工業(yè)4.0中智能動態(tài)生產(chǎn)管理系統(tǒng)

對數(shù)據(jù)進(jìn)行生成、匯總和評估，并利用數(shù)據(jù)來獲取經(jīng)濟(jì)效益。對此，應(yīng)該要對各種數(shù)據(jù)了然于心，并從正確的數(shù)據(jù)中得出正確的結(jié)論，長久以來圍繞著工業(yè)4.0定義的問題和對企業(yè)間在各自不同的實施過程中是否會相互隔離的擔(dān)憂就一直存在著。只要回顧一下工業(yè)領(lǐng)域里大量的事例，不難看出網(wǎng)絡(luò)化的世界其實是一個共同的世界，在這個領(lǐng)域里，工件向設(shè)備提供信息，數(shù)據(jù)被儲存在云端，或者數(shù)字材料泄露了所有重要的內(nèi)容。

例如，在網(wǎng)絡(luò)化的組合中，Bosch的名稱代表著大量的成功經(jīng)歷。通過對聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)對各種不同部件的及時和自動的訂購，由此這家位于Homburg地區(qū)的制造廠商在一條由2000多個不同部件所構(gòu)成的多產(chǎn)品生產(chǎn)線上可制造出200種不同的液壓模塊產(chǎn)品。

圖1 在位于Stuttgart-Feuerbach地區(qū)的Bosch工廠里，生產(chǎn)車間的操作人員借助于Active Cockpit（智能動態(tài)生產(chǎn)管理系統(tǒng)）對實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這種系統(tǒng)納入了大量的實時信息，由此可以幫助企業(yè)提高競爭力

工業(yè)4.0中的關(guān)鍵要素

新的多功能生產(chǎn)線工作站實現(xiàn)了智能化聯(lián)網(wǎng)，通過工件上的RFID芯片來識別成品的碼垛方式和所需的工作步驟。裝配所需的工作計劃可被自動調(diào)出，并可以依據(jù)工人的培訓(xùn)程度，提供多種母語版本的個性化選擇。對此，Bosch公司實施了工業(yè)4.0中的多個關(guān)鍵要素：分散智能、快速聯(lián)網(wǎng)、實時關(guān)聯(lián)和自主行為。同樣在Homburger工廠里，Bosch公司也通過數(shù)據(jù)挖掘方式極大縮短了對液壓閥門的檢驗時間。

“Bosch公司通過對各類數(shù)據(jù)的定向分析，可以把諸如液壓閥門的檢驗時間縮短18%。在審核30?000件成品閥門的生產(chǎn)數(shù)據(jù)時我們發(fā)現(xiàn)，如果前期階段的一些檢驗工作執(zhí)行得更加主動的話，則在后續(xù)檢驗流程中的某些步驟是可以被省略掉的。”在Bosch公司負(fù)責(zé)150多個有關(guān)工業(yè)4.0示范項目的Stefan Aβmann博士這樣解釋說。從對前期檢驗工作的分析中可以可靠地預(yù)測出后期檢驗步驟的結(jié)果來。“對此類或那些更復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性的揭示可以節(jié)省時間和費(fèi)用。在工件數(shù)量達(dá)到數(shù)百萬件的情況下，分分秒秒即可累積成為很多天數(shù)，歐分也可以累積成為百萬歐元。”Aβmann進(jìn)一步說道。

為了從數(shù)據(jù)中生成真正意義上的數(shù)值，則需要有掌握生產(chǎn)與IT之間相互協(xié)作并能對所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對性分析和求值的專家們的參與。由于在聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的復(fù)雜話題方面還缺少大量的專業(yè)人士，像Trumpf公司之類的企業(yè)就提供內(nèi)容廣泛的咨詢服務(wù)。作為一家全球領(lǐng)先的機(jī)床和激光技術(shù)專業(yè)公司，該企業(yè)多年來一直在朝著工業(yè)4.0方向奮力拼搏著。“由于這個話題相對比較抽象，我們必須要走近我們的用戶，給他們指明方向并回答他們的許多問題。這是許多用戶對我們的期待，也是我們的責(zé)任。”Trumpf公司機(jī)床事業(yè)部總經(jīng)理Mathias Kammüller博士如此強(qiáng)調(diào)了工業(yè)4.0的核心作用。

