智能工厂—德国推进工业4.0战略的第一步（上）

菲尼克斯电气（南京）研发工程中心有限公司 杜品圣

智能工厂—德国推进工业4.0战略的第一步（上）

菲尼克斯电气（南京）研发工程中心有限公司 杜品圣

当前工业领域中全球竞争越来越激烈，自从十多年前首次推出智能电网的概念以来，“智能”这两个字已成为了创新的代名词，为了适应新技术高速发展及新产品生命周期的不断缩短，人们越来越需要具有冲击力的市场行为进行营销，于是以智能为形容字的概念和产物越来越多，如智能工厂、智能仪表、智能手机、智能楼宇、智能玩具、智能家居、智能城市乃至智能社会，使得我们当代人非常恐慌和疲惫，是否会有一个智能人类将会代替我们的现代人类？然而，社会还是按照它本有的发展规律前进着，当我们还在继续寻找“智能”的奥秘时候，科技革命、产业革命、工业革命的呼声越来越高涨，杰里米•里夫金预言“第三次工业革命”，德国推出“工业4.0”现在被许多同行称为“第四次工业革命”，欧盟提出“新工业革命”。一时此类研讨会，高峰会风起云涌，工业革命又成了最大热词，这些革命对中国是机遇还是挑战？中国准备好了吗？

每次变革都会给大到社会，小到企业及个人带来变化，是向正面的方向变化还是向负面的方向发展这完全取决于人们是否真正认识了这些所谓“革命”的推动力是什么，其产生的根源是什么 。如果人们真正的能够挖掘这些深度和内涵，抓住引起所谓“革命”的本质，那么，我们不仅会知其然，而且知其所以然。在本文中，通过分析工业4.0的起因及基础，确定德国推动工业4.0的目的。从而了解其战略战术。试图得出一些对于中国生产制造行业的启示。

1 工业4.0是一个以现代制造业为引导的产业革命

目前同行都在谈论着科技革命、产业革命、工业革命，但是这些革命的区别是什么？各种革命其主要的特征和标志是什么？这里需要做一个简单的解释。人们常常讲科技是第一生产力。确实如此，每次工业革命产生于技术的革命，一般来讲，人类社会上首先产生科技革命，然后这些科技成果成功地应用于某个领域上，从而产生了产业革命。多种产业革命的崛起，形成了工业革命。从这个观点来理解，我们就能比较理智地来认识目前所提出的各种革命，同时能遵循其革命的要求，制定行之有效、可控可行的战略和对策。那么目前我们社会面临的各种革命的最大的源泉是什么呢？实际上就是互联网技术。互联网技术影响了我们人类社会，对于社会的发展起了很大的推动作用，这种新技术正日以继夜的渗透到各行各业而推动各行各业相应的技术革命。

如美国里夫金提出的第三次工业革命实际上是将互联网技术应用到新能源领域，产生了新能源的革命，新能源资源的分散分布化、就地取用化与互联网相结合产生了智能电网，产生了第三次工业革命。由于这些新领域的开拓，需要大量的新技术、新产品、新的工程解决方法，又引进储能控制技术、微网技术、云技术、物联网、电源管理技术等新的创新理念和方法，形成了能源领域的产业革命。所以本质上它是新能源与互联网相结合的新的一次产业革命。它的推动力就是互联网技术在新能源领域的应用。

又如与本文有关的工业4.0，所谓的第四次工业革命，它的起源是什么？它要解决的问题是什么？为什么德国会将工业4.0作为其科技发展纲要的一个核心组成部分。

据报道德国西门子工业集团总裁鲁斯沃博士曾在中国工程院与国务院国资委举办的学术报告会上介绍，“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。而智能工厂将是构成未来工业体系的一个关键特征。在智能工厂里，人、机器和资源如同在一个社交网络里自然地相互沟通协作；生产出来的智能产品能够理解自己被制造的细节以及将如何使用，能够回答“哪组参数被用来处理我”、“我应该被传送到哪里”等问题。在智能工厂里，智能辅助系统将从执行例行任务中解放出来，使他们能够专注于创新、增值的活动；灵活的工作组织能够帮助工人把生活和工作实现更好地结合，个体顾客的需求将得到满足。

