林雪萍 | 德國製造 正在想什麼?

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作者/林雪萍

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未來的生產系統是什麼樣子的?試圖展示未來工廠方向的德國智慧工廠聯盟SmartFactory KL ,最近在創新日給出了可以實操的示範案例。

智慧工廠聯盟是德國最典型的產學研聯盟機構,它是由德國人工智慧學院創新工廠系統和德國凱澤斯勞滕大學機床控制所支撐。早在2016年被德國經濟部指定為中小企業數字化中心聯盟,旨在推動中小企業的數字化發展。在這個過程中,這個聯盟似乎發現了工業4.0的臃腫之處和對中小企業的負擔。於是他們在2019年重新修正了工業4.0概念,將其收縮成“自主產線L4”PL4(Production Level 4)。這裡的“4”還真是個一語雙關的數字,它既模糊地呼應了工業4.0的概念,甚至意味著工業4.0小心謹慎的進化,同時也意味著這是自主生產的第四等級,就像自動駕駛L4一樣,“人”仍然在系統中起到關鍵的監管作用。

圖1 自主生產L4

這個曖昧術語的出現,似乎也意味著德國中小企業對工業4.0遲遲不能帶來真正實惠的一種厭倦情緒。於是工業4.0被推到了天際線,成為一個膜拜的燈塔,而更現實可落地的數字車間則顯得更加迫切。“自主產線4”這個可以自主生產的單元,從2020年就已經有了示範,現在越來越強烈地要進入工程化的階段。

這其中最重要的一個場景是,訂單能否快速分拆到不同地點去完成製造?這套全新的生產邏輯,就是德國人正試圖通過“共享生產”的生態系統模式,走向未來製造。

網路化生產帶來了靈活性,但也帶來了複雜性。新的系統架構要求在軟體方面採用新的通訊、協調和控制方式。而多年來,德國智慧工廠聯盟一直致力於自主製造,讓生產單元之間實現能力協作,甚至可以跟外地工廠形成自主的產線切換。這正是“自主產線PL4”概念的核心。參加聯盟的20多個成員,目前正在處理自治要素之間的協調方式,而解決方法就是“多智慧體系統“。這種方式,可以讓工業網際網路中的使用者在跨部門跨工廠地使用,而正在生產的產品、位置、已經執行的工序和待完成的工序,都需要送達網上,路人皆知。

然而,到目前為止,這些資訊大部分都儲存在產品本身中,例如,儲存在RFID晶片上。一方面它無法使得下游工序提前預知,另一方面它自身也可能受到熱磁等外界環境的影響。無疑,這是一種過時的做法。可以對照的是,去外地駕駛的司機,不必再帶上紙質駕照,全新的電子駕照時代正在登上舞臺。

這也意味著統一的中央登錄檔是必不可少的。它就像一箇中央火車站的時間表,既可以在現場看到,也可以在任何一個手機上看到。這種產品登錄檔,需要隨時訪問隨時互動,而最基礎的工作之一就是產品的編碼體系,這是一個龐大的連線過程。目前德國SF聯盟就像一個密碼總部,正在研究中央登錄檔。即使各個製造單元都是封裝和獨立的,但都有同一套密碼本,可以根據定義的標準去協同工作。

那麼它具體要解決的是什麼?

那就是產能共享。本質上則是協同製造。

如果有新訂購單過來,一般而言,工廠廠長要決策的第一件事情,就是購置新裝置,早日啟動新機器。然而,當訂單過後,連日奔騰的機器就可能會突然停下來。產線閒置,等待下一個訂單的出現。這種脈衝式的訂單,如果不能持續形成,閒置的機器將成為一種重資產的懲罰。

