数据、数字主线和工业4.0-白皮书软件和技术如何提升制造业数字化和收益

随着物联网（IoT）的发展和硬件的技术进步，工业化正在加速实现工业4.0。手提健身追踪器、自动驾驶汽车等等，这些聪明的日常设备让你的生活更轻松，物联网正在彻底改变我们的世界。在国家层面，例如政府赋予物联网权力、自动测量排放、检查供水污染情况、监测道路和显著提高电网效率等，不断智慧地提高基础设施能力。随着全球化不断加速，贸易作为工业驱动器，是工业物联网（IIoT）发挥作用的地方。工业物联网的影响主要包括五个业务方面：资源利用、员工生产力、供应链和物流、客户体验和创新。

1 “数字主线”是工业4.0的特征

工业4.0和IIoT的革命性需求远远超过智能设备和制造工具。工业最大的浪潮是“数字制造”，数据交换过程中涵盖了整个产品生命周期，在降低成本、缩短周转时间和改进零件质量方面发挥重要作用。西门子和PTC等公司大力发展这方面综合性工作，涵盖制造业所有方面的软件平台-从最初的产品设计到工厂布局，一路走来到交付后的客户反馈-彼此链接（见图1）。这种“数字主线”消除了数据孤岛，消除了不同软件系统长时间的数据交换。结合了所有方面制造过程，包括工具3D CAD建模和可视化、分析软件到可行性（DFM）、计算机辅助制造（CAM）、计算机集成制造（CIM）和用于操作数据采集系统。

该软件组合了包括正确集成时的信息流数字主线，从设计、原型制作的产品概念到制造直至修订版。采购、物流、仓储和财务通常由ERP系统控制，至此数字周期就完成了。

图1 软件和硬件自动化融合

2007年，Proto Labs公司决定使用基于ERP的终端系统，有利于具有自觉意识的自主开发系统。来自集成系统的用于报价和工具路径的信息会自动传送到制造区域员工工位，从视频广告的实时信息到工作序列表，设置请求还可以看到生产和质量指标。当订单经过制造过程时，将以类似的方式成为状态信息自动记录然后返回MRP和商品管理系统。

2 开创性的数字化制造概念为制造业增效

Siemens PLM定义数字化制造作为一种方式，工程师允许“在虚拟环境中实现制造过程，包括工具、生产线、工作场所、设施布局、人体工程学和资源完全定义“。西门子客户Waltonen工程总部设在密歇根州沃伦市，其数字化技术降低工艺成本高达50%。Space Trolley Pratt＆Whitney与众不同配置管理系统支持西门子基于CAD的数据管理解决方案，修改后的产品开发费用降低了75%。

部署数字化生产可使产品引入时间在某些情况下缩短30%或更多。这样的结果不是孤立的案例。据咨询公司CIM数据显示，在数字化制造领域的努力将上市时间缩短30%，流程规划工作和设备成本减少40%和整体产量将提高15%。DassaultSystèmes认为行业解决方案和营销提升需要：“全公司的数字化制造解决方案这样做是因为它们是虚拟的，通过设计规划来推动他们的工作，相关风险降低了，通过正确的设备概念，准确把握对后期操作工人识别，可减少资源利用，更有效地使用并避免制造原型。数字化制造需要一种缓慢的手动工作和资源密集型过程，适合21世纪”。实际上，数字报价的生产具有更多优势：在产品开发阶段节省成本，由于更短开发周期，通过提高效率，需求导向或小批量生产数字化和加速设计变更，特别是快速的前端流程，开发人员引用和分析更全面，更快更准确地实现创新。

重塑业务只能通过采用新概念和意愿。数字制造和IIoT的潜力，国家网络制造创新（NNMI）就是为了发挥这种潜力而诞生的。该组织范围广泛建立了法规，其中包括发展增材制造先进技术、镁和钛等轻量化轻材料，先进复合材料的制造和纳米技术。他们的主要焦点之一是基于“建立基础设施智能制造和集成方法制造过程中具有成本效益的传感器“。许多这些新举措都围绕着增材制造或3D打印。

Proto Labs具有多种可能性的技术采用工业3D打印，这些包括立体光刻（SL），选择性激光烧结（SLS）和直接金属激光烧结（DMLS）工艺，可以用几乎所有可能的方式为复杂的部件制作模具。与更传统的一样Proto Labs的制造过程起着数字化的作用，在制造过程中发挥重要作用。数据将是在制造过程的两端之间交互交换-包括来自产品设计和上传设计印刷、表面处理和交货过程。整合增材和减法技术在业内技术传统上截然相反，Proto实验室显著提高了其灵活性，降低生产成本、缩短生产周期，优势公司在短时间内推出新产品，即使在市场推出后也会发展产品维护。

3 数据有效使用是公司获利的利器

减少设备制造商也受益IIoT和数字制造流程。2013年，机床制造商DS1（梦幻网站1）Oguchi表示，他提出了无人值守的制造和自动化生产控制系统，从此生产力提升1倍，产出时间减半，电费下降了30%。次年他的竞争对手Mazak宣布了他的工厂概念iSMART4：“完整的数字集成”其十个生产工厂配备了最先进的设备和先进的制造方法。两家公司都做好了整合加工工具和机器对机器通信（M2M通信），大部分这种前瞻性技术为客户带来巨大利益。“我们相信IIoT不亚于代表着下一次工业革命。跨国咨询公司埃森哲估计IIoT及其上的资本投资生产率提高后，到2030年，美国GDP累计可能增加61亿美元。

4 五大支柱

基于IIoT重塑自我的著名公司之一是通用电气公司，他们指出工业互联网发展是基于五个支柱：即超连接、顶级机器、大数据、改进分析的预测算法和努力使用这些技术的人们。自从GE认识到这些概念，这是第一家公司使用3D打印技术制造发动机组件的公司。GE认可并推出Predix的IIoT之一“工业互联网操作系统”，作为其“数字联盟计划”的一部分，GE开发了Predix系统集成商开发平台、机械工程师、电信提供商等几乎所有开发安全软件解决方案，并对工业环境进行开放。图2就是GE公司智慧工厂数据交换构架。

图2 GE公司智慧工厂的数据交换构架

5 结束语

未来工厂是IIoT和数字主线、虚拟的数据、软件和传感器的集合，其中设计和制造过程与不同的网络共存。然而IIoT和工业4.0与早期的工业产品有很多共同之处，他们有助于支持和改善最基本的现代化设施，即制造业是国家生存之本。这些制造商有责任找到最佳选择，提供可用于制造产品的最有效流程。