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      丁研 | 工業價值鏈走向工業4.0時代

      來源:知識自動化2020.09.17閱讀 13646

        工業數字價值鏈是通過互操作性,將各環節數字工業要素進行整合與串聯的數字化鏈條,是提升傳統工業價值鏈效率的最佳途徑,而頂層標準體系的篩選與設計則是確保工業4.0互操作體系的核心內容。
        標準化之所以在德國倍受重視,原因在于它是構建大規模分工協同體系的必備條件:以工業生產為例,現代化工業文明建立在以供應鏈為表現形式的分工協同體系之上,而產品的模塊化與標準化,則是確保供應鏈各環節順暢運轉的前提;與上述邏輯相似,當以工業數字要素為核心的分工協同體系發展到一定規模時,數字化工業文明也會隨之產生。

        圖1  工業4.0 2030年發展愿景

        在過去幾十年間,工業軟件工業數字化方面已經占據舉足輕重的作用;而在即將到來的工業4.0時代,工業軟件則被德國視為支撐工業數字化分工體系、構建數字化工業文明的主角。這是一個漫長的進化過程。
        工業2.0時代的工業要素與價值鏈
        工業要素泛指工業企業(離散/流程/混合/能源/基礎設施)在設計、生產、經營與服務階段的典型企業活動;這些要素在工業2.0階段甚至于更早階段就已經出現,并隨著技術的進步,逐步演化到工業3.0,以及即將到來的工業4.0階段。

        圖2  工業2.0的工業設計

        工業設計是工業生產的起點,其中涉及到產品設計與生產工藝設計兩個階段;在工業2.0時代,設計主要以圖紙形式體現:
        ☆以機械生產為例,設計者首先需要在圖紙中完成產品的規格描述(如產品結構,組裝關系,材料等),隨后工藝工程師會根據規格,在工藝圖紙中描繪出產品加工的方法與過程(如機加工工藝,產線布局,運輸節拍,控制電路等);
        ☆電力發電(如核電)行業同樣遵循上述流程,首先科研人員需要對發電過程中的核心機理與關鍵參數進行規劃(如鈾濃度/預期輸出功率等),隨后行業專家會根據工程指標,在圖紙中描繪出發電機組的內部結構(如碳棒間距,中水密度,控制電路等)。

        圖3  工業2.0的生產

        工業生產是生產單位在接收到設計圖紙與生產計劃之后,進行具體實施與執行的階段;在工業2.0時代,生產方式主要以人工+機械+電子電路為代表:
        ☆以離散行業(如造車)為例,工人通過使用生產工具(如機床、起重機、扳手等),完成部件的加工與組裝,而電子電路可用于控制運輸線,將部件運輸到各個工位;
        ☆電力行業的發電系統主要依賴傳統的儀器儀表與簡單的電路控制系統,電廠操作員通過觀察儀器儀表,對電廠的工況進行診斷,而鍋爐的液位控制則由電路進行自動調節(根據溫度、壓力等參數對閥門和泵進行控制)。

        圖4  工業2.0時代的企業管理

        工業企業的經營涉及到生產計劃、供應鏈、管理、市場等一系列復雜業務流程,同時這些流程與企業的設計、研發、生產彼此關聯;在工業2.0時代,企業經營的規章與流程的運轉主要依賴于各種紙質化的審批、訂單、票據、報表:
        ☆以生產物流為例,工人需要定期對庫存進行盤點,并向企業提出紙質物料需求清單,采購部門在匯總各工廠的需求后,會形成紙質的采購清單發送給供應商;之后,供應商會根據采購清單進行生產;
        ☆工廠的運維同樣需要經歷一系列審批流程,從工業現場的維修票據,到企業級的維修工單,再到維修部門的任務單,均需要完成各種冗長的紙質流程。
        工業企業在設計/生產/經營過程中存在著諸多聯動與協同關系,由這些活動所構成的鏈條被稱為價值鏈,下圖對企業價值鏈的部分協同關系進行了枚舉:

