工业4.0及其对我国机械制造业的影响

国际金属加工网 2018年05月08日

德国政府在《高技术战略2020》一文中指出,将工业4.0作为德国十大未来项目之一,并于2013年4月在汉诺威工业博览会上正式推出,目的就是为了在工业领域引领新一轮的革命性技术进步和创新。

一、工业4.0由来及含义

德国详尽的分析了工业 4.0 所具备的内涵、前景以及技术内容,并提出了相应的战略实施建议。本质上来说,它没有引入更新的技术,但是它的重点在于,在工业生产过程中,如何提高计算机与网络资源的利用率,并使之与物理设备更紧密地融合,形成信息物理融合系统,从而建立起一种协同度高、利用率高的互联互通关系。具体表现为 :在新工厂内的生产系统中,所需的产品组件直接与生产系统相沟通,发出相应指令,指导接下来的生产过程。这将会彻底改变整个传统制造过程,整个生产系统智能化程度更高,物联网络更加紧密。不同的生产组件之间可以相互沟通,反应也更加迅速。在这样的互联互通关系下,生产设备可以互相沟通,交换信息,互相控制,同时又可以独立自主地运作。德国的人工智能研究中心和西门子等其他20多个研究、工业伙伴共同在德国建了一家示范智能工厂,在实际生产中阐释了信息物理融合系统—CPS 的运转方式。在该家示范工厂内,通过肥皂瓶的生产过程进行展示产品与制造机器之间的通信方式。将无线射频识别(RFID)标签贴在空的肥皂瓶上面,这些 RFID 标签将指导生产机器该为瓶子套上黑色瓶盖或者白色瓶盖。这和传统意义的生产线显然不同 :传统意义的生产线可以随机地给肥皂瓶套上黑色或白色的瓶盖,却不能根据加在瓶身上的信息有选择性的套某种颜色的瓶盖。也就是说,对于目标产品,在生产之初,从原材料、零部件开始就携带有数字信号的标签,通过 RFID 无线讯号与周围环境、加工设备相互交流。此时,连接真实世界与虚拟世界的信息物理融合系统—在该产品身上得到了很好的体现。CPS 的涵盖面很广,从机械加工制造业中的存储系统、智能机器到生产设备都可以成为 CPS。这将会从根本上改变包括工程、制造、供应链、材料使用和生命周期管理在内的整个工业过程。德国的电子电气工业协会发布预测 :不同生产部件之间可以相互沟通,将使生产效率提高30% 左右。可以看出,在提倡节能、环保、高效生产的今天,工业4.0将会在未来影响或决定着工业生产的发展速度。

回顾人类历史上经历的三次工业革命,

工业1.0 :18世纪末由机械制造设备引起 ;

工业2.0 :、20世纪初以电气化技术为基础的大规模生产方式 ;

工业3.0 :20世纪70年代以 IT 技术和信息技术为基础。

而对于今天的工业4.0,支撑技术必然是物联网技术和制造业向服务化转变的趋势。

工业 4.0项目主要包括两个方面,第一是指“智能工厂”,这包括工业智能传感器系统、过程和分布式的网络信息系统等基础设施,以此来满足智能化生产所需 ;第二是指“智能生产”,包括整个企业的生产计划、内外物流、现场人机交互界面以及3D 打印技术在生产过程中的具体应用等。在工业 4.0的指导下,中小型企业都可以低门槛、方便、便捷地参与其中,并摇身转变成为智能化制造技术的实践者和受益者,同时还是先进工业制造技术的创造者、供应商。

二、工业4.0对我国机械制造业的影响

作为东方大国的中国,凭借其巨大的制造业总量被称为: “世界工厂”。但事实情况是,中国的制造业水平在全球价值链中仍处在低附加值的生产环节,高强度、高消耗、高密集化的使用资源,给环境带来了巨大的压力。此外,人口老龄化是中国的制造业正在面临的另一大严峻挑战。如果“世界工厂”化的生产模式不加以转变,中国的制造业将很难实现可持续发展,这将会给中国经济产生带来巨大的冲击和损失。工业4.0实施战略,重点关注加工制造过程中的信息化,以信息技术推动加工制造业,实现其持续发展。这对我国加工制造业的发展有一定的启示作用。

1. 在政策导向上,要看准“智能联动”,将其作为信息采集和信息智能化处理相融合的战略支点。我国要努力将制造业的中心由传统方式转变到物联网和智能联动上来。将传统的信息化和单纯的自动化升级为智能化。注重政府与企业之间的共同合作,形成有效的政企联盟,协同创新,使资源的利用效率最大化。

2. 在技术方面,智能联动的关键技术是信息的规范和标准,只有相关约定、协议格式统一,信息沟通才能有效进行。此外,信息技术服务的平台化也是另一项关键技术。要实现以上的目标,必须做到硬件通用化,在彼此独立的子系统中,硬件必须满足通用化才能保障智能联动的顺利进行 ;软件信息化,充分利用重复资源,例如相关的软件等。软件可重复利用,是实现高效率、低投入、高产出的基础。

3. 资金投入更大。计算机系统、信息通道系统、自动控制系统、机器人等不但要增加设施设备,而且还要进行整合。这就要求企业开辟更加广阔的融资来源,以解决建设智能生产系统之需。

4. 人员要分流。传统机械制造业人员密集型的特点显著,而智能机械制造系统对产业工人数量需求更少但综合素质要求更高,实施产业升级富余出来的工人,将分流到其它行业中去,其中,自主再创业和服务业应有很大的包容能力。政府和企业都应为安置好这部分人员发挥作用。中国要想实现工业4.0,目前的道路还任重道远。

对中国制造业的几点建议 :1. 师夷长技,要深入了解加工制造过程,学习先进国家是如何设计制造系统的 ;

2. 要了解加工装备,寻求装备之间的差异化,找到实现更大单位产出的方法;

3. 要认真思考,以提高产品已有价值、发现新的潜在价值为目的;

4. 从管理层抓起,以规范化、标准化两化融合的方面为落脚点。

5、要抓基础科学研究。我国基础科学技术落后,所以不能及时把一些高新技术转化为生产力。要通过政策导向和增加投入,夯实我国机械制造业的基础。

6、加强人才培养。要通过知识教育和技能培训,提高从业人员的综合素质。加强系统集成工程研发,行业要发挥协调作用,集中优势力量,研究系统集成规律,提高整合质量。


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