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受中國液壓氣動密封件工業協會委托,筆者觀摩參與了德國漢諾威 2013 工業博覽會。這次漢諾威博覽會的熱議話題是“第四次工業革命”。 “第四次工業革命”(Industrie 4.0)最早是在 2011 年漢諾威博覽會上,由三位大學教授提出來的。 制造業在德國的國民經濟中(創造的價值)占26%。作為提升傳統制造業的戰略發展方向,112頁的實施建議由項目研究組在2012年10月2日提交給德國聯邦政府此項目牽頭的教育科研部(BMBF)、經濟部(BMWi)和內政部(BMI)。已撥款2億歐元(約16億人民幣)作為第一步的研發經費。 這是一場有組織的革命。德國的機械設備制造協會(VDMA)、電子工業中央聯盟(ZVEI)和信息通訊新媒體協會(BITKOM)有史以來第一次搭建了一個聯合工作平臺,2013年4月開始工作,任務之一就是協調已有的和要開始的研究項目。 在德國,工業革命是如此認定劃分的: 第一次,機械化。從18世紀末開始,蒸汽機逐步取代人力。 當時,機器采用集中動力驅動,動力從上空的動力軸通過皮帶傳給機器。 機械制造,之前已開始有分工,但直到采用新動力方式,才開始如今天的形態。 機床制造,作為一個行業,最早從英國開始!癕ade in Germany”就是當年英國人在德國人造的機床上貼的(作為劣質品的)警告標志。 第二次,流水線生產。始于1913年美國人福特采用流水線制造汽車,規格化生產,成本大大下降,價格從850US$降到370US$。但同時也大大地放棄了個性化。 機器和流水線開始逐步由電驅動,更易控制。 第三次,自動化。始于1974年。當時在德國一個小地方(Neuhausen im Enzkreis)的一個小企業(Klaschka GmbH)研發出了由集成電路制成的PLC(可編程邏輯控制器)?刂七壿,相對繼電器組成的控制器,可以更方便更靈活地更換修改,邁出了微處理器控制工業應用的第一步。但當時正值冷戰,沒有人想到這個小東西會對工業生產帶來如此大的變化,以致值得稱之為革命。以后,硬件水平、集成度不斷提高,采用了C語言和更高級的編程語言,不僅可以描述簡單的與或邏輯關系,還可以描述各種復雜的控制策略(PID、自適應、自學習等等),現在已被廣泛使用,幾乎無處不在。 一個典型的例子是汽車工業。在上世紀八十年代末,美國麻省理工學院完成的一項耗資500萬US$的調研報告“改變了世界的機器”說,日本汽車工業之所以能在20年里搶占世界三分之一市場,除了“苗條”(零庫存)工廠外,最重要的一點是因為廣泛實現了裝配自動化,機器人輔助的裝配大幅度地提高了質量與生產率,因此,今后美國和歐洲的汽車工業很難與之競爭。但是,德國的汽車工業挺住了,其中一個原因就是,德國的機器人中都裝有PLC,程序可以靈活地不斷更換改進。 而第四次工業革命的目標則是工廠智能化Intelligente Fabrik(Smart Factory)。 中心:讓網絡技術進入制造業。 背景:今后制造業將面臨的形勢——緊缺的資源、能源轉變、員工年齡結構改變、全球化。 技術基礎:網絡和空間分布系統、順暢的通訊,寬帶速度達7000Mbit/s。 特點:靈活易變、高資源效率、考慮人類工程學、以及使企業與顧客、業務伙伴最緊密地結合。 設想的變革大致在以下幾個方面。 1) 生產工藝與信息技術融合 目前所說的數字化工廠,首先強調的是生產計劃數字化和大量使用各種計算機輔助技術:CAD、CAM、CIM、PPS(生產計劃控制系統)、PDM、DMU(數字試驗模型)、PLM(產品生命周期管理),等等,較多地是基于一個相對固定、由上而下的生產集中控制系統。而新的革命強調的則是分散,降低集中控制度,增加生產設備的自主控制,把分散的自主的智能化的制造設備,通過網絡的形式緊密地聯接在一起,具有更開放,更積極通訊的系統結構,更具動態性和靈活性,從而能發掘出更多優化的可能,估計可以提高生產效率 30%。其中,CPS 將起一個核心的作用。 CPS——Cyber-Physical System,網絡實體融合控制系統是一個由傳感器、控制電腦、執行器以及網絡組合的控制系統。 