本帖最后由 亮剑 于 2014-3-13 02:15 编辑
德国第四次工业革命
张海平2014-3-12 摘要： 本文介绍了笔者在2013汉诺威工业博览会上所了解到的一些关于第四次工业革命的探讨。 受中国液压气动密封件工业协会委托，笔者观摩参与了德国汉诺威2013工业博览会。这次汉诺威博览会的热议话题是“第四次工业革命”。 “第四次工业革命”(Industrie 4.0)最早是在2011年汉诺威博览会上，由三位大学教授提出来的。 制造业在德国的国民经济中(创造的价值)占26%。作为提升传统制造业的战略发展方向，112页的实施建议由项目研究组在2012年10月2日提交给德国联邦政府此项目牵头的教育科研部(BMBF)、经济部(BMWi)和内政部(BMI)。已拨款2亿欧元(约16亿人民币)作为第一步的研发经费。 这是一场有组织的革命。德国的机械设备制造协会(VDMA)、电子工业中央联盟(ZVEI)和信息通讯新媒体协会(BITKOM)有史以来第一次搭建了一个联合工作平台，2013年4月开始工作，任务之一就是协调已有的和要开始的研究项目。
在德国，工业革命是如此认定划分的： 第一次，机械化。从18世纪末开始，蒸汽机逐步取代人力。当时，机器采用集中动力驱动，动力 从上空的动力轴通过皮带传给机器。机械制造，之前已开始有分工，但直到采用新动力方式，才开始如今天的形态。 机床制造，作为一个行业，最早从英国开始。“Made in Germany”就是当年英国人在德国人造的机床上贴的(作为劣质品的)警告标志。 第二次，流水线生产。始于1913年美国人福特采用流水线制造汽车，规格化生产，成本大大下降，价格从850US$降到370US$。但同时也大大地放弃了个性化。机器和流水线开始逐步由电驱动，更易控制。 第三次，自动化。始于1974年。当时在德国一个小地方(Neuhausen im Enzkreis)的一个小企业(Klaschka GmbH)研发出了由集成电路制成的PLC(可编程逻辑控制器)。控制逻辑，相对继电器组成的控制器，可以更方便更灵活地更换修改，迈出了微处理器控制工业应用的第一步。但当时正值冷战，没有人想到这个小东西会对工业生产带来如此大的变化，以致值得称之为革命。以后，硬件水平、集成度不断提高，采用了C语言和更高级的编程语言，不仅可以描述简单的与或逻辑关系，还可以描述各种复杂的控制策略(PID、自适应、自学习等等)，现在已被广泛使用，几乎无处不在。一个典型的例子是汽车工业。在上世纪八十年代末，美国麻省理工学院完成的一项耗资500万US$的调研报告“改变了世界的机器”说，日本汽车工业之所以能在20年里抢占世界三分之一市场，除了“苗条”(零库存)工厂外，最重要的一点是因为广泛实现了装配自动化，机器人辅助的装配大幅度地提高了质量与生产率，因此，今后美国和欧洲的汽车工业很难与之竞争。但是，德国的汽车工业挺住了，其中一个原因就是，德国的机器人中都装有PLC，程序可以灵活地不断更换改进。 第四次工业革命的目标则是工厂智能化Intelligente Fabrik(Smart Factory)。 中心：让网络技术进入制造业。 背景：今后制造业将面临的形势——紧缺的资源、能源转变、员工年龄结构改变、全球化。 技术基础：网络和空间分布系统、顺畅的通讯，宽带速度达7000Mbit/s。 特点：灵活易变、高资源效率、考虑人类工程学、以及使企业与顾客、业务伙伴最紧密地结合。 设想的变革大致在以下几个方面。 1) 生产工艺与信息技术融合 目前所说的数字化工厂，首先强调的是生产计划数字化和大量使用各种计算机辅助技术：CAD、CAM、CIM、PPS(生产计划控制系统)、PDM、DMU(数字试验模型)、PLM(产品生命周期管理)，等等，较多地是基于一个相对固定、由上而下的生产集中控制系统。而新的革命强调的则是分散，降低集中控制度，增加生产设备的自主控制，把分散的自主的智能化的制造设备，通过网络的形式紧密地联接在一起，具有更开放，更积极通讯的系统结构，更具动态性和灵活性，从而能发掘出更多优化的可能，估计可以提高生产效率 30%。其中，CPS将起一个核心的作用。CPS——Cyber-Physical System，网络实体融合控制系统是一个由传感器、控制电脑、执行器以及网络组合的控制系统。 