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探訪未來制造

機器、設備、零件之間可以自由溝通,未來工廠能夠自行運轉。工業4.0所描述的場景正碎步向我們走來。◎本刊記者 胡春民 | 文 (發自德國)大眾公司的高爾夫汽車生產線在兩臺庫卡機器人的密切配合下,靈活而又悠閑地為車身安裝車門,兩臺智能機器人配合非常默契,彼此瞭解並實時溝通,以期保證自己的每個動作都在最適當和最短的時間內完成。這是在德國漢諾威舉行的工業博覽會上西門子公司展臺發生的一幕,該模型旨在描繪未來制造智能化軟件與高性能的生產硬件如何緊密協調工作的場景。在4月7日開幕的漢諾威工業博覽會吸引瞭全球65個國傢和地區的約5000傢廠商參展,當德國總理默克爾在荷蘭展臺欣然接受機器人小蘿莉遞來的鬱金香時,制造業的智能化大潮持續在偌大的漢諾威博覽會上延伸,本刊記者對未來制造的探索之旅也正式在這裡啟程。制造業占GDP23%份額的德國提出瞭工業4.0的概念,默克爾認為未來工廠中的機器、設備、零件之間可以自由溝通,智能工廠能夠自行運轉。西門子股份公司管理委員會成員、工業業務領域CEO魯思沃把當前制造過程分成產品設計、生產規劃、生產工程、生產實施和服務五個階段,並把其稱作為工業3.X,即當前可以提供全面數字化工廠的解決方案,但距離工業4.0還有很大差距。在西門子展臺,尼桑一款新型賽車在產品設計階段采用瞭數字虛擬軟件,模擬瞭車身的曲面設計,最大限度地減少瞭賽車高速飛馳時的空氣阻力。經過優化設計的尼桑賽車百公裡加速隻需要2.5秒,而其他賽車一般需要9秒。這是一款把傳統內燃機推進系統和電動系統結合起來的混合動力賽車,最高時速可達300公裡,是當今世界上最快的電動賽車。西門子3D可視化軟件正在模擬法國道達爾鉆井平臺的生產環境,讓每個參觀者如臨其境,在虛擬現實的模型中,可以直接獲取即時的生產數據,預知生產環境,讓參與其中的人更有安全感。工業4.0的核心理念之一就是現實工廠與虛擬工廠的無限接近,從這個角度看,我們的一隻腳似乎已經踏進瞭未來制造的大門。產業集成Tucher是德國北巴伐利亞州眾多啤酒廠當中的一傢,曾經是紐倫堡貴族的傢族企業。本刊記者在參訪體味當地啤酒文化的同時,還深刻感受到啤酒在生產過程中集成化、自動化設備和軟件的高度應用。正是這些包括西門子在內的工業集成方案提供商保證瞭啤酒口味的多樣化和每種口味的精確度,清爽、苦澀、酸味等十幾種啤酒口味不單單是每天品嘗工程師們舌尖上的幸福,更是工業智能和集成應用偉大作用的生動體現。本次展會把“產業集成”設立為主題,智能工廠是產業集成的目標,而集成的概念在中國今年春節聯歡晚會上已有體現。2014年春節聯歡晚會可實現舞臺佈景中五個LED屏幕的自由移動,由於節目是現場直播,舞臺技術以及設備的可用性必須得到保證。西門子巧妙地把集成的思想應用其中,為該項目提供瞭全集成驅動系統,該系統由電機和運動系統組成,後者直接集成在變頻器的閉環控制模塊裡,所有組件在傳動系統裡協同配合,從而確保瞭舞臺設備的可用性和安全運行。記者在工程展區看到一臺生產線末端包裝機,在西門子開放工程架構下,SICK公司的智能傳感器、庫卡公司的機器人以及其他自動化部件,在一個名叫“博途”的軟件調配下自主進行著包裝動作,這一場景也是驅動系統與自動化系統進行集成的體現。