“工业4.0”精彩案例

何懿文

一、德国安贝格西门子智能工厂

作为工业4.0概念的提出者，德国也是第一个实践智能工厂的国家。位于德国巴伐利亚州东部城市安贝格的西门子工厂就是德国政府、企业、大学以及研究机构合力研发全自动、基于互联网智能工厂的早期案例。占地10万平方米的厂房内，员工仅有1000名，近干个制造单元仅通过互联网进行联络，大多数设备都在无人力操作状态下进行挑选和组装。最令人惊叹的是，在安贝格工厂中，每100万件产品中次品约为15件，可靠性达到99%，追溯性更是达到100%。这样的智能工厂能够让产品完全实现自动化生产，堪称智能工厂的典范。其中有很多值得学习和借鉴的地方。

数字化工厂概念：数字化工厂不是无人工厂，而是根据生产工艺的实际情况，在考虑投资成本的情况下，为人提供最佳支持。这一点在安贝格工厂得到了很好的体现。整個厂内甚至没有看到一台六轴机器人，但求所需，无求多余。目前安贝格工厂仍有1200多名员工，一条生产线仍然有6-8名操作工人，同时有30-40人的技术人员进行支撑，确保物料、设备、产品检验等工作。

持续改进的过程：安贝格工厂走到今天这样出色，是持续改进的结果，“质量第一”仍然是其发展战略的重中之重。历经25年，通过持续的改善，在员工没有增加的情况下，产能提高到原来的8倍，质量从上世纪90年代的560百万出错率，下降到2014年的11.5百万出错率，质量水平达到了99.9989%。可见质量是企业的生命线，而数字化、网络化、智能化的工厂也绝对不是一蹴而就的，需要对产品、工艺进行持续的改进。

数字双胞胎概念：西门子认为安贝格工厂的成功是数字化的成功，将工艺的规划与工程化、生产系统的规划与工程化、仿真优化及验证全部实现数字化，并且能够达到实体与数字信息同步，达到设计、制造、调试信息一体化的联动，其中任何一个环节的数据变化，都能在整个环节上同步进行变更，强调的是集成的、统一的数据标准。

信息化系统与自动化装备的高度结合：安贝格工厂的生产过程的自动化率达到75%，但更为关键的是物流的自动化与信息的自动化、生产过程的自动化相匹配，真正达到了物流、信息流及仿真的完美统一。

模块化设计：缩短为客户提供服务的周期，为客户提供更加便捷的服务。目前安贝格工厂为全球6万多家客户提供产品，达到自接到订单，最短可达到一天之内为用户提供产品，生产组织形式真正高效、灵活。其中，模块化设计是其能够灵活组织生产的重要保证，模块化设计包含产品的设计，也包含了生产设备、信息化软件系统的模块化设计与相对标准化的设计。

另外，安贝格工厂的生产现场布局也很有特点，在场内基本看不到地面排线等，据西门子的专家介绍，其排线系统与物流系统一样，都放在了一楼，地面上设了多个能源供应点，可以根据生产布局的需要随时灵活调整。

综上所述，数字化、模拟仿真、模块化及相对标准化的产品设计，基于自己产品的物料清单和工艺清单的数字化，以及信息化与自动化的高度融合是德国实现“工业4.0”的重要因素。对产品设计和生产工艺持续的改进，并且不断地将BOM与BOP进行数字化后与自动化装备完美结合，才是不断提高生产效率、改善产品质量的王道。

二、施耐德电气ECOStruxure能效管理平台

全球能效管理专家施耐德电气2010年推出EcoStruxure能效管理平台，该平台融合施耐德电气在电力、工业、建筑楼宇、数据中心和安防5个领域的独特技术和专业经验，为需要寻求多个业务领域提高能源效率的客户提供智能化的能源管理解决方案。