目前在某些領域,例如航空、汽車、化工生產、基礎建設、能源、健康、制造、交通控制、娛樂和消費性電子產品等等,已出現了類似于 CPS 的電子組合控制系統,但這些系統目前通常都是嵌入式系統,比較強調其運算控制能力,CPS 則更強調實體裝置和電腦網絡的連結。 CPS 是借用技術手段實現人的控制在時間、空間等方面的延伸,本質就是人、機、物的融合。所以,也被稱為人機物融合系統。 2)產品個性化 生產高度靈活的工廠可以迎合顧客對產品個性化、多樣化、不斷改變的要求,可以通過現代化的手段,以大批量生產的成本,制造批產量 1 的產品。從某種意義上說,回到了第一次工業革命之前。顧客與工廠頻繁交流溝通,不僅在訂合同前,而且在下訂單后、設計、加工、裝配、調試階段。因此,顧客甚至可以在產品生產過程中改動他的訂單細節。 力士樂泵廠,雖說年產 100 萬臺以上,但十幾個大類,每類有十幾個規格,每個規格的變量功能有十幾種,不同的限壓、恒功率值等等要設定。因此,最終產品好幾萬種,每批量并不很多。靈活多變的管理是極其重要的。 3)生產人性化 通過工廠智能化,更多的員工可以有靈活的工作時間,因此工作更安心了。 利用網絡,生產可以分散,從而可以分散能量供應。 利用網絡,員工可以就近,甚至在家里上班。他們問道,如果大量員工每天長途開車上班,到廠里再花很大力氣節能減排,又有多大實際意義呢?圖 1 一個設想的網絡化工廠 A. 所有加工設備、待加工部件(運輸小車)、裝料機器手都裝有 CPS,都具有無線上網功能。 B. 待加工部件不通過中央控制器,直接與加工設備聯系確定,到哪臺設備進行哪些加工。工件控制工廠。 C. 負責下道工序的加工設備直接調用待加工件,獨立自主的運輸小車根據地下鋪設的感應線路,把工件送給裝料機器手。 D. 所有后續工序需要的產品信息,包括生產銷售文件都由各工件自己攜帶。 E. 如果出現差錯,或顧客的特別要求與現有的 CAM 數據不符,研發部的工程師會立刻得到報警。補充改進措施會立刻在一個虛擬的試驗環境下檢查,然后發給工件。德國應用技術研究院的制造設備與生產技術研究所(IPK)與柏林工大的機床與工廠管理研究所合作,自 2008 年起就建立了一個名為 Sopro(生產自我組織)的示范性車間,以筆記本電腦模擬產品,自我安排加工,起中心領導作用。在 Kaiserlautern 市的人工智能研究中心已經建立了一個示范工廠(圖 2),20 個企業參與了工廠的運營。圖 2 一個示范工廠 德國 Wittenstein 公司在斯圖加特市內新建了一個所謂“住宅區工廠”,機床、生產工具和半成品都已聯網,產品細節在最后一分鐘還可以更改。制造的精密齒輪被用于方程式 I 的賽車、航空與航天等設備中。 力士樂公司推出了開放核心(圖 3),即工程師可以用各種高級編程語言,通過各種編程工具,從各類硬件的各種操作系統出發,調用核心的控制功能,完成各種應用。演示模型是一個平板電腦,通過無線網絡(W-LAN),控制一個六自由度的平臺,隨平板電腦擺動。圖 3 力士樂推出的開放核心圖4為力士樂設想的將來的工廠,全自動車間,技師帶著平板電腦,利用無線網絡,與各設備聯絡,了解情況,調整狀況。 “第四次工業革命”在 2013 漢諾威工業博覽會上也被廣泛地討論了。較普遍的意見是: 1)德國在機械制造、自動化及信息技術方面已經很強大,德國經濟就是依靠 know-how(技能)、高質量和首創的產品生存,所以,有最好的前提條件,在第四次工業革命中起領導作用,以保持并擴大德國制造業的傳統核心和國際領先地位。 2)第四次工業革命不會是一個從今天到明天,一下子拋棄全部已有設備的突變,而是一個漸進的過程(2020-2030年)。前幾次工業革命中,每個階段也都延續幾十年。因為,在進行實質性的工程技術改造之前,首先需要的是,在參與者的腦子里發生改變,要進行跨技術領域的思考,F在,經濟界、法律界、工會都已參與進來。 3)很重要的是要注重實效,不斷改進、不停創新。 4)最終要贏得的是商業伙伴和員工。如果做不到這點的話,所有閉門思考出來的方案都是沒有用的。
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