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“工业 4.0:管理层不能忽视的效率提升”文章

Gary McCormick

技术趋势

工业 4.0 – 第四次工业创新

工业 4.0 – 对于这个热门词汇,您应该不会陌生,但您对它是否真的了解呢?这个词本身是“第四次工业革命”的简称,它是指对过去 250 年间改变制造业的技术创新的最新一波发展。

对于制造公司来说,工业 4.0 意味着提高效率和灵活性,甚至是以前遥不可及的功能的出现。在不考虑规模经济的情况下经济地生产小批量“一次性”生产线的能力,只是这种新秩序会带来的好处之一。

从 1760 年左右开始,第一次工业革命拉开了人类社会从以农耕为主的体力劳动形式到目前高度机械化生产方式转变的大幕。然后,水和蒸汽动力取代了人和动物的力量,实现了机械化,转变正式开始。第二波是电力,然后是计算机,现在是工业实现数据收集、数据解释、数据操纵、机器间通信和革命性的新制造方法的有效组合。

在跨学科团队对集成设计和制造模式变得越来越重要的时代,工业 4.0 最终承诺打破设计、采购、制造和售后服务之间的功能界限,全面开展团队合作。

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所谓的“九大技术进步支柱”构成了工业 4.0 的框架,共同实现制造技术的自动化、集成和优化。“九大支柱”是什么?它们分别是:

  • 大数据和分析
  • 自主机器人
  • 仿真
  • 水平和垂直系统集成
  • 工业物联网 (IIoT)
  • 网络安全
  • 增材制造

有些人搞不清工业 4.0 和 IIoT 之间的区别。正如 Internet 和万维网指的是世界各地数以百万的计算机节点的互连性,工业物联网与工业 4.0 相关,是指本地化的或至少是限于企业范围的工业机械和系统互连性(相对于非工业 IoT 消费品,例如可穿戴健身监测器、家庭气候和安全控制或小家电)。嵌入式计算能力将允许机器间通信,以及与中央控制器更常规的连接,从而整合分散的分析和决策,以加速对制造环境中不断变化的需求或条件的实时响应。

对于制造公司来说,工业 4.0 意味着提高效率和灵活性,甚至是以前遥不可及的功能的出现。在不考虑规模经济的情况下经济地生产小批量“一次性”生产线的能力,只是这种新秩序会带来的好处之一。想象一下,支持通信功能的互联机器可以监控自己的状况和可操作性,并可以根据需要安排维护操作。基于这种能力,工作负载可以从处于停机状态的机器自动转移到其他机器或设备,从而消除或至少最大限度地减少机器停机时间和生产中断。

通过 IIoT 与大型工业基础设施进行连接和通信也具有优势。通知或感测电力输送能力的下降可允许非必要设备脱线,从而减少电力需求并降低限电或断电的危险,同时最大限度减少重要操作的中断。这种能力可以扩展到提供的其他服务,例如水或天然气和其他燃料。

工业 4.0 的其他“支柱”具有其自己的独特优势。通过大数据、分析和云功能扩大和改进对信息的访问后,可以更广泛地使用可用数据,从而提高由启用 IIoT 的设备所收集信息的有用性。利用实时收集的数据提高仿真功能后,将改善产品和场景建模,从而实现预测性性能测试并增强设计优化能力,而不需要制造测试产品并让它们经受实际测试。

增强的通信和云访问将实现更加全面的垂直和水平系统集成。公司内部的通信和垂直集成(从工程师到车间再到销售)将得到扩展和增强,沿两个方向(供应商和客户)延伸的水平集成同样如此。

通过使用自主机器人和最新的增材制造技术(也称为 3D 打印),将改进直接具体的制造能力。多功能机器人为制造业带来灵活性和合作性“行为”,能够与人类相互学习并安全地协作。增材制造技术能够从计算机派生的模型直接转到测试产品,乃至最终产品。凭借现在远超早期基于实验室的原型制造 3D 打印机的功能,最新一代增材制造系统能够制造比自身大的结构,并且可以创造比使用传统制造方法轻松实现的形状更复杂的形状。

当然,有这么多信息来回传递,而且大部分信息是专有的,安全性成为一个问题。网络安全是帮助保护其他八大支柱的第九大支柱,它将成为工业 4.0 新世界秩序中一个越来越大且日益重要的方面。

工业 4.0 建立的相互关联、相互联系、学习能力强的制造业世界,能够从每个概念意义出发为 21 世纪的制造业提供无与伦比的效率水平。那么,为什么这对当今制造公司的领导来说非常重要?归根到底就是一点,那就是效率。

我们知道,设计工程师很看重 h 或 eta(用于指定效率的符号)。高效的静态结构能够以最小重量达到最大强度,并使用最少的材料;高效的电气设备消耗更少的功率即可实现其功能;高效的机械设备重量更轻,因此它们消耗更少的功率并对自己的结构施加更小的应变,运转效率加倍。

对于高效工程设计的直接优势,就是提高效率,从而降低材料和能耗方面的成本。由于材料和能源耗费金钱,因此工程效率会直接转化为企业优势,从而提高成本效率。在当今世界,人们逐渐认识到能源只会变得越来越稀缺并且越来越昂贵,因此制造、运营和货物交付的能源效率越来越重要。工业 4.0 的通信和数据管理集成为制造业带来的功能,可将效率纳入制造流程以及支持它们的所有活动中,从而将工程设计效率概念运用于更大规模的制造。

工业 4.0 的概念起源于德国。德国公司 Beckhoff 成为率先实施工业 4.0 和 IIoT 的公司之一也就不足为奇了,它能够为多种行业提供解决方案和功能。他们在很多展会上展示了自己的能力,从轮胎技术博览会到汉诺威工业制造博览会以及德鲁巴印刷设备博览会。

其他加入此行列的公司包括 Oracle、AT&T、Ericsson 和 Google,以及一些小型公司(IT 公司、通信公司和咨询公司),填补了工业 4.0 模型中许多专业领域的空白。

德国的工业专家预测,在将材料成本考虑在内的情况下,未来五到十年内生产率将提高 5% 至 8%。提升程度与行业有关,提升最大的是工业部件制造,预计为 20%-30%,而汽车公司预计将达到 10%-20% 的提升。

提高制造周期(从设计到材料采购、制造和产品交付)所有方面的效率是工业 4.0 的总体优势,这是全球公司开始注意到并加以利用的一个利益“包”。

Gary McCormick
撰稿人

Gary McCormick 是一位高级设计工程师,他在美国一家大型制造公司担任机械工程师,主要负责机械设计、生产和测试等工作,拥有 35 年的丰富经验。