江爽

（湖北工程職業(yè)學(xué)院，湖北 黃石 435000）

工業(yè)4.0在傳統(tǒng)制造業(yè)中的應(yīng)用

江爽

（湖北工程職業(yè)學(xué)院，湖北 黃石 435000）

工業(yè)4.0的技術(shù)基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)實(shí)體系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)。中國(guó)的制造產(chǎn)業(yè)應(yīng)根據(jù)中國(guó)國(guó)情，推出中國(guó)企業(yè)的應(yīng)對(duì)策略，充分利用現(xiàn)有的信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，不斷創(chuàng)新，加快信息技術(shù)在產(chǎn)品制造中的應(yīng)用。

網(wǎng)絡(luò)實(shí)體；物聯(lián)網(wǎng)；制造業(yè)；應(yīng)用

1 工業(yè)4.0的興起

2011年，在德國(guó)漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，首次提出了“工業(yè)4.0”的概念。隨后，德國(guó)政府、產(chǎn)業(yè)界和科學(xué)技術(shù)研究所不斷加大投入精力，并于2013年4月發(fā)布了《實(shí)施“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略建議書》，12月，德國(guó)又發(fā)布了“工業(yè)4.0”標(biāo)準(zhǔn)化路線圖，德國(guó)工業(yè)4.0成為德國(guó)政府確定面向2020年的國(guó)家戰(zhàn)略。德國(guó)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為，未來(lái)10年，基于信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System,CPS）的智能化，將使人類進(jìn)入以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命。產(chǎn)品全制造流程和生命周期的數(shù)字化以及信息通信技術(shù)的模塊集成，將形成一個(gè)高度靈活性、個(gè)性化、數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。

德國(guó)提出“工業(yè)4.0”是以大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，而大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)已面向全球的各個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不再局限于某個(gè)領(lǐng)域或行業(yè)。我國(guó)改革開(kāi)放已有30多年，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已經(jīng)成為全球化市場(chǎng)很重要的一部分，我國(guó)的制造業(yè)在國(guó)際上也處于重要地位。在全球化浪潮中，我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)及信息技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)鋪展開(kāi)來(lái)，信息科技的發(fā)展也處在國(guó)際前列，為了應(yīng)對(duì)全球化發(fā)展，提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，必須在傳統(tǒng)制造業(yè)中發(fā)展智能化。

2 工業(yè)4.0的主要內(nèi)容

“工業(yè)4.0”被認(rèn)為是利用基于信息物理融合系統(tǒng)的智能化來(lái)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的第四次工業(yè)技術(shù)革命。前三次技術(shù)革命分別定義為機(jī)械化、電力化和信息化技術(shù)革命。從生產(chǎn)力的角度來(lái)說(shuō)，前三次工業(yè)革命都改變了原來(lái)的生產(chǎn)方式，將人逐漸從原有的生產(chǎn)方式中解放出來(lái)，推動(dòng)社會(huì)的不斷進(jìn)步。從這個(gè)方面來(lái)說(shuō)，德國(guó)提出的“工業(yè)4.0”將大大提高生產(chǎn)效率，在以信息技術(shù)為核心的第三次工業(yè)革命的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)張和發(fā)展。

現(xiàn)代化的智能工廠采用了一種全新的生產(chǎn)方式，智能產(chǎn)品通過(guò)獨(dú)特的形式加以識(shí)別、可以在任何時(shí)候被定位、并能知道它們自己的歷史、當(dāng)前狀態(tài)和為了實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)狀態(tài)的替代路線。嵌入式制造系統(tǒng)在工廠和企業(yè)之間的業(yè)務(wù)流程上實(shí)現(xiàn)縱向網(wǎng)絡(luò)連接，在分散的價(jià)值網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)橫向連接，并可進(jìn)行實(shí)時(shí)管理——從下訂單開(kāi)始，直到外運(yùn)物流。此外，他們形成的且要求的端到端工程貫穿整個(gè)價(jià)值鏈。智能化生產(chǎn)的核心為CPS，將制造智能化，大量功能強(qiáng)大、自主控制的微芯片可以互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)機(jī)器之間的對(duì)話，自動(dòng)完成各項(xiàng)原來(lái)人為控制的生產(chǎn)活動(dòng)。在信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System,CPS）發(fā)展足夠完善時(shí)，它可以自行完成生產(chǎn)安排、倉(cāng)儲(chǔ)物流、搬運(yùn)堆垛和加工裝配。

