工業4.0時代，智能工廠的真面貌
http://www.moduwu.com 2016-01-04 17:06 來源：汽車科技
汽車工業是機器人應用最廣泛的領域，汽車制造的高度自動化使得機器人越來越多地出現在工廠里。然而這還不夠，互聯時代對工業制造提出了更高的要求，自動化工廠進一步升級，增添了互聯的概念：把工廠的機器以及人連接到網絡中去，機器與機器之間、人與機器之間實現對話。
依托信息物理系統(CPS)和信息通信技術的結合，工廠將引入大數據技術進行分析優化管理，在計算機虛擬環境中，對整個生產過程進行仿真、評估和優化，最終將實現自動化、智能化、互聯化的生產制造。
在德國人的概念中，能實現這種制造方式的工廠被稱為智能工廠。工業4.0戰略的展開方向之一就是智能工廠。在這場新的變革中，汽車制造商、零部件供應商、軟件提供商等站在各自需求角度對智能工廠都有著各自的解讀，也因而帶來了不同層面的實踐，以及不同形態的智能制造解決方案。
從制造邁向“智造”
廣泛應用于汽車行業的自動化、數字化、智能化車間，已經成為汽車智能制造的重要載體。在這里，可以看到的工人越來越少，取而代之的是一只只效率和精準度更高的智能化機器手，越來越多的關鍵工序已經由機器人代替工人。近年來更是出現了“無人化”車間，弧焊、點焊、裝配、搬運、 噴漆、檢測、碼垛、研磨拋光和激光加工等復雜作業全部交由工業機器人來做一條傳送帶，上百臺不同類型的機器人 分工明確、林立兩邊，只需短短的1分鐘，一輛完整的汽車就在機器人的“手 忙腳亂”中“誕生”了。
在我國，工業機器人最初主要用于汽車及工程機械的噴涂及焊接。隨著汽車需求的不斷增長，工業機器人已經廣泛參與到汽車生產的四大工藝以及汽車關鍵零部件的生產。在汽車車身生產中，有大量壓鑄、焊接、檢測等應用，這些目前均由工業機器人參與完成，特別是焊接線上的焊接機器人在汽車制造業中發揮著不可替代的作用。焊接機器人是在工業機器人基礎上發展起來的先進焊接設備，是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業機器人，主要用于工業自動化領域，其廣泛應用于汽車及其零部件制造、摩托車、工程機械等行業，在汽車生產的沖壓、焊裝、涂裝、總裝四大生產工藝過程都有廣泛應用，其中應用最多的以弧焊、點焊為主。與人工相比，使用機器人焊接具有質量穩定、效率大增、更加安全等三大優勢。
在汽車內飾件生產中，則需要表皮弱化機器人、發泡機器人、最后的產品切割機器人。汽車車身的噴涂由于工作 量大，危險性強，通常都會采用工業機器人代替。近年來，適應現代汽車制造技術柔性化、靈捷化、智能化、信息化的發展趨勢，國內汽車制造業在汽車生產中引入了AGV (又名移動機器人）技術，使汽車裝配的生產組織、信息管理和物流技術等方面實現了質的飛躍。
國外零部件工廠里的變化
在德國博世洪堡工廠的一條液壓產品生產線上，所有零件都配備一個獨特的射頻識別碼(RHD)，并能同沿途關卡自動對話，當工件到達某個工位時，顯示屏上就會相應提示員工所需處理的具體工作內容，而每一個工位也可以根據員工的個性化設置進行自動調節。
博世在全球超過250家工廠里應用工業4.0的理念和技術，其位于中國蘇州的工廠也是其工業4.0試點基地之一，在那里，從基礎的無紙化辦公到自動備料系統的實施都已經——成為現實。在未來博世的工廠里，一臺平板電腦的視頻圖像上會給出所顯示部件的綜合信息和維修指令，工人可以直接通過觸摸屏處理這些信息。
而德國蒂森克虜伯集團董事會主席海里希·赫辛根(HeinrichHiesitiger)認為，工業4.0概念的推行是要做很多前期準備工作的。比如必須要做好IT基礎設施的準備，網速要有保障，而且這些新的基礎設施還要能整合到現有生產設施當中，才能保證以高效的方法來傳遞和輸送大量信息和數據。
現在，蒂森克虜伯集團希望將2300多個不同地點的IT網絡能夠通過高速和超寬帶寬的基礎設施聯系起來。還有一個重要的前提是生產設施的自動化。2014年11月，蒂森克虜伯發動機系統(常州)有限公司正式開業，這家發動機系統生產基地將為中國生產發動機缸蓋罩蓋模塊總成。
客戶通過電子訂單系統把需要的鋼板信息發送到蒂森克虜伯，這些信息和數據又馬上會傳送到生產公司，生產時的相關信息和數據又被錄入到sap系統當中。這樣，一塊鋼板在生產過程當中就已經被賦予一個電子編碼，包含了完備的產品信息。
在整個生產的過程當中，客戶可以實時地知道所有鋼板的待產情況，同時也可以更改一些序列，或者是一些生產的要求。只要在鋼板付諸生產之前的8小時告訴蒂森克虜伯，就可以馬上做出更改。目前這一流程已經在德國的一個工廠開始實施了。
整車廠的應對
