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工业4.0成熟度评级指南 德国工4平台成绩单(下)

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供稿:中国工控网 2016/6/7 9:59:27

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  工业4.0离自己到底有多远?企业到底是几点几?这是许多企业非常关心的一个话题。一些企业认为4.0还很遥远,进行数字化智能转型还为时过早;一些企业兴致勃勃,却不知道如何部署工业4.0,德国中小企业也同样深陷迷雾之中。为此德国工业4.0工作组,以VDMA为主的机构,提出来工业4.0的成熟度分析,并给出了工业4.0的评级体系。

工业4.0 能力成熟度模型

  德国工作组认为,工业4.0能力成熟度模型可以帮助企业明确工业4.0的现状,指导企业找到提高智能制造水平的方法,逐步建立属于自己的工业4.0模式。

  能力成熟度模型CMM(Capability Maturity Model),最早是用于探索软件过程成熟度的一个工具。后来又出现各种不同的CMM模型。如项目管理成熟度模型、系统工程能力成熟度模型、知识管理成熟度模型等。

  能力成熟度模型代表着复杂系统发展的一种思路,一种提高过程能力的途径。

  成熟度的提高是一个渐进的过程,需要一个长远的、可持续发展的过程作为保证。目前而言,对于工业4.0成熟度的评估,无论在国内和国外都并没有成熟的统一的方法或者模型,都需要在成熟级别、关键过程领域、公共属性和关键实践等分野进一步深入地讨论和修订。

工业4.0成熟度评估

  由于德国的工业4.0和生产改善实践开始的比较早,有一些行业协会和大公司根据实践项目经验建立了一些评估方法,并应用于实际的咨询项目,确实为产品创新与生产过程改善实践提供了一个良好的框架,成为过程能力提高的有用工具。

  工业4.0自我评测工具

  VDMA下属的Impulse基金会,建立了一个工业4.0准备度的在线自测工具。帮助中小企业,用来自我评测对工业4.0升级是否准备好,并且通过评测可以了解自己处在一个什么状态。

   

                           

  该模型评测等级总共从level0到level5分了六个等级层次。Level0和level1分别是门外汉和初学者,这两层统称为新入行。Level2是指中级水平,被称为实践者。Level3是有经验者,level4是专家,level5是顶级玩家,这三层被统称为领导者。

  这个“工业4.0成熟度评测”研究是由德国机械设备制造业联合会(VDMA)下属IMPULS基金会委托IW咨询(科隆经济研究所下属的一个子公司)和亚琛工业大学FIR(工业管理研究所)共同完成的,代表着目前德国工业4.0平台最前沿的工业4.0成熟度评测研究。

  模型包含了6个关键领域维度,每个成熟度层次(0 - 5)都包括了该领域的最低要求,0级描述了门外汉公司(没有或很少的计划或实施行业4.0活动),5级描述了顶级公司,这些公司已经成功地实现行业4.0的所有活动。

  这6个关键维度分别是

  工业4.0成熟度的六个维度

  主要包括:

  战略和组织,因为这是实施工业4.0的战略和组织文化

  智能工厂:分布式、高度自动化生产

  高效运营:智能生产流程体系

  智能产品:用ICT技术装备物理产品

  数据驱动服务:数据服务作为内嵌的商业模式

  员工:合格的知识工作者是成功实施工业4.0的关键

  目前网站提供德文版和英文版的调查问卷,答完问卷后会自动生成一个pdf版本的报告,告诉当前公司的所处水平,而且还可以看到自己和所处行业的其他公司相比较是一个什么水平,针对某项具体领域的改善建议等。

  工业4.0工具盒:

  智能产品的等级评测

  在上篇文章中,我们提到了VDMA德国机械及制造商协会联合卡斯鲁尔大学生产工程学院KIT WBK、DIK等几个单位,共同完成了《中小企业工业4.0实施指南》用来指导德国的中小企业面对工业4.0变革,需要做什么和怎么做的问题。

  该指南给出了工业4.0工具盒,列出了工业4.0方法的不同应用层级,并把这些层级分解到了单个可实现的开发阶段。

  由于工业4.0的核心宗旨就是增加产品的效用并降低生产成本,因此工业4.0工具盒重点关注两方面内容:分为产品创新和生产技术创新两个层面。

  这就为我们如何研发创新产品和提升生产技术水平,提供了切实可借鉴的工业4.0技术路线和功能路线。

  工业4.0工具盒之产品创新

  工业4.0工具盒的产品创新领域,主要是指4.0所定义的智能产品。工具盒可以应用到整个产品的开发或者产品的某个单一组件开发。

  关键的问题是:在工业4.0的帮助下,什么样的新产品可以被开发或者老产品该如何被改造?如何为潜在客户创造额外的价值?