除了制造之外，市場(chǎng)也是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈不可或缺的部分。“工業(yè)4.0”從供給和需求方面也做了安排，實(shí)施“領(lǐng)先的供應(yīng)商戰(zhàn)略”+“主導(dǎo)市場(chǎng)戰(zhàn)略”。領(lǐng)先的供應(yīng)商戰(zhàn)略強(qiáng)調(diào)裝備供應(yīng)商通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，為制造企業(yè)提供領(lǐng)先的技術(shù)解決方案，這樣就要求供應(yīng)商加強(qiáng)研發(fā)，保持在CPS科研及應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)建新型價(jià)值網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施推廣應(yīng)用。

在主導(dǎo)市場(chǎng)的方面，地處不同地方的商務(wù)活動(dòng)需要建立緊密的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，企業(yè)間也需建立更加密切的合作關(guān)系。這將反過(guò)來(lái)要求對(duì)處于不同價(jià)值創(chuàng)造階段和產(chǎn)品全生命周期、產(chǎn)品不同生產(chǎn)階段及相應(yīng)的制造系統(tǒng)進(jìn)行邏輯的、端對(duì)端數(shù)字集成。一項(xiàng)最特殊的挑戰(zhàn)在于能夠同時(shí)將全球化運(yùn)作的大型公司和基本在地區(qū)范圍運(yùn)行的中小企業(yè)集成到正在形成的新價(jià)值鏈網(wǎng)絡(luò)中。這樣，制造業(yè)的優(yōu)勢(shì)一定程度上在于其保持了工業(yè)系統(tǒng)中大批中小企業(yè)和少數(shù)大型企業(yè)的結(jié)構(gòu)平衡。

3 工業(yè)4.0在生產(chǎn)上的應(yīng)用

（1）減少能源消耗。傳統(tǒng)工業(yè)，生產(chǎn)線或者它們的一部分，因生產(chǎn)間歇、周末或者輪班而沒(méi)有從事生產(chǎn)的時(shí)候仍然持續(xù)地運(yùn)行，并消耗大量的能源。例如，使用激光焊接技術(shù)的汽車車身裝配線在生產(chǎn)間歇時(shí)所消耗的能源占據(jù)了其全部能源消耗總量的12%。這些生產(chǎn)線每周工作5天，實(shí)行3班倒。雖然這些復(fù)雜的機(jī)器在周末并不生產(chǎn)，但它們?nèi)匀槐３止ぷ鳡顟B(tài)以便周末結(jié)束后迅速投入生產(chǎn)。

生產(chǎn)間隙大部分能源消耗來(lái)自于機(jī)器人、通風(fēng)設(shè)備和激光源及其冷卻系統(tǒng)。未來(lái)，機(jī)器人即便在很短的時(shí)間內(nèi)也可以關(guān)閉，在比較長(zhǎng)的時(shí)間段，它們將保持“網(wǎng)絡(luò)喚醒模式”的待命狀態(tài)；通風(fēng)設(shè)備可以控制速度滿足不同的需求；激光源則需要全心的系統(tǒng)以適應(yīng)節(jié)能需要。這些措施可以減少總能源消耗的12%，大大改善了能源利用效率。

（2）全價(jià)值鏈端到端系統(tǒng)工程。端到端的數(shù)據(jù)系統(tǒng)工程和價(jià)值鏈優(yōu)化將意味著，顧客不用再?gòu)墓?yīng)商預(yù)先制作的產(chǎn)品系列中挑選產(chǎn)品；取而代之的是通過(guò)個(gè)性化功能和組件的混合或重置，來(lái)滿足自己的特殊需求。