如果通俗地理解，就是生产制造人机一体化。今后的制造系统将不再是单单由人主宰设备，而是机器具有自适应能力，满足甚至超出人们的愿望。专家的描述确实给我们搞自动化领域的同行们描绘了一个美好的前景，似乎一个具有颠覆性的工业革命真的来到了。人们又开始做了“创新式”的探索，开始学习、调研、总结、提高的认识过程，发表了许多前瞻性的文章给了同行极好的借鉴和提示。一时又产生不少的新概念，如智能工厂、智能生产、数字工厂、智慧工厂、信息物理系统（Cyber-PhysicalSystem)等等。对于将“Cyber-PhysicalSystem”翻译成信息物理系统是否理解了“工业4.0”战略的真正含义纵说纷纭。笔者也卷入了这股浪潮中，与德国主要制定工业4.0的企业、行业协会，正在参与工业4.0项目的大学、研究所进行了交流，同时也参观了一些正在开发的工业4.0的研究项目。渐渐地理解了德国为什么会推动工业4.0，德国推动工业4.0的基础是什么，德国的工业4.0是一个战略还是一场革命。得出以下几点体会:

1.1 德国工业4.0是科技快速发展推动生产制造方式变革的产物

德国是世界上共识的专注于创新工业科技产品的科研和开发的国家，特别在复杂制造工业过程的管理上，在信息技术领域拥有很高的能力水平，在嵌入式系统和工厂自动化方面也有很专业的技术，这些因素共同奠定了德国在制造工程工业上的领军地位。但是当互联网进入人类历史中，如何使德国成为新一代工业生产技术的供应国和主导市场，使德国在新的制造业发展的前提下再次提升它的全球竞争力。对此德国对生产制造业的发展做了回顾，做了非常精辟的阐述。见下图：

按照工业4.0的定义，工业发展显然是在科学和技术革新的推动下实现的，所以它认为第一次工业革命是蒸汽动力的发明而产生了生产制造的机械化。我们称为生产的机械化，而第二次工业革命是由于电的发明而产生批量生产，称为生产流水线。第三次工业革命是由于电子技术和计算机的发展而产生自动化生产制造方式，使得产品更为丰富，功能性更强。从工业4.0战略的分析可见，科技的发展必然会进入工业界，而会对工业产生最大的影响就是生产方法的变化，这些生产方法的变革又推动了产业的变化，如果我们稍微回顾一下工业的发展史，从纺织工业、钢铁行业、汽车行业、化工行业、电子行业兴起和发展可以证明这一点，因此我们可以毫不夸张地说生产制造方式的改变和创新将是产业乃至工业革命的前兆。如今科技发展如此的快速飞跃，尤其IT和互联网技术已深入到人类生活的方方面面，是否能将这些技术成功应用于生产制造行业呢？这可能是工业4.0设计者所考虑的第一个问题。如何解决这个问题，也必须遵循两大原则：（1）生产制造方式的改变必须与目前制造行业的发展和未来相适应。（2）任何一次新技术的应用必须与原来的生产制造模式有机结合，是原来制造模式的继承和发扬，是对原来模式的技术沉积和积累的再利用和突破。从这个原则出发，工业4.0制定了正确定位的战略和战术。

