工业4.0：欢迎步入智能工厂时代

机器人在工厂大厅中自主移动，将材料从A点运送到B点；产品与机器沟通，机器自主做出决定并启动其下一个生产步骤；当设备需要及时维修时，它们会自动通知技术服务部门……欢迎来到智能工厂，集中控制已成为过去!

“智能工厂”这个词首次出现在2011年汉诺威工业博览会期间。工业4.0是可以帮助工厂生产的物联网，同时还是透明地连接整个价值链的“连接器”。因此，它也被称为 “工业物联网”，或简称为IIoT。工业协会及其成员公司、德国联邦教育与研究部（BMBF）和联邦经济事务与能源部（BMWi）共同推动了第四个工业时代的到来。数字化和新技术的使用从此为智能机器铺平了道路，这些机器可以相互交换信息并自行组织。整个价值链上的流程都被连接起来，可以实现自动化。

通过连接物理世界和数字世界，生产变得更有效、更灵活、更经济。这些可能性引起了更深远的变化，无论是对公司还是对员工，这就是为什么“工业4.0”一词代表了第四次工业革命。继蒸汽机（工业1.0）、生产流水线（工业2.0）、计算机和电子产品（工业3.0）之后，智能互联系统是工业化的第四个里程碑。

根据Statista的调查 “工业4.0对你的公司有什么意义？”，62%的德国公司已经表示，他们将在2021年使用工业4.0的特殊应用。这一趋势仍在继续，而且多年来在生产方式的根本性变化中已经显现出来。例如，机器可以通过“它们的感觉器官”——智能传感器来进行通信。它们收集数据并将数据传递给预先过滤的数字链接平台，这就形成了记忆或大脑。在那里，机器数据与来自其他来源的信息合并，用于资源规划（ERP）的商业应用程序，这些数据被评估，并从结果中得出必要的执行指令。

赛车中的双胞胎。在本文开头已经提到过，工业4.0的一个聪明示例就是数字双胞胎。美国赛车队Penske与西门子合作，开发了一个用于生产新汽车部件的虚拟测试台。它背后的想法是附在真实汽车上的传感器来测量轮胎压力、发动机控制或风速等数值。这些值被分析并转移到一个虚拟车辆模型，因而数字孪生（也称“数字双胞胎”）被创建：来自真实世界的物体的数字模型。在这个数字双胞胎的帮助下，工程师可以模拟和测试各种配置以及设计，并实时评估结果。这样，车辆的性能甚至可以在赛道的起跑线之前就得到优化。你可以在 《聚焦 ：用数字双胞胎赛车取胜》一文中获得更多关于这个例子的内容，详情参见AMFG（Autonomous Manufacturing）网站。

许多公司也在使用预测性维护 (可以在我们的 “预测性维护 ：智能服务”页面中了解更多信息，或进入“智能工厂”获取更多专业内容)。预测性维护可持续评估机器数据，并与过去的信息进行比较。这样就可以识别出故障通常发生的条件，并在故障发生之前开展维护服务工作。这背后的技术被称为边缘计算——数据在事件即将发生时进行了收集和评估。例如，机器温度过高时数据就会被发送到云端。然而，智能工厂的原则并不局限于本地区域，它可以将全球不同地点的机器连接起来，形成一个巨大的虚拟工厂。

基于工业4.0应用的新生产流程也在半导体行业出现。在英飞凌，亚洲的工厂将其测试结果直接传送到德累斯顿的工厂。在那里，工业4.0已经引入生产并帮助流程从手动转换为自动。奥地利的Villach工厂也进行了投资，并在2021年底开始了全自动化生产。同年，英飞凌因工业4.0供应链解决方案获得了ROI-EFESO颁发的 "智能供应链 "类奖项。这个奖印证了英飞凌要加强其全球生产网络对波动以及订单波动的韧性。

工业4.0已经在汽车行业成功布局。大众汽车公司实施了耳目一新的 "Transparent Prototype "方法。您可通过plattform-i40网站上的文章《大众汽车：Gläserner Prototyp 》了解详情。大众在全公司范围内使用了RFID（射频识别）技术来更快地检测车辆中的部件。这些部件已经由供应商在工厂安装了RFID芯片。在车辆测试期间，工程师可以很容易地识别安装的原型部件，并读出他们开发的详细信息——他们已经在正确的时间和地点里掌握了正确的信息。

