德國第四次工業(yè)革命

亮劍

德國第四次工業(yè)革命

張海平2014-3-12

摘要：

    本文介紹了筆者在2013漢諾威工業(yè)博覽會上所了解到的一些關(guān)于第四次工業(yè)革命的探討。

    受中國液壓氣動密封件工業(yè)協(xié)會委托，筆者觀摩參與了德國漢諾威2013工業(yè)博覽會。這次漢諾威博覽會的熱議話題是“第四次工業(yè)革命”。

    “第四次工業(yè)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(yè)在德國的國民經(jīng)濟中(創(chuàng)造的價值)占26%。作為提升傳統(tǒng)制造業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)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(lián)邦政府此項目牽頭的教育科研部(BMBF)、經(jīng)濟部(BMWi)和內(nèi)政部(BMI)。已撥款2億歐元(約16億人民幣)作為第一步的研發(fā)經(jīng)費。

    這是一場有組織的革命。德國的機械設備制造協(xié)會(VDMA)、電子工業(yè)中央聯(lián)盟(ZVEI)和信息通訊新媒體協(xié)會(BITKOM)有史以來第一次搭建了一個聯(lián)合工作平臺，2013年4月開始工作，任務之一就是協(xié)調(diào)已有的和要開始的研究項目。

    在德國，工業(yè)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(qū)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(tài)。 機床制造，作為一個行業(yè)，最早從英國開始。“Made in Germany”就是當年英國人在德國人造的機床上貼的(作為劣質(zhì)品的)警告標志。

    第二次，流水線生產(chǎn)。始于1913年美國人福特采用流水線制造汽車，規(guī)格化生產(chǎn)，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(qū)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(yè)(Klaschka GmbH)研發(fā)出了由集成電路制成的PLC(可編程邏輯控制器)。控制邏輯，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(yè)應用的第一步。但當時正值冷戰(zhàn)，沒有人想到這個小東西會對工業(yè)生產(chǎn)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(guān)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(xiàn)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(yè)。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(diào)研報告“改變了世界的機器”說，日本汽車工業(yè)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(xiàn)了裝配自動化，機器人輔助的裝配大幅度地提高了質(zhì)量與生產(chǎn)率，因此，今后美國和歐洲的汽車工業(yè)很難與之競爭。但是，德國的汽車工業(yè)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。

    第四次工業(yè)革命的目標則是工廠智能化Intelligente Fabrik(Smart Factory)。

    中心：讓網(wǎng)絡技術(shù)進入制造業(yè)。

    背景：今后制造業(yè)將面臨的形勢——緊缺的資源、能源轉(zhuǎn)變、員工年齡結(jié)構(gòu)改變、全球化。

技術(shù)基礎：網(wǎng)絡和空間分布系統(tǒng)、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(yè)與顧客、業(yè)務伙伴最緊密地結(jié)合。

    設想的變革大致在以下幾個方面。

    1) 生產(chǎn)工藝與信息技術(shù)融合

    目前所說的數(shù)字化工廠，首先強調(diào)的是生產(chǎn)計劃數(shù)字化和大量使用各種計算機輔助技術(shù)：CAD、CAM、CIM、PPS(生產(chǎn)計劃控制系統(tǒng))、PDM、DMU(數(shù)字試驗模型)、PLM(產(chǎn)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(chǎn)集中控制系統(tǒng)。而新的革命強調(diào)的則是分散，降低集中控制度，增加生產(chǎn)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(wǎng)絡的形式緊密地聯(lián)接在一起，具有更開放，更積極通訊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，更具動態(tài)性和靈活性，從而能發(fā)掘出更多優(yōu)化的可能，估計可以提高生產(chǎn)效率 30%。其中，CPS將起一個核心的作用。CPS——Cyber-Physical System，網(wǎng)絡實體融合控制系統(tǒng)是一個由傳感器、控制電腦、執(zhí)行器以及網(wǎng)絡組合的控制系統(tǒng)。

