德国“工业4.0”带给火工品生产行业的启示与思考

张伟 孙安昌 王宏丹 李红梅（特能集团西安庆华公司，陕西 西安，710025）

德国“工业4.0”带给火工品生产行业的启示与思考

张伟 孙安昌 王宏丹 李红梅
（特能集团西安庆华公司，陕西 西安，710025）

工业4.0是德国政府提出的一个高科技战略计划，旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人机工程学的智慧工厂。工业4.0的全球化，在一定程度上将促进发达国家制造业的技术升级，改变国家间的比较优势，重塑全球产业竞争力和国际产业分工格局。火工品生产企业也要紧跟发展大势和改革潮流，结合自身实际，逐步转变生产组织方式，按照“杜绝1.0，淘汰2.0，普及3.0，融合4.0”的总体思想，向着先进制造型企业一步步迈进。

工业4.0；制造业；火工品；自动化；智能化

工业4.0是德国政府提出的一个高科技战略计划，旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人机工程学的智慧工厂，其技术基础是网络实体系统及物联网。工业4.0（Industry4.0）是指利用物联信息系统（Cyber—Physical System，简称CPS）将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智慧化，最后达到快速、有效、个人化的产品供应。

1 工业4.0概况

1.1 工业革命发展进程

工业4.0概念的提出是相对应人类工业化进程中具有划时代的前三次工业革命来说的。在了解工业4.0之前首先通过（图1）简述工业革命的概况与及产生的影响。

工业1.0”也被称为第一次工业革命，开始于18世纪60年代，西方工业发展过程中蒸汽机的使用和普及引起煤铁等资源大量需求及开采，煤铁等资源产品的开采运输需求反过来又促进了以蒸汽机为动力的火车、轮船、工业机械等领域的极大发展，从此人类进入了蒸汽时代。第一次工业革命的进行出现的机器、机车、铁路、轮船大大增加了人类改造自然的能力，也将世界的距离不断缩小，使欧洲对世界的支配成为了可能。

“工业2.0”也被称之为第二次工业革命，开始于19世纪六七十年代，使得人类进入了电气时代，其标志主要是电能的使用。德国人西门子发明了电动机，动力革命被彻底改革，同时无线电通信的发明使得世界各国的经济、政治、文化联系进一步加强。第二次工业革命后，美、德、英、法、日、俄等国相继进入帝国主义阶段，世界的距离不断缩小。

“工业3.0”主要是在第二次世界大战以后，即20世纪四五十年代，其主要标志是电子计算机、原子能、航天工程、生物工程等现代科学的应用与发展。第三次工业革命使得人类进入了信息社会，进一步拉大了各国之间的经济差距，国际经济格局得到调整，随着科技的进步，大批新兴产业的兴起，同时造就了美、德、英、法、日等一批现代发达国家。

图1 工业革命发展进程

1.2 当前世界工业4.0的状态

德国发布“工业4.0”战略后，2014年12月，德国首个工业4.0标准化路线图发布；2014年4月汉诺威工业博览会，德国总理默克尔将工业4.0称作是“一个里程碑”。德国不遗余力地推动工业4.0，意在保证自己在制造业领域的优势的同时应对来自美国互联网与中国制造业的挑战。

互联网从“信息”领域加速进入“物理”业务领域，将对制造业造成破坏性的影响。对此，德国产生了前所未有的危机感。而CPU、操作系统、软件以及云计算等网络平台，几乎都由美国掌控，工业4.0战略希望通过开创新的制造方式，实现“智能工厂”，让云计算只能成为制造业中的使用对象，而不是掌控生产制造的中枢［1］。

工业4.0在应对美国的同时，也在防守中国的制造业。2014年3月27日，德国《世界报》报道称“中国机械制造业严重威胁德国”。同年6月24日，德国机械设备制造业联合会主席菲斯特格指出：“日本和德国的机械制造企业，应该为确保长期发展和经济上的成功进行深入合作，尤其在有交叉的产品领域，两国应该携手面对中国的挑战。”

2 我国对待“工业4.0”的态度

我国由于物价和人力资本的不断上涨，不少工厂进行了大转移，转移到低成本的印度、越南等东南亚发展中国家，轻工、纺织等劳动密集型产品正由“中国制造”转为“东南亚制造”。可以看出，新一轮的工业革命正在改变着国家间比较优势，重塑全球产业竞争力和国际产业分工格局。工业革命的落后就是国家实力的落后，面对这一形势，2015年5月18日，国务院正式发布了《中国制造2025》规划，这是中国版“工业4.0计划”，也是我国实施制造强国战略第一个十年行动纲领。中国制造2025着重于企业的网络化和智能化，让工业和信息化的融合程度更深，同时重新挖掘比较成本的优势，提升制度创新和管理变革的能力。如此，我国制造业企业才能跟上全球工业革命步伐，由“中国制造”真正转型为“中国智造”。