西門子驅動技術集團CEO方潤朗(Ralf-Michael Franke)先生在解釋未來制造全集成驅動系統的變革方向時說,過去集成概念隻在個別產品上進行優化,比如電機、齒輪、變頻器和聯軸器的一般性組合,而現在則是整個驅動鏈條上的功能集成、自動化層面的集成以及涵蓋整個產品生命周期的集成。全集成驅動系統專業的解釋是:橫向沿著能量流由耦合器和變速箱到電機和逆變器,縱向則是在自動化層次上對工業制造工藝控制結構和產品生命周期的集成。橫向集成會改善機器的生產效率和產品質量,集成的產品包括變速箱、耦合器、電機和逆變器等,西門子作為老牌的驅動系統提供商可以提供“一站式”服務。德國紐倫堡是西門子大型傳動部生產工廠的所在地,漢諾威到紐倫堡的高鐵列車的傳動系統就是該工廠提供的。郭德輝是西門子大型傳動部中國、中東和非洲業務發展總監,他舉例說,亞洲最大的紙漿和紙張制造商之一亞洲紙漿紙業集團,通過使用全集成系統,能源消耗和造紙廠的二氧化碳排放量都大幅度減少。由此,亞洲漿紙業集團每條生產線年均節省數千萬元的開支,年均停機時間被保持在最低的12.5小時。工業4.0的其中一個核心元素是融合虛擬與現實世界,而全集成系統讓CAD/CAM(計算機輔助設計、制造)工具和產品數據實現無縫交互。德國的機械制造商DMG正是通過這個方案,讓虛擬模型生成現實機械的時間節省瞭80%。DMG還在網絡化的生產中,通過優化虛擬生產計劃和產品開發參數,使生產效率提高瞭50%。未來工業企業需要對市場變化做出快速反應,即生產系統能對全球需求和特定客戶要求做出快速反應。漢諾威博覽公司董事約亨·柯克勒說,在這一系統中,包括工件、機器到運輸系統在內的所有環節都可以通過網絡進行互聯,實現彼此之間的自由通信,這就是所謂的智能工廠,但達到智能工廠之前必須進行“產業集成”。很遺憾的是,要實現這一願景,主要挑戰之一則是標準化,即相關軟件需要兼容所有聯網的元器件、機器、設備和工廠等,當前每傢公司的IT系統都使用獨立的設置,要實現集成化發展,需要所有公司都采用業內廣泛認可的國際化的標準生產體系。西門子擁有驅動和自動化產品以及相關的軟件支持,但它並不能要求客戶都采用西門子的產品,盡管西門子有開放架構和思維模式。可見,未來智能工廠需要統一的標準體系。數字工廠西門子安貝格電子工廠坐落在德國巴伐利亞洲東部的安貝格市,它是全歐洲甚至全球最先進的數字化工廠。已經有24年歷史的安貝格工廠為西門子提供印刷電路板等電子產品,100萬次加工過程的差錯率隻有12次。李永利是該電子工廠的副總經理,已經在此工作瞭3年以上,今年秋季他將被調回中國成都,擔任西門子成都電子工廠的總經理。4月9日,記者在參訪時,李永利解釋瞭該工廠出錯率從百萬分之五百為何降到百萬分之十二的背後故事。制造業有一個公認的概念,作為全球最好的制造工人——德國工人的出錯率大概在百萬分之三百到五百,如果把這一比率降低到百分之十二,必須要靠機器來完成。安貝格工廠75%的生產過程是由機器來完成的,包括物料配送、數據收集、數據整理等,而其中最為關鍵的是智能算法的確定。以前人們進行加減乘除要靠人工來計算,當計算器出現之後,沒有人再懷疑計算器在加減乘除中是否算得準確,因為人們在制造計算器時已經把“智能算法”內置其中。工廠也是一樣,以前需要用人工完成的動作通過“智能算法”固化在機器中,讓機器代替人工來完成。在滿是機器的工廠中,人的因素就是發號指令,做出生產管理決策,讓機器去執行。