Trumpf公司實施工業(yè)4.0的最新舉措是網(wǎng)絡(luò)化示范工廠。對此，Trumpf公司把其板材生產(chǎn)單元(類似于傳統(tǒng)板材加工企業(yè))轉(zhuǎn)變到數(shù)字化的生產(chǎn)流程中去：在這里，Trumpf公司大力開發(fā)并采用自己的Tru Connect技術(shù)方案和Axoom數(shù)字業(yè)務(wù)平臺等功能組塊。例如，一套MES系統(tǒng)可以對生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行測定、顯示和評估，并只需通過一臺手持移動式操作終端即可處理實時生產(chǎn)信號。“對此，板材生產(chǎn)單元就是一個具體的例子，由此來說明工業(yè)4.0是如何運(yùn)作的。通過此類應(yīng)用場合，我們可以在今后幾年內(nèi)把生產(chǎn)效率再提高30%。”Kammüller接著說道。

圖2 基于西門子CNC控制系統(tǒng)Sinumerik而得以擴(kuò)展的輪廓切削循環(huán)可以使車床實現(xiàn)四軸車削加工。兩個并排布置的車削刀具可以對工件同時進(jìn)行切削，由此可以大幅縮短加工時間

智能輔助系統(tǒng)

屬于精密刀具整體方案的主導(dǎo)供應(yīng)廠商之一的Komet公司，多年來也在從事工業(yè)4.0的話題。該公司通過其Komet Brinkhaus子公司推出了一款系統(tǒng)產(chǎn)品，它不僅可以監(jiān)控刀具斷裂和刀具磨損等情況，還可以被用作整個生產(chǎn)流程中的一種輔助系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中，該系統(tǒng)可以對設(shè)備的內(nèi)部信號進(jìn)行監(jiān)控和記錄，例如主軸的轉(zhuǎn)矩或軸的進(jìn)給力等。此外，該系統(tǒng)還可以收集像刀具更換或設(shè)備停機(jī)等事件數(shù)據(jù)。結(jié)合運(yùn)用可從控制系統(tǒng)里讀出所謂的流程標(biāo)識符(如程序、工具、段號等)，軟件系統(tǒng)即可依據(jù)工藝參數(shù)要求進(jìn)行計算并推導(dǎo)出各種運(yùn)行趨勢。

但是，在B2C部門從聯(lián)網(wǎng)措施中受益之前，B2B部門還須明確幾個工作方向，即技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。為了很好地結(jié)合自動化和IT技術(shù)，需要設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)化的接口。“為了使工業(yè)4.0能夠沿著整個價值鏈運(yùn)作并跨出企業(yè)和國家的邊界，很多層次上的各種不同的合作伙伴需要實現(xiàn)相互溝通。例如員工、機(jī)器人、生產(chǎn)線、數(shù)據(jù)庫等等，均屬于此。在www上面，我們通過HTML已經(jīng)有了一種共同的語言，因為針對工業(yè)4.0必須產(chǎn)生這樣的語言。參與的各方都必須與其專利技術(shù)方案告別，并提供開放式的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。”Aβmann接著說道，“在制定標(biāo)準(zhǔn)方面已經(jīng)跨越了第一批障礙，例如通過定義工業(yè)4.0的參考構(gòu)架模型(簡稱Rami 4.0)，它可以使標(biāo)準(zhǔn)制定工作變得更系統(tǒng)化。在此基礎(chǔ)上即可使具體的、有些已經(jīng)存在的標(biāo)準(zhǔn)相互協(xié)調(diào)、相互和諧并繼續(xù)發(fā)展。”IPH研究所協(xié)調(diào)所長Georg Ullmann博士如是說，“唯有當(dāng)所有參與方都說一種共同的語言的時候，方可實現(xiàn)高效而有利的通信過程。從必要的規(guī)劃安全性角度上看，除了純技術(shù)層面之外，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對于企業(yè)來說也是至關(guān)重要的。”

因此，網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)方案的主要推動力便是各企業(yè)與其他企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)的合作，其共同項目均基于統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和開放的平臺。這種工業(yè)4.0的共生體便構(gòu)成了Lenze SE和IPH以及現(xiàn)有的研究項目“網(wǎng)絡(luò)化智能生產(chǎn)系統(tǒng)”(簡稱netkops)。

聯(lián)合項目對網(wǎng)絡(luò)化智能生產(chǎn)系統(tǒng)的實施和經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的各項技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。因此，將來的設(shè)備、操作和輸送系統(tǒng)可以發(fā)出智能化的動作，并朝著人類智能方向發(fā)展。將來的生產(chǎn)設(shè)備部件可以相互溝通、識別問題、得出結(jié)論、學(xué)習(xí)和規(guī)劃新的東西。通過貫通式網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備與分散的輸送設(shè)備控制系統(tǒng)的相互配合，可以開發(fā)出一些簡單可擴(kuò)展的和可自行優(yōu)化的物流系統(tǒng)。“我們的任務(wù)就是要繼續(xù)推進(jìn)工業(yè)4.0的愿景。這就是說，要識別新的研究問題，引入新的技術(shù)方案思路，并與企業(yè)一道邁出研發(fā)和試驗工作的頭幾步。”Ullmann解釋說。

