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工业4.0,德国中小企业如何跨过门槛

发布时间:2020-03-21 03:58编辑:机械设备浏览(83)

    智能工厂的各个要素到底长什么样?德国联邦政府的Autonomik研究项目试图回答智能工具和系统的问题。

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    工业4.0项目的宠儿

    图为德国凤凰接触器公司员工在生产线上进行零件组装。 凤凰接触器公司供图

    Autonomik是德国联邦经济与能源部的一个战略性研究项目,是BMWi重点资助的六大数字化技术项目之一。这个看上去有点奇怪的德文词,字面上显示出“自主、自治”的含义,但实际内涵则要更加丰富。

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    事实上,早在2010年,德国就已经启动了相关的项目,名为“Autonomik-自主和基于仿真的系统服务于中小企业”。在“工业4.0“正式提出之后,此项目被升级为“Autonomik fuer Industrie 4.0”,从而将其与工业4.0进程紧密地结合在了一起。

    以物联网、大数据、机器学习、“数字化双胞胎”、人工智能等技术为核心的工业4.0,如今已成为德国工业的最新名片。不仅西门子、博世等大企业倾力推动,不少科研实力并不雄厚的中小企业,也在各种支持下逐渐参与其中,以应对技术和市场的全新变革和挑战。不过,由于在成本支出、经营理念、数据安全、人才建设等方面还存在诸多挑战,许多德国企业对工业4.0的应用还在摸索中。

    工四100术语解读

    在智能示范工厂里生产爆米花

    目前,Autonomik项目是德国面向未来的科技创新项目,目标是为中小企业开发新一代的智能工具和系统。这些工具和系统能够自主地联网、识别周围环境、适应外界条件的变化,并且能够与用户融为一体。

    “阿历克塞,开始分拣程序。”

    Autonomik的语境与定义包含了这样的关键词

    随着弗拉特博士一声令下,眼前的人机交互界面应了一声“OK”,机器便开始运转。一大把掺杂着黑色测试物的玉米掉落到传送带上。几秒钟内,黑色测试物被全部分拣,只有合格的玉米进入后续爆米花生产。

    1、工具与系统

    “玉米粒次品率等数据,会由玉米分拣系统自动提交给爆米花厂家,供其优化生产流程。整个爆米花生产过程除了语音唤醒‘阿历克塞’,其他都由搭载了智能传感器的机器来完成。”弗拉特向本报记者介绍。

    这给Autonomik的研发目标定了性。研发的成果是拿来给人用的,而不是要取代人类的。

    弗拉特是弗劳恩霍夫工业自动化应用中心智能传感系统项目的负责人,而这一玉米分拣系统正出自该中心。

    2、中小企业

    这条玉米分拣系统是东威斯特法伦—利普智能工厂的10多条工业4.0示范线之一。OWL智能工厂由弗劳恩霍夫工业自动化应用中心和东威斯特法伦—利普应用科技大学联合设立。该工厂目前不生产任何产品,而是一个展示工业4.0的示范平台。

    这是德国工业4.0不厌其烦强调的关键词。德国政府推动4.0的最主要目的之一,是让广大中小企业从转型升级中受益。

    白色半弧形的厂房,四面被大落地窗环绕,各式自动化机器整齐排列,一架黑色无人机挂在屋顶。弗拉特说,无人机可以在生产车间发挥“信使”功能,自动传递小型零件和档案资料。

    Autonomik

    在OWL智能工厂,工业4.0并非宏大叙事,而是一个个如玉米分拣系统一样的具体案例,参观者可以观摩甚至亲身体验。

    3、自主

    穿戴好增强现实设备,眼前浮现出一个虚拟3D装配线。参观者只需根据屏幕上的指示,从不同的盒中取出部件,按图示步骤组装好元器件,放在检测仪中,系统便会自动显示是否合格。

    这是Autonomik工具/系统的最主要特点。在其设计思想之下,工具能够在感知外界情况之后通过通信和计算来自行作出决策,不需外界干预。

    以上这一切并没有真实发生,却可以完全模拟生产线运行情况,并发现问题。在传统工厂,无论设备调试还是样品生产,都需要反复实操,花费大量时间和其他成本。如今,基于大数据以及软件技术搭建的“数字化双胞胎”,在设备投产前就能预先发现和解决问题。