3 我国火工品行业生产现状

我国火工品生产企业大多建于上世纪50年代，火工品产品配套领域已由当初的兵器行业发展到现在的兵器、航天、航空、核工业、船舶等多个领域。火工品作为各类武器系统的心脏，生产水平的高低和产品质量的好坏直接决定了整体武器系统的性能。但我国多数火工品生产厂家的生产方式大多停留在上世纪60年代前苏联的水平，工艺技术设备落后，大多是手工工装、采用简易设备生产等，行业整体工艺技术水平发展缓慢。

目前，国内火工品企业生产手段较先进的企业，通过改扩建和新增一部分自动化生产线与自动化生产设备的方式来提升工艺技术水平，但自动化生产的产品占整个产品种类的比重非常小，据笔者了解，自动化生产线仅仅为常规产品生产线，相对于数量庞大的各种科研产品来说，整体比重相当小，国内某行业领先大型火工品生产企业，据调查其整体产品数量自动化生产的比率也仅占不到7%，相比之下，那么国内整体火工品生产行业的状况就不言而喻了，其发展刻不容缓。

4 火工品生产行业推行“工业4.0”的思考

4.1 推行工业4.0的必要性

4.1.1 从国际国内形势分析

工业4.0即智能化制造在整个世界中的发达国家及发展中国家企业中已形成了一股潮流，代表了一种发展趋势，很多国家都有自己的4.0版的工业发展技术规划，其中，代表性的有德国“工业4.0”战略；美国“工业互联网”战略；日本在其发布的《2015年版的日本制造业白皮书》中用1/4的篇幅对工业4.0进行分析，并在三菱、丰田、本田、松下等公司提出建立“工厂互联网”的概念，包括印度也提出了“数字印度”战略，建立“印度制造”的口号，大有在未来工业发展中后来居上成为制造业大国的雄心以及我国公布的中国制造2025。

从国际国内的发展趋势来看，工业4.0的变革已经到来，作为国内火工品生产行业，在这个情况下也应该未雨绸缪，积极布局未来企业智能化发展思路。

4.1.2 从火工品行业提高经营水平出发

火工品企业在我国为劳动密集型企业，大多人均产值较小，人员的繁冗严重制约企业整体经营水平的提高，改变这一现状的途径简单来讲就是降本增效。如果实现智能化、自动化，就可以避免人工因休息及生产疲劳而降低效率，同时实现产品生产的一致性和可靠性，在提升生产效率与保障产品质量方面将有很大改善。所以从降本增效这方面来讲，未来企业经营质量的提升也需要走自动化、智能化的发展道路。

4.1.3 从安全生产的需求出发

目前，国家大力倡导安全生产，整个兵器集团公司页都非常重视安全生产，从火工品生产产品的种类和性质来看，多数操作者和设备处于高危环境中。近年来，行业内的本质安全度虽有所提升，安全生产事故也不断下降，但是安全事故偶发性、突然性及不可预见性的特点使得工作人员必须时刻提高警惕，不断强化安全防范手段，而保证人员安全的最好方式就是直接操作改为间接操作，最大限度隔离危险源与工人接触的时间和频率。如果能够在本公司全面推行智能化自动化，“零伤亡”的目标也就不再遥远。

4.2 行业推行工业4.0的优劣因素

4.2.1 优势条件

4.2.1.1 国家政策的支持

《中国制造2025》提出通过“三步走”实现制造强国的战略目标：第一步，到2025年迈入制造强国行列；第二步，到2035年我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平；第三步，到新中国成立一百年时，我制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。在“一二三四五五十”的总体结构下，发展五大工程和十大领域，其中涉及到军工制造领域的相关政策对火工品行业推行工业4.0将起到有力的促进作用。

4.2.1.2 人员素质与能力的提高

国家在推行教育改革近20年后的今天，行业内的人才素质不断提高，1998年国家高考本科录取人数为100万，而2015年为900万，如今，行业内人员学历结构、知识结构和能力结构得到进一步完善。而自动化生产设备、生产线等操作以高素质年轻人为主，他们在接受新事物、学习新知识和技能方面的意识和能力较强，在未来行业智能化自动化发展上将大有可为，这些势必为行业推进工业4.0奠定坚实的人力资源保障。

4.2.1.3 行业技术水平的增强

随着信息技术的不断发展，对于工业层面上各种先进手段和先进机械设备元件的出现，特别是各种高性能、高安全的防爆器件的出现，工业自动化技术已经从民用产品应用到高危的火工品生产领域。军工火工品行业内专用大型生产线相继研发成功并投入使用，为行业研发树立了很好的榜样。同时，随着行业产品科研能力的增强，产品设计更好的适应产品自动化智能化的发展进程的要求。现在，各生产单位工艺技术水平在不断增强，工艺技术人员发现和解决工艺技术瓶颈的意识与能力有所提升，在连续使用与作用发挥上将有充分的技术保障。

