【文章】工业4.0时代对中国企业创新带来的机遇和挑战(三)
时间: 2016-03-25 {ms:cfield.company/} 阅读量:

第二部分 工业4.0 对于德国企业的影响

  2010年7月14日,德国内阁提出"高科技战略2020"。222012年德国政府通过"高科技战略行动计划",其中包括十大"未来项目(future project)",并将在2012-2015年投资84亿欧元。工业4.0也是十大"未来项目"之一。23该计划预计在2020年将德国打造成领先的CPS供应方。24

  工业4.0是德国产业界、学界、研究机构等共同提出并推动的,企业尤其是最为重要的推动力量之一,典型的企业包括西门子和SAP等,研究机构包括德国弗劳恩霍夫协会和德国国际科学与工程院等。由于工业4.0的智能化很大程度上依赖于传感器技术、控制技术、IT技术、和普通制造型企业,因此,本部分选取在传感器技术、控制技术、IT技术、以及普通制造型德国企业,研究其在工业4.0的背景下的企业战略、研发产品方向、智慧工厂建设、标准制定、工业4.0研发项目参与、知识产权布局的最新发展。根据研究,展示这些企业未来在工业4.0背景下发展重点。

  五、工业4.0下德国各类企业的行动

  在很多企业看来,工业4.0 是IT驱动的自动化(或IT+OT)。IT与OT的融合是工业4.0 一个显著的特点;例如Beckhoff、 Phoenix Contact均持有类似观点,其他跨国公司同样持有类似观点,例如Schneider等。

  工业4.0本质上就是将传统的生产要素彼此连接,构建成巨大的网络,并基于该网络连接虚拟世界与现实世界,实现更高层次的自动化控制。因此,在很多企业看来,互连是工业4.0的要素之一,包括人、机器和虚拟世界等互连。SIEMENS认为互连实现自组织生产、自适应生产以及虚拟世界与现实世界的融合是工业4.0的应有之意。同样,另一跨国公司Rockwell(一家美国公司)提出"互联"企业这样的概念。

  以下从工控/自动化企业、传感器企业、通信/IT企业以及普通制造企业四个方面进行研究。

  (一)工控/自动化企业

  工业4.0下,工控/自动化企业承担着自动化系统构建的重要任务,是工业4.0实现的重要推动力以及可行性实施方案的主要提出者。因此,工控/自动化企业在工业4.0中占有较大的主动权,但同时也面临较大的挑战。通过对于德国工控/自动化企业的调研发现,在工业4.0的背景下,工控/自动化企业的主要行动包括:

  ①积极参与工业4.0相关项目的研究

  德国政府为了推进工业4.0,积极资助企业项目,比如it's OWL联盟,其中汇集了大量的德国优秀企业(Hüttenhölscher Maschinenbau GmbH & Co. KG、IMA Klessmann GmbH timber processing systems、Schirmer Maschinen GmbH等)的ScAut项目、efa项目等,这些项目主要以进行智能化系统的开发为主要目标。25,26 由于目前工业4.0的控制系统构建还没有统一的标准,企业可以通过参与项目研究积累实际经验,拓宽研发思路。

  ②强化工控软件的性能

  工业4.0对工控软件也提出了新的挑战,工业4.0的到来,大大增加了需要处理的数据量,多系统整合对于系统的管理控制能力也提出了新的挑战。同时为了保证操作人员的操作顺畅与便捷,数据的可视化程度也需要进一步提高,而像产品生命周期管理等新的管理需求,更是以前很少涉及的,因此传统的工控软件难以满足这些需求。强化工控软件的需求就显得格外迫切。在这方面,西门子公司表现积极,目前已经可以提供产品生命周期管理PLM和管理自动化任务框架的TIA PORTAL。27

  ③进一步提升工业以太网的实时性

  工业4.0对数据的实时性有着很高的要求,因此,提升工业以太网的实时性是目前一个十分重要的任务。德国企业提升工业以太网的实时性主要从两方面入手。一是通过标准化接口设备及技术,避免数据在传输过程中出现过多的数据变化,影响了数据传输的实时性。另一方面是提升工业以太网本身的性能,通过推出新的以太网系统优化传输性能,如Beckhoff就推出了新的以太网系统。28

