德国费斯托（Festo）工业4.0新思维

       自2013年德国首先提出工业4.0概念以来，一场围绕着速度、成本、能效、柔性、安全和智能化的制造业转型升级新竞赛正在全球范围展开。技术创新是这场竞赛的核心驱动力，而各领域的优秀企业当仁不让的成为技术创新的实践者和受益人。2015年12月，带着一份对工业4.0和德国制造最新进展的好奇心，笔者受邀参加费斯托(Festo)在德国斯图加特举办的全球媒体大会（IPC）,并与来自17个国家的近60名记者一同参观了Festo的Scharnhausen新技术工厂，感受工业4.0新思维带来的创新价值。 位于德国斯图加特的Scharnhausen新技术工厂 秉承创新，把握转型机遇       工业4.0是德国保持全球竞争力的重要机会，以独特的创新精神，将传统的工业制造转变为一个网络化的灵活生产系统，保持德国制造的竞争力。正是因为德国知识密集型的制造模式、技术与生产的快速结合、来自企业的创新力量、公共资源的充分利用和政府政策的支持，通过行业协会间的紧密合作，保证着工业4.0研究的有效进行。数字化是实现面向未来制造的网络化和柔性生产的关键。标准化、技术研发和人员培训是当前工业4.0平台研究工作的重要主题，Festo自1925年创立以来，从卓越品质的气动元器件，到以CPX为代表的模块化控制实现气电融合平台，再到多项仿生研究成果的逐步转化，正是对技术研发的高度热情和持续投入，才有了今天全球领先的市场地位。在通往工业4.0梦想的研发道路上，Festo正在多个工业4.0研发工作组中扮演着重要角色，“工业4.0平台的参与者正在各种跨学科团队中，就标准化、研究和安全性等未来主题开展广泛细致的工作，同时也涉足新工作领域和培训领域的方方面面，”Festo管理董事会主席Eberhard Veit博士说。“在这里，我们正在探讨如何将工业制造转型为全面联网的灵活生产系统。为了保持竞争力，我们必须秉承自己特有的创新精神，在此新的发展机遇中大显身手。” Festo AG & Co. KG管理董事会主席Eberhard Veit博士 Festo AG & Co. KG管理董事会成员，产品供应总裁Claus Jessen博士       工业4.0梦想的实现是一个充满挑战的持续过程，Festo认为，目前还处在转型发展的初期阶段。期间为工业自动化领域发展提供了巨大的潜力。在塑造未来制造模式的过程中，Festo的工业4.0战略将突出技术创新和人才培养。一方面，覆盖离散与过程自动化，强调产品的“直观、智能、集成和互联”，强化客户定制解决方案；另一方面，构建教学培训系统，提供人才培训与咨询服务。“在工业价值创造过程中，员工的角色正在从机械设备操作员转变为问题解决者。这对员工提出了新要求，为此，每位员工要接受适当的培训和教育才能满足未来的需求。在越来越大的程度上，教育将日益成为制胜的关键因素，”Festo管理董事会成员，产品供应总裁Claus Jessen博士说。 数字化平台确保人工装配的准确性 气电共融，构建工业4.0 桥梁       气压传动是生产过程自动化和机械化最有效手段之一，具有结构简单、安全与可靠性高和调节简便等诸多优势，但其工作介质（压缩空气）制造成本高，使得提高气动系统使用效率成为行业面临的突出问题。1989年，通过建立一组带有共用控制电源的底座集成阀，Festo创立了阀岛的概念。此后，Festo不断对阀岛进行研发：控制协议、诊断和状态监控功能以及优化应用的阀岛使其更灵活、性价比更高。阀岛的电气终端不仅只连接现场和主控制层,2002年推出的CPX系列电气终端已具备诊断设施并能提供状态监控功能。它的各种模块能够将气缸控制与电缸控制整合在一起，通过模组化阀岛MPA和VTSA来控制气缸，通过运动控制器来控制电缸，同时集成了安全功能，可以访问诊断信息，快速定位故障并更换模块。