數(shù)據(jù)、數(shù)字主線和工業(yè)4.0-白皮書軟件和技術(shù)如何提升制造業(yè)數(shù)字化和收益

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的發(fā)展和硬件的技術(shù)進(jìn)步，工業(yè)化正在加速實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0。手提健身追蹤器、自動(dòng)駕駛汽車等等，這些聰明的日常設(shè)備讓你的生活更輕松，物聯(lián)網(wǎng)正在徹底改變我們的世界。在國家層面，例如政府賦予物聯(lián)網(wǎng)權(quán)力、自動(dòng)測(cè)量排放、檢查供水污染情況、監(jiān)測(cè)道路和顯著提高電網(wǎng)效率等，不斷智慧地提高基礎(chǔ)設(shè)施能力。隨著全球化不斷加速，貿(mào)易作為工業(yè)驅(qū)動(dòng)器，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）發(fā)揮作用的地方。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的影響主要包括五個(gè)業(yè)務(wù)方面：資源利用、員工生產(chǎn)力、供應(yīng)鏈和物流、客戶體驗(yàn)和創(chuàng)新。

1 “數(shù)字主線”是工業(yè)4.0的特征

工業(yè)4.0和IIoT的革命性需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過智能設(shè)備和制造工具。工業(yè)最大的浪潮是“數(shù)字制造”，數(shù)據(jù)交換過程中涵蓋了整個(gè)產(chǎn)品生命周期，在降低成本、縮短周轉(zhuǎn)時(shí)間和改進(jìn)零件質(zhì)量方面發(fā)揮重要作用。西門子和PTC等公司大力發(fā)展這方面綜合性工作，涵蓋制造業(yè)所有方面的軟件平臺(tái)-從最初的產(chǎn)品設(shè)計(jì)到工廠布局，一路走來到交付后的客戶反饋-彼此鏈接（見圖1）。這種“數(shù)字主線”消除了數(shù)據(jù)孤島，消除了不同軟件系統(tǒng)長時(shí)間的數(shù)據(jù)交換。結(jié)合了所有方面制造過程，包括工具3D CAD建模和可視化、分析軟件到可行性（DFM）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）和用于操作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

該軟件組合了包括正確集成時(shí)的信息流數(shù)字主線，從設(shè)計(jì)、原型制作的產(chǎn)品概念到制造直至修訂版。采購、物流、倉儲(chǔ)和財(cái)務(wù)通常由ERP系統(tǒng)控制，至此數(shù)字周期就完成了。

圖1 軟件和硬件自動(dòng)化融合

2007年，Proto Labs公司決定使用基于ERP的終端系統(tǒng)，有利于具有自覺意識(shí)的自主開發(fā)系統(tǒng)。來自集成系統(tǒng)的用于報(bào)價(jià)和工具路徑的信息會(huì)自動(dòng)傳送到制造區(qū)域員工工位，從視頻廣告的實(shí)時(shí)信息到工作序列表，設(shè)置請(qǐng)求還可以看到生產(chǎn)和質(zhì)量指標(biāo)。當(dāng)訂單經(jīng)過制造過程時(shí)，將以類似的方式成為狀態(tài)信息自動(dòng)記錄然后返回MRP和商品管理系統(tǒng)。

2 開創(chuàng)性的數(shù)字化制造概念為制造業(yè)增效

Siemens PLM定義數(shù)字化制造作為一種方式，工程師允許“在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)制造過程，包括工具、生產(chǎn)線、工作場(chǎng)所、設(shè)施布局、人體工程學(xué)和資源完全定義“。西門子客戶Waltonen工程總部設(shè)在密歇根州沃倫市，其數(shù)字化技術(shù)降低工藝成本高達(dá)50%。Space Trolley Pratt＆Whitney與眾不同配置管理系統(tǒng)支持西門子基于CAD的數(shù)據(jù)管理解決方案，修改后的產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用降低了75%。

部署數(shù)字化生產(chǎn)可使產(chǎn)品引入時(shí)間在某些情況下縮短30%或更多。這樣的結(jié)果不是孤立的案例。據(jù)咨詢公司CIM數(shù)據(jù)顯示，在數(shù)字化制造領(lǐng)域的努力將上市時(shí)間縮短30%，流程規(guī)劃工作和設(shè)備成本減少40%和整體產(chǎn)量將提高15%。DassaultSystèmes認(rèn)為行業(yè)解決方案和營銷提升需要：“全公司的數(shù)字化制造解決方案這樣做是因?yàn)樗鼈兪翘摂M的，通過設(shè)計(jì)規(guī)劃來推動(dòng)他們的工作，相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)降低了，通過正確的設(shè)備概念，準(zhǔn)確把握對(duì)后期操作工人識(shí)別，可減少資源利用，更有效地使用并避免制造原型。數(shù)字化制造需要一種緩慢的手動(dòng)工作和資源密集型過程，適合21世紀(jì)”。實(shí)際上，數(shù)字報(bào)價(jià)的生產(chǎn)具有更多優(yōu)勢(shì)：在產(chǎn)品開發(fā)階段節(jié)省成本，由于更短開發(fā)周期，通過提高效率，需求導(dǎo)向或小批量生產(chǎn)數(shù)字化和加速設(shè)計(jì)變更，特別是快速的前端流程，開發(fā)人員引用和分析更全面，更快更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。