  ④强化机器人技术

  工业4.0需要实现更高度的自动化,机器人技术是实现自动化生产的重要技术,在工业4.0的背景下,机器人技术包括生产机器人和输送机器人两类。生产机器人主要用来直接完成生产任务,对于机器人的精确控制和安全性有更高的要求。工控企业对生产机器人的研发都比较活跃,如Beckhoff和西门子等公司都在机器人方面表现的十分积极。

  由于生产自动化的提高,除了生产机器人外,输送机器人系统也越来越受到企业的重视。输送机器人系统主要要求其可以实现高精度、高速度运动,同时配合以高精度的识别系统,使运输、生产和谐统一。目前主要的识别技术是RFID技术。在这方面Beckhoff已经推出了新的XTS系统,29西门子公司则推出了RFID识别系统。30,31

  ⑤构建设备间的通信网络

  工业4.0不再是某一生产步骤的自动化,而是整个生产生态系统的全面自动化。这就要求不同功能的生产设备之间必须能够彼此协作配合,因此设备之间的通信互联就显得尤其重要,相关的技术也是各大企业目前研发的重点之一。

  此外,工业4.0将极大地减少人的介入,机器必须能够自行处理一些简单问题。这就要求机器可以实现自我管理、配置。随着工业4.0系统的扩大,生产活动对机器自我管理的能力要求也越来越高。在这方面,西门子和Beckhoff等公司都已经展开行动。

  ⑥寻求与IT企业的合作

  某些大型企业例如Schneider 32认为,如果传统的自动化解决方案企业例如西门子、Schneider,、Alston等无法整合IT企业优势的话,将很难在工业4.0背景下占据优势地位。与Schneider持有类似观点的还有Rockwell33 ,该公司与美国思科公司结成了战略联盟,以在工业4.0的背景上实现AT+IT的战略优势地位。同样,IFM在战略上加强了与软件供应商SAP的合作34,打造"从传感器到ERP"的战略。

  (二)传感器企业

  传感器是工业4.0的基础,正确的信息是包括机器互联、人机互联在内的CPS系统的作出正确决策的基础和依据。因此,传感器企业可以说是工业4.0背景下除了工控/自动化企业之外的核心企业。传感器企业在整个工业4.0中的层级属于最底层(层级划分有多种,其中一种为传感器层级、自动化层级、SCADA层级、 MES层级和 ERP层级),但同时却是最基础的层。

  传感器作为工业生产中的重要信息采集装置,早已在工业生产中得到应用。但随着工业4.0的发展,普通的传感器技术已经不能满足工业4.0的需求。

  工业4.0具有很高的实时化要求,因此传感器必须保证具有很高的采集速度,同时传感器系统与上层系统之间必须保证无缝连接,这其中既包括硬件接口的无缝连接,也包括通信协议的兼容。针对这些问题和需求,传感器企业的行动包括:

  ① 推出智能传感器

  在解决实时传输的问题上,目前传感器企业基本已经达成一致,即最有效解决无缝传输问题的手段是使用智能传感器,在传感器上安装处理器或者加装处理器模块实现对数据的处理和储存,在数据采集的同时就已经对采集到的数据进行了预处理,增强了信号的兼容性。目前SICK、IFM、PILZ都已经推出了自己的智能传感器。35,36,37

  ②智能传感器带来的系统布置升级

  由于使用了智能传感器,使数据处理任务分散到各个小型处理器中,中央处理器的作用和地位大大降低,因此有的企业推出了去中心化的传感器系统,从而降低了对中央处理器的需求,也增加了系统的可靠性。这方面,PILZ就提出了分布式的数据采集、控制系统。38,39

  ③安全传感器系统升级

  工业4.0并不是完全使用机器代替人工,而是让机器与人在生产上达到统一并相互协作,那么对于生产安全的要求将更高。在这方面,传统的安全传感器系统依旧可以发挥其作为,比如光幕传感器、光栅传感器等。但在此基础之上,也需要更高防护的安全传感器系统,目前德国传感器企业比较看重的是3D相机监控系统,该系统可以全方位的实现生产监控,更加可靠地保证操作者的安全。比如Pilz就推出了新的3D相机监控系统。40