那麼是不是非得購買全新的裝置?如何藉助已經存在的製造能力,從而形成一種柔性擴張:這種柔性既可能是自己工廠完成,也可能是藉助社會上其他的工廠。

答案早就有了,那就是共享生產。一家工廠,可以利用別人家閒置的機器,來實現自己的訂單。這種模式,聽起來像是無廠製造。晶片行業最重要的分工模式:無工廠的代工模式Fabless,就是最典型的例子。像高通、海思、蘋果這樣的晶片公司,並不需要自己的製造廠,它只需要自己做好設計,然後外部有一個像臺積電、中芯國際這樣的代工廠。實際上,下放訂單到其他工廠去生產,這是工業網際網路提供的最重要的商業模式之一。

在這樣的概念下引入了第三個參與方,擁有過剩產能或者閒暇時間的機器。客戶在線上平臺上制定準確的要求,例如金屬切割、焊接、組裝等,同時還指定質量、加工時間、能耗等引數。根據這些要求,該平臺生成定價建議,以確定適合該工作的機器。

聽起來不錯,但這件事情,在工業網際網路時代,其實很少發生,或者至少對於複雜的製造完全不能形成主流的模式。這不僅僅是因為商業合作會有很多麻煩,最重要的障礙仍然是來自技術的不足,其次才是信心問題。“代工廠”在中國是一個略帶貶義的詞語,它很容易跟來料加工的低端製造混淆在一起。晶片代工模式走完了四十多年的旅程,才確立了晶片製造的規則和秩序。它要求晶片設計公司、工業軟體公司、裝置供應商與代工廠進行最緊密的合作,這種緊密程度遠遠超過了財務上的聯絡,大量的知識進行密集的匯合,每家都需要成為一個奉獻者,才造就了晶片代工的現有產業形態。如此緊密的生死聯盟,是工業網際網路鬆散的合作所斷然無法匹配的。

要解決工業網際網路的協同製造,首先就需要解決機器的異地互操作問題。一個車間裡機器的啟動,不是像開啟煤氣灶開關就可以點火,它有著複雜的機器除錯過程。即使是一家工廠的一條產品線,當更換產品型號的時候,也需要停機除錯,更不要說跟外部工廠進行合作。僅僅憑著訂單和機器的相似性,在絕大多數場合,都無法便捷地遠端開啟一臺機器。

機器需要重新配置,按照新的工藝引數進行除錯,這是一個耗時費力的過程,也是組織之間合作最容易出現摩擦的地方。要想能夠實現遠端配置,最好的方法是:軟體定義配置。工藝引數在異地除錯好之後,現場工程師直接下載使用,讓機器運轉起來。這聽起來就像一個U盤工廠,熱插拔就可以啟動機器。這就需要一套足夠強大的機器互通互換性規則支援。

零部件的互換性,已經在100多年前福特的流水線上得到了解決。沒有可互換性,就沒有流水線。但福特仍然是建立單一車型的基礎上。而隨後登上舞臺的通用汽車(從別克汽車改名而來),一開始就 採用了 跟福特完全 不同的多品牌 造車哲學。當通用汽車開始將同一零部件,既用在雪佛蘭也用在龐蒂亞克上時,它的多品牌汽車的成本受到了令人驚歎的遏制。兩種造車哲學開始分出高下,而可互換零件都是不動聲色的功臣。

然而機器的互通互換性,卻是最近兩三年才開始有著強烈的呼聲。以前,有人為的障礙。例如西門子的控制系統所驅動的機器,與施耐德電氣控制的機器,從來不能和平相處。準確地說,是不想。資訊化孤島的存在,有時候是因為懶惰,資訊化提供商沒有動力去提供彼此的連線;而自動化孤島的存在,則全部都是因為利益。自動化以及裝置商有著天生封閉的傾向,因為只有專屬部件才能掙更多的錢。蘋果的手機充電線,不會也不願意跟其他手機配件混用,因此使用者必須多花費2倍的價錢,去買一條專屬線。同樣,厲害的感測器公司從來不屑於標準化,封閉系統才是配件利潤的保障。像瑞士奇石樂這樣的感測器公司,深諳此道。感測器有獨門技術,使用者非買不可;其次就是配件備品,它的接頭、電纜全部都是專用,價格同樣昂貴離譜。很簡單,打十字結的草繩,如果綁在螃蟹身上,那就要按照螃蟹的單價去購買。非標準化的孤島,有時候是利潤的儲錢罐。