    4、人机一体

    “有了这些应用,工厂可以更好了解生产情况和数据,及时分析改正错误,提高效率和品控,节省人力成本。”弗拉特说。

    自主的工具和用户/环境有机地结合,成为整个工业生态系统的一部分。

    产官学全方位协力推进

    Autonomik项目作为德国工业4.0计划的资助重点,目前有十五个子项目正在进行之中,其牵头单位包括阿迪达斯、奥迪等公司及慕尼黑工业大学等科研院所。这些项目涉及生产、物流、机器人等领域,具体研究领域包括工厂架构设计、物流自动化、产品研发等,内容很丰富。德国联邦政府也很积极地对外宣传这些项目的进展,在2016年的汉诺威工业博览会、2016慕尼黑国际机器人及自动化博览会上面都设置了专门的展台,对Autonomik的研究内容进行介绍。

    在《工业4.0:即将来袭的第四次工业革命》一书作者森德勒看来,工业4.0不仅仅是自动化,而是对产品研发、生产、销售、服务等整条价值链实时管理,并从终端使用者的多元需求出发,反推至前述各个环节,创造成本可接受的个性化产品。

    实例1: InventAiry飞行机器人项目

    以汽车为例,宝马的电力辅助刹车系统部件由博世集团的6个工厂生产,然后在一个工厂组装。借助工业4.0,宝马可以随时知道每一个零部件在供给链中所处的状态,并根据消费端的数据调整库存,提高交货效率。

    Fraunhofer IML在Autonomik的资助下开展了名为”InventAiry”的项目,目标是在仓库环境中用自主飞行的机器人来清点库存。这样的机器人体积甚小,凭借其摄像/探测设备可以在飞行中感知和分析周围环境,并自行决定飞行的路线。在飞行过程中,机器人会探测和记录每件物品上的条形码/RFID标签信息,从而完成库存清点的过程。

    推动工业4.0,实现对传统工业生产、销售和服务等环节的数字化和智能化变革,对企业的技术应用、软硬件设备和专业人员提出了很高的要求。这与前三次工业革命以及过往一二百年间的价值链逻辑完全不同。博世、宝马这样的大企业可以做得很好,但对占德国企业总数99%的中小企业并非易事。OWL智能工厂建立的初衷,即是在工业4.0的实施过程中为中小企业提供测试环境,降低它们的试错成本。

    InventAiry这样的系统,具有相当大的灵活性:首先,此机器人的应用不需要其它的硬件布署作前提,因此能够迅速投入使用;其次,它能够动态地识别周围环境的变化,不依赖于已有的地图。因此,即使是飞行过程中出现了新的障碍物,或是移到一个全新的仓库中,机器人也能够很快地适应。

    OWL智能工厂只是“It'sOWL”集群的一部分。这一集群由德国联邦政府支持,北莱茵—威斯特法伦州政府牵头,集合了东威斯特法伦—利普地区近200家制造企业、16个科研机构以及6所大学,是德国针对中小企业实施的最大的工业4.0计划之一。

    这种自主飞行机器人的应用,可以大幅节省库存盘点所需人力资源,将劳动者从简单的体力劳动中解放出来。同时,它使得库存监控成为一个常态化的、可连续运行的过程,有助于库存准确度的提高。

    与大企业的成套方案不同,“It'sOWL”针对中小企业的不同需求,将大企业的成套方案拆解,将其中有用的部分重新开发组合。

    Autonomik

    这些私人订制方案非常具体,涉及的产业也五花八门。爆米花原料分拣和供给如何通过智能化实现加速,急救包安瓿瓶托架如何既防震又易拔取,如何收集印刷机胶辊磨损数据以便耗材数字化管理……很多不起眼的行业,都引入了工业4.0。从2012年至今,“It'sOWL”已经完成47个研究计划,向企业转移项目171个,创造了7500个新增就业岗位。

    图4 自动飞行器进行库存盘点

    这一过程并非无偿提供,中小企业需要付费咨询。但相比优化之后节约的成本,许多企业认为付出是值得的。

    来源:Fraunhofer IML

    “通过工业4.0技术帮助德国中小企业提高经济效益,正是‘It'sOWL’的作用。”弗拉特说。

    实例2:SPEEDFACTORY项目

    “It'sOWL”也仅仅是德国政府支持的数个工业4.0前沿集群中的一个。早在2013年,德国就将工业4.0纳入《高技术战略2020》,并形成由企业主导,政府、行业协会和研究机构共同参与,产官学相结合的工业4.0支持平台。德国联邦经济部还在全德成立了25个工业4.0能力中心。全德在工业4.0领域的总投资,已从2013年的3.2亿欧元上升到了2020年的26.2亿欧元。

