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2020 年之后推动工业 4.0 发展的 3 大趋势
打印 发布时间:2020-05-23 阅读量:197


▲图 欧特克旧金山技术中心的计算机数控机床车间。


生产制造向数字化过渡已经进入一个新的时代,这场转型的技术层面似乎并没有什么变化,但工业 4.0 的状态却远非停滞不前。


“三大主要的技术趋势仍然是增材制造、自动化和智能工厂,”美国制造技术协会(Association of Manufacturing TechnologyMTConnect 研究所常务董事(常驻欧特克旧金山技术中心)Russell Waddell说。这一系列技术包括人工智能(AI)、无人机、增强现实和虚拟现实(AR/VR)以及物联网(IoT),多年来这些技术已经确定了工业 4.0 的定义。


2020 年值得关注的重要趋势将围绕着以下各方面的工作而展开:将智能组件技术及其结果数据连接到功能系统中,保持这些系统的安全性,并为日趋成熟的工业 4.0 培养一支生机勃勃的员工队伍。


01

数字主线:互联制造



美国国家标准与技术研究院(NIST)制造业扩展伙伴计划(MEP)主任 Carroll Thomas管理着一个全国性的中心网络,以帮助美国制造商采用先进技术。根据美国人口普查局的数据,有 75% 的小型制造企业的员工人数不足 20 Thomas 说,许多中小型制造企业(雇员人数不足 500 人)现正在向大型制造企业已经实行了多年的流程和供应链自动化去转变。


协作机器人现在非常流行,”Thomas 又说道。“许多二级和三级供应商正在使用与物联网互联的传感器和人工智能,以一种更周全、更具策略性的方式进入自动化。他们正在让自己的整个运营实现数字化。这种集成现在正成为主流。”


NIST 智能制造系统测试床的机械工程师兼联合负责人 Thomas Hedberg 博士认为,工业 4.0 已经成熟到了一定的程度,它已经形成了一套对需要解决的问题达成基本共识的方式:将所有数据和系统连接在一起,这样产品的设计、制造和检验等所有阶段都可以互相流通和反馈。


例如,在激光熔化粉末时,增材制造商可以拍摄成百或成千张熔池图片;Hedberg 说:“他们正在尝试将数据重新连接到那台机器的流程参数中去。”



▲图 随着互联智能工厂和 5G 网络的广泛采用,网络安全日益成为人们最关心的问题。


“在制造业开发出所有这些直筒式流程的时候,人们并没有考虑过将它们联通起来,”Hedberg 说:“但是专家系统已经在这些直筒式流程里发展起来了。那么,与其打破这些直筒,我们为什么不在它们之间切孔并放置一条管道呢?这就是‘数字主线’。现在的问题是系统工程的问题,需要一个由系统思维指导的跨学科团队。这就需要这些标准的介入,其实有些标准已经开始统一了。”


Waddell 管理的免版税 MTConnect 机器技术标准吸收了包括系统集成商、机器制造商、软件开发商和最终用户在内的 400 多家商户的意见。Waddell 认为,从自上而下的角度来看,互联制造领域的思想领袖已经开始思考产品寿命周期的设计、制造和检验阶段以外的问题,以便将产品生产之后的维护纳入该领域。


例如,如果美国海军从新港纽斯造船厂或通用动力电船公司这两家具有前瞻性的供应商订购了一艘舰船,那么海军可能需要所谓的设计、建造和维护的模型。“维护合同可能包括根据建造情况对船体进行重新检验,”Waddell 说。“对舰船的内部进行 3D 扫描将反映出初始模型的变化。”


02

边缘计算与网络安全



Hedberg 说,解决制造业中的数据互联问题需要边缘计算,它与云计算不同,因为像加密和机器学习之类的更多(或全部)流程工作需要在设备上完成,而不是在云中完成。而且软件也与个人计算不同。软件是自动更新的,安全性由中央而不是由用户管理。