目前在某些领域，例如航空、汽车、化工生产、基础建设、能源、健康、制造、交通控制、娱乐和消费性电子产品等等，已出现了类似于CPS的电子组合控制系统，但这些系统目前通常都是嵌入式系统，比较强调其运算控制能力，CPS则更强调实体装置和电脑网络的连结。 CPS是借用技术手段实现人的控制在时间、空间等方面的延伸，本质就是人、机、物的融合。所以，也被称为人机物融合系统。 2)产品个性化 生产高度灵活的工厂可以迎合顾客对产品个性化、多样化、不断改变的要求，可以通过现代化的手段，以大批量生产的成本，制造批产量1的产品。从某种意义上说，回到了第一次工业革命之前。顾客与工厂频繁交流沟通，不仅在订合同前，而且在下订单后、设计、加工、装配、调试阶段。因此，顾客甚至可以在产品生产过程中改动他的订单细节。 力士乐泵厂虽说年产100万台以上，但十几个大类，每类有十几个规格，每个规格的变量功能有十几种，不同的限压、恒功率值等等要设定。因此，最终产品好几万种，每批量并不很多。灵活多变的管理是极其重要的。 3)生产人性化 通过工厂智能化，更多的员工可以有灵活的工作时间，因此工作更安心了。利用网络，生产可以分散，从而可以分散能量供应。利用网络，员工可以就近，甚至在家里上班。他们问道，如果大量员工每天长途开车上班，到厂里再花很大力气节能减排，又有多大实际意义呢? 图1为一个设想的工厂。
图 1 一个设想的网络化工厂 A. 所有加工设备、待加工部件(运输小车)、装料机器手都装有 CPS，都具有无线上网功能。 B. 待加工部件不通过中央控制器，直接与加工设备联系确定，到哪台设备进行哪些加工。工件控制工厂。 C. 负责下道工序的加工设备直接调用待加工件，独立自主的运输小车根据地下铺设的感应线路，把工件送给装料机器手。 D. 所有后续工序需要的产品信息，包括生产销售文件都由各工件自己携带。 E. 如果出现差错，或顾客的特别要求与现有的 CAM 数据不符，研发部的工程师会立刻得到报警。补充改进措施会立刻在一个虚拟的试验环境下检查，然后发给工件。德国应用技术研究院的制造设备与生产技术研究所(IPK)与柏林工大的机床与工厂管理研究所合作，自 2008 年起就建立了一个名为 Sopro(生产自我组织)的示范性车间，以笔记本电脑模拟产品，自我安排加工，起中心领导作用。在 Kaiserlautern 市的人工智能研究中心已经建立了一个示范工厂(图 2)，20 个企业参与了工厂的运营。
图 2 一个示范工厂 德国 Wittenstein 公司在斯图加特市内新建了一个所谓“住宅区工厂”，机床、生产工具和半成品都已联网，产品细节在最后一分钟还可以更改。制造的精密齿轮被用于方程式 I 的赛车、航空与航天等设备中。 力士乐公司推出了开放核心(图 3)，即工程师可以用各种高级编程语言，通过各种编程工具，从各类硬件的各种操作系统出发，调用核心的控制功能，完成各种应用。演示模型是一个平板电脑，通过无线网络(W-LAN)，控制一个六自由度的平台，随平板电脑摆动。
图 3 力士乐推出的开放核心 图 4 为力士乐设想的将来的工厂，全自动车间，技师带着平板电脑，利用无线网络，与各设备联络，了解情况，调整状况。
“第四次工业革命”在 2013 汉诺威工业博览会上也被广泛地讨论了。较普遍的意见是： 1)德国在机械制造、自动化及信息技术方面已经很强大，德国经济就是依靠 know-how(技能)、高质量和首创的产品生存，所以，有最好的前提条件，在第四次工业革命中起领导作用，以保持并扩大德国制造业的传统核心和国际领先地位。 2)第四次工业革命不会是一个从今天到明天，一下子抛弃全部已有设备的突变，而是一个渐进的过程(2020-2030年)。前几次工业革命中，每个阶段也都延续几十年。因为，在进行实质性的工程技术改造之前，首先需要的是，在参与者的脑子里发生改变，要进行跨技术领域的思考。现在，经济界、法律界、工会都已参与进来。 3)很重要的是要注重实效，不断改进、不停创新。 4)最终要赢得的是商业伙伴和员工。如果做不到这点的话，所有闭门思考出来的方案都是没有用的。 参考文献 Ampere，ZVEI：Die Elektroindustrie, 2013-1
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