        圖5  工業2.0時代的價值鏈

        ☆價值鏈普遍存在于各個企業活動環節的內部:在設計環節,協同主要以設計部門的圖紙互換為具體體現形式;在生產環節,協同的具體體現形式包括工人間的動作協同,以及由運輸線所驅動的上下游工位協同;在企業管理過程中,各種紙質的審批、票據、訂單是組織與串聯企業各經營活動的具體體現形式;
        ☆產品的生命周期始于產品的設計,再經過工藝設計與生產環節,并最終形成可交付的產品,這一過程構成了以產品為核心的生命周期價值鏈:工藝設計活動依賴于產品設計部門所提供的產品規格,作為設計依據;工業生產環境的搭建,需要以工藝設計圖紙為參考;而產品的組裝工作,則必須圍繞產品的設計圖紙而開展;產品在生產完成之后,還需要附上產品設計階段所提供的使用手冊,以及生產階段所產生的測試報告;
        ☆企業經營層負責對研發/生產/產品等資源進行統一管理與調度,這一活動構成了以企業經營管理為核心的運營價值鏈,這其中包括:產品與工藝設計階段的計劃協同與績效管理,生產階段的生產計劃協同與供應鏈管理,以及產品服務階段的產品銷售與產品管理。
        ☆跨企業的價值鏈主要體現在企業間生產要素的聯動,例如企業聯合研發期間的圖紙互換,企業經營與生產過程中的供應鏈聯動等。
        通過歷史回顧不難發現,即使在工業2.0時代,其核心要素與現代工業與制造業相比,并未出現本質的區別;但由于技術手段有限,那個時代的設計主要靠圖紙及大量的人工計算,生產則主要采用人工+簡單控制電路等手段,而價值鏈的串聯與信息互換,主要以紙質媒介作為信息載體,并通過電報、傳真、電話等傳統方式進行傳播。
        工業3.0時代的數字化工業要素與價值鏈
        在工業3.0階段,隨著信息技術的進步以及工業軟件的出現,工業要素數字化的進程開始逐步加快;無論是產品/工藝設計,生產制造,產品服務還是企業經營,其產品/裝備/業務流程都可以通過軟件技術進行抽象與映射,而這一變化則極大的提升了工業研發、生產與管理的效率。

        圖6  工業3.0時代的工業設計

        工業設計過程中的圖紙逐步被設計仿真類的工業軟件取代,通過這些軟件,不但能夠對產品的構造與生產過程進行設計與仿真,同時還可以模擬產品與生產過程中的行為與機理:
        ☆以機械生產為例,在產品設計階段,可通過CAD軟件對產品的外觀與組裝方式進行設計,并通過力學仿真分析出產品結構的合理性,于此同時,部分軟件還支持智能產品嵌入式代碼的開發與建模(又稱產品行為設計);在生產設計階段,工藝設計師不但可以對產線與裝備的布局與生產節拍進行模擬,而且還可以對裝備與產線的行為(控制邏輯)進行預先編程與驗證;
        ☆在發電行業(如核電),科學家可借助專業軟件,對發電過程中的運行機理進行模擬,從而驗證設計思路的合理性;隨后行業專家會根據工程指標,在軟件中設計出發電裝置的結構(反應堆結構,碳棒間距),并通過對運行機理的模擬(熱力學,核反應參數),驗證電站結構的可行性;同時,工藝設計人員還可以將預先編寫好的自動化控制邏輯,與仿真的電站模型進行結合,從而實現虛擬調試。

        圖7  工業3.0時代的生產

        工業生產階段的生產方式由早期的人工+控制電路,逐漸轉換為機器+自動化的模式:
        ☆以離散行業為例: 機器人、數控機床、自動化產線、AGV等自動化軟裝備(PLC/CNC/PAC)開始逐漸代替人的手和腳,對產品進行加工(打孔、焊接、切削等)與運輸(搬運、傳送等);
        ☆在電力行業:鍋爐的液位,燃料的投放,電力的傳輸與配送,也由傳統的控制電路轉換為以DCS/APC為代表的自動化系統;這些系統不但可通過圖形化的編程方式,簡單快速的設計與改變生產工藝,而且還具備執行高級的控制算法的能力(如能耗動態優化,安全過程控制等)。

