工业4.0:欢迎步入智能工厂时代

工业4.0是生产中的物联网,将整个价值链连接在一起。这意味着,它将机器、产品、人员和系统相连,以实现基本自动化的流程。通过智能工厂,企业将能够更高效、更灵活并以更低的成本生产产品。然而,这也会导致劳动力市场需求发生改变——简单的常规工作将消失,从而释放更多人力资源到新出现的、要求更高的工作之中。员工仍将继续发挥关键作用。企业将面临众多挑战,例如:如何让老旧的机器接入互联网?如何保护互联系统,防止其遭受黑客入侵?

机器人将在工厂车间自主移动并运送生产材料。产品将与机器“通信”,并自行发起后续生产步骤。当设备发现自身需要维修时,会自动通知技师——是的,这就是智能工厂!

第四次工业革命(简称“工业4.0”)已经开始。继蒸汽机、传送带、电子与IT设备之后,智能互联系统成为时代主角,将从根本上改变人们的生产方式。在未来,整个价值链中的大部分流程都可能实现自动化。机器将能够彼此相互通信并自行做出决策。为此,机器将通过其感觉器官——传感器来收集数据,对数据进行过滤,然后将其传递至平台中。平台仍将作为大脑,汇集机器数据和来自其他来源(例如,企业资源规划(ERP)应用或环境)的信息。根据数据分析的结果采取相应的对策。

工业4.0案例

到目前为止,大部分企业已开始采用工业4.0技术来提高生产作业速度和降低成本或降低废品率。比如,它们能通过分析数据,识别错误源头。举个例子:一架欧洲飞机制造商位于德国汉堡的工厂发现,其组装的机翼出现了较大的公差偏差。为此,制造商利用大数据分析,将机器数据与环境数据进行关联,发现了令人惊讶的答案——该问题总在退潮时发生。他们据此对其生产实施相应调整。

许多企业还采用了预测性维护。它们不断地分析机器数据并将其与过去的模式进行比较,以此识别出一般在哪些条件下会发生问题,并开展维修工作,从而在一定程度上避免发生停机及相应成本损失。以巴斯夫位于路德维希港的工厂为例:为更好地规划生产设备、泵、发动机和热交换器的维护,巴斯夫开发了一套预警系统。该系统可分析实时数据与历史数据,从而预测何时将有必要开展维护工作。然而,智能工厂的原理不仅能在本地应用,世界各地不同地点的机器也能相互连接,构成一个庞大的虚拟工厂。例如,英飞凌位于亚洲的公司能将其测试结果直接传送到其位于德累斯顿的工厂,以便将这些结果融入该工厂的生产之中。

汽车行业的工业4.0

汽车行业已在成功地应用工业4.0技术。例如,戴姆勒通过对机器数据进行评估来改进气缸盖的生产质量,让生产负责人能在生产流程的早期阶段检测出偏差和异常,并快速采取相应行动,从而降低了错误率并让生产流程变得更具有成本效益。大众正在致力实施另一个令人振奋的方案:在某个工业4.0项目中,利用RFID(射频识别)技术,更快地捕获测试车组件中的数据。这些组件已由供应商预装RFID芯片。在汽车接受测试时,工程师可轻松识别所安装的原型部件,并能显示开发环节所需的具体信息,从而在恰当时间、恰当地点,获得了恰当的信息。

物流行业中的工业4.0

在物流行业,工业4.0技术有助于优化运输路线、充分利用储存容量和做好提前规划。例如,汉堡港每年有1.4亿吨货物被转运,而且该数字到2030年将可能翻番。然而,该港口没有足够的空间。因此,汉堡港管理局面临更快转移集装箱的挑战。

在一项工业4.0项目中,人员、货车、集装箱、货船、吊车和交通管理系统彼此实现了互联,因而能相互通信并提供业务相关数据。其结果是:货车能更快达到目的地、驾驶员知道在哪个位置能更快地卸货,并且船主能提前规划行程。所有这些都让流程得到简化,让汉堡港能够更迅速地中转货物。

互联生产并非选项,而是必需

工业4.0并不意味着充分榨取技术可行性。相反,在激烈的国际竞争背景下,企业必须充分实施生产数字化,才能在市场中存活。因此,优化流程和削减成本成为重中之重。智能互联系统还能让企业根据客户的个性化需求,有针对性地定制少量产品,提高盈利能力。这样,这些企业就有机会从通过大规模生产进行价格战的供应商中脱颖而出。