EcoStruxure的承诺主要基于两个方面：首先，EcoStruxure是基于5个技术领域里有特定目的的应用的最全面组合，而这五个领域是解决能源方程所必需的。（1）电力：为设施、工厂提供完整的电源管理解决方案，实现高效、安全、可靠的电力分配。（2）数据中心：APC by Schneider Electric为数据中心提供了备受赞誉的InfraStruxure架构，该架构采用了模块化的、可扩展的方法，不但可以优化关键电源和制冷服务，还可以改进重复建设导致的低效。（3）工业：自动化解决方案关注灵活性、可扩展性、易使用性，面向最终用户及原始设备制造商需求提供自动化控制和管理控制平台。（4）建筑楼宇：管理解决方案关注降低安装和运营成本，并通过对温度、照明以及百叶窗等的实时控制来提高最终用户的舒适度。（5）安防：Pelco by SchneiderElectric提供的架构拥有行业领先的视频、门禁与安保技术，可以尽可能地降低计划外的停机而导致的成本和效率损失，并提供全面的风险分析。其次，EcoStruxure能够将以上五种技术整合在开放的、灵活的技术平台上，（该系统需要用到IP和网络服务），并能够连接特定应用，设置不同级别。

除了实现了对电力、工业、建筑楼宇、数据中心和安防5大领域的技术和专业经验的整合，EcoStruxure与其子系统更强调软件带来的灵活性。例如其为河北某钢铁集团执行的MES项目，施耐德电气为其10个厂区所有车间提供了统一的能源信息管理平台，可以采集80000个水、电、蒸汽数据，囊括1800个电表，100个MES用户。项目实施下来据估算该客户每吨钢的生产可节省100元的能源费用。同时，为客户提高了能源管理的可视化、可追溯及准确性。

此外，施耐德电气自2007年加入ODVA以来，工业以太网架构相关产品和解决方案一方面会继续保护已有的客户在ModbusTCP协议上的投资，同时延续和支持CIP技术的服务和协议，尤其是EthernetIP协议。以论坛上一个互操作的demo为例，可以看到施耐德电气的产品可以与其他品牌在整个系统中非常好地整合在一起。施耐德电气可以提供整个基于以太网架构的完整自动化方案，但是并不局限客户只可以采用施耐德电气的自动化产品，这样可以给用户更多的选择。

施耐德电气的发展方向是将以太网从信息和控制层面，向下延展到现场设备层面，比如和一些电气设备如变频器、马达保护单元、电能和其他能源介质的测量仪表和一些关键的资产和设备等。同时其核心控制器PAC系列也将实现从传统的封闭式背板总线技术向以开放以太网技术过渡，实现“一网到底”的梦想，向“以太网内置”跨越。

三、美国通用公司的“工业互联网”

由于制造业巨头德国提出了“工业4.0”战略，大大刺激了处于世界高端技术的领导地位的美国。所以，由通用公司倡导的“工业互联网”战略在美国兴起。进而，AT&T、思科、通用电气、IBM和英特尔几家互联网巨头宣布成立美国工业互联网联盟，正式进入美国“工业4.0”时代。

美国通用公司提出的“工业互联网”与德国的“工业4.0”类似，即將智能设备、人和数据连接起来，并以智能的方式利用这些交换的数据。在通用看来，打造一个工业互联网必须具备三个要素：首先是智能机器，一是需要在机器上安装很多的传感器，传感器的功能是收集各种数据，能让企业了解和知道机器运行的状况。二是在收集到数据的基础上对机器进行控制，使机器的运行达到最优化。通用在这方面做了很大投资，安装大量传感器，在此基础上进行分析或让机器智能化。第二个要素就是对于所收集回来的数据保存与处理分析的能力。在通用所出产的大型燃气轮机上，安装在叶片上的一个传感器，一天所生成的数据就将达到500TB。可以想像一下，如果一台燃气轮机有20个传感器，而这样的设备全球有12000台，其数据量会是怎样的规模？为打造存储和广义海量数据的能力，通用公司通过购买Pivotal公司10%股权的方式，在这方面加大投资力度。第三个要素则是数据人才方面，即培养大量的具有分析和数据挖掘能力的人才，尤其是那些具有很强的数学、统计、运营、研发实力的博士生，来培养这方面的人才。