        圖8  工業3.0時代的企業管理

        通過信息化軟件(ERP、 SCM、 HRM等),企業經營類業務由原來的紙質審批、單據,轉變為數字化的表單與工作流,從而實現通過電腦的方式,對資源與流程進行審批與管理,簡化了繁重的管理流程,提高了管理效率。
        隨著工業要素的數字化,各類型的工業軟件逐漸開始產生彼此交互,相互協同的關系,當工業價值鏈上這些數字化要素串聯在一起時,便形成了一條完整的數字價值鏈條:

        圖9  工業3.0時代的工業價值鏈

        ☆數字鏈條在各工業環節內起到的串聯作用包括:在設計環節中,跨部門聯合產品/工藝研發時,可借助PLM軟件將各設計軟件間的數字模型(電子圖紙)進行整合;在生產環節中,設備與設備,設備與MES系統間,可通過工業協議進行實時通訊與協同;企業經營類軟件(ERP/SCM/HRM等)間,可通過數據庫、企業總線、微服務等接口,完成數據的互換與業務協同;
        ☆產品生命周期的數字價值鏈體現在設計-生產-產品各環節的數據交互與模型互換:工藝設計軟件可集成產品設計模型,用于進行虛擬裝配;工藝生產軟件可集成產品設計模型,用于BOM管理以及產品外形質量檢測;工藝設計軟件的數字工藝模型(包括裝備結構、控制與機理算法)可被集成到生產自動化系統中,從而使工藝模型與機理模型具備對真實物理世界進行分析與控制的能力;在產品生產過程中,生產軟件不但能對產品的物理形態進行加工與組裝,還可為數字化產品的芯片注入嵌入式代碼或模型;
        ☆以企業經營為核心的數字價值鏈,同樣產生了新的應用場景:例如企業資產管理平臺可通過集成設備的運行數據與CAD設計圖紙,提供新型的設備增值服務(如維修、租賃、抵押);同時企業的供應鏈管理系統可根據工廠的庫存信息,自動產生采購與物流計劃。
        工業要素與價值鏈的數字化是工業3.0的重要標志,而工業軟件則是對工業要素進行數字化與價值串聯的關鍵載體;同時值得警醒的是,下一輪工業革命,實際上已經悄悄的發生在被我們長期忽略的工業軟件上,而國內一直熱衷的“工業云、物聯網、人工智能、XX平臺”等新概念,貌似正跑在與此完全不同的賽道上,到底殊途同歸的可能性有多大,只有時間能夠檢驗。
        工業4.0互操作性與數字化價值鏈