  ④积极参与相关标准的制定

  随着工业4.0的深入,现有的安全标准可能难以满足未来的需要,这对传感器企业有很大的影响,因此有实力的传感器企业都已经积极参与到相关标准的制定中。如PILZ就积极参与到工业4.0安全标准的制定中。

  (三)通信/IT企业

  在工业4.0中,IT企业主要提供软件和网络技术两方面的支持。

  在软件方面,为了更好地向企业提供服务,IT企业一般需要与工控类企业合作,借助工控类企业的经验,从实际的需求出发,为企业提供诸如企业资源规划软件、生产进程管理软件等管理类软件。

  在通信方面,主要是依托于自身过硬的通信技术以及云服务器资源,为企业或生产单元之间的互联搭建桥梁,帮助企业实现数据的存储以及传输。比如西门子公司就积极从事云服务器性能提升方面的工作。

  ①网络安全

  工业4.0的一大特征是网络化程度的提高,尤其是云计算技术的使用,极大地提升了生产系统的网络化程度。此外,设备自动化程度的提高,使得设备拥有了越来越多的决策权,那么工业4.0网络一旦遭受攻击,将导致传统工业时代难以比拟的损失和危险。所以在工业4.0时代,对于网络安全的要求也明显提高。但目前针对工业网络的网络安全技术还并不完善。但相关需求已经引起了业内企业的重视,如PILZ等企业已经在这方面展开了行动。

  ②设备间的数据通信

  设备间的通信是工业4.0中的重要技术之一。目前分为有线通信和无线通信两种。相比于有线通信,无线通信技术不需要进行额外的线路布置工作,因此简化了设备装配工作,而且也可以使设备布置更加灵活。尽管目前无线通信在传输距离等方面还有问题没有解决,但总体上相比于有线通信,无线通信更适合工业4.0的需求。所以无线传输技术将更多地应用于设备间的交互,如Rockwell等公司已经开始行动。

  ③管理软件升级

  工业4.0使得生产系统中的软件和硬件数量及种类都有很大的增长,因此相应的管理软件也需要进行一定的升级,以满足工业4.0的需求。除了传统的监控、管理功能外,新的管理软件也将具有设备集中配置与生产流程规划管理等更高层次的管理能力。如西门子等企业已经在这方面加强了研发。SAP开发其ERP系统时将管理软件的层级尽量下沉。

  ④云技术的应用与提升

  大数据的使用是工业4.0的又一大技术特征。工业生产大数据包含生产、研发、实验、设计等各类数据,随着云端数据库的建立与完善,云服务器将根据生产需求向企业传递所需的各类数据,这些数据的应用将极大地降低企业的研发成本,加快研发进度。因此云端大数据的应用将成为未来工业4.0的重要特点之一。这方面如Rockwell等企业都已经开始进行相关的研究。

  目前的云技术还不能全面地满足工业4.0的需求,比如云存储、数据处理、流程规划、数据通信技术等技术都是云技术在工业4.0中应用所必须解决的重要技术。这主要是由于工业4.0要求高度的实时化,这就导致向云端传输的数据量大增,那么无论是数据的存储、处理还是传输都将面临极大的挑战,传输信道一旦发生拥堵,将极大地影响数据的质量和效率,甚至影响生产系统的正常生产。因此云技术下的各个技术分支在未来都需要进一步的提升。

  ⑤辅助构建完整的生产生态系统

  工业4.0是一个完整的生产生态系统,因此工业4.0不仅包括基于CPS平台连接智慧工厂,还包括配套的物流系统、仓储系统、智能建筑、智能电网等,因此除了工厂相关的直接生产类技术大发展外,相关的物流系统、仓储系统、智能建筑、智能电网等都需要进行相应的提升与改进,尤其是网络化改造的进程将大大加速,多系统融合将加快脚步。而这些系统的融合与数据交互离不开IT企业的支持。

