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【深度】工业4.0的精髓何在?

导读: 智能生产需要实现两种不同性质的自动化,一种是生产装备的自动化,另一种是数据流动的自动化。

智能生产需要实现两种不同性质的自动化,一种是生产装备的自动化,另一种是数据流动的自动化。

1、引言

智能生产需要实现两种不同性质的自动化,一种是生产装备的自动化,另一种是数据流动的自动化。

生产装备的自动化对制造企业而言是非常容易理解的,它是通过自动化的机床、机器人等各类自动化设备实现生产设备的过程自动化,但数据流动的自动化又该如何理解?在智能工厂中,数据是如何自动化流动的?需要经过“几关”?

2、数据自动流动是工业4.0的精髓

在德国工业4.0战略中,有纵向集成、端对端集成、横向集成3项集成,这是工业4.0中非常重要的概念,是实现企业内、企业间价值流集成的关键。

纵向集成主要是将各种不同层面的IT系统集成在一起,例如,执行器与传感器、控制、生产管理、制造和执行及企业计划等不同层面(摘自德国工业4.0战略计划实施建议)。从信息化角度来看,就是在企业内实现研发、计划、工艺、生产、服务等各环节间的数据自动流动,如图1所示。

图1纵向集成和网络化制造系统

端对端集成则是通过产品全价值链和为客户需求而协作的不同公司,使现实世界与数字世界完成整合。端对端集成更加突出了以产品的研发、生产、销售、服务等为主线,实现企业间的数据自动流动,如图2所示。

图2端对端集成

作为3项集成中的最高层次,横向集成是指将各种使用不同制造阶段和商业计划的IT系统集成在一起,这其中既包括一个公司内部的材料、能源和信息的配置,也包括不同公司间的配置(价值网络),即以产品供应链为主线,通过数据在企业之间的自动流动,实现一种社会化协同生产,如图3所示。

图3横向集成

由图3可知,在企业内部的市场、销售、管理、计划、生产、工程各环节以及外部的设计人员、客户、供应商、分包商等众多角色之间实现了数据的自动有序流动。

通过德国工业4.0对3项集成的定义可以看出,工业4.0愿景中,在企业内部、企业之间、社会化的智能制造及服务中,数据自动有序的流动是实现智能制造的重要技术。

3、企业内部的数据自动流动是打造智能工厂的基础

未来的企业是价值驱动的企业,是数据自动流动的企业,而数据自由有序的流动是智能工厂的前提与基础。

机器联机器畅通数据流

现在的电脑、手机等终端都接入了网络。试想一下,如果这些智能终端不能联网工作而只能单机工作,单是影响工作效率不说,几天下来,我们就可能要崩溃了:没有网络,怎么工作?同样,一台机器即便自身的智能化程度非常高,能发挥的作用毕竟是有限的。

通过专业的设备物联网系统,将网口、串口等不同的接口形式,不同的数字控制系统,数控铣床、数控车床、加工中心、机器人等不同的数字化机器进行联网,实现机器的互联互通,可彻底改变以前机器信息化孤岛的局面,从而可以发挥机器集群控制的优势,形成机器群体的数字化、网络化、智能化,实现集约化、网络化、柔性化的生产模式。

联网实现了机器与机器的通信,而机器远程采集则实现了机器与人的交互。通过通信协议、传感器和网络等技术,对数控机床、热处理设备(如熔炼、压铸、热处理、涂装等设备)、机器人、自动化生产线等各类数字化机器进行数据的远程自动采集,可监控每台机器的实时状态和异常情况,对故障停机、关键工艺参数超差等重要事件,可通过计算机系统或手机短信等形式及时送达相关人员,实现机器状态透明化、实时化的管理。通过机器的远程诊断与主动式预测性维护,智能系统就像医生一样,在机器还没出现故障之前就得到及时预警、保养、维修,为机器的健康、经济、高效运行提供了保障。

机器互联互通使得以前的“哑机器”能与外界交流,变得“耳聪目明”了,这也是智能化中“联接促进智能”的一个典型应用。机器的数字化和网络化,加速了赛博物理系统(CPS)的形成。“机器+CPS”让机器具有了群体协作能力及智能化的认知能力。

人、机、物间数据自动流动,自组织的智能制造

通过互联网+制造模式,实现人、机、物相互联接和自组织的制造。在这方面,有些先进企业已经进行了很多有益的探索,并取得了良好的应用效果。

博世是德国智能制造的一个样板企业。在洪堡的物流中心,设备与工件之间已经借由互联网和传感器建立起了实时联系:每个工件或者装工件的塑料盒里都有记录产品信息的无线射频识别电子标签(RFID),每经过一个生产环节,读卡器会自动读出相关信息,反馈到控制中心由工作人员进行相应处理,绝大部分生产活动都可以实现自组织。比如,工件在什么位置,在什么机床上加工,加工的时间长短,物料库存情况以及是否需要补料等。这些信息直接与生产管理软件无缝集成在一起,生产过程中的所有数据均可在网络上实现高效、实时的流动和可视化展现,可轻松有效地解决生产过程中遇到的问题。新系统投入使用后,工厂库存减少了30%,生产效率提高了10%,由此节约的资金可达几千万欧元。

在博世北京工厂中,所有的机床也实现了互联。一台计算机管理所有的数控机床,程序集中存储在中心服务器中,每台机床需要加工程序时会远程自动下载,机床的状态一目了然,开机、关机、运行,加工什么产品,加工产品数量,故障信息,机床的利用率等,所有信息都自动、准确地显示出来,实现了生产过程的透明化和自组织。

人、机器、物料是企业生产的三要素,通过数字化手段实现互联互通和物理实体世界与数字虚体世界的深度融合,从而将制造业逐步推向智能化。联接产生协作,联接产生效益,联接产生自组织,联接产生智能。

虚拟世界与现实世界间数据自由流动,打造中国经济“双引擎”

2016年5月25日,李克强总理在贵阳出席“中国大数据产业峰会暨中国电子商务创新发展峰会”时指出,大数据新业态代表的创新理念要和传统行业长期孕育的工匠精神相结合,推动虚拟世界与现实世界融合发展,重塑产业链、供应链、价值链,促进新动能蓬勃发展、传统动能焕发生机,打造中国经济“双引擎”,实现“双中高”。

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