德国工业4.0简介

工业4.0▪关于德国工业4.0的简要介绍工业4.0（Industrie4.0）是德国政府《高技术战略2020》确定的十大未来项目之一，并已上升为国家战略，旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新。智能工厂赛柏空间提纲▪一.德国工业4.0介绍▪二.其他发达国家情况▪三.对中国工业的启示▪四.几点思考提纲▪一.德国工业4.0介绍▪二.其他发达国家情况▪三.对中国工业的启示▪四.几点思考1、背景▪德国是老牌装备制造业强国，德国在制造业方面的研究、开发和生产，以及对复杂工业过程高效管理是其在全球装备制造业领先的基础。德国拥有强大的机器和设备制造业，在信息技术领域表现出很高的水平和能力，在嵌入式系统和自动化工程方面也颇有建树。但是，伴随着美、日等国“再工业化”战略的提出，全球制造业竞争愈加激烈。而德国乃至欧洲在通信和信息技术市场上的竞争力缺失（市场份额不到10%），使德国人开始担忧其制造业在世界的领先地位。在这种形势下，德国政府提出了产官学一体化的“工业4.0”战略。1、背景（续）▪“工业4.0”研究项目由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助，在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，并已上升为国家级战略。德国联邦政府投入达2亿欧元。▪2011年初步提出，2013年4月，汉诺威工业博览会上正式推出，其目的是为了提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机。▪“工业4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。工业1.0工业2.0工业3.0工业4.0两大主题一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统—赛柏物理系统（Cyber-PhysicalSystem)相结合的手段，将制造业向智能化转型。2、内涵（1）生产工艺与信息技术融合核心技术：赛柏物理空间CPS—Cyber-PhysicalSystem传感器+微处理器+执行器+连网能力CPS强调实体装置和控制网络的连结，即信息通信技术（ICT）在制造业中采用物联网和服务网，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。也被称为人机物融合系统。2、内涵（3个特征）（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。2、内涵（续）（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?2、内涵（续）战略目标德国拥有强大的机械和装备制造业，但美国、日本乃至我国也在通过各种计划，促进先进制造业发展。德国制定工业4.0战略的目的，就是为了“确保德国制造的未来”。双重策略一方面德国要成为工业4.0智能技术的全球领导性供应商；另一方面，德国需要为CPS技术和产品培育新的市场。落实三个基本特征（1）通过价值网络实现横向集成（2）工程端到端数字集成横跨整个价值链（3）垂直集成和网络化的制造系统3、实现路径（1）标准化和参考架构（通用的工业语言）贯穿整个价值网络，工业4.0将涉及一些不同公司的网络连接与集成。只有开发出一套单一的共同标准，这种合作伙伴关系将才有可能形成。需要一个参考架构为这些标准提供技术说明，并促使其执行。3、实现路径（续）：开展八大行动（2）管理复杂的系统生产和制造系统正日益变得复杂，适当的计划和解释性模型能为管理这些复杂的系统打下基础。因此，工程师们应该备有开发出这些模型的方法和工具。3、实现路径（续）：开展八大行动（3）一套综合的工业宽带基础设施毋庸置疑，高质量的综合通讯网络是工业4.0的关键要求。无论是在德国国内，还是在德国与其他伙伴国之间，宽带网络基础设施也因此需要进一步大规模拓展。•绑定可靠的服务水平协议（SLA）•通信容量的可用性和性能•支持数据链路调试/跟踪，尤其是提供相关的技术援助•提供广泛可用/有保证的通信容量（固定/可靠的带宽）•所有移动网络运营商之间的短信传递状态通知•标准化的应用程序编程接（APIs）的配置，涵盖所有供应商（SIM卡激活/停用）•资费管理•移动服务合约的成本控制•服务质量（固定带宽）•可支付的全球漫游费•广泛使用的嵌入式SIM卡•以卫星为基础的解决方案[在人烟稀少的地方]。3、实现路径（续）：开展八大行动（4）安全和安保安全和安保对智能制造系统的成功至关重要。确保生产设施和产品本身对人或者环境不造成任何危险，这点非常重要。同时，生产设施和产品，尤其是它们所包含的数据和信息，都需要加以保护，防止被滥用和未经授权的访问。3、实现路径（续）：开展八大行动（5）数字化工业时代工作的组织和设计在智能工厂，雇员的角色将发生引人注目的改变。越来越多的实时导向的控制，将改变工作内容、工作流程和工作环境。工作组织以一种社会-技术方法实现，将为员工提供承担重大责任和促进个人发展的机会。这一旦成为现实，部署合作的工作设计、终身学习的措施，以及启动参考模型课题将变得尤为重要。3、实现路径（续）：开展八大行动（6）培训和持续的职业发展工业4.0将从根本上改变人们的工作和专业能力。实施适当的培训策略并以培养学习的方式组织工作因此变得尤为必要，可借此实现终身学习和基于工作地点的个人发展。为达成这一目标，示范项目和“最佳实践网络”应该推广，数字化学习技术也应投入研究。