1.2 工业4.0是一个产业的技术转型，是产业的变革

从上文所述三次工业发展中可以看到，由于新的科学技术成功地运用于工业上，使得生产制造模式变革性的进步，即从单一手工业，小作坊生产成为批量简易流水线生产到大批量的全自动化生产流水线，这种生产方式的改变也推动了产业的革命，他不但使生产的效率、生产的质量起了天翻地覆的变化，也不断地改变了生产乃至企业的管理模式，从而引起了工业革命。实际上从20世纪70年代后期自动化技术发展以后，生产的规模越来越大，工艺越来越复杂，技术要求越来越高，在生产的效率、生产的质量上人们做了不断地改进和提高。一个大规模、大批量生产制造的模式已基本定型。但是当今社会正处于一个大发展、大调整的变动时期，社会发展的不确定性引来了经济发展的不确定性，为了在这不确定性的社会中始终保持企业、产业的持续发展，人们充分运用了创新创造这个武器，用技术发展的确定性来减少经济发展的不确定性。如计算机奇人——乔布斯，当人们都陶醉于IBM大型计算机时，他将大型机变成了台式机，而当台式机普及后，他又将台式机变成了掌上机。当大家都在敲键盘时，他又采用了触摸屏，使得一两岁的幼儿也能操作。正由于这些创新的精神使得苹果公司在不确定的经济坏境中找到了一条公司持续发展的道路。同样如果德国要始终保持其在生产制造领域的领头羊的地位，德国也必须不断地要发扬创新创造的精神来推动生产机械制造业的不断发展，自20世纪70年代后期自动控制系统用于生产制造系统，人们也不断地探索如何提高生产效率，如何提高生产产品，如何提高生产的质量以及生产的灵活性，所以从机械制造的角度提出了机电控制一体化、管理控制一体化。从企业及生产管理上又提出了MES管理和ERP企业管理，从生产机械设计上提出了数字工厂、虚拟工厂。同时为了提高生产的灵活性提出了CIMS的概念，进行了大量的试验和实践。但是所有的一切都没有解决目前我们生产制造行业面临的四大挑战，即随着IT技术、PC技术和通讯技术的飞跃发展人们对生产制造行业提出新的要求。其主要体现在以下几点：

（1）生产制造产业链的全球性；

（2）生产制造形式的灵活性；

（3）企业发展的持续发展性；

（4）经济发展周期的缩短性。

具体的讲，由于科学技术的迅猛发展，产品的生命周期越来越短，对于产品更新换代的快速响应的要求越来越高，由于生命周期的缩短使得产品批量也越来越减少。产品数量的减少又提高成本和价格的压力。更主要的是由于经济周期变化的快速性要求投资回报率时间也在缩短，同时能源使用效率，节能减排等都是我们面临的新挑战。如何让这些挑战成为新的机遇这就是德国制定工业4.0战略的真正的动机。而工业4.0战略的基本思路又恰恰是如何将现有的发展技术通过与迅速发展的IT互联网技术相结合来解决以上问题，所以工业4.0是产业的技术转型，是一个产业变革。

1.3 工业4.0的战略从制造业的转型到推动德国整个工业的持续发展

德国工业4.0战略是为了保持它在全球制造装备领域的领导地位的工业发展的战略。它希望从生产机械制造模式的改革转型开始，通过将IT技术，互联网技术有机地应用于生产机械制造这个领域中去，改变生产机械制造的基本模式，按照灵活性、快速应变性、成本效率性及回报短期性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。

在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组，充分利用物联网的技术和设备监控技术加强信息管理和服务；清楚掌握产销流程、提高生产过程的可控性、减少生产线上人工的干预、即时正确地采集生产线数据，以及合理的生产计划编排与生产进度。集绿色、智能等新兴技术于一体，构建一个高效节能、绿色环保、环境舒适的生产制造管理控制系统，其核心是将生产系统及过程用网络化分布式生产设施来实现；同时企业管理，包括生产物流管理、人机互动管理以及3D技术在产品开发过程中的应用，形成新产品研发生产制造管理一体化，即所谓的企业生命周期管理。产生了一个新型企业管理生产制造控制服务全周期管理的产业链，这个新型的产业链将信息技术、自动化技术、现代管理技术，制造技术与新的服务模式相结合，企业之间的合作，技术领域之间的交流，新领域，新技术，新理念，新管理模式必将吸引大量大中小企业参与工业4.0的战略之中去，德国各个企业积极参与新一代产业链形成、发展的工作，同时也企图成为其成果的使用者和受益者。

实际上在2009年德国就制定了《高新技术2020》，其目的旨在奠定德国在重要关键技术上的国际顶尖地位，继续加强德国作为技术经济强国的核心竞争力。其中它提出了以下重点发展领域，即：

• 交通运输和物流

• 汽车电子

• 新能源技术

• 能源效率

• 数字媒体

• 智能化楼宅

• 医疗技术

• 公共安全

为了实现在这些领域的突破，德国《高新技术2020》特别强调了推动跨学科技术：工业自动化技术和微电子、微处理机的重要性，明确定义了工业自动化技术是实现德国《高新技术2020》的关键，与此同时，在“自动化2020白皮书”中又将自动化定义为下列技术的综合：

