軟件：工業的將來

《工業4.0》試讀：軟件：工業的將來

軟件：工業的將來 魯思沃（Siegfried Russwurm） 概 論 工業企業欲在將來長期保持競爭優點，必須作好三件事：提升生產力、增強節能高效，提升生產靈活性。只有這樣，才能下降成本；縮短產品上市時間，並經過提升產品的種類，擴大需求；知足個性化的生產需求。爲實現高度靈活的規模化生產，對客戶和合做夥伴可以在日益複雜的價值創造鏈條中進行高效資源優化，使生產和服務造成更加緊密的鏈接，工業企業還須要高效的生產和運營。 通過了幾十年發展的製造業，現在正面臨着產業模式的轉變。隨着製造業中虛擬與現實的交互性不斷增強，生產方式必將因工業 IT 和軟件技術的應用而發生根本性的改變。功能性工業軟件的智能應用和研發，將無疑成爲了影響製造業和過程工業發展的一個決定性因素。這些行業現有的發展態勢，已經證實了這一點。 一個企業乃至一個行業的將來，愈來愈不取決於工廠自己。相反，軟件工程師的地位變得愈來愈重要。是他們使生產工序間有了交互性，這種交互性不僅做用於生產層面，還做用於業務層面，例如：工程師所承擔的一部分工做，將企業和企業外部組織鏈接在了一塊兒。經過工業軟件，實現了虛擬與現實的交互，顯著提升了生產力。所以，工業軟件也就成爲了將來製造業研究的重要課題。 2.1 工業領域在全球化市場競爭中的挑戰 在過去很長一段時間裏，世界工業格局的劃分已經基本完成：高科技產業在西方國家發展並不斷完善，這一事實毋庸置疑。而那些簡單的加工產品，即便是在發達國家出售，也是在低收入國家、特別是亞洲國家生產的。「高精尖」產品的創新週期具有可規劃的特色，其產品上市時間也可預見。當批量生產時，產品自己的特色會減小。不管是規模經濟（Economies of Scale，經過批量生產下降成本），仍是範圍經濟（Economies of Scope，經過產品組合得到成本協同效益）的原理都已獲得了驗證。但對於中小型企業來講，大多數只能接到小批量訂單。 之前提升生產力的方法主要有如下手段：優化現有流程、提升製造業的自動化程度、改進設計、下降勞動成本以及完善供應鏈管理模式。隨着經濟全球化，特別是在資源嚴重短缺和技術不斷進步的背景下，提升生產力的方法有了根本性的轉變。在過去60年中，全球貿易量增加了20多倍。全球化是把雙刃劍：一方面，工業企業有機會得到更大的市場，從而從中得到更大的利潤；另外一方面，全球化也就意味着企業將面臨更加激烈的國際競爭。價格更低、品質更好、效率更高，這三點加在一塊兒就是現代企業須要一直要追逐的目標。當前的企業價值鏈，已遠遠超越了地區界限。它跨越了國家甚至是時區的界限。在激烈的國際競爭下，企業要不斷地改進生產，其商業運做模式的複雜性也在日益增長。 汽車製造業就是商業模式改變最明顯的實例：目前汽車製造業產值佔工業生產總產值的35%。據奧緯企業諮詢公司和汽車行業協會的一份調查代表，到 2025 年，製造業的產值將減小五分之一，降至 29%。而研發環節的產值將會從如今的 60% 降至 47%，固然這其中設計服務領域的產值反而會增加將近一倍，從如今的 9% 增加到 17%。這條產業鏈中各個環節的協做也會發生明顯的轉變。甚至，這條產業鏈自身也會發生變化：除了現在沿產業鏈上各個環節業務佈局的縱向集成外，還包括了從設計、生產、組裝、分銷、銷售到服務的業務流程間的橫向集成發展。 在這條產業鏈中，已經再也不是某個企業內部的數據交換了，而是經過跨企業的數據交換來實現潛力的優化。而且能夠預見的是，從此的終端客戶能夠更加直接地參與產品工程及設計。