        圖10  互操作的缺失阻礙了數字價值鏈發展

        不難發現,數字化價值鏈能夠極大的提升工業要素的效率;但從實際情況來看,由于工業軟件種類與品牌眾多,且彼此間的兼容性較弱,因此導致企業在構建數字化價值鏈的過程受到了嚴重阻礙。頂層標準體系的明確是確保各系統與軟件間實現互操作的前提,而如何在眾多已有標準中,梳理出聚焦的核心標準,并將它們有機的整合在一起,便是工業4.0核心工作組需要重點解決的問題。
        工業4.0在互操作性方面的頂層設計主要用于解決各工業要素環節內部、以及跨工業要素間的互操作問題,而這其中又分別涉及到設備、設計、管理三個分支領域的互操作需求。
        以設備為核心的互操作性主要考慮到了以下場景:
        ☆設備間互操作:用于實現不同廠商設備間的橫向協同,其中包括生產類裝備間的協同(機器、產線、儀器儀表、運輸車等)、生產類裝備(機器人、運輸線等)與數字化產品的協同(貨車、無人機、冷鏈設備、微波爐)、數字化產品間的協同(如醫療機器人與醫療儀器、工程車輛與建筑機器人、軍用裝備間協同等);
        ☆設備與設計軟件:設備(自動化軟件)需要兼容設計軟件中輸出的工藝設計模型與機理分析模型,從而使這些工藝與機理能夠與真實世界的數據進行結合,并具備分析與控制物理世界的能力;同時設計軟件可通過與設備的實時交互,實現協同仿真驗證、虛擬調試等應用場景;
        ☆設備與管理系統:用于實現設備與管理系統的數據整合:與MES的交互常用于產能統計、生產調度、配方管理等場景;與ERP的交互可實現設備資產的遠程運維、租賃與融資抵押等增值業務。
        以設計為核心的互操作性主要涉及到以下場景:
        ☆結構設計軟件間互操作:涉及到結構設計模型的兼容性,例如汽車或飛機各部件的總成,需通過PLM將多個軟件的結構模型進行統一集成與管理;
        ☆機理分析軟件間互操作:涉及到各專業機理模型的兼容性,例如風力發電系統需要將流體力學、機械學、電能分析、工藝控制等模型進行整合,從而實現系統級的仿真與驗證;
        ☆結構設計與機理分析軟件:涉及到機理分析軟件對結構設計模型的兼容性,例如飛機機翼的動力分析,需要分析軟件將機翼的結構整合到軟件中;
        ☆結構設計與工藝設計軟件:涉及到工藝設計軟件對結構設計模型的兼容,例如3D打印工藝設計軟件,需具備將產品3D模型進行整合的能力。
        以經營管理為核心的互操作性主要涉及到企業內各活動(供應鏈、資產、財務、人力、計劃)內部信息交互與業務協同,同時這些活動可通過與設備建立互操作關系,從而實現供應鏈物聯網(供應鏈)、設備資產管理(資產)、設備能力租賃與抵押(資產+財務)、設備遠程運維(資產+人力)等設備增值業務。
        隨著數字化技術的普及,僅提供單一數字化功能的產品市場正在趨于飽和,而如何將自身優勢產品,在符合經濟性的前提下,提供整合化的復合性功能,便成為各廠商主要考慮的內容;由于工業4.0企業在標準化與互操作性方面的提前布局,相關廠商已經具備了在成本可控的前提下(經濟性),提供多功能復合型產品的能力。

        圖11  西門子的核心研發領域

        以西門子(上圖)的未來研發方向為例,增材制造、自主機器人、分布式能源、互聯交通這些應用場景,無一例外都是將設計、設備、經營管理這些數字要素進行復合使用的場景;而在邊緣設備&未來自動化、仿真與數字孿生、軟件系統與開發流程,便是用于快速構建這些復合場景的基礎技術:
        ☆分布式能源系統:采用風電與太陽能這些清潔能源進行發電,并儲存于私人的儲能設備中;私人儲能設備會自主將電能進行掛牌銷售,而處于周邊區域的設備將作為電力的消費者,完成電能的自主采購;電力交易平臺負責根據采購策略(如設備A可以在夜間電價便宜時充電)撮合處于買賣雙方的設備,并將交易結果于交易時間反饋給買賣雙方的設備;由于上述過程較為復雜,因此需要借助仿真軟件,對場景進行預先規劃與設計;
        ☆增材制造:通過CAD 3D建模設計產品的外觀,并將產品模型導入到3D打印的CAM中,完成3D加工工藝的路徑規劃;CAM生成的路徑模型再導入到3D打印設備的控制系統中,執行相應的打印步驟;當第三方用戶需要生產自己設計的打印產品時,會將產品模型與產品訂單一同發送給ERP系統,ERP再根據訂單情況,將訂單及3D模型發送給指定的工廠或設備。
        小記
        在不同的工業時代,工業要素與價值鏈,會呈現不同的方式。而在數字化時代,工業要素將被充分激活。而互操作性,則被工業4.0工作組以標準化的形式加以規范與梳理,并將其視為未來10年間鞏固德國工業數字化產業既有成果的重要基石。
      和记