工業4.0不是一場突然而至的革命，也不是可以一蹴而就的革新。寶馬集團工業4.0生產專家克里斯蒂安·潘純 (Christian Patron)博士認為，“在寶馬集團，不斷改進生產系統是日常工作，工業4.0是符合寶馬邏輯的下一步，而絕不是革命性改變”。
寶馬工廠在自動化、智能化上的一些嘗試，有的已經被列為工業4.0的生產方式。一個廣被提及的事例是，寶馬蘭茨胡特工廠在汽車保險杠生產中啟用非接觸式手勢識別系統。這種系統被視為一種智能人機交互的范例。虛擬手勢識別系統由安裝在檢驗工作區域上方的2臺3D攝像機、紅外傳感器等部分組成，系統內保存有保險杠部件的3D實體模型數據，并在檢驗區域建立起3D空間掃描坐標系。當工件進人檢驗區后，檢驗人員只需幾個手勢，即可完成檢驗工作：比如指點偏差所在的部位后，設備即可精確記錄下該偏差產生的位置以及偏差數據；而如果零件合格，檢驗員只需滑動手指，就可以指示系統該零件已經通過檢驗。
在這套創新系統的支持下，不但能夠加速檢測過程。檢驗精度和零件偏差的定位精度也大幅提升。同時因無需配備護目鏡、麥克風等裝備，提升了檢驗員工作的舒適度及工作效率，而且，系統操作簡單易學，大受檢驗人員的認可和歡迎。
這正印證了寶馬集團新任董事長科魯格(Harald Kmger)的表述——“對寶馬而言，工業4.0并不是一味追求自動化，排斥人參與生產的全過程；與之相反，我們認為未來的智能科技將著眼于更高層次的人機交互領域，讓科技裝備為工作人員提供更好的支持”。
5月22日，奧迪在公司年度股東大會上，通過 “Encounter” 雜志詮釋“智能工廠”的愿景。在他們的規劃中，有朝一日，汽車工廠將擁有與當下截然不同的智能系統、創新技術，以及高效組織構架。在他們的規劃中，裝配線已不復存在，井然有序的流水作業也不再適用。平板運輸機器人——所謂的“自動運輸系統”（Driverless Transport Systems) “搬運”著各種尚未制造完成的汽車，在這座工廠中你會看到奧迪的所有車型，但卻已經找不到兩輛完全相同的汽車。奧迪為這一場景轉化為現實設定了時間截點——2030年。
相比寶馬等德國車企，日系車企豐田也有自己成熟的制造體系，雖然日本沒有提出類似工業4.0的概念，但豐田基于1960年代創造的精益生產的基礎所做的擴展。在某種程度上，與21世紀出爐的工業4.0理念有很多相融合之處。
雙重角色
在推進工業4.0的過程中，數據安全是企業非常關注的—項內容。英飛凌與德國電信就共同推出一款用于保護網絡化生產的安全解決方案。
在去年德國1T峰會上，德國總理默克爾觀看的工業4.0智能生產演示中，英飛凌的安全產品對生產的各個環節進行身份認證，以保障整個生產過程的數據和信息安全除了在自己的工廠里實踐工業4.0，還為別的企業提供解決方案。在工業4.0的推進中，英飛凌實際扮演了雙重角色。
同樣扮演雙重角色的還有博世、西門子等巨頭企業，它們也基于各自的優勢推出了自己的智能制造解決方案：西門子認為未來互聯網與傳統制造業的結合會在數字工廠落地，因此它推出了自己的數字工廠解決方案(Digital FactorySoluticm)。為此，西門子在2006年以32億美元收購PLM軟件商UGS。
UCS擁有在線設計軟件平臺NX，其中內置 CAD、CAM等一系列設計軟件，還包括數字化生產流程規劃軟件以及市面上領先的解決方案。西門子將UGS的軟件平臺接入自己的工業自動化生產系統之上，形成了一套制造業解決方案。整合之后，西門子數字工廠藍圖初具規模，基于數據分享的合作平臺，生產者與用戶、供應商共同組成數字工廠，通過PLM、MES、TIA三位一體的軟件系統平臺，實時溝通，達成產品從研發設計到售后服務的全周期管理。
在數字模擬平臺上，虛擬產品與現實中在工廠走流程的產品一一對應。工廠內的具體執行系統，可以根據數字模擬平臺的要求進行一定程度的重構。目前西門子的數字工廠解決方案，已經在一些高端汽車業的自動化制造過程中得到應用。另外，為了配合自己的工業自動化產品，西門子還推出了一款“西門子工業支持中心” 的APP。這個APP將西門子的5000多份各種手冊、操作指南，以及60000多個常見問題解答集成到網絡平臺，給客戶提供了極大便利。
博世也一直在研究工業4.0的解決方案，近來推出了“慧連制造”解決方案。該方案核心為制造物流軟件平臺，包括制程質量管理、遠端服務管理、預測維護。
有人認為，在這個方案中，制程質量管理已經具備了工廠內信息實時互聯等智慧工廠的基本要素，遠端服務管理、預測維修都是基于物聯網產生的價值鏈延伸，也就是說博世的慧連制造已經具備了工業4.0的關鍵基礎。
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