2015年6月，通用电气向所有企业开放Predix操作系统，帮助各行业的企业创建和开发自己的工业互联网应用。在软件定义的时代下，Predix设备将可面向复杂的对象与庞大的数据，可确保传感器、监控、现场设备之间开放、安全地通信，并可实现基于云的管理与服务。Predix是一个软件平台，负责将各种工业资产设备和供应商相互连接并接入云端，并提供资产性能管理（APM）和运营优化服务。GE的APM系统每天共监控和分析来自1万亿设备资产上的1000万个传感器发回的5000万条数据，终极目标是帮助客户实现100%的无故障运行。

为了实现该理想，通用电气不断扩大其与英特尔和思科的合作关系，来不断加强机器、系统、工业网络设备之间的互联，不断实现不同设备制造商之间产品、设备的互通互联，使得更多设备通过Predix操作系统更容易地集成到他们现有的设施中去。思科和通用电气已经开发出一种Predix-ready思科工业路由器，外部经过强化处理，能够经受石油和燃气设施的恶劣环境考验。在网络连接性方面，GE还与软银、Verizon和沃达丰达成全球联盟，为工业互联网优化无线网络连接方案。GE还与AT&T合作通过AT&T的网络将火车、货轮和飞机引擎连入云端。

四、日本安川电机的工业机器人

日本工业机器人行业的巨头主要有安川电机、不二越、发那科等，这几大公司堪称日本机器人产业的基石，其中安川电机的工业机器人生产数量居世界第一，该公司的MOTOMAN工业机器人是日本首个全电动式工业机器人，广泛应用于汽车、电器制造等领域。安川的运动控制事业部通过丰富的Drive（驱动）、Motion（运动）、Controller（控制）产品组合，为从一般工业机械到高精度机床机械，提供高性能、高生产率的解决方案。其中，变频器占30%，伺服占70%。

安川电机成立于1915年，最初专业生产电动机。源于对电机产品的深入了解和“以独特的技术，为社会和公共事业做贡献”的理念，经过100多年的专注研究和发展，安川电机如今在多个领域都首屈一指。截至2011年，安川电机生产的变频器、交流伺服电机、机器人三项产品的全球市场份额均位于首位。

1977年安川电机运用独自的运动控制技术开发生产出了日本第一台全电气化的工业用机器人一莫托曼1号。此后，相继开发了焊接、装配、喷漆、搬运等各种各样的自动化作用机器人，并一直引领着全球产业用机器人市场。截至2014年，安川电机的工业机器人全球累计出货量突破30万台。不仅全球份额领先，在中国，安川电机同样以20%的高份额问鼎工业机器人领域名副其实的“状元”。

安川电机的足迹已遍布中国大地。作为第一个到中国设厂生产机器人的日本企业，安川电机甚至将首个海外机器人的生产基地设立在中国江苏省常州市。在上海，上海安川电动机器有限公司提供高品质的变频器和伺服电机，安川（中国）机器人有限公司则负责工业用机器人、控制系统的制造；在辽宁，安川电机（沈阳）有限公司生产并销售伺服电机、伺服驱动器；在北京，安川首钢机器人有限公司则负责机器人系统的设计制造、安装及服务……安川电机的各个事业，在中国的土壤上遍地开花。

没有持续的技术创新，安川电机则无法保持在全球工业机器人市场的领导地位。安川电机机器人专利申请数量稳定提升，2011年为2005年的一倍左右；在机器人核心部件控制器方面，1979～2009年安川电机专利申请数量占比14%，仅次于发那科。作为技术创新的倡导者，安川不断把用户需求融合到技术及产品的开发当中，公司秉承i3-Mechatronics，即Integrated（整合）、Intelligent（智能）、Innovated（创新）的企业理念，以机电一体化产品及前沿运动控制技术活跃于全球工业领域的舞台，为超高速、超精密控制做出贡献。