所以，這條產業價值鏈的管理也會變得更加複雜。 在將來，咱們面臨的另外一項挑戰是：產品種類的增多。假設，如今某人想訂購一臺福特皮卡 F150。他大約有 16 種部件組合可供選擇。但當有一天可使用 6540 億個零部件，組合成一輛福特 F150 時，將會怎樣呢？零部件種類的增長是產品樣式增長的直接緣由。從 1990 年初開始計算，德國豪華汽車品牌的製造商，平均一年每一個品牌生產的汽車款式大約是7到8款，這個數字在2012年時就已經翻了將近2倍：僅奧迪、寶馬和奔馳三個品牌2012年在德國地區就推出了66款汽車。大衆集團在世界100個地方推出了將近280款汽車。據德國杜伊斯堡汽車研究中心預測，2015年汽車款式將增長至415款，比1995年增長了將近200款。與此同時，從2000年起汽車款式的平均壽命週期幾乎縮短了一半——從8年縮短到4年。1974年，大衆品牌推出了他們的第一款高爾夫汽車，從那年起這款車生產了將近10年，直至1983年停產。而就在2012年，高爾夫七系替了僅僅生產了五年的高爾夫六系。整個行業的研發時間，從設計到投產縮短了整整三分之一。 除了汽車製造業外，其餘行業的發展一樣如此迅速：中國的計算機品牌聯想僅用了3個月的時間就開發出了他們旗下一款智能手機。在2012年，中國共有42款新手機問世。消費品行業中，漢高集團生產的清潔產品有42%的投產時間都不到三年。與此同時，該集團的旗下品牌，碧浪、寶瑩、施普雷和白黎斯總共推出了37款產品。它們利用衆多的產品種類，戰勝了對手。產品種類的增長和研發週期的減小成爲了全部行業的發展趨勢。與此同時，這種趨勢帶動了企業成本的變化並令企業內部結構更加複雜。 伴隨着這些巨大的發展變化——增高的成本壓力、激烈的競爭、更加複雜的價值創造網絡、更多的品種、較短的研發時間以及產品上市時間。社會和國民經濟也在改變：在過去的15年裏，許多政府都在加大對第三產業的投入。但新經濟泡沫的幻滅和經濟危機使政治家和企業家們認識到，強大的工業是保證就業率、經濟穩定增加、社會和平、公民幸福的重要保障；也正是強有力的工業才促使了服務業的發展。所以，許多西方國家紛紛迴歸製造業，在全球範圍內大規模的數十億資金項目開始啓動。 由於國際工資成本的上漲，以上所說的這種「產業迴歸」是有益的。據波士頓諮詢公司稱，中國的工資成本平均每一年上漲 19%。若是不考慮一些企業管理類的相關因素，如短途運輸、海關手續、質量保證等，美國一些地方的工資水平與中國相比也只高出 7%。但就總成本而言，工資成本所佔份額也在降低。其緣由是自動化程度的提升，特別是在高品質商品的生產過程當中，勞動力成本在產品生產的總價值方面所佔比例愈來愈少。 這個原理也一樣說明了，爲何相對於高精尖的產品，那些對於科技含量要求不高的產品，即便在體積、重量上超過前者，其價值卻遠少於前者。運輸成本份額在產品總份額中的比例仍是至關大的。假設生產商將其產品生產場地設置在產品投放產地附近，雖然能減小必定的運輸成本，但卻分散了生產且增長了生產的複雜性。丹麥玩具品牌樂高的產品策略就說明了這一點：樂高把在北美市場投放的玩具生產基地設在了墨西哥，而面對一個十分繁榮的亞洲市場，樂高也只不過計劃在 2017 年，在中國嘉興的工廠招收大約 2000 名工人。 2.2 軟件對將來生產的做用 不管是玩具生產商、汽車製造商、機械工程製造商、飲料行業，仍是化工和電子行業，雖然他們各自面臨的行業挑戰不一樣，但相同的是：他們都需提升本身的生產力、生產效率、生產靈活性以及生產複雜性的管理能力。 