即插即用”成为人们对这一技术进步的生动描述。工业4.0的专家们用“即插即生产”来指设备和系统的顺畅配置。未来的部件会自发的与工作环境相连接，自己把自己集成到现有控制系统当中。

　当然，这也需要新标准的支持。来自不同制造商的部件必须使用同一种语言，部件之间才能自发地相互交流。

　　德国信息技术产业协会、德国机械制造商协会和德国电器电子行业协会共同开展的调查表明，被调查的近300家企业中有半数以上都认为数据的标准化是“工业4.0”所提出的最大挑战，难度甚至超出了流程和工作组织。“因此，全世界很多不同的机构都在讨论这个话题，其中包括国际电工协会和国际标准化组织。”西门子工业业务领域标准语规制负责人罗兰海德尔说。

　　首要的问题就是如何把设备和设备特征进行分类和描述，方法必须是独特的，而且适用于每家制造商。

　　“然后每台设备都拥有一套自己的数据包，这套数据包描述了设备的所有特征和服务，”海德尔说。“你可以把它和预先设定的全球通用格式进行对比，提供有关设备及其功能的信息。”

使用那种电子“格式”的未来设备不仅能够自发地实现联网，还能互相约定合作的条款。除此之外，还有一项因素在数字“格式”的设备描述中发挥着关键作用，这就是名为OPCUA（针对过程控制统一架构的对象链接和嵌入）的通讯协议。“OPCUA可用于实现设备的自发联网，并使设备在所处环境中展现出自身的特征，”雅思博奈特解释说。“这个协议还能把来自生产的信息直接传递给生产规划和ERP系统。”

　　“工业4.0”在中国

　　“工业4.0”在中国也正方兴未艾。2013年9月11日，与西门子德国安贝格电子制造工厂（EWA）相同的中国首家西门子数字化企业平台工厂（SEWC）在成都落成并投产，即西门子工业自动化产品成都生产及研发基地。这早已不是“工业4.0”在中国登陆的孤例。华晨宝马的沈阳铁西工厂也采用了全集成自动化生产，多款车型可以在一条生产线上进行生产，极大优化了效益。在云南昆明，昆明钢铁公司引入了高炉炼钢炉集成驱动系统，以保证全自动的运行与安全监控。SAP也在中国与许许多多企业伙伴合作，开发出适用于“工业4.0”的IT软件系统。

不过，中国制造业更广泛地向信息化、数字化和智能化升级转型，还需要什么呢？西门子(中国)有限公司执行副总裁、工业业务领域总裁吴和乐博士认为，数字化企业平台是实现数字制造的载体，可以实现包括产品设计、生产规划、生产工程，到生产执行和服务的全生命周期的高效运行，以最小的资源消耗获取最高的生产效率。

　　该平台的实现需要企业以数字化技术为基础，在物联网、云计算、大数据、工业以太网等技术的强力支持下，集成目前最先进的生产管理系统及软件和硬件，如产品生命周期管理(PLM)软件和制造执行系统(MES)软件以及控制和驱动技术等。

　　在提升资源效率层面，制造业企业首先需要考虑设备层面的资源效率提升方案。同时，企业需要将眼光放远，关注能够使全生命周期资源效率提升的整体解决方案，即将现有的技术和创新全部整合到一个数字化企业平台中，从企业层面到设备层面给出“基于成本设计”及“基于节能和资源设计”的完整资源方案。