然而,定義機器的通訊框架和一致性語言並不容易。這兩年隨著IT與OT的融合,OPC UA的呼聲熱鬧起來,也有一些不錯的應用。OPC UA是一個從IT視角看工廠的最佳觀眾席。如果從推崇標準化的IT產業界的眼光來看,工廠裡五花八門的自動化通訊實在是太複雜了,也導致機器之間的交流諱莫如深。OPC UA希望用一套統一的通訊體系實現機器互聯,這深深贏得IT廠家的信心。自動化廠商的心態開始發生改變,隨著自動化與軟體的融合變得越來越深,利用軟體可以更好地提高硬體的價值。這讓自動化廠商和裝置廠商,都有了積極的心態。而智慧製造所追求的,不僅僅是網路層的互通,還包括工程層面的裝置相通,無論是裝置商還是自動化廠商,都可以從資料互聯,進而通過軟體發揮更大價值。這意味著,圍繞著通訊和資料而產生了跨廠商跨行業的利益。裝置供應商,已經嗅到了這種美味。

於是機器的互聯互通,不僅僅從必要性,而且從自動化廠商與裝置廠商的意願上,第一次成為了真正的行業共識。

這一切發生之後,共享製造才變得真實起來。二十年前工業乙太網正在小幅度地蠶食現場匯流排的市場之時,工業乙太網的擁躉者迫不及待地推出了“一網到底”的概念。這場所謂的工業通訊革命,後來被證明是一場鬧劇,它出生的太早,無法單獨以一己之力實現這事兒。只有到了今天,算力更強大、邊緣能做主、通訊更相容,一網到底的事情才能真的發生。而且事實證明,一網到底的革命,無關通訊,而關乎機器。OPC UA框架下的互聯互通,看上去是解決通訊,實際在完成機器的語義框架。

德國製造界深諳此道,即使工業4.0的熱情正在散去,即使IT界想淹沒OT的野心早已經變淡,產業界的步伐依然穩健,它堅定地走在為一臺臺機器建立語義模型的路上。這種思路,有時候會以“管理殼”的名義出現——給每一臺機器每一個部件加上一件“數字馬甲”;有的時候會以“數字孿生”的名義出現,為機器建立一套數字空間的實時互動模型。但德國機械製造商協會VDMA則在一個行業一個行業地進行梳理,從注塑機、包裝機,到壓縮機,為每個行業建立一套數字孿生的試衣間。不同的行業協會,紛紛加入。

圖2 德國機械製造商協會的雄心所在

德國機床界的熱心,更加值得關注。德國機床製造商協會VDW,早已啟動在數字化時代,守住全球機床第一強國寶座的雄心。它選擇的路徑,不再是更好的床身結構,或者更好的控制,而是機器更加互聯的語義模型。VDW在2018年,首次展示了德國機床的官方語言:Umati。這是一套基於OPC UA的IT系統,它為連線而來。如果說德國機床有一顆通用的芯——基本都是西門子控制系統的話,那麼這次德國機床兵團都擁有一個同樣的USB介面,相互插上就能連線,就能快捷地配置使用。VDW也邀請全球所有制造商協會和公司的加入。

中國機床工具工業協會的機床通用語言標準NC-Link也在邀請和相容之列。然而,二者最大的不同是,NC-Link就像是一根木樁一樣透徹,所見即是全部,而Umati則是一棵大樹,你看不見的根基才是它最大的生命力。更不用說,NC-Link在中國只得到了看上去貌合神離的機床廠家的支援,即使華為的極力助推恐怕也難以改變。