爲了實現這個目標，製造業的產品自動化必須從其局部自動化開始，並創建起一個明確的機制。在一個現代化工廠裏，產品零部件、工具、運輸箱、機器等每個環節都配備有傳感器和通訊設備，以便進行數據交換和業務溝通。這種全面的信息自動化表明了當前最早進的製造業水平。爲進一步優化生產，企業需按如下順序不斷改進工業流程：產品設計、生產規劃、生產工程、生產實施以及生產服務。其中，服務環節還包括：產品維修及維護，以及節能環保服務等。 以上各個環節跨越的地區、國家乃至時區越多，其優化的難度就越大。爲了保證企業的長期競爭力，企業的總體優化是必不可少的。所以，企業就須要一個全新的軟件系統，並覆蓋整個產品生命週期：從最初的產品設計理念，到生產和物流，再到運行與服務 因爲產品研發與生產過程是一個統一的總體，工業企業必需要考慮到產品每個環節的生命週期成本。功能強大的硬件只有靠新興工業軟件做爲支撐，才能使自動化和驅動技術產生根本的革新進步。 工業行業正在面臨着全面的產品研發數字化——這種數字化涵蓋了幾乎全部的生產流程。因爲虛擬與現實世界不斷交互融合，因此企業須要重新的角度來思考生產方法的改進措施。工程數據能夠直接轉化到生產過程當中；相反，生產信息也能夠直接做用於優化產品研發及生產過程的上游工序中，也就是將全部的數據都整合進惟一的數據庫中。這種把產品和產品生命週期中每個環節優化整合的軟件，已經被推廣到了各個工業領域，並正在飛速的發展中。在這種數字化組織中，不只產品設計能夠經過計算機完成，就連其製造過程都須要使用計算機。利用產品生命週期管理軟件（PLM）和自動化軟件技術，能夠大大提升企業的生產力和競爭力。一個新產品的上市時間能夠所以減小50%。也就是說，利用一樣的資源與能源成本能夠生產出更加優質的產品。 2.2.1 軟件對產品設計的做用 軟件能夠用於價值創造鏈的全部環節。在產品設計中，您能夠應用產品生命週期管理軟件（PLM），在計算機上進行虛擬的產品設備測試，以達到在不須要實物的狀況下，優化產品設計。數字虛擬化能夠模擬出高精尖設備研發所須要的天然環境。例如，2012年8月此項技術被用於火星探測器的研發與製造全程：噴氣推動實驗室（JPL）爲美國航空航天局（NASA）配備了一款西門子產品生命週期管理 （PLM） 軟件NX，用於數字化仿真及虛擬裝配，從而實現各個組件及其接口的測試。 這款軟件還能夠應用在汽車行業：可顯著縮短產品上市時間，大幅提升靈活性。好比，戴姆勒公司將 NX 軟件首先應用於其旗下汽車和卡車的研發部門。隨後，戴姆勒集團爲其超過 20 個研發中心和最主要的供應商，都配備了這種新型研發平臺 2.2.2 軟件對生產規劃的做用 從大衆品牌改造一條汽車衝壓生產線的案例，就能夠看出軟件在生產規劃中的做用。大衆汽車改造一條已經使用了 17 年之久的衝壓生產線時，將產品生命週期管理軟件（PLM）與其自動化軟件相結合，使得改造時間有了明顯的減小：在早期改造生產線的規劃階段，爲提升生產效率，可使用衝壓線仿真軟件，模擬出現有機器和處理設備，再對其進行優化。爲了將衝壓件的模擬程序作到最精確，在使用仿真軟件的時候，還須要配合使用運動控制軟件（Motion Control Software）。運動控制軟件除可用於虛擬環境外，還可用於現實操做中。使用這種技術，在完成最後衝壓線改造工程以後，經計算實現節能35%，每分鐘衝程數可由14次提升至16次，生產力明顯提升。雖然表面上看，這2個衝程數並不起眼，但放在每一個班次上所提高的效率是至關可觀的。 2.2.3 軟件對生產工程的做用 數字化規劃和生產流程向實際工程環境轉化時，會涉及到不一樣生產自動化和產品設計軟件模塊間的相互協同。