重塑業(yè)務(wù)只能通過采用新概念和意愿。數(shù)字制造和IIoT的潛力，國家網(wǎng)絡(luò)制造創(chuàng)新（NNMI）就是為了發(fā)揮這種潛力而誕生的。該組織范圍廣泛建立了法規(guī)，其中包括發(fā)展增材制造先進(jìn)技術(shù)、鎂和鈦等輕量化輕材料，先進(jìn)復(fù)合材料的制造和納米技術(shù)。他們的主要焦點(diǎn)之一是基于“建立基礎(chǔ)設(shè)施智能制造和集成方法制造過程中具有成本效益的傳感器“。許多這些新舉措都圍繞著增材制造或3D打印。

Proto Labs具有多種可能性的技術(shù)采用工業(yè)3D打印，這些包括立體光刻（SL），選擇性激光燒結(jié)（SLS）和直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）工藝，可以用幾乎所有可能的方式為復(fù)雜的部件制作模具。與更傳統(tǒng)的一樣Proto Labs的制造過程起著數(shù)字化的作用，在制造過程中發(fā)揮重要作用。數(shù)據(jù)將是在制造過程的兩端之間交互交換-包括來自產(chǎn)品設(shè)計(jì)和上傳設(shè)計(jì)印刷、表面處理和交貨過程。整合增材和減法技術(shù)在業(yè)內(nèi)技術(shù)傳統(tǒng)上截然相反，Proto實(shí)驗(yàn)室顯著提高了其靈活性，降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期，優(yōu)勢(shì)公司在短時(shí)間內(nèi)推出新產(chǎn)品，即使在市場(chǎng)推出后也會(huì)發(fā)展產(chǎn)品維護(hù)。

3 數(shù)據(jù)有效使用是公司獲利的利器

減少設(shè)備制造商也受益IIoT和數(shù)字制造流程。2013年，機(jī)床制造商DS1（夢(mèng)幻網(wǎng)站1）Oguchi表示，他提出了無人值守的制造和自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)，從此生產(chǎn)力提升1倍，產(chǎn)出時(shí)間減半，電費(fèi)下降了30%。次年他的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Mazak宣布了他的工廠概念iSMART4：“完整的數(shù)字集成”其十個(gè)生產(chǎn)工廠配備了最先進(jìn)的設(shè)備和先進(jìn)的制造方法。兩家公司都做好了整合加工工具和機(jī)器對(duì)機(jī)器通信（M2M通信），大部分這種前瞻性技術(shù)為客戶帶來巨大利益?！拔覀兿嘈臝IoT不亞于代表著下一次工業(yè)革命?？鐕稍児景Ｉ芄烙?jì)IIoT及其上的資本投資生產(chǎn)率提高后，到2030年，美國GDP累計(jì)可能增加61億美元。

4 五大支柱

基于IIoT重塑自我的著名公司之一是通用電氣公司，他們指出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展是基于五個(gè)支柱：即超連接、頂級(jí)機(jī)器、大數(shù)據(jù)、改進(jìn)分析的預(yù)測(cè)算法和努力使用這些技術(shù)的人們。自從GE認(rèn)識(shí)到這些概念，這是第一家公司使用3D打印技術(shù)制造發(fā)動(dòng)機(jī)組件的公司。GE認(rèn)可并推出Predix的IIoT之一“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)”，作為其“數(shù)字聯(lián)盟計(jì)劃”的一部分，GE開發(fā)了Predix系統(tǒng)集成商開發(fā)平臺(tái)、機(jī)械工程師、電信提供商等幾乎所有開發(fā)安全軟件解決方案，并對(duì)工業(yè)環(huán)境進(jìn)行開放。圖2就是GE公司智慧工廠數(shù)據(jù)交換構(gòu)架。

圖2 GE公司智慧工廠的數(shù)據(jù)交換構(gòu)架

5 結(jié)束語

未來工廠是IIoT和數(shù)字主線、虛擬的數(shù)據(jù)、軟件和傳感器的集合，其中設(shè)計(jì)和制造過程與不同的網(wǎng)絡(luò)共存。然而IIoT和工業(yè)4.0與早期的工業(yè)產(chǎn)品有很多共同之處，他們有助于支持和改善最基本的現(xiàn)代化設(shè)施，即制造業(yè)是國家生存之本。這些制造商有責(zé)任找到最佳選擇，提供可用于制造產(chǎn)品的最有效流程。