安貝格工廠有1萬平方米的生產車間,生產線主要分為做印刷電路板生產和印刷電路板組裝。當記者走進車間,眼前橫排的一條生產線據說是15年前建立的,在這裡看不到像其他很多工廠裡工人們非常繁忙的樣子,工人們很安靜地在裝有電腦屏幕的工位上有條不紊地工作著,並不是很忙碌。當我們走進安貝格工廠時,李永利給記者呈現瞭兩個世界,一個是真實的工廠,一個是虛擬的工廠。他說,在真實工廠之前就已經有瞭虛擬工廠,研發設計部門把虛擬的研發產品同步給生產部門來生產,兩部門有著統一平臺,並時刻保持著協調的一致性。真實工廠生產時的數據參數、生產環境等都會通過虛擬工廠來反映出來,而人則通過虛擬工廠對現實中的真實工廠進行把控。為瞭更準確收集到生產過程中各種數據,安貝格工廠超過3億個元器件都有自己的身份識別。“我們每個成品都有精確的生產信息,可以精確到單個產品中的每一個元器件,而每個元器件的基礎信息都會有。這些基礎信息包括哪條生產線生產的、用什麼材質、當時用的扭矩是多少、用什麼樣的螺絲釘,等等。當一個元件進入烘箱時,機器會判斷該用什麼溫度以及持續的時間長短,並可以判斷下一個進入烘箱的元件是哪一種,適時調節生產參數。”李永利說安貝格工廠的每一條生產線每天並不是一成不變地隻生產一種產品,生產系統會實時同步研發部門的最新指示,自動跳轉不同產品或者器件的生產模式。這種生產模式是研發和生產部門同步設定的,即研發部門的任何變化都會實時在生產環節反映出來,生產系統會自動定格到每一個具體元件上並掃描它的參數。安貝格工廠所有的設備都裝有掃描器和讀碼器,產品和元件的所有信息都可以被記錄下來。李永利作為生產環節的負責人對生產過程並不很關心,他每天關註的則是產品質量,一旦發現有問題,比如是原材料導致的質量問題,他會通過研發系統輸入某個原材料有問題的指令,這一指令會下達到工廠控制層,所有生產線都能自動識別到,當掃描器和讀碼器掃描產品時,就會中止所有涉及該原材料的產品的生產。記者在安貝格工廠看到,每個工人面前都有一臺電腦屏幕,屏幕上都會顯示即將需要執行動作圖示,圖示提醒他這步該做什麼,所以工人不需要提前準備很多東西,也不需要之前做很多工作,隻要對著電腦屏幕做就可以瞭。在產品包裝環節,旁邊的電腦會詳細記錄人工或者機器是否往包裝箱裡投放瞭說明書、插件等,如果沒有投放,電腦就不會打出產品的最終標簽,這樣就避免瞭漏放產品說明書的情況。要打的標簽很重要,裡面記錄著有關產品的詳細信息,這也是產品追溯時的關鍵依據。安貝格工廠配有全自動化的立體倉庫,會把原材料通過自動化的管線送到車間現場。記者在車間看到的都是整齊的生產線。但據李永利介紹,在車間下面還有像停車庫一樣的底層,原材料就是通過自動化的管線從立體倉庫中被運送到車間現場,當然每一個原材料都有自己的身份標示。在車間現場有個臨時站,原材料先從立體倉庫被運送到臨時站,等待隨時被調用。安貝格工廠的生產系統還與公司的ERP系統無縫對接,當某一訂單生產完最後一個產品時,該訂單將會在ERP(企業信息化管理系統)中改變訂單狀態——生產完畢,成品就直接發貨運走,工廠裡沒有成品倉庫。“這個工廠每天要加工上千種產品,近十萬件產品,跟著不同的訂單,這個客戶可能幾百個產品,另外客戶可能是幾千個產品,而且訂單裡面的產品組合也不一樣,如果我們全都是人手動去操作,要多少人一個一個去捋訂單啊。這個工廠的生產完全是跟著訂單走,都靠智能化的系統來完成。”李永利告訴記者說。