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西门子智能制造浅析
发布时间:2016-09-23 10:09  来源:网络空间研究所  作者:李建武

      近年来,工业化变革无疑成为各国关注的重点,美、德等工业制造强国纷纷推出工业互联网、工业4.0等国家计划,我国也出台了《中国制造2025》战略,借助计算、通信、控制等手段推动工业的转型升级。德国的西门子公司是最早提出“工业4.0”的机构之一,在工业智能化制造领域处于全球领先水平,建立的数字化工厂更是成为未来制造业发展的典范。

一、企业综述
(一)西门子企业概况
       西门子股份公司是全球领先的技术型企业,创立于1847年,业务遍及全球200多个国家,公司的业务主要集中于6大领域:信息和通讯、自动化和控制、电力、交通、医疗系统和照明。作为一家全球性公司,西门子充分发挥其多种业务组合的协力优势,以公司总体战略为指针,架构明确,职责分明,积极为当地创造价值。公司的传统优势在于其创新能力、客户为本、全球性业务以及财务实力。170年来,西门子以出众的品质和令人信赖的可靠性、领先的技术成就、不懈的创新追求,在业界独树一帜。
2016财年,西门子计划投入48亿欧元用于研发,相较于2014年增长约20%,所增投入主要用于电气化、自动化、数字化等领域的研发工作。西门子对“数字化”寄予厚望,不断在软件、硬件、系统集成等方面寻求突破,将越来越多的业务放在了工业的数字化发展上。
(二)西门子的工业4.0解决方案
        在德国“工业4.0”的进程中,西门子作为主要的推动者和领导者,一直以来被看做德国第四次工业革命的典范。
不同于以往单纯依靠电气工程技术,西门子已将信息技术作为业务主驱动。其瞄准物联网、云计算、大数据等技术,集成了目前全球先进的生产管理系统,以及生产过程软件套件和各类硬件。如西门子产品生命周期管理(PLM)软件、工业设计软件(Comos)、全集成自动化工程软件(TIA)、过程控制系统SIMATIC PCS 7和仿真软件Simit。这些数字化的企业软件共同构成了西门子工业4.0的解决方案。
西门子开发的数字化企业软件套件的核心是Teamcenter,也就是协同产品数据管理平台,在这个平台上,实现工业制造中产品设计、生产计划、生产工程、生产执行和服务五位一体的自动化工作流程。西门子的产品线现在可以平稳连接产品和生产周期的各主要部分。利用功能强大的产品生命周期管理 (PLM) 软件和工业设计软件(Comos),可以在完全虚拟化的环境中开发和优化新产品;全集成自动化 (TIA) 方案可确保实现所有自动化部件的高效互通,显著节约生产时间和成本。
       西门子创新的工业信息技术及软件在“工业4.0”进程中发挥了决定性的作用,使产品开发和生产得以集成和协同,为全面优化产品开发和生产过程创造了条件。
(三)西门子数字化工厂
1.安贝格电子制造工厂(EWA)
       成立于1989年的安贝格电子制造工厂(德文缩写:EWA),是西门子旗下最重要的Simatic可编程逻辑控制器(PLC)及相关产品生产基地,被称为全欧洲甚至全球最先进的工厂之一。
      自投产至今,安贝格在工厂面积和员工数量保持不变的情况下,产能却提升了八倍,并且产品合格率大幅提高。原因在于工厂的智能化生产:
生产线上的所有工件在虚拟环境中进行规划,有自己的“名称”和“地址”,具备各自的身份信息,因此“知道”什么时候、哪条生产线或哪个工艺过程需要它们。工件在运输线分岔路口暂停,是在识别去向信息。到达加工中心后,工件被识别出来,生产设备实时调用所需要的全部加工信息,并自动调整生产参数。加工过程中,产品的所有相关数据,都储存在自己的“数字化产品记忆库”中,以便精确追踪生产的每个步骤。加工完成后,通过光学设备或其它测量设备对工件自动进行检测,在现场发现并剔除不合格的产品。如果机器设备需要补给或者维护保养,则在缺料或故障产生之前发出请求。系统会记录所使用的资源数量,并对库存及时更新。在安贝格工厂的整个生产过程中,生产设备和计算机自主处理了75%的流程工作,剩余工作则由人工完成。