只有實現運行、機械和工序之間的最佳工做流，以及各個系統之間的無縫通訊，才能顯著提升生產力，使企業自身、客戶和終端用戶均受益 醫療技術領域一般是被業界拿來講明以上觀點的最好實例。由於，醫療技術發展的特色是先遇到挑戰，而後創建必要的數據結構，而不像其餘行業同樣，用現有的數據去解決出現的問題。爲了在節省成本的同時，製造出適合患者的膝關節植入體，西門子醫療業務領域和工業業務領域通力合做，經過創新，製造出了一種膝關節植入體。這種創新至今還被普遍應用於膝關節植入體的製做流程中：由於膝關節植入體有尺寸與形狀的限制，因此醫師在爲患者植入這種膝關節植入體時，必須爲患者施行削骨手術。因爲人工關節使用量很小，且關節的製做必須由人工完成，所以它的造價很是昂貴。按西門子公司的新思惟：能夠在爲患者訂製第一個骨模型以前，先蒐集患者有關數據。而後將這些數據快速進行自動化處理，轉化成一個假體模型，再經過數控設備的加工，最終制做出來。而對患者的膝關節進行掃描，主要是經過CT和核磁共振成像（MRT）來實現的。西門子PLM軟件部的NX CAM 系統能夠在半個小時以內生成生產用數控數據。而用人工製做的話，至少須要兩天。 膝關節植入體的實際生產採用西門子 Sinumerik 840D sl 數控系統。安裝有該開放式控制系統的機牀能夠無縫集成到上位生產控制系統，實現從患者的數據輸入開始直到植入體被運送到患者手中的連續過程鏈。 在生產工程中，這種工業軟件與自動化技術、生產技術相互協同的生產模式，在西門子已經被成熟地運用了許多年。集合豐富的應用經驗與知識，最終西門子開發出了TIA 博途軟件平臺。TIA博途軟件平臺是一個被稱做「單一工程環境」的自動化軟件。也就是說，用統一的操做平臺和畫面，能夠操做整個價值創造鏈——從規劃、調試，到運行和維護，以及自動化系統擴展。經過工業軟件與自動化和驅動工程技術的結合，使產品設計、生產實施和服務三個環節緊密相連。經過該軟件平臺，可實現最佳工做流程，下降工程成本高達 30%。 2.2.4 軟件對生產實施的做用 企業經過優化生產鏈條的第一個環節（產品設計、生產規劃和生產工程），能夠在整個生產流程中起到事半功倍的效果。藉助於全集成自動化，能夠優化生產環節的自動化解決方案以及以後每個環節。製造執行系統（MES），如 Simatic IT 平臺可保證生產的高性能。經過數據融合，全部生產流程的管理變得十分透明，工程設計的各個階段實現實時交互。 經過採用集成自動化與驅動解決方案，可以顯著提升生產效率和靈活性。原東德玻璃製造商 f|glass 就是一個很好的實例。它的工廠能夠算得上是全世界最早進、最節能的工廠之一了。該工廠採用了一套集成自動化解決方案、一個先進的能源管理系統以及一個創新的熱回收系統。從原材料供應和混合，到熔化過程，再到玻璃表面的精加工和調試，生產與物流均徹底實現了自動化。經過全集成自動化（TIA），全部集成儀表、驅動、自動化及配電解決方案相互協同，全部生產流程高效而靈活。過程控制系統 Simatic PCS 7 可視化控制着 700 米長設備上的 3000 個測量點，實現了一年 365 天連續可靠的運行 玻璃製造商f|Glass工廠中的觸屏控制系統 2.2.5 軟件對生產服務的做用 在過程工業和製造業中，可否爲客戶量身訂製服務解決方案，日益成爲企業可否成功的一個決定性因素：除了傳統意義上的維修保養、故障修復、能源與環境服務、綜合性維修解決方案外，還包括遠程維護。 爲了提升設備的利用率，下降維護成本，實現機械設備的遠程監測和維護是一項行之有效的措施。