人口结构变化也导致了优化生产的必要。我们的社会正在步入老龄化,就业人口占比正在下降。而且,这一趋势无法通过人口迁移来抵消。根据德国联邦统计局的计算结果,到2040年,德国67岁及以上年龄的人口数量将增加42%,即至少增加至2150万。然而,20到60岁人口数量预期将减少11%到25%,具体取决于人口迁移率。因此,专家一致认为:如果我们要保持繁荣,就必须提高生产效率并更好地部署可用的劳动力。

边缘计算

边缘计算

在工业4.0项目中,将产生大量数据并需要对其进行分析——理想情况下,需要进行实时分析。然而,将这些大量数据全部传输到数据中心,将耗费时间、成本和大量存储空间。正因如此,许多企业在距离互联系统较近的数据产生位置(即“边缘”),对数据进行分析。在此过程中,不重要的信息被立即删除,以便将剩余的具有相关性的数据馈送到数据中心。例如,如果传送带会在温度过高时立即停止,则“正常温度”信息并不重要。仅当传感器测量到偏差时,才需要对这些数据进行分析。

工业4.0将对人口就业产生哪些影响?

然而,在机器将接管越来越多工作的趋势下,人们的工作会发生什么情况呢?许多员工担心自己会失业。英飞凌管理委员会成员Jochen Hanebeck对此趋势表现得非常淡定:“有一半的雇员肯定会受到数字化的影响,但总体就业机会不会减少。”英飞凌位于德累斯顿的半导体生产工厂就是典型的例子。该工厂在200到300毫米的晶圆上生产芯片。300毫米晶圆的生产线是为实现充分自动化生产而专门建立的,较早的200毫米生产线则在过去几年逐渐实现了自动化并提高了互联程度。

目前,该工厂的自动化率已达到90%左右。因此,与20世纪90年代中期刚成立时相比,该工厂成功地将其生产率提高了70%。与此同时,过去十年,该工厂的雇员人数一直稳定在2000人左右。数字化与互联保持了德累斯顿工厂的竞争力,确保其实现增长,并且将为该工厂的未来长期发展发挥关键作用。

波士顿咨询公司(BCG)进行的一项调查也反映出工业4.0的美好前景:预计到2025年,工业4.0每年会贡献德国国内生产总值的1%,并创造约39万个新的就业机会。这意味着,未来将有更多更复杂的工作,将出现更多的就业需求——尤其是在IT、数据分析与维护领域。与此同时,一些简单的重复性工作将显著减少。因此,可以肯定,并非每个人都会失业。毕竟,让机器人拖动沉重的板条箱,意味着劳动者的健康将得到保护,并将有更多时间完成更具挑战性的工作。

这一趋势意味着,雇员必须愿意不断地开发自身技能。例如,Uwe Häßler就是一个成功的例子:Uwe Häßler是一名接受过良好培训的电工,他于1990年在机械工程公司Harting Applied Technologies开始了他作为技术工人的职业生涯,之后于2001年转型为PLC编程员。现在,他负责开发工业4.0系统及IT接口。“当我在三年前开始参与研究项目时,当时提到的一切都是我无法想象的幻景,”Uwe Häßler说,“我还说这些是绝对不可能实现的。但现在和他们一样,我会说:是的,这是可能的。而且,我在依靠自己的努力实现这些愿景。”

防范黑客威胁

工业4.0将给企业安全带来哪些影响呢?——这是一个合理的问题,因为每个互联设备都为黑客提供了新的攻击目标。只要生产设备与IT隔离,我们就能相对更容易地防止这些设备遭受外界威胁。然而,在工业4.0的互联世界中,将出现众多潜在入侵手段。网络犯罪可能造成工厂被控制、机器被操纵,或者发生工业间谍活动。此类网络犯罪已初现端倪:2017年5月,英国公立医疗系统、法国汽车制造商Renault和德国联邦铁路公司等单位的计算机纷纷遭受蠕虫病毒Wannacry的感染。该恶意软件通过对系统进行加密,对系统造成暂时性破坏。黑客希望借此进行勒索。

因此,为保护自己,企业必须从开始实施工业4.0项目之时,就考虑到安全问题。为此,企业需要将系统保持为最新状态,并安装安全软件更新。软件与硬件相结合的安全解决方案也可确保互联机器与通信节点受到保护。例如,英飞凌的OPTIGA TPM芯片,可内置于路由器、工业PC或复杂的控制单元中,并由通信合作伙伴用来对网络中的设备进行验证,进而在网络中完成自我认证并保护数据传输。

机器对机器(M2M)通信

机器对机器(M2M)通信

工业4.0的一项重要要求在于,机器必须能够共享信息。然而,这种机器对机器通信(M2M)仅在设备均使用同一语言的前提下才能实现。做到这一点不太容易,因为在传输传感器数据的过程中,使用了许多不同的协议(即语言)。专家正在全力定义统一的标准。欧洲已基本确定OPC UA和MQTT协议,美国则基本确定了DDS协议。