• 电子电气技术

• 机电一体化技术

• 生产工艺流程

• 计算机和IT技术

• 传感器和变送器

• 驱动和执行系统

• 通信技术

《高新技术2020》提出了自动化控制系统是运用和应用自动化技术、产品和工具构成一个完整的针对流程和生产过程的解决方案。对新型的生产制造体系的改革其核心就是对于自动化技术在生产制造中作用做了新的阐释。传统的工业自动化控制系统主要是对于生产制造必须的信息和数据进行传输（现场总线层），对于所有得到的数据和信息按照人们所制定的设想、规律进行处理，并将处理好的数据和信息反馈到生产执行系统或送入上位进行分析和决策（控制层）。对于处理好的信息和数据或现场直接采集到的信息和数据进行（离线或在线）分析、显示和必要的干预。而这次德国“自动化2020”将生产工艺流程纳入为工业自动化控制领域的范畴，此时德国还没有明确地将工业4.0战略放在2020高新技术战略之中，但是在《高新技术2020》战略中非常清楚指出自动化技术和日益快速的互联网技术将会对工业领域的发展起关键的作用。因此德国要保持工业强国，必须抓住这个机遇，成功地将自动化技术和快速发展的互联网技术运用于工业领域，从而推动德国整个工业的持续发展的战略。

实际上早在2000年，针对生产制造模式新的发展，国际著名的咨询机构ARC详细地分析了自动化、制造业以及信息化技术发展现状，对于科学技术的发展趋势对生产制造可能产生的影响作出了全面的调查，提出了多个导向性的生产自动化管理模式，指导企业制定相应的解决方案，为用户创造更高价值。其中从生产流程管理、企业业务管理一直到研究开发产品生命周期的管理而形成的“协同制造模式”（CollaborativeManuf acturingModel CMM）。它将IT技术、工业网络技术以及生产管理技术，及现代自动化控制网络技术应用于生产控制管理模式CDAS和CPAS模式上，解决产品生命周期的不断缩短、物流交货周期的不断加快以及客户定制要求的多样化的问题。这种CMM协同制造模式为制造行业的变革提出了一个行之有效的方法。通过将研发流程，企业管理流程与生产产业链流程有机地结合起来，形成一个协同制造流程，同时将IT技术和工业以太网通信网络作为协同制造系统的信息流控制管理结构，从而使得MRP、ERP、MES的制造管理，PLMD/PLMS产品研发和产品服务生命周期和CRM客户/市场关系管理有机地融合在一个完整的企业与市场信息闭环系统，使得企业的价值链从单一的制造环节往上游的设计研发环节发展，生产与研发在同一个协同平台上，企业的管理链也从上游向下游生产制造控制产业链延伸，一个集CRM、PLM、生产、研发、控制和企业管理大成的协同制造管理系统正在形成。其基本的核心就是所谓企业管理、生产工艺价值链和产品生命周期的三轴空间的鼎立模式，它定义了制造商、供应商乃至开发商之间的协同的产业链网络结构，其关键的点在于协同市场和研发、协同研发和生产、协同管理和通信。一个完整的制造网络由多个制造企业或参与者组成，它们相互交换商品和信息，共同执行业务流程。企业、价值链和产品生命周期这三轴贯穿于各个制造参与者之间。居于水平面上方的是管理职能，下方是制造职能。CMM模式不仅要为各个独立的部门，也要为扩大化的整个企业和扩张后的整个供应链制定解决方案。

工业4.0成功地运用了CMM的思想，同时按照德国目前发展生产制造模式的特点，将该未来项目主要分为两大主题，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，利用物联网的技术和设备监控技术加强信息管理和服务；清楚掌握产销流程、提高生产过程的可控性，其核心就是通过利用互联网通讯技术与网络物理系统（Cyber-PhysicalSystem)相结合的手段，将制造业向智能化转型。从而实现研发生产制造工艺及控制全方位的信息覆盖，全面控制各种信息，确保各个环节都能处于最优状态。这种改革将指引各行各业都朝着生产制造业智能发展的方向发展。推动了整个德国工业的持续发展，机器人、制造成套装备、IT技术、控制技术、信息技术等等都会加入到这一变革之中去。所以工业4.0的战略的目标是从制造业的转型到推动德国整个工业的持续发展。

(未完待续)