  (四)普通制造企业

  普通制造企业是工业4.0应用的前沿阵地,也是工业4.0的最大受益者。但实施工业4.0并不意味着无限地追逐自动化程度,而应做到人机之间的协调统一,从而大大简化工人的劳动,提升工作效率和质量。比如宝马就秉持这样的理念,推动智能科技与传统制造的融合,推进智慧工厂与智能生产的融合,从而提升生产效率与能力。

  ①打造智能物流系统

  与工控企业不同,普通制造企业除了需要完成产品的生产以外,还要完成产品上下游产业链的构建,因此不但要完成工厂内的智能化系统构建,也要完善工厂外的智能物流系统,以保证整条产业链的完整与高效。

  ②基础生产设备的智能化改造

  基础生产设备如果不能实现智能化,整个生产的智能化也就无从谈起,因此普通制造企业对于机器人系统和传输带系统等保证基本生产工作的系统都十分重视,各制造商业在积极开展相关工作,建设示范工厂,主动推进自己的智能化进程。

  ③开发适合自己的管理系统

  由于不同制造企业在产业链中的位置不同,需要完成的生产任务也大有不同,与上下游的关系和合作方式也因企业而异,因此不同类型的制造企业对于生产管理有不同的需求。所以制造企业在管理系统的研发方面也都十分积极。比如宝马就开发出数据矩阵码(data matrix code)为新的BMW 7系记录了整个碳生产过程。41

  (五)德国企业在工业4.0背景下的知识产权动向

  1.重点布局细分技术

  知识产权作为技术的延伸,在某种程度上与技术的重点和发展等呈现一定的吻合性,总体上,工业4.0下德国企业的知识产权布局体现在以下几个方面:

  (1)机器互联

  机器互联是工业4.0的重要内容之一,因此机器之间的交互均为重点。Beckhoff布局了关于传感器之间相互进行数据传输的专利,同样,其它德国企业也布局了机器互联的专利

  (2)工业通信

  ①数据的实时化

  使用传感器采集数据以及基于采集的信号控制相关进程都属于传统技术,但在工业4.0的环境下,对于这项技术有更高的要求。其中最重要的要求就是数据的实时化,即数据的实时采集、实时处理、及实时控制。进而实现系统或设备间的无缝连接。

  通过对已公开专利(Beckhoff目前已经公开的专利)的初步阅读均涉及到了工业以太网的实时传输。

  ②数据传输的保障

  为了实现这样的连接,首先就要从接口和协议两方面为数据传输提供保证。其次,也需要充分考虑到网络和机械两方面的安全问题。另外,也需要增强设备的数据处理能力,作为整个系统性能提高的基础条件。通过对已公开专利的初步阅读,至少Beckhoff、Phoenix Contact目前已公开的专利均涉及到了数据传输通信的安全问题。

  ③通信技术本身以及架构

  随着系统化程度的提升,设备间的联系将更加密切,相关的连接设备也是保证工业4.0实现的重要因素,尤其是无线连接技术有很大的发展空间。此外,系统化的提高使得系统级的控制也变得日益重要。

  通过对专利的初步阅读,Beckhoff和其它德国企业目前已经公开的专利中,均涉及到了通信技术本身以及架构问题。

  (3)智能控制

  系统间关联进行学习决策等

  不仅是单纯的对大数据库的数调用,而且要求通过全球化的系统使得生产(或其他)系统之间具有自我学习、联合控制、联合决策等能力。

  (4)人机交互

  随着智能设备的发展,人机交互界面的可能性大大提高。从多点触控面板到智能手机,再到Google Glass,人机交互的便捷性日益提高。同时,相关的安全问题也逐渐凸显。这些都是企业发展的方向。

  2.各企业重点技术专利布局比对表

技术分类

BECKHOFF

IFM

Phoenix

Contact

Pilz

SICK

Siemens

   

现场总线传输技术

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总线模块设计

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工业网络安全措施

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√

从传感器到云端的实时传输

   

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工业以太网EtherCAT实时传输

√

  

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√

通信网络的总体架构

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√

总线通信安全

 

√

   

√

生产

机器人

电机驱动

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√

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√

从单个传感器到云端的各类

 

系统

可编程序控制器(PLC)

√

    

√

智能传感器

 

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远程监控

  

√

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故障检测及预测

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关键词:
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业务咨询电话: {ms:cfield.hotline/}
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