工业4.0在汽车行业的另一个例子是保时捷和舒勒公司的合资企业，这在ROI的文章 《工业4.0：智能工厂 》中有更详细的描述。在Halle an der Saale城市，一个完全数字化和自动化的冲压车间已经投入使用。从生产订单到模具，再到车身部件的生产都实现了数字化。在这里，“纸上谈兵”已经成为过去——未来是基于云的、透明的。在可持续性方面，冲压车间展示了使用可再生能源的低排放操作。

在物流方面，工业4.0技术有助于优化运输路线，精确利用仓储能力并提前计划。举一个易北河的例子：根据Statista的"Statistiken zum Hamburger Hafen"调查，2021年汉堡港的海运货物吞吐量约为1.29亿吨。到2030年，这一数字预计将翻倍。然而，港口没有足够的空间来处理这个体量。因此汉堡港务局面临着需要更快移动集装箱的挑战。在工业4.0项目中，人、卡车、集装箱、船舶、起重机和交通管制都可以系统地、智能地连接起来，实时沟通并反馈业务相关数据，这一举动完美解决了汉堡港的挑战。现在卡车可更快地到达目的地；他们的司机也知道在哪里可以更快地卸下货物；货主可以提前计划路线……这个项目的结果简化易操作，使汉堡港能够快速运输货物。这个实例在媒体经济研究所网站上 有更详细的描述，可参考“Fallstudie zur Digitalen Transformation - Smart Port Logistics ”。

工业4.0中的数字化并不意味着要部署在所有的接触点上。企业必须将生产或制造完全数字化并灵活地运作才能成功地在市场上占有一席之地——这种现象在国际舞台上已经出现了良性的竞争压力。因此，制定成功的变革管理、优化流程和节约成本的战略是 "数字化4.0 "中最重要的部分。智能化的互联系统使公司能够根据个别客户的要求生产更小的数量，以获得利润。这使他们有机会从大规模生产定位的 “低成本供应商 ”的市场中脱颖而出。

人口结构的变化也在倒逼生产优化。毕竟，我们的社会结构正变得越来越老龄化。就业人数在减少，要知道移民政策其实并不能完全抵消这种影响。德国联邦统计局计算出，到2040年，德国67岁及以上的人口数量将增加42%，至少达到2150万。相比之下，20至66岁的人口数量预计将下降11%至25%，这取决于移民率。因此，专家们一致认为，如果我们想保持经济繁荣，则必须在未来使工作和生产更加有效率，并更好地利用现有的劳动力。

在效率和速度方面，新的5G移动通信标准被视为工业4.0中物联网的一项关键技术。由于大量数据的实时快速传输，5G实现了高性能通信。根据Bitkom Research的调查 "Industrie 4.0 - so digital sind Deutschlands Fabriken"，85%的工业公司认为这对其业务非常重要。英飞凌凭借高性能的组件，在这一领域创造了保证更高能源效率的解决方案。可通过“5G - 未来的高速移动网络”了解5G是如何工作的以及在哪些日常应用中彰显潜力。

当机器因自动化而接管越来越多的任务时，公司里的员工会怎样？许多员工担心他们的工作尤其是简单的日常工作被自动化替代。英飞凌的首席执行官Jochen Hanebeck在面对这一趋势时则表现很冷静：“一半的员工肯定会受到数字化的影响，但我们并不认为在整体上会有工作岗位的流失。”一个典型的例子就是英飞凌在德累斯顿的半导体生产厂，这里负责在200毫米和300毫米晶圆上生产芯片。300毫米的生产线从一开始就被设计为完全自动化生产。另一方面，旧的200毫米生产线在过去几年中逐渐实现了自动化，并在更大的程度上实现了连接。现在它的自动化程度达到了90%左右。这使得该生产基地自1990年代中期成立以来，生产力提高了70%。同时，在过去十年里，员工人数一直保持在2000人左右。德累斯顿工厂的数字化和连通性都维持了竞争力，确保了增长，并为保证工厂的长期发展做出了重要贡献。

由科隆经济研究所完成并展示在“Forschung und Wissen ”网站上的调研“Digitalisierung schafft mehr Arbeitsplätze, als sie vernichtet”也得出了一个积极的预测。总体来说，工作和业务流程的数字化所创造的工作机会多于它所带来的风险。然而，该调研也证实，未来对更多高度复杂工作的需求也将上升，特别是在信息技术、数据分析和维护领域。与此同时，以简单的常规任务为主的需求将减少。当机器人日复一日地拖动沉重的箱子时，人们不仅保持了健康，而且有更多的时间投入到更重要的任务中。有一点是明确的：根据活动和市场需求的不同，现存的一些人力工作或将消失。同时，新的技能和商业模式也将创造出尚未发掘的新工作。例如，在可持续发展领域，绿色能源、环境友好型建筑和智能城市建设等，都需要新的技术工人。人将继续占据舞台中心，而工业4.0将为长期的工作保障创造条件。