未來制造西門子安貝格工廠盡管在世界上都屬於最先進的工廠,但距離工業4.0所描繪的場景還有很大差距。西門子一直都是工業4.0的倡導者,魯思沃認為:“這場變革將是一個漸進的過程,工業4.0的真正到來可能需要20年左右的時間,在此期間,變化將不斷出現和遞進。”魯思沃把這個“漸進的過程”稱作為工業3.X,它是建立在強大的生產執行系統和數字化企業平臺基礎上,虛擬世界和現實世界中的生產通過數字化互聯融合,可以令整個生產價值鏈的數據進行無縫交流。德特勒夫·凱瑟博士是麥肯錫咨詢公司德國漢堡分公司總監,是制造業管理規范方面的專傢,他強烈地感覺到全球化趨勢正在劇烈改變著制造業的場景,將對現有制造業產生巨大沖擊。當然他也認為,新的機會則會在更加復雜和不確定性的環境中誕生。凱瑟博士強調瞭不確定性將成為制造業的常態,這些不確定性包括原材料和能源價格的變化、匯率的波動、供應鏈的復雜性、新興市場的高成長性、貿易規則的變動、自然災害以及人才和知識產權的約束等,這些因素都有可能引發全球制造業供應鏈的巨大災難。IT、循環經濟、虛擬設計、3D打印機器人、納米和復合材料等關鍵技術正在對傳統制造業產生嚴重影響,很多德國公司已經開始把新材料、人機交互和工業4.0作為引發公司未來商業變革的最重要的因素,其中作為工業4.0序曲的數字工廠正在改變德國現有工廠結構和價值鏈。是否重視制造業向工業4.0的過渡,默克爾甚至認為“這是德國工業是否擁有未來的關鍵”。根據德國高科技企業聯合會發佈的研究報告,未來10年工業4.0進程將為德國帶來2670億歐元的產值,並認為工業4.0將在機器設備、汽車、電子、信息工程、化學等領域獲得率先突破。魯思沃把工業4.0時代細化到三個關鍵維度:第一是生產執行系統、數字化企業平臺、產品生命周期管理軟件和自動化系統的集成,將帶來一個強大的制造運行管理系統;第二是虛擬世界和現實世界生產的融合,基於統一的數據模型來完成,制造商可因此大大縮短產品的上市時間;第三是信息物理融合系統,這也是增加生產靈活性、縮短產品上市時間的關鍵,互聯的機器可以通過網絡技術彼此交流,並靈活地集成於現有的生產過程中。與魯思沃相比,德特勒夫·凱瑟博士對工業4.0的理解相對比較簡單,他認為就是互聯網在傳統制造業中的應用,隻是互聯網應用之前必須進行數字化。但凱瑟博士所理解的數字化工廠較為復雜,其中包括無處不在的智能傳感器、無處不在的無線互聯網以及對數據處理更加靈活和智能化的系統。他舉例說,未來制造中的生產線將由原來僵硬的、靜態的、為特定產品設置的流水線生產,向更加靈活、動態的、為個性化訂單設置的柔性生產過渡。“數字化生產為制造商提供瞭至關重要的靈活性,並帶來更高的生產效率”,這是英國《經濟學人》以案頭調研和專傢深度訪談後得出的結論。報告認為,網絡化生產系統利用數據流對生產進行控制和優化,使小批量制造和定制生產成為可能。由此,它可讓制造公司更具靈活性,從而更好地對市場需求做出響應。當然,生產制造的網絡化和數字化程度不斷提高,也帶來瞭人們對新的網絡安全的擔心,黑客攻擊、病毒侵入、網絡癱瘓等這些可能隨時發生的事件將對智能工廠產生致命沖擊。所以,網絡安全將是未來制造值得警惕的問題。

新聞來源http://news.hexu林口房屋信貸信貸房貸n.com/2014-04-25/164250266.html

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