4.2.2 不利因素

4.2.2.1 领军型人才缺乏

近年来，尽管各企业不断加强人才的引进与培养力度，人才队伍的学历和素质也得到明显提高，但仍旧不能满足工业4.0的人才需求。在推进工业4.0过程中，火工品领域急需一批高水平、高能力的机电领军型人才，且要在一定程度上具备系统的、全面性的理论基础，能够掌握火工品生产、机械、电子、材料等的相关知识，这类人才的培养往往需要一定的时间和较大的投入，才能胜任智能化生产改造的重任，因此，当前火工品行业相关人员严重匮乏。

4.2.2.2 专业技术队伍缺乏

由于火工品行业性质的限制，各企业自动化工业设计维护部门水平差距较大，很多企业仅仅是通过外购外包的形式发展，自主研发能力欠缺，而外部企业又缺乏对火工品行业的理解，使得有一大部分新增设备无法完全满足需要，而且一般企业也没有能力进行先进生产线大量的设备维护工作，操作维护人员严重缺乏，导致自动化设备利用率低，甚至用不起来的情况相当普遍。专业操作维护人员培养成长周期长。一般人员平均培养时间为3-4年，并需要大量的实践经验，熟悉工业自动化控制方面的人员培养时间更长，后续如果进行更大规模的生产手段提升，则专业人员缺乏将是一个严重的制约因素。

4.2.2.3 基础管理相对薄弱

火工品行业内各单位在内部配置软硬件条件略显不足，要实行工业4.0，需要从人力资源 系统、生产系统、采购系统、财务系统、能源系统等多方面进行基本设施、设备及软件的升级改造，使各个系统协同为一个整体进行有效运作才能为推进工业4.0做好基础工作。

5 推行工业4.0的探索

5.1 全部自动化

对于批量较大，结构不太复杂的火工品建议进行全部自动化，即整个生产过程无需过多人员干预，同样以某公司为例，该公司现有自动化生产线主要是进行一些常规产品的生产，批量较大，生产方式和生产工艺相对固定，其相对先进的生产线技术，主要处于工业3.0阶段，在进行技术改造和技术升级的方面较为容易，现有的电控系统，经过升级，加装相应模块、信息采集系统、信息标签、传递机构等即可成为相对智能的更新一代智能自动化生产线。下面以具有代表性的76号针刺雷管自动装配机为案例，讨论其具体实施设想和方式。

假设某企业已经建立了局部工业智能化系统，工业智能化系统应该包括生产、采购、库房、生产车间、动力保障、人事等部门相关权限，其系统流程为：公司接到76号雷管生产订单20000发的任务，首先在智能化系统中生成订单，然后系统自动根据76号雷管生产工艺，查询库房半成品情况，如果生产所需半成品足够，则计算好生产天数后，就直接下指令出库，由自动出库传输系统将定量包装好的当日半成品依次运送出库，并自动运送到车间暂存间，在暂存间，自动运送系统将半成品直接添加到装配机的相关部位，最后机器检测就绪后，进行自动生产，当日生产的产品由自动检测、收集退出整理系统进行最后工序的检测，合格后进行定量包装打标等，废品将自动运送到消爆车间进行后续处理，依次进行，直至完成生产。生产完成后，由生产系统发送完成指令到智能化系统中，提示订单完成，生产系统接到完成指令，提示发货。期间，设备对于动力（电力、气源）的需求将通过总线发送到动力车间，由动力车间系统自动配给相关设备需要的动力，当总系统提示生产完成后，动力总系统切断相关管路，降低运行能耗。人事部门也可以通过系统中该产品订单的完成情况、完成过程的相关数据进行该项绩效考核测评。

5.2 关键自动化

其实，火工品生产行业中各企业除了大批量常规产品的生产外，也承担了大量多品种、小批量产品的生产任务，对解决此类产品生产的有效方式为“局部关键自动化”，通过关键工序设备与高效智能传递运转机构的结合，生产设备按照“杜绝1.0，淘汰2.0，普及3.0，融合4.0”的思想，提高设备利用率。

5.2.1 杜绝1.0

火工品行业设备基础更新应通过自动化设备的引进、关键设备的攻关、专用设备的研制与应用等方式，使长期以来以手工操作为主的落后生产方式彻底消失。火工品生产中瓶颈工艺为：自动焊接、自动涂胶、自动打标等。通过技术改进逐步减少手工操作，目前火工品行业中804厂研制出了各型自动装药机，该设备专门用于装药，设备操作只需将模具放入装药机卡槽，按下按钮即可完成一次装药，一次装药动作的时间为1.5秒，与传统的专人天枰称量、专人装药、专人运药相比，仅在装药环节就减少了称药运药工序及人员，在效率提高的同时大大减少工序人员。