2.成都生产和研发基地(SEWC)
       2013年9月,西门子位于成都高新区的工业自动化产品成都生产研发基地(SEWC)正式投产。这是西门子在中国建设的第一个数字化企业,它实现了从产品设计到制造过程的高度数字化,让智能制造更为具象的呈现。
       SEWC作为安贝格在中国的姊妹工厂,亦实现了从企业管理、产品研发到制造控制层面的高度互联,通过在整个价值链中集成IT系统应用,实现包括设计、生产、物流、市场和销售等所有环节在内的高度复杂的全生命周期的全自动化控制和管理。正是在这些复杂IT技术的辅助下,生产线上不同零部件或半成品被按需运送至不同路径,生产出不同型号的产品,实现了智能化、灵活化生产。现在SEWC的两条生产线上,可以同时生产20-30种型号产品。
二、工业制造数字化转型的四大基石
(一)集成式软件工具和系统
       西门子作为全球领先的产品生命周期管理(PLM)、生产运营管理(MOM)软件、系统与服务提供商,全球客户超过7万多家。西门子通过与企业客户充分合作,为其提供领先的行业软件解决方案,帮助其通过革命性创新获得可持续性竞争优势,从而奠定其在数字化制造领域的领先地位。
西门子不断完善“数字化企业软件套件”组成部分——软件工具产品组合,实现与PLM、MES/MOM(制造执行系统/制造运营管理)和博途软件(TIA Portal)的无缝集成。通过工业通讯网络、安全解决方案和基于MindSphere (西门子工业云)对大量数据进行快速、智能评估,西门子帮助客户实现“数字化企业”转型。
西门子还从三个维度集成了驱动系统,将每个驱动系统组件都完美集成到整个系统中,涵盖整个生命周期,实现从工程到服务的优化使用。第一,横向集成,即驱动链产品线层面。实现无缝集成、完美协同,既可提供标准解决方案,也可进行定制;第二,纵向集成,即 TIA 集成层面。能够无缝适用于任何自动化环境:从现场层到控制器层,再到 MES 层的各种应用;第三,生命周期层面。涵盖整个生命周期的丰富软件工具和专家服务:从产品设计、生产规划、生产工程,到生产实施,直到服务。从而可确保优秀的性能和更佳投资保护,实现最高生产力、可靠性和效率。
(二)工业通讯
       基于产品和系统的工业通讯,是智能化生产得以高效运转的基矗西门子在工业以太网领域有着非常丰富的经验和领先的解决方案,工业通讯实现从简单的传感器连接到整个工厂质量和生产数据采集和传输网络的互联,将企业内所有区域有效地集成到一个统一系统中。
西门子公司基于工业以太网,提供各种组件,用于实施高效工业网络和总线系统。西门子公司以其雄厚的研发实力,为工业通讯提供全面的解决方案SIMATIC NET中,SCALANCE X(工业以太网交换机)各种互为基础的产品线,可以根据具体的自动化任务做出调整,设备提供不同接口并支持多种IT标准。更高级的SCALANCE S交换机能够满足工业领域中对通讯的更高要求,能够对自动化单元和所有不具备自身安全功能的设备进行保护,使其免受非法访问以及协议外间谍程序和非法操作的干扰。
       在工业无线通讯领域,西门子的提出的技术标准GSM/GPRS、IWLAN、WirelessHART等具备强大的健壮性,都能满足在恶劣的室内、室外环境下达到可靠、稳定、安全的通信要求。
(三)安全解决方案
       安全解决方案是数字化工厂的基础保障。正是基于“如何先于黑客发现工业控制系统中的安全漏洞,增强西门子产品安全性”的理念,西门子制定了从检测到保护的研究路线图。西门子为应对控制网络安全挑战已经开发了工业安全测评系统(Styx)这一解决方案,Styx可提供适用于工业自动化环境中的通信协议——比如PROFINET、Modbus/TCP——的安全检测套件。凭借涵盖26项协议的1000多万个检测用例,Styx能够检测出工业控制系统、软件、设备中的未知安全漏洞。目前,Styx已被集成到西门子产品部门的系统检测流程, 并且已经开始了Styx的全球推广应用计划。