在線訪問將比現場服務更經濟、更快捷、更靈活。經過遠程監控，能夠對設備實施預防性檢測與維護（狀態監測）。 特別是像航空航天這種特殊行業，每每承擔着極爲複雜的設備和系統維護任務。若是沒有預防性和預測性的技術手段，這項維護任務是象的。所以，西班牙的空客工廠（見）請西門子爲其進行設備維護。維護範圍包括製造設備維修和備件管理。 服務解決方案並不只僅侷限於提供解決方案。一般人們所理解的解決方案比較適合大型公司。但一些沒有全球性服務團隊的中小型公司，也能夠利用這些解決方案。好比說，西門子強大的在線服務網絡團隊爲 Schwbische 機牀公司提供的服務。該公司是一家只有大約300名員工的多軸機牀原始設備（OEM）製造商和供貨商，其客戶遍佈世界各地。 2.2.6 全部生產流程中的軟件集成 現在是一個創新軟件與高性能硬件、虛擬網絡與現實生產環境交錯的時代。全部產品的開發和生產過程都須要軟件應用。先進的精密光學設備行業最能說明這一點。由德國 Opto 光學儀器有限公司研發了一款重達 85 噸的龐然大物。這臺機器能夠用來製造直徑長達 2 米的高精度太空探測望遠鏡。其測量精度可達30納米。這款測量距離超過了130億光年的望遠鏡鏡片也是由Opto 公司研製的。首先，Opto 的光學工程師們使用西門子PLM軟件NX CAD解決方案在電腦屏幕上虛擬出一個機器。而後，西門子機電一體化技術人員不斷分析、模擬、優化這臺「虛擬機」，配套使用了西門子數控系統Sinumerik840D，併爲Opto公司專門設計了專屬用戶界面。經過採用西門子 Sinamics系列驅動產品，Opto公司實現了八軸超精密磨削和研磨拋光機的精確運動。CAD軟件與高性能硬件的結合不只在精度上更上了一個臺階，也加快了製造過程。因爲天文光學在全球的需求度很是高，因此其定製的時間難以保證，所以，望遠鏡可否在最短的時間製做完成，是很是關鍵的。 2.3 工業4.0 德國創造出了一個詞叫作「工業4.0」，定位於以蒸汽機、大規模流水線生產和電氣自動化爲標誌的前三次工業革命以後的第四次工業革命。該理念意在經過充分利用嵌入式控制系統，實現創新交互式生產技術的聯網，相互通訊，即物理信息融合系統（Cyber-Physical Systems），將製造業向智能化轉型。 2.3.1 釋義 在「工業4.0」的理念中，產品自己就是生產過程當中一個十分活躍的元素。這個理念也能夠用「智能工廠」來解釋，也就是說在這個工廠中，數字世界與物理世界無縫融合。在這些產品中包含有所有必需的生產信息。經過物理信息融合系統，企業不只能夠清晰地識別產品，定位產品，並且還可全面掌握產品的生產通過、實際狀態以及至目標狀態的可選路徑。在「工業4.0」時代，機器、存儲系統和生產手段構成了一個相互交織的網絡，在這個網絡中，能夠進行信息的實時交互、調準。同時，物理信息融合系統還能給出各類可行性方案，再根據預先設定的優化準則，將它們進行比對、評估，最終選出最佳方案。這就使生產更具效率，更環保，更加人性化。同時，由於調動了「元信息」，因此提升了過程透明度。 這種以信息技術爲基礎，整合軟硬件的系統又稱嵌入式生產系統。該系統的應用，一方面使得企業與企業之間縱向一體化程度加深；另外一方面，在從預訂到交貨的橫向一體化中，各個環節也被緊密地聯繫起來了。正如德國技術科學協會（Acatech）發表的一份文件中預測的那樣：「物理信息融合系統（嵌入式系統）將完全變革製造業、交通業和醫藥業。」文件還進一步提到，採用新的生產工藝，能夠將生產力從30%提升至50%。