目前，由于类似瓶颈工艺较多，而相关的基础科研较少，很多工序手段落后陈旧，建议火工品领域有条件有需求的企业能联合起来进行重点攻关，比如，焊接技术、大药量装药技术、微小药量装药计数等。

5.2.2 淘汰2.0

目前，各企业采用简易电动设备依旧是其主要生产手段，804厂通过将现有简易电动设备升级改造，增加外围辅助功能，提高设备的自动化程度，由单一功能变为复合功能。这方面可进行单机自动化设备的重点研制，代表设备为804厂工艺研发分中心研制的压药一体化设备与自动螺纹拧紧设备，它们都有很好的应用，并且大大降低了劳动强度和人员需求。

对于自动螺纹拧紧设备，操作人员只需将涂好胶并松装在一起的产品放入设备中，按下按钮就可以完成后续一系列的操作，待完成旋紧并检测后直接拿出即可，原来18人的工序，改造后整个操作只需涂胶和设备操作人员2人完成，省去了中间传递、拧螺纹、检测力矩等一系列工序，大大节省了生产线人数和人员劳动强度。

装压药一体化设备也有很好的应用，以往火工品要完成一道装药压药操作，最少需要3人，其中，称药1人、装药1人、压药1人、周转3人。称药、装药、压药操作不在同一个地方，需人员来回走动，既费时费力，又增加了安全生产隐患。装压药一体化设备集上述三个功能于一体，一次加药可连续生产，模具自动进入设备后完成装药、压药，然后自动退出，只需要1人操作。假设某产品生产工艺为3装3压，原来的生产方式需要19人，使用新设备只需要3人操作即可。

5.2.3 普及3.0

要实现火工品行业的4.0生产，生产手段必须先达到3.0的阶段才有可能实现智能化生产的目标，目前有效地解决方式是自动连线小批量生产状态良好的2.0设备，最大限度提高自动化生产程度。

其代表项目是目前804厂 工艺研发分中心正在组织实施的“工业机器人+装压药一体化设备”，其思路就是使用工业机器人，将原来需要由人工完成的两台装压药一体化设备之间的传递变为机器人按照机器节拍自动完成，这样一来，假设某产品10装10压，原来生产方式需要30人，而新设备使用后只需10人即可，连线后只需要2人，人员节约率近90%。

另外，可根据不同产品的要求自由选择使用的设备台数，并结合自动收口机等设备可进行绝大部分火工品生产，可以满足产品品种多、批量小的要求以及解决专用设备柔性化不足的缺点，便于生产组织、提高自动化生产程度以及减少操作人员。

5.2.4 融合4.0

有条件的单位在各工序自动化设备的普及和发展后，配合加入信息化系统后，可以将上述3.0的设备融入到智能化生产系统中，在增加外围的原料自动配送、能源自动供给、产品半成品自动上线、产品自动检测、自动收集转运等功能后，就可以初步实现与智能系统的融合，对于相关组织生产可以参照自动化设备的方式来进行，从订单管理、原材料出库等一系列方面达到初步实现智能化4.0的生产方式。

通过上述四个步骤进行火工品行业相关企业生产手段提升，是资金投入最小，技术风险最小，对现有生产结构改变最小的方式。804厂部分实施后在产品质量、生产效率、劳动强度、人员需求降低、生产安全上都有很好的体现。

5.3 壮大专业技术保障队伍

当前，行业内自动化设备越来越多，设备种类和复杂度也在不断提高，但是各企业现有人员的知识结构较为落后或者自身经验不足，在现有人员基础上，一方面可通过TPM 工作的开展培养专业设备管理人才，另一方面，基层生产单位对机修组进行完善，根据不同情况，有针对性进行人员调配，通过培训不断提高维修人员对复杂设备的维护保障能力。在未来工业化水平不断提高的情况下，有条件的企业可建立专门保障维护部门。

6 结论

工业4.0是国际趋势，而且与工业4.0相关的许多技术已经出现并发展成熟，火工品生产行业作为在国内相关生产手段较为落后的行业，如果不采取行动，那么该行业局限的将不只是自身的发展，更是制约了火工品配套领域其他行业的发展和进步，这样在应对突发状况时会导致国家利益遭受损失。作为国家安全中重要的一环，火工品行业应该紧跟国家发展战略步伐，积极思考探索适应自身现状的工业4.0发展方式，逐步实现生产方式自动化、智能化。

（References）

［1］乌尔里希·森德勒.工业4.0［M］.北京：机械工业出版社，2014.