圖3 Materials Data Space技術(shù)平臺可以把材料當(dāng)作某些擁有可調(diào)特征的可變系統(tǒng)來加以理解和利用

成套軟件和IT技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)

西門子公司在實施工業(yè)4.0的道路上通過采用其成套軟件“Sinumerik Integrate for production”而邁出了很大的步伐。該成套產(chǎn)品可以很方便地使設(shè)備與生產(chǎn)線上的IT相互聯(lián)網(wǎng)。由此，可以提高最終用戶的生產(chǎn)效率和設(shè)備制造廠商售后服務(wù)的工作效率。由于生產(chǎn)流程得到優(yōu)化，一方面可以生產(chǎn)出更多的部件，另一方面也可以降低生產(chǎn)成本(例如因刀具缺失、CNC程序錯誤、高能耗或高庫存而導(dǎo)致的高成本)。對于機(jī)床設(shè)備用戶來說，軟件可以提供一個中央平臺，在此平臺上可以安裝提高生產(chǎn)效率的各種應(yīng)用系統(tǒng)。在機(jī)床設(shè)備制造廠商看來，這是一種靈活性強(qiáng)的技術(shù)方案，由此可以從世界各地通過遠(yuǎn)程通信來操作所安裝的設(shè)備。

“在實施工業(yè)4.0時所面臨的挑戰(zhàn)是如何為各種應(yīng)用場合選擇正確的接口界面和相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在簡單的狀態(tài)信號和大數(shù)據(jù)之間還存在著各種各樣的世界。必須要在費(fèi)用和效用之間進(jìn)行權(quán)衡。所選出的真正重要的數(shù)據(jù)必須能夠得到繼續(xù)應(yīng)用。從整體方案上看，Sinumerik可以提供充足的開放度和靈活性，接口界面也可以實現(xiàn)刻度化。由此可以滿足CNC系統(tǒng)功能需要得到保障的新要求。”西門子公司高端研發(fā)業(yè)務(wù)部經(jīng)理Michael Brückner說道。

但是，重要數(shù)據(jù)不僅僅只涉及刀具、生產(chǎn)設(shè)備和外圍設(shè)備，同時也涉及到材料，尤其是工業(yè)4.0也有賴于相應(yīng)的材料。由Fraunhofer公司所設(shè)立的“Materials Data Space”平臺致力于數(shù)字材料并擁有涵蓋整個價值鏈的跨企業(yè)的材料數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在加工行業(yè)，新材料是創(chuàng)新型產(chǎn)品研發(fā)的關(guān)鍵推動力。據(jù)估計，今天有高達(dá)70%的新產(chǎn)品都是基于新型材料而得以生產(chǎn)的。對于工業(yè)4.0來說，生產(chǎn)與現(xiàn)代信息及通信技術(shù)的緊密銜接將會提升材料的重要性。有了相應(yīng)的新材料，即可為用戶提供其所需的個性化產(chǎn)品，成本低、質(zhì)量高和創(chuàng)新周期短。為了奠定相關(guān)的基礎(chǔ)，整合了Fraunhofer-Gesellschaft公司下屬的與材料科學(xué)相關(guān)的15家研究機(jī)構(gòu)能力的Fraunhofer-Verbund Materials聯(lián)合會開發(fā)出了Materials Data Space技術(shù)方案。

“Materials Data Space可以在跨企業(yè)的高效平臺上提供有關(guān)材料和部件的所有數(shù)字化信息。”聯(lián)合會會長Peter Elsner教授這樣描述這項動議。“我們想給研發(fā)人員和工程技術(shù)人員一種可能性，即他們在每個研發(fā)階段可以把所使用的材料當(dāng)作一些擁有可調(diào)特征的可變系統(tǒng)來加以理解和利用。”Elsner說道。在研發(fā)工作的結(jié)尾，可以生成一個虛擬空間，讓工件和產(chǎn)品自主動作，即與制造和加工的機(jī)床與設(shè)備互動并控制其制造流程。

因為敏感數(shù)據(jù)在虛擬空間里是很有價值的，因此對于此類數(shù)據(jù)的保護(hù)就像此類數(shù)據(jù)的生成一樣，必須給予足夠的重視。現(xiàn)代化的CNC加工設(shè)備就如同電腦一樣：它傳輸數(shù)據(jù)，利用軟件，在一個網(wǎng)絡(luò)里運(yùn)行，就像電腦和服務(wù)器一樣脆弱。這就是說，一種公輔設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)化程度越高，設(shè)備制造廠商就會越快地把安全漏洞安裝在自己身上，因此不能放棄向他人咨詢的做法。

當(dāng)心危害物