让老旧的机器适应互联网的要求

除了安全性之外,企业在工业4.0项目中面临的一项基本挑战还在于:如何让机器首先做好接入互联网的准备?尽管供应商已开始提供一些集成了物联网模块的新设备,但极少数工厂是在现代化技术水平基础上从头构建的。多数工厂的生产线往往已使用多年,并且由许多不同年龄段的机器组成。一些设备价格昂贵,无法立马更换。然消费者大多选择每三年购买一部新的智能手机或个人电脑,但工业机器通常会使用20年甚至更长时间。

为了让这些老旧的机器适应工业4.0的要求,必须使用传感器、软件和支持物联网的工业控制器,对其进行升级。为此,市场提供了一些改造方案。例如,Bosch Rexroth的物联网网关甚至能让一台1887年的脚踏式车床接入互联网。该传感器可监测该车床的速度,并将这些数据传输到中介设备——即物联网网关,由物联网网关与企业的其他系统相连。车床操作员可在监视器上实时看到这些传输数据,从而快速获知是否加快或减慢踏板速度,以保持理想速度。

未来已开始

根据 IDG Research Services的一项最新调查“Industrie 4.0——Wo steht Deutschland”(“工业4.0——德国处于哪个阶段”),到目前为止,在德国企业中,仅有约五分之一实施了工业4.0项目。然而,三分之二的被调查对象推测,工业4.0将在未来三年成为各自的一项重要或非常重要的主题。硬件与软件供应商和IT服务提供商之中出现了类似“淘金热”的氛围。行业协会Bitkom预测,到2018年,工业4.0解决方案的收益将增长20%以上,也就是增长至70亿欧元。英飞凌管理委员会成员Jochen Hanebeck认为,德国正处于非常良好的状态:“基本上,德国和欧洲已充分做好迎接工业4.0的准备。我们拥有完整的价值链以及以顶级质量生产极其复杂产品的能力。总而言之,我们擅长于制造。”

工业4.0是生产中的物联网,可使整个价值链连接在一起,因此也被称为“工业物联网”(IIoT)。智能机器将彼此交换信息,并自行组织。整个价值链中的流程将实现互联和自动化。因此,整个生产将变得更高效、更敏捷。此外,工业4.0还会引起一些深远的变化。工业4.0一词是“第四次工业革命”的简称。

目前,德国约有五分之一的企业已实施初步工业4.0项目。这些领跑者包括一些IT预算超过1000万欧元的大型企业。半导体行业尤其活跃。木材家具行业和机械工程行业已在依赖于工业4.0项目。(来源:“Industrie 4.0——Wo steht Deutschland”,即“工业4.0——德国处于哪个阶段?”)

第一次工业革命自1784年发明机械化织布机开始。机械生产设备依靠水力或蒸汽动力来驱动。第二次工业革命自19世纪末期使用电力驱动机器开始。1870年辛辛那提屠宰场的第一条传送带,让劳动分工成为可能。第三次工业革命自20世纪70年代使用IT及电子设备从事生产开始。1969年出现了第一台可编程逻辑控制器(PLC),为进一步自动化奠定了基础。现在,我们正在开始实施第四次工业革命,让智能工厂中的智能互联系统实现交互。

“工业4.0”一词在2011年汉诺威工业博览会上首次出现。行业协会及其成员企业,以及德国联邦教育与研究部(BMBF)和德国联邦经济事务与能源部(BMWi)联合支持第四次工业革命的实施。2013年4月,这些机构建立了工业4.0平台,该平台将为企业实施数字化提供支持。

工业4.0将让企业能够优化生产运营并开展国际竞争。数据分析将使所有流程步骤变得透明。制造将变得更加自动化、更灵活、成本更低。企业还可根据个体需求,进行高效的少量定制化生产。与此同时,实施工业4.0和物联网的前提是确保较高的安全水平,因为每个互联设备都可能为黑客提供入侵渠道。

数字化和工业4.0正在改变劳动力市场。许多简单的重复性工作将消失,并被一些新的工作取代。数据分析或维护等领域将需要一些能处理更复杂、更具挑战性工作的雇员。人仍将承担关键角色。以英飞凌位于德累斯顿的半导体生产工厂为例。过去十年,尽管该工厂的200毫米晶圆生产线实现了约90%的自动化率,并且300毫米晶圆生产线达到几乎100%的自动化率,但该工厂的雇员人数一致保持稳定。自动化保持了该工厂的竞争力,从而为其增长和就业保障奠定了基础。

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