▲图 全面过渡到工业 4.0 将需要更大的边缘计算能力 — 生产机器具备更大的处理能力,而且机器供应商会自动完成软件和安全的更新。


“我们目前的设备虽然有一些不错的功能,但还不足以进行更高级的数据优化处理,”Hedberg 说道。“你必须能够在边缘进行一些基本处理,快速移动数据,并将答案提供给工厂或机器。” 


边缘计算可以减少处理的延迟,并使用较少的带宽。如果它可以将足够的私有数据保留在云之外,而且由供应商更新的安全功能也很好,它还有可能提供显著提高的网络安全。


网络安全已经成为互联智能工厂的一大关注点。随着 5G 网络的普及,这一担心只会变得更大。由于 5G 的功能,原来网络中的大多数硬件被转换为软件,所以,尽管 5G 具有带宽更大等优点,但也比较容易受到网络攻击。


Thomas 说:“我们正竭尽全力让这些小公司进入自动化和传感领域,并且将网络安全问题考虑在内。”


03

就业与教育



 Thomas 女士走访美国各地的制造商(尤其是中小型企业)时,她发现了一个长期困扰着每个地区的问题:工厂找不到足够的熟练工人来填补他们的职位空缺。



▲图 自动化的发展需要高技能和高薪技术人员来运行和维护机器。

她举了几个例子,有一个挤塑厂从佛蒙特技术学院招聘了所有的合格毕业生,但仍无法填补职位空缺;亚拉巴马州的一家过滤器制造商为职位空缺设置了广告牌;田纳西州的一家工厂尽可能为员工的子女提供工作。


由于缺乏合格的工人,这影响了许多中型制造商拥抱自动化和其他工业 4.0 技术。不过,Thomas 女士说,他们是在不减少工作岗位的情况下这样做的。她说:“他们进入技术领域并不是为了解雇员工,而是为了建立所需的生产能力。”


协作机器人和自动化的成本仍然很昂贵;中小型制造商出于必要而采用它们,而不是通过减少工作岗位来省钱。实际上,Thomas 说,工业 4.0 自动化为维护技术人员创造了高薪工作。工厂其他职位的工资有所增加,但幅度不如这项劳动力短缺所显示的那样高。


“他们使用新技术来增强劳动力,”她说,“但是他们需要能够操作并维护设备的员工。这些技术员就是每个厂家都在来回挖掘的技术人员。”


为了解决制造业从业人员的短缺问题,Thomas 建议进行教育改革,并促进行业内的多元化和包容性运动(D&I)。“这些教育可以面向所有通常不在工厂工作的人,”她补充道。“那些即将退休的人、妇女、弱势人群,以及正在考虑是否要上大学的人。”


Thomas 还主张在较小的制造商和教育机构之间建立更紧密的联系,以便更好地扩展和培训劳动力,例如去年下半年在比利时举行的经合组织(OECD)“地方发展论坛”和万宝盛华集团(ManpowerGroup)的网络活动“女士们,让我们抓住转变的机会”。



▲图 虚拟和增强现实系统有助于对制造工人的技术培训,既可以节省时间,也可以节约费用。Lincoln Electric 公司供图。

新的技术,如林肯电气公司(Lincoln Electric)制作的 VRTEX 360 虚拟现实焊接培训教程,可以使学生在使用实际设备进行焊接之前进行练习,从而能够更快、更低成本地为特定行业的需求做好准备。加利福尼亚托伦斯市的埃尔卡密诺学院就使用了这一系统。但是Thomas 说,他们仍然无法以更快的速度培养出毕业生来满足市场的需求。增强现实还通过米勒公司(Miller)的 AugmentedArc 增强现实焊接系统和 MeasureKit  SketchAR 通用应用程序等特殊产品来影响制造专业的教育。


“我认为所有的教育实际上都需要重新考虑,”她继续说道。“这应该是终生学习,你每天都可以参加,了解新的东西。这些雇主最看重的品质是有学习能力的人,是可以迅速适应并掌握新技术的人。”


作者:MARKKUS ROVITO

注:文章来自由欧特克支持创立的 Redshift China

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