       此外,西门子已经面向市场推出的“MindSphere—西门子工业云平台”,任何工业企业都可以将其作为数字化服务——譬如预防性维护、能源数据管理以及工厂资源优化——的基矗MindSphere在帮助客户实现最佳运营效率同时,也能够切实保障数据的安全性。
       随着信息安全问题在涉及到国家经济命脉的行业中重视程度日益加深,西门子也展开了在石化、制造和医药等行业领域信息安全解决方案研究,在为这些行业进行风险评估以及保护生产设备免受潜在安全威胁提供了帮助的同时,也不断扩大了西门的市场份额。
(四)数据服务
1.远程分析和维护服务
       西门子将其所有的远程分析和维护服务融合在一个名为Sinalytics的平台上。该平台整合了远程维护、数据分析以及网络安全等一系列现有技术和新技术,并且支持对机器传感器产生的大量数据进行整合、保密传输和分析处理,西门子能够利用这些数据为客户提供全新的服务。Sinalytics平台与安装在世界各地的西门子系统互联,并对其进行远程监控和服务,通过设定的数据分析方法,预测和预防设备故障,从而缩短维护间隔。当前,约有30万台设备连接至Sinalytics平台。此外,对机密数据进行保密传输、储存和分析的网络安全数据技术是此平台的核心技术之一,保障平台进行远程分析和维护服务的数据安全。
2.数据异常分析服务
       西门子推出Omneo™PerformanceAnalytics(PA)解决方案。该解决方案不仅能对整个供应链中的数据和客户体验进行监测,还能在短短数秒之内对数十亿的数据组合进行分析。通过挖掘能够精确指出产品问题来源的、隐含的信息,OmneoPA能够实现对大数据的前瞻性分析。OmneoPA的发现功能可以对所有可能的数据集进行快速的组合分析,使客户对大数据获得前所未有的深入了解,并可以清晰地识别并显示导致数据异常的最大因素,从而使每个价值链决策都尽可能对现有和未来的产品性能产生最大、最积极的影响;OmneoPA的图形化监测功能可以提供贯穿整个价值链的产品性能完整视图,进而使企业可以持续地追踪与其产品相关的当前趋势和最新趋势;OmneoPA灵活、友好的控制面板,可以实现对数据分析方式和关键性能指标(KPI)的定制化。
三、对于我国智能化制造企业的启示
(一)适时改变工业生产方式
       国家要引导企业适时改变生产方式。针对新技术、新应用带动的产业变革,重点发展大规模、个性化、定制化的生产方式。充分利用互联网技术,采用模块化的生产方式,通过不同选择和组合的模块化满足客户的个性化需求;对于个别特殊需求,还需要进行专门设计,做好定制化产品。在模块化生产方式不断成熟的基础上,向大规模、个性化生产方式的演进,最终通过技术创新和科学管理,实现自动化控制与网络化生产相衔接,按照数字描写进行产品制造,从而实现小批量、多品种的个性化生产。
(二)加大研发投入力度
       国家要加大对企业的扶持力度。技术上,加大技术研发投入,激励企业技术创新,尤其是在软硬件研发、系统集成需求突破,在工业互联网设备、工业网络安全等领域技术创新,从而推动企业开发出更多创新型产品,以满足当前以及未来的市场需求。标准上,成立相关组织机构或行业联盟加快标准制定工作,对不同的工业标准进行整合、统一,力求建立完善我国工业制造标准体系,为企业的快速发展扫除障碍。
(三)强化企业协同作用
       智能化制造需要大中小企业间的协同合作。网络型、集成型的智能制造将整个产业链条的企业融合一起,每个企业都应明确在产业链条所处的角色,扬长避短,在开放共享式制造模式下,最大限度地发挥企业在个性化生产方式中的作用和功能,形成大中小企业协同发展的新型产业组织。在区域层面,打造具有较强竞争力和影响力的工业产业集群;在产业层面,构建网络化、智能化、数字化的生产制造方式与产业运行模式;在产业链层面,继续强化企业创新和竞争力提升,实现产业分工和价值链重组,加快我国企业从现有产业链低端向中高端跃升。
 
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