相比較,很多國內工業網際網路語境下的“協同製造”,簡直就是小兒科。缺乏對機器的物理執行機制的抽象和描繪,而痴迷於網路的連線和5G的高速,那就是把浩瀚的產業升級工程,當成了一個概念遊戲。當月亮在天空發生了缺失的時候,不同的觀察者採用了“天狗吃月亮”和“日食”的說法,就是詩人和科學家的區別。只求表象不求根基的浪漫主義精神,是不能作為智慧製造的發展原則的。

在德國智慧工廠聯盟的示範中,共享製造是由三處不同的地點聯合完成,協同製造一輛可定製化的卡車。合約製造角色就是凱澤斯勞滕大學的機床與控制部,它負責對拖車油箱上部的結構進行銑削。儘管三個地點的三臺機器都具備銑削功能,但一套程式裝上去,可以實現不同的質量加工等級,加工速度也不一樣。這意味著,不同地點的機器,完全可以通過遠端來實現自選配置。如果不需要很高的精度,就可以提供低價服務。反之,高價格就可以提供高精度。這意味著自主化的多智慧體系,可以相互溝通,以確定哪一個是根據客戶規格生產產品的最佳選擇。

如果深究一步,這是一種即插即產(Plug&Produce)的思路。它的目標是將製造系統分成多個過程模組,這些模組可以在生產繼續進行時連線在一起。這樣,就可以在幾分鐘內重新配置製造單元佈局,而不是傳統方法中的幾天。從U盤機器,到U盤產線,U盤工廠也就呼之欲出了。在施耐德電氣武漢工廠,在上通五菱柳州寶駿基地的產線上,這種熱插拔工位正在積極的探索之中。但如何在更大範圍,確立機器互聯的秩序,卻很難是一兩家企業所能完成的。

值得注意的是,德國“自主產線4”的實踐,也加入了歐盟龐大的大資料中心計劃—Gaia-X,該專案旨在打通歐洲的資料大本營,實現歐盟內部資料的安全流通。這意味著“自主產線4”正在認真地思考解決跨越國界的製造問題。

基於熱插拔式產線,或者進一步推進到 U盤工廠,才是規模化解決協同製造的關鍵。這背後需要對機器建模有著更加深刻的基礎層的探索,而合手的工具,都已經備齊,無論是低程式碼程式設計、61499的建模語言,或者OPC UA語義與通訊、面向物件模擬,還是容器化的微服務和時間敏感網路。這些工具,並不會自動形成顛覆性的力量;只有底層的語義連線和頭疼的機器建模,才是決定性的支柱。無論是多麼優秀的頭腦風暴,都無法把概念之花演繹成樹苗;只有老老實實地把手和腳都插到了沉甸甸髒兮兮的泥土裡,智慧製造才會有著真正的根基。

工業4.0,曾經如閃電一般,啟蒙了中國製造界的想象力。中國“智慧製造”迅速接過了揮舞的大旗,隨後“工業網際網路”的建制番號強勢加入,而新編數字化轉型第三路大軍的高昂聲調,也開始響徹入耳。

當然還有其他的插曲,一週前福布斯中國居然認真地釋出了《2021年福布斯中國工業網際網路企業》排行榜。它以令人驚愕的淺薄身段,迎合了中國工業按不下去的浮瓢。

相反,德國工業4.0則進入了沉默的掃地僧角色,以更加謙卑的隱者姿態,如彗星般而來,如潤雨般落地。激情和口號不再,到處都是枯燥重複的工業驗證和佶屈聱牙的物理模型。兩類不同的道路,即使無需認真打量,也能看出細節之中大有不同。這其中,最令人印象深刻的,就是對製造升級敘事尺度的把握:一巨集,一微,大有不同。這種差異,正是智慧製造的真正玄機。

林雪萍:北京聯訊動力諮詢公司總經理,上海交大中國質量發展研究院客座研究員

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