    SPEEDFACTORY是阿迪达斯的创新性生产战略,也是Autonomik最知名的子项目之一。其意在将相关产能从亚洲迁回德国,重振其本土运动鞋/服装产业。

    工业4.0并非适合所有企业

    SPEEDFACTORY模式的一大亮点是生产的全自动化,制鞋加工过程中不再有工人的参与。其生产设备占据的面积很小,便于灵活布局,以及在必要的时候移至它处。通过3D打印等技术,SPEEDFACTORY最大限度地压缩了库存和相关的原材料物流环节,并且可以以最快的速度来制作出成品。

    去年底,一则新闻引发了全球业界关注:阿迪达斯宣布将关闭其位于德国和美国的“高速工厂”,订单重回亚洲人力代工厂,这距其开张不过三年。

    Autonomik

    在“高速工厂”,顾客可以现场扫描足部模型、在跑步机录入运动数据,借助机器人和4D打印,顾客5小时就能拿到量身打造的运动鞋。在过去,阿迪达斯一双鞋从设计到上架需要18个月,其中75%的产品不到一年就开始打折。

    图5 SPEEDFACTORY场景

    小规模订制化生产,理论上更贴近需求,避免产品滞销,一度被视为业界革命,然而事与愿违。虽然阿迪达斯没有透露具体细节,但高昂的运维成本和有限的产品选择,被认为是关厂主因。

    SPEEDFACTORY项目的另一大亮点是贴近客户。每一双鞋都可以为顾客量身定做:他/她只需在跑步机上试跑一段时间,系统便可以根据采集到的数据自动确定生产参数,制作定制化跑鞋。生产设备将被搬到本地的阿迪达斯专卖店里面,从而让德国顾客亲眼看到自己专属运动鞋的诞生过程。

    这也被媒体称为德国第一个宣布失败的工业4.0案例。事实上,类似的失败案例已有不少。根据“It'sOWL”的统计,在其171个企业转移项目中,有3/4企业表示满意,这也意味着25%的工业4.0改造方案没有达到预期效果。

    “体验-生产-购买”的过程融为一体,使得生产设备成为客户体验的一部分,而客户也成为了生产的参与者。

    “It'sOWL”所在的东威斯特法伦—利普地区,是德国乃至欧洲制造业最发达的地区之一,在机械、电气、电子以及汽车领域拥有400多家企业,年产值170亿欧元,其中不乏行业引领者和隐形冠军。

    按阿迪达斯的说法,这种“所需即所得”的高效灵活生产方式,将开启制鞋业的新时代。

    即便制造能力雄厚、上下游配套便利、技术创新水平领先,该地区实行智能化生产也并非总是成功。这也反映出德国工业4.0遭遇的瓶颈,这一工业升级计划并非适合所有企业和行业。

    阿迪达斯计划SPEEDFACTORY今年进入预运行,试做500双鞋投入市场进行销售测试。鞋类生产是SPEEDFACTORY项目的第一阶段,并且实现私人订制,即对用户的个性化需求进行迅速反馈,这将成为阿迪达斯的竞争优势。

    在成本支出、经营理念、数据安全、人才建设等方面,诸多问题有待解决,许多企业也因此仍在观望。

    这一项目已经作好了商业化的前期准备,将于2017年在德国本土实现全面量产。

    “如今无论供货商和顾客,都要求相关的数据支撑。许多公司其实是在数字化大潮中被动接受了工业4.0。”德国凤凰接触器公司负责企业传播的工作人员安德雷·科勒告诉本报记者:“我们目前最大的挑战是缺少专业人才。”

    实例3:设计生产线的平台OPAK

    根据德国联邦外贸与投资署工业4.0领域专家夏尔玛统计,约有30%的德国中小企业在工业4.0升级时感到力不从心,其经济实力无法承担未知的后果。“这些企业在前期必须进行非常慎重的考虑,比如通过咨询机构,至少从理论上确认工业4.0升级的可操作性。”夏尔玛对本报记者说。

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