这些发展趋势迫使员工在职业生涯中要有不断进取的意愿。“EdTech”现已成为一个热门的关键词，即教育和技术的结合，为个人提供培训和教育机会，这也是企业需要为员工做出的承诺。Uwe Häßler就是一个成功的例子。这位训练有素的电工于1990年开始在机械工程公司Harting Applied Technologies担任技术职工，并在2001年转为PLC编程。现在他负责开发工业4.0系统和IT界面。“三年前，当我开始研究项目时，当时提到的所有东西对我来说都是难以想象的愿景，”Uwe Häßle说到，“当时我说这些都不可能。如今，我自己变成了那个说‘这些都是可以做到’的人，并且我也成为了开发并实现这些愿景的人”。

连接的设备越多，潜在的安全漏洞就越多。工业4.0和IIoT的技术基础设施对数字安全提出了更高要求。只要生产机器与IT分离，就更容易将它们与外界隔离。另一方面，在工业4.0的不断发展中，有许多途径可以获取信息，因而促成网络犯罪分子达成以下目标：

• 操控生产设施
• 篡改或伪造机器（数据中毒）
• 进行经济或行业间谍活动
• 收集在暗网中出售的个人数据
• 通过社交工程访问员工信息

2017年5月发生了一起著名的网络攻击事件。Wannacry 加密木马攻击了英国国家卫生局、法国的汽车制造商雷诺和德国铁路公司等机构的计算机。该恶意软件对系统进行加密，并导致它们暂时失效。黑客意图通过这种方法来勒索赎金。

因此，为了防止这种情况发生，公司必须从一开始就考虑工业4.0技术的安全性。一方面，这意味着始终保持系统的更新和应用安全更新；另一方面，基于软件和硬件的安全解决方案的组合可以确保对连接机器和通信节点的保护。安全通常从设备中使用的芯片开始。理想情况下，这些芯片已经受到保护，可以防止网络攻击，比如：英飞凌的OPTIGA™ TPM芯片，可以安装在路由器、工业电脑或复杂的控制单元中，作为网络内通信伙伴的设备识别。另一个未来的主题是 "后量子密码学"。在这方面，英飞凌已经在开发解决方案，以确保未来量子计算机的数据安全。

除了安全问题，公司在工业4.0项目中还面临着一个基本挑战。首先，他们如何将他们的机器连接到互联网上？当今的制造商确实提供了已经集成物联网模块的新设备，但很少有工厂是从零开始的。他们用过去成长起来的生产线运作，其中包含了不同年代的机器，这样的设备很昂贵，不可能一下子就被取代。当我们作为消费者每三年购买一部新的智能手机或笔记本电脑时，工业机器往往要使用20年或更长时间。

为了使这些旧设备应用与数字化4.0，企业必须对传感器、软件和具有物联网功能的工业控制系统进行改造。市场为此提供了改造解决方案。例如，博世力士乐的物联网网关甚至能够将一台1887年的踏板驱动车床连接到互联网上；传感器监测车床的速度，并将这些数据传输给一个交换设备：物联网网关。这反过来又与公司的其他系统相连，车床上的一个显示器实时显示传输的数据，告知是否需要踩得更快或更慢以保持最佳速度。（针对这个案例，可以在《你需要了解的物联网》一文中了解更多信息）

在制造企业的眼中，未来是什么样的？答案各不相同，但意见很明确：根据Bitkom的新闻稿 "10 Jahre Industrie 4.0 - was noch zu tun ist"，95%的人明确认为工业4.0是业务发展的机会。数字化和新技术生态系统的实施不仅体现在工业应用中，还在气候、能源和移动性等领域发挥着重要作用。然而，作为德国经济的核心，制造业目前感到被甩在了后面：三分之二的公司认为自己落后了，或者说他们已经脱离了这个圈子。挑战不仅在于所需的财政资源，还在于对数据保护和IT安全的要求。英飞凌的首席执行官Jochen Hanebeck认为，德国已经处于非常有利的地位，“基本上，我们在德国和欧洲为工业4.0做好了充分的准备。我们拥有整个价值链，我们已经掌握了高质量又复杂的产品生产。简而言之，我们擅长制造。”

请在我们的“智能工厂”页面上了解英飞凌如何利用其半导体解决方案积极塑造工业4.0的未来。

最近更新时间：2022年6月