當(dāng)前的價(jià)值鏈，即從客戶提出需求到產(chǎn)品設(shè)計(jì)和投入生產(chǎn)，往往是相對(duì)靜態(tài)的，且需要多年時(shí)間完成。IT支撐系統(tǒng)通過(guò)各種接口來(lái)交換信息，但是只能在具體個(gè)案中應(yīng)用這些信息。這樣無(wú)法催生產(chǎn)品制造的全球化視野。結(jié)果，盡管從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)，但顧客仍無(wú)法自由地選到滿足其所有需求的功能和特性的產(chǎn)品。例如，你可以為一輛汽車訂購(gòu)后擋風(fēng)玻璃刮水器，但刮水器卻不能用在由同一家公司生產(chǎn)的豪華轎車上。而且，目前IT系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用仍相當(dāng)高昂。

通過(guò)CPS應(yīng)用到基于模型的開(kāi)發(fā)，可以完成端到端、模擬、數(shù)值方法等涵蓋了從客戶需求到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、加工制造、成品完成等各個(gè)方面的配置。它可在端到端的工程工具鏈中，對(duì)各環(huán)節(jié)的相互依存關(guān)系進(jìn)行確定和描述。這種制造業(yè)系統(tǒng)是打包開(kāi)發(fā)模式，意味著它總能跟上產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的腳步。結(jié)果是，它開(kāi)啟了個(gè)性化定制產(chǎn)品的可行性。在保存現(xiàn)有裝備價(jià)值的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)多個(gè)階段逐漸轉(zhuǎn)移到這個(gè)工具鏈。

（3）3D打印的應(yīng)用。3D打印，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印可以快速的打印出高質(zhì)量的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，這樣就可以孕育出新的生產(chǎn)模式和服務(wù)方式。終端客戶可以近距離參與到生產(chǎn)中來(lái)，客戶可以自行設(shè)計(jì)創(chuàng)作三維圖形，然后以e-mail的形式發(fā)給生產(chǎn)方，或者客戶可以掃描出結(jié)構(gòu)件的三維圖形，再發(fā)送給生產(chǎn)方，通過(guò)3D打印技術(shù)生產(chǎn)出一樣的產(chǎn)品，免去了傳統(tǒng)生產(chǎn)的開(kāi)模等復(fù)雜環(huán)節(jié)。

4 我國(guó)制造業(yè)的展望

工業(yè)4.0作為引領(lǐng)未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)的全新概念，將使產(chǎn)品組件與生產(chǎn)系統(tǒng)直接溝通，發(fā)出下一步生產(chǎn)指令，生產(chǎn)系統(tǒng)更加靈活，更加智能化。不同工序聯(lián)網(wǎng)更加緊密，不同組件之間可以相互溝通。工業(yè)4.0應(yīng)用到生產(chǎn)中，將會(huì)大大提高生產(chǎn)效率，大大降低能源消耗，為未來(lái)工業(yè)的快速發(fā)展提供保障。

目前，我國(guó)正大力推動(dòng)信息化與工業(yè)化的深度融合、促進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，德國(guó)推出的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略與我國(guó)提出的“兩化”，即信息化和工業(yè)化，深度融合有很大的相同之處，與我國(guó)制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略不謀而合。因此，學(xué)習(xí)借鑒德國(guó)推行的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，對(duì)破解我國(guó)制造業(yè)面臨發(fā)展的階段性和結(jié)構(gòu)性矛盾，推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)與提質(zhì)增效，重建我國(guó)制造業(yè)新優(yōu)勢(shì)具有重大的意義。

4.0 An Analysis On the Application of Industry 4.0 in Traditional Manufacturing Industry

JIANG Shuang
（Hubei Engineering Vocational College,Huangshi，hubei 435000，China)

Industry 4.0 is based on network entity system and the Internet of things.The man ufacturing industry in China should be based on the national conditions and put forward strategies for enterprises,make full use of existing information technology infrastructure,and make continuous innovations,speed up the application of information technology in manufacturing.

network entity;Internet of things;manufacturing industry;application

F414

A

2095-980X（2015）02-0079-02

2015-01-14

江爽（1985-）,女,湖北黃石人,大學(xué)本科,助理講師，主要從事模具設(shè)計(jì)與制造方面的工作。