3、实现路径（续）：开展八大行动（7）监管框架在工业4.0下建立新的制造流程和横向业务网络架构时，必须遵守法律；而现有法律也同样应在需要时，考虑到创新的影响进行调整。面临的挑战包括保护企业数据、责任问题、处理个人数据和贸易限制。这将不仅对立法，也对其他有商业性质的活动提出了要求——制度将作为一个涵盖面广泛的适用工具而存在，其内容包括指导方针、合同范本和公司集体协议，或者自我监管的举措如审计。（8）资源效率撇开成本高不说，仅制造业在原材料和能源上的大量消耗就给环境和安全供应带来诸多风险。工业4.0将带来资源生产力和效率的提高。对企业来说，权衡“需要投资在智能工厂中的额外资源”与“带来的潜在节约”之间的利弊非常必要。3、实现路径（续）：开展八大行动2014年汉诺威工业博览会（简称汉诺威工博会）4月7日在德国开幕，本届工博会的主题为“融合的工业——下一步”。成都西门子数字化工厂西门子德国安贝格自动化工厂4、从概念走向现实5、工业4.0应用发展潜力（1）满足个体用户的需求（2）灵活性（3）决策优化（4）资源生产率和利用效率（5）新服务创造价值机会（6）应对工作场所人口的变化（7）工作和生活的平衡（8）高工资仍然具有竞争力工业4.0允许在设计、配置、订购、规划、制造和运作等环节能够考虑到个体和客户特殊需求，而且即使在最后阶段仍能变动。基于CPS的自组织网络可以根据业务过程的不同方面，如质量、时间、风险、鲁棒性、价格和生态友好性等，进行动态配置。为了在全球市场上取得成功，在短时间内能够做出正确决定变得越来越关键。工业制造过程的总体战略目标适用工业4.0：在给定资源量的前提下，得到尽可能高的产品输出；使用尽可能低的资源量，达到指定的输出。通过下游服务，工业4.0开辟了创造价值的新途径和就业的新形式。通过工作组织和能力发展计划相结合，人与技术系统之间的互动合作将为企业提供新的机会，将人口变化转化为自身的优势。使用CPS的公司更加灵活的工作组织模式，意味着它们可以很好地满足员工不断增长的需求，让员工在工作与个人生活之间，以及个人发展与持续的职业发展之间实现更好的平衡。工业4.0不会对相关行业构成纯技术层面或与信息技术相关的挑战。提纲▪一.德国工业4.0介绍▪二.其他发达国家情况▪三.对中国工业的启示▪四.几点思考二、其他发达国家情况（1）美国再工业化美国“再工业化”，包括调整、提升传统制造业结构及竞争力和发展高新技术产业两条主线。美国制造业并没有衰落，2010年美国制造业产出近1.8万亿美元，稍稍领先于中国，比日本制造业产出高2/3，是德国制造业产出的三倍，仍是世界最大的。2011年，美国制造业产量创历史纪录，比1990年高六倍。美国制造业的主要问题是就业岗位在减少，成因主要是国内生产自动化和劳动成本过高，迫使美国大公司将产业转移到国外。1970年，在美国全部7000万就业岗位中，在制造业就业者近1700万，占25%。到2012年，在美国13370万就业岗位中，在制造业就业者只有1190万，仅占9%。美国政府鼓励“制造业回归”以来，已出现某些制造业回归美国迹象。但专家们一致认为，美国“再工业化”主要目标是调整产业结构，转变发展方式，发展先进制造业。比如3D打印技术产业已成为美国“十大增长最快的工业”之一。有专家认为，3D打印技术或许具有蒸汽机或电话相似的时代意义，很可能预示新的工业革命正在到来。二、其他发达国家情况（2）日本日本政府也极端重视高端制造业的发展，大规模编制技术战略图。首先，政府加大了开发企业3D打印机等尖端技术的财政投入。2014年，经济产业省继续把3D打印机列为优先政策扶持对象，计划当年投资45亿日元，实施名为“以3D造型技术为核心的产品制造革命”的大规模研究开发项目，开发世界最高水平的金属粉末造型用3D打印机。其次，快速更新制造技术，提高产品制造竞争力。近年日本制造业出现了三个新现象。一是采用“小生产线”的企业增多：本田公司通过采取新技术减少喷漆次数、减少热处理工序等措施把生产线缩短了40%，并通过改变车身结构设计把焊接生产线由18道工序减少为9道，建成了世界最短的高端车型生产线；二是采用小型设备的企业增多：日本电装公司对铝压铸件的生产设备、工艺进行改革，使得铸造线生产成本降低了30%，设备面积减少80%，能源消费量降低50%；三是通过机器人、无人搬运机、无人工厂、“细胞生产方式”等突破成本瓶颈：佳能公司从“细胞生产方式”到“机械细胞方式”，再到世界首个数码照相机无人工厂，大幅度地提高了成本竞争力。提纲▪一.德国工业4.0介绍▪二.其他发达国家情况▪三.对中国工业的启示▪四.几点思考三、对中国工业的启示一点认识“德国工业4.0战略”和”中国两化融合战略”的目标相同、本质相同。两点挑战一方面，从盈利能力及品牌地位来看，中国制造业竞争力与发达国家存在较大差距。另一方面，从研发投入比较来看，中国制造业竞争力提升亦面临较大挑战。如：美国研发投入前20名企业的研发投入总额高达2700多亿美元，超过我国全部企业研发投入总额。三个机遇一是为中国工业发展创造了新的增长机会。二是先进制造技术终归是在工厂和制造环节的应用，中国庞大的制造基础为先进制造技术和相关产业的发展提供了巨大的潜在市场和应用场所。三是借助德国4.0平台，抢占制高点，提高我国高端制造业的发展水平。三、对中国工业的启示：减少能源消耗——生产间歇的汽车车身装配线如今，许多生产线或者它们的一部分因生产间歇、周末或者轮班而没有从事生产的时候仍然持续地运行并消耗大量的能源。例如，使用激光焊接技术的汽车车身装配线在生产间歇时所消耗的能源占据了其全部能源消耗总量的12%。这些生产线每周工作5天，实行3班倒。虽然这些复杂的机器在周末并不生产，但它们仍然保持工作状态以便周末结束后迅速投入生产。未来，机器人即便在很短的生产间歇也可以关闭，而在比较长的时间段，它们将保持一种被称为“网络唤醒模式”的待命状态；通风设备