通过CPX对常用的总线系统和工业以太网协议的整合，Festo已为工业4.0 时代的开放互联做好了充分准备。 VTUG阀岛       2013年推出的VTUG阀岛提供了简单经济的现场总线解决方案，适用于所有标准的现场总线、以太网及IO-Link。由于现场总线节点通过螺钉固定到阀岛上，因此用户可以快速简便地更换现场总线。对于提供模块化设计的设备及系统制造商而言，VTUG阀岛最大的亮点是兼具电气模块化和高度气动灵活性优势。 UVUG模组化自动生产装配线       Festo以CPX综合自动化平台实现的电缸集成驱动已经在DELTA机器人高速搬运系统控制上取得成功，通过气电融合，以CODESYS控制器作为控制器，完成在三维空间中每分钟100次的高速拾取动作。配合使用免维护集成式EC电机且防护等级为IP54/65的电驱动器EMCA，避免了对传统控制柜的依赖，实现无控制柜的IP65/67防护等级。Festo借此向设备离散式自动化迈出了跨越性的一步。 人机协作在Scharnhausen新技术工厂已成为现实 卓越制造，数字化工厂典范       Festo位于斯图加特的Scharnhausen新技术工厂，是Festo生产阀、阀岛和电气产品的主要工厂，厂区总面积66 000平方米，员工1200余人。Festo已累计投资七千万欧元用于厂区扩建，立足满足今后5～10年的市场需求。新工厂秉承客户至上以及可持续绿色生产的理念，积极提供针对客户特定需求的定制化解决方案。基于制造价值链的整体优化贯穿工厂建设和生产全过程，数字化创新在厂房布局、工件加工、高效物流、精密装配和能效管理等多方面得到全面应用。2015年9月，新工厂由于精益生产、高效节能和环境友好表现突出，被德国可持续建筑委员会(DGNB)授予白金证书，堪称当前德国先进制造的卓越典范。 快速灵活的物料配送       在新工厂规划之初，Festo组织专家们从采购、开发、物流、生产和人力资源多角度展开合作，以跨部门的工作方式，借助3D建模和虚拟仿真等技术手段优化厂房布局，在短短3年内完成了工厂建设。“适应性生产”整体理念使新工厂具备极高的适应能力，并建立起高效的价值流，让Festo全球客户因此受益。工厂总经理Stefan Schwerdtle表示：“以该技术工厂为依托，我们完全可以满足未来市场的需求。我们在此工厂中建立了用于技术协作和产品开发的场所，并通过优化程序和调整核心流程大幅缩短了产品上市时间。”       整体价值流管理通过数字化手段得以实施，是该工厂鲜明特色。确保从开发、物流到生产的所有价值流始终保持在最佳流动状态。该技术工厂物资管理部总监Stefan Labonde解释说：“我们专注于找出价值流中的瓶颈，然后采取最佳方式相应调整流程，因此得以避免延误，确保业务平稳有序进行。”事实证明，价值流优化措施相当有效。Stefan Labonde说：“例如，在生产DGSL 小型气动滑块的过程中，我们现在在一个地点完成所有工序，总运输距离从以前的32km缩短到仅240m，吞吐时间也缩短了66%。”       同时具备金属加工、电子制造和精密装配生产能力本已不易，而实现厂级价值流整合和智能流程管理则更是难能可贵。Festo新工厂以电子看板结合MES系统统一调配大量高精度金属加工机床和管材切割设备；以自动化仓储和物流小车完成物料传输保证电子制造的灵活、快速和批量；以条码识别、平板电脑和配合装配管理系统确保人工装配过程中订单、母件与工件的准确对应、定制化产品图示和后期追溯。尤为引人注目的精密装配线，设置八个生产单元，可控制和执行用于组装各种阀的运动序列。包括喷涂外壳润滑脂、压入阀芯和弥合密封，以及确保各过程监控程序的运行。生产单元的硬件和软件由Festo自动化专家采用模块化设计方法创建，且彼此互联互通。