    目前在某些領域，例如航空、汽車、化工生產(chǎn)、基礎建設、能源、健康、制造、交通控制、娛樂和消費性電子產(chǎn)品等等，已出現(xiàn)了類似于CPS的電子組合控制系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)目前通常都是嵌入式系統(tǒng)，比較強調(diào)其運算控制能力，CPS則更強調(diào)實體裝置和電腦網(wǎng)絡的連結(jié)。 　　CPS是借用技術(shù)手段實現(xiàn)人的控制在時間、空間等方面的延伸，本質(zhì)就是人、機、物的融合。所以，也被稱為人機物融合系統(tǒng)。

    2)產(chǎn)品個性化

    生產(chǎn)高度靈活的工廠可以迎合顧客對產(chǎn)品個性化、多樣化、不斷改變的要求，可以通過現(xiàn)代化的手段，以大批量生產(chǎn)的成本，制造批產(chǎn)量1的產(chǎn)品。從某種意義上說，回到了第一次工業(yè)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(diào)試階段。因此，顧客甚至可以在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中改動他的訂單細節(jié)。

    力士樂泵廠雖說年產(chǎn)100萬臺以上，但十幾個大類，每類有十幾個規(guī)格，每個規(guī)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(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)絡，生產(chǎn)可以分散，從而可以分散能量供應。利用網(wǎng)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(jié)能減排，又有多大實際意義呢? 圖1為一個設想的工廠。

                              

圖 1 一個設想的網(wǎng)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(wǎng)功能。

    B. 待加工部件不通過中央控制器，直接與加工設備聯(lián)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(diào)用待加工件，獨立自主的運輸小車根據(jù)地下鋪設的感應線路，把工件送給裝料機器手。

    D. 所有后續(xù)工序需要的產(chǎn)品信息，包括生產(chǎn)銷售文件都由各工件自己攜帶。

    E. 如果出現(xiàn)差錯，或顧客的特別要求與現(xiàn)有的 CAM 數(shù)據(jù)不符，研發(fā)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(huán)境下檢查，然后發(fā)給工件。德國應用技術(shù)研究院的制造設備與生產(chǎn)技術(shù)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(chǎn)自我組織)的示范性車間，以筆記本電腦模擬產(chǎn)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(jīng)建立了一個示范工廠(圖 2)，20 個企業(yè)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(nèi)新建了一個所謂“住宅區(qū)工廠”，機床、生產(chǎn)工具和半成品都已聯(lián)網(wǎng)，產(chǎn)品細節(jié)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(tǒng)出發(fā)，調(diào)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(wǎng)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(wǎng)絡，與各設備聯(lián)絡，了解情況，調(diào)整狀況。

    “第四次工業(yè)革命”在 2013 漢諾威工業(yè)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(shù)方面已經(jīng)很強大，德國經(jīng)濟就是依靠 know-how(技能)、高質(zhì)量和首創(chuàng)的產(chǎn)品生存，所以，有最好的前提條件，在第四次工業(yè)革命中起領導作用，以保持并擴大德國制造業(yè)的傳統(tǒng)核心和國際領先地位。

    2)第四次工業(yè)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(yè)革命中，每個階段也都延續(xù)幾十年。因為，在進行實質(zhì)性的工程技術(shù)改造之前，首先需要的是，在參與者的腦子里發(fā)生改變，要進行跨技術(shù)領域的思考。現(xiàn)在，經(jīng)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(chuàng)新。

    4)最終要贏得的是商業(yè)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。

    參考文獻 　Ampere，ZVEI：Die Elektroindustrie, 2013-1

神仙老虎狗

很好的文章！

zerowing

呵呵，看完了在想，如果第四次工業(yè)革命完成了，天朝該何去何從？
跟上步伐，就意味著大量的失業(yè)人員。保證就業(yè)，就要放棄先進生產(chǎn)力。哈哈。
于是又想起了8爺說的，人在不停的向服務業(yè)流動，為啥？哈，因為制造業(yè)在不斷的疏散勞動力。

憨老馬

宇宙速度

學習了

microsoft_liu

張海平早期在亞琛工業(yè)大學搞液壓基礎研究，老了關(guān)心國內(nèi)發(fā)展，這個人確實是很不錯的，比起有些 國內(nèi)混項目混基金發(fā)垃圾文章的專家教授，不知道要強多少，這個你懂的。

wangqing1

我是看不到了！除非出國！

xiaoshxin

這個東西太超前了，感覺還是很抽象

一重科技

德國一直是引領著工業(yè)的未來啊！！