各个过程自主进行设置，而各个单元的接口则采用标准化设计，可完成生产单元的更换或扩展。针对订单的装配设备更换，无需另行规划时间空挡，系统会在循环时间内自行更换，已经具备了工业4.0所倡导的柔性生产的重要特征。 结合实际生产，开展员工培训       Scharnhausen新技术工厂的另一个重要作用是对人才的继续教育。专设的员工培训教室设置有与产线相配合的装配和检测等各种工作台，保证员工能在与实际生产条件一致的设备环境下，结合生产需求，有针对性的快速提升劳动技能。“头脑风暴”教室则展开针对生产与研发的各项创新思路交流，通过网络实时实现灵感思路的全球共享，体现着对创新和人才的高度重视。 培训仿生研究，激发创意灵感       鲜有工业企业会在仿生领域持续投入研发，而Festo却已坚持多年，每年确定1～2个新项目，目的是为了借鉴生物模板，以技术手段实现对生物体的模仿，激发创意灵感，为未来制造业创新进行准备。目前已在材料、结构设计、运动控制、个体协作和自主适应等多个不同方面取得了卓有成效的创新成果。 基于蚂蚁的仿生研究       为了制作仿生蚂蚁，Festo工程师们对真蚂蚁进行了精细解剖并用作构建模型。这是有史以来人类第一次利用复杂控制算法，将生物的合作特性运用到技术领域。“像自然界的蚂蚁一样，仿生蚂蚁也是按照简单明确的规则彼此合作，”Festo公司副总裁，企业传讯部负责人Heinrich Frontzek博士说。这一合作机制从理论上为未来工厂提供了有趣的解决方案。未来生产系统建立在智能元件的基础上，这些元件需要灵活适应不同的生产条件和情况，因此会从更高的控制级别承接任务。Frontzek博士说：“蚂蚁之间彼此通信，协同运动。每只蚂蚁自主决策，但其决策始终与共同目标保持一致，因此它们是各司其责，共同完成任务。” 基于蝴蝶的仿生研究       在仿生蝴蝶中，Festo将人造昆虫的超轻结构与群体协调飞行特性完美结合。仿生蝴蝶展示了未来生产领域的多个复杂主题，如功能集成、超轻机构以及个体系统之间的联网实时优化通信。“但是，并不是说，未来工厂中会有仿生蝴蝶到处飞舞；仿生蝴蝶启示了相互联网的整体系统执行功能的新方法，还展示了未来工业物流应用的景象，”Frontzek博士说。联网导航和监控系统可安全自主地协调翱翔空中的众多个体飞行器，所采用的通信和传感器技术构成了室内GPS系统，它控制群体中蝴蝶的飞行，使其不会彼此碰撞。       灵感源于变色龙舌头的变色龙仿生抓手，无需手动转换，就可以在一个进程中抓取、采集和释放形状差异很大的多个物体。这一功能通过充水硅胶帽实现，这种硅胶帽可以灵活适应被抓取对象的形状，包裹住被抓取物体。在未来，灵活抓手可用于需要同时处理形状不同的多种物体的生产设备，例如在工业机器人领域，用于执行装配任务或搬运小型元件。 价值共享，助力中国制造2025       传统的业务模式正在发生重要变革，工业4.0 将全球形成一个统一的市场。Festo已在61个国家成立分公司，致力建立一个全球投资、开发和生产网络。Festo高度重视中国市场，自1993年进入中国市场以来，Festo在华业务取得了快速稳定增长。2012年，济南全球生产中心成功纳入Festo全球生产中心体系，成为集团第11家生产基地。2013年上海亚太技术中心完成扩建，借助全球化生产与技术平台，为亚太区，尤其是中国用户提供创新产品与定制服务。中国制造业的多样性和差异化需求亦为Festo提供了定制创新的动力源泉。展望未来，结合中国制造2025战略中所强调的智能制造、工业强基和绿色制造等重点工程，通过可靠器件、灵活平台与定制方案，中国用户可以共享Festo工业4.0实践的新成果，而Festo所蕴含的创新、务实与坚持的企业精神，则更值得中国制造业学习与借鉴。 转自李峥 MM现代制造