  产品创新被分解为以下六个不同应用层级,分别是

  智能产品的的评价六维度

  下面逐一进行评价:

  1.集成传感器和控制器

  智能产品的五个维度

  主要包括五个成熟度等级:没有传感器和控制器;集成传感器和控制器;产品自身可以读取传感器数据;数据可以被产品本身分析评估;产品可以根据分析出的数据作出独立应答和决策等。

  点评:这个层级强化了智能产品对传感器与集成控制器的依赖。如果没有传感器,谈不上数据的采集和收集,如果没有嵌入式芯片和软件,谈不上数据的实时计算。

  2.增加通讯和连通性

  这个包含五个成熟度等级:没有用户界面;产品可以发出和接收I/O信号;产品具备现场总线接口;产品具有工业以太网接口;产品可以直接连接因特网。

  点评:别有意味的是,这个纬度的第三级和第四级,分别对应着现场总线和工业以太网。实际上在工业现场,工业以太网已经突飞猛进,大踏步地进展。而如果没有数据对互联网的接口,就谈不上数据的汇聚与分析。

  3.增加数据存储和信息交换功能

  五个成熟度等级:没有数据存储功能;个体二维码识别;产品具有数据存储功能;产品具有建立在数据存储之上的自动信息交换功能;拥有数据和信息交换的完整功能。

  点评:产品本身能不能存储数据,是一个跳跃性的里程碑。在过去,产品的数据存储,经历了UPC、RFID等历史性阶段,通过标识或者RFID标签去标注产品的位置和产品信息。而在智能产品的高等级中,产品形态一定是具有数据和信息的交换功能。如汽车OBD车载诊断系统,可以完成跟智能手机的软硬件一体化,进行整体的数据和信息交换。

  4.增加监测功能

  五个成熟度等级:产品没有监测功能;产品可以探测失效;产品可以记录运行状态以便发生故障诊断;主动性功能失效判断;独立采用控制措施。

  点评:远程监控是评价智能产品的一个重要纬度。目前许多产品维护尚处在基于状态的判断,而未来的发展,一定是基于数据分析进行主动性预测性服务,并且能够产生决策能力。

  5.建立产品相关的IT服务

  五个成熟度等级:没有IT服务;通过线上门户提供服务;通过产品直接服务执行;独立自主执行服务;完整集成IT服务基础架构组织。

  点评:显然互联网思维讲究的就是卖出产品只是业务的刚刚开始,需要服务去提升附加价值,这是围绕用户体验的巨大突破。仅仅能通过线上进行门户服务只是最为简单的初级水平;通过各种终端渠道,来提升服务水平,正在成为用户驱动的根本。

  6.建立围绕产品的商业模式

  五个成熟度等级:通过销售标准产品获得利润;销售产品和咨询服务;销售、咨询和改变产品去适应客户特殊需求;附加销售产品相关的服务;销售功能。

  点评:在工业4.0生产出来的智能产品的基础上,通过物联网技术,将产品连到互联网上,并应用大数据和其他IT技术,可以将企业的商业模式从产品驱动转变为数据驱动,从销售产品转变为销售服务或者产出。

  工业4.0工具盒:生产技术创新

  与此同时,如何评价一个工厂的工业4.0水平?

  生产技术创新的出发点是如何优化生产流程并且降低生产成本。工业4.0工具盒关于生产部分,被分解为如下六个不同的应用层级,分别是

  智能生产的六个维度

  1.增加生产数据加工处理能力

  五个成熟度等级:没有生产数据加工处理;仅仅存储数据用于文档存档或汇报;分析数据用生产过程监控;评估生产过程和管控情况;自动生产过程设计和管控。

  点评:行业里一直在谈工业大数据。但数据的产生、存储和处理都是非常复杂的问题,尤其是数据的用途,至关重要。这就需要非常强的业务分解与数据建模能力,从而对生产过程进行量化的分析。基于数据的改善,才是一个智能工厂的基本特征。

  2.增加机器通讯功能M2M

  五个成熟度等级:没有机器通讯;有总线接口;有工业以太网接口;机器可以直接连上互联网;通过网络服务访问其他机器(M2M软件)。

  点评:没有统一的标准总线技术,机器和机器之间就是鸡同鸭讲。然而,随着工业互联网的普及和“万物互联(思科语)”的极限发展,机器通讯将变成无所不在的场景。而如何解决现场设备与系统之间、与网络之间的数据接口和通讯协议,成为评估工厂智能程度的重要命题。

  3.集成公司级别生产网络

  五个成熟度等级:生产过程中不与其他业务部门沟通;通过电话和邮件沟通;数据交换有统一的数据格式和规则;统一的数据格式和内部区分并连接的数据服务器;各领域统一集成的内部IT方案。

  点评:数据流、信息流、物流、财务流四流合一才能高效支撑制造业务。更重要的是,数据格式,必须有统一的规划,其连通机制要有整体的规划。

  4.集成信息和通信技术用于生产

  五个成熟度等级:通过电话和邮件沟通;有中央数据服务器用于生产过程;基于互联网门户的数据分享;自动信息交换(比如订单处理跟踪);供应商和客户被紧密集成在生产过程。

  点评:这里的最高成熟度等级就是工业4.0三个集成之一的跨企业价值链的横向集成。如何跟供应商共享数据,需要一个成熟的供应链机制来支撑。

  5.增加人机交互界面

  五个成熟度等级:人和机器之间没有信息交换;利用电脑连接机器;集中式/分布式生产监控和控制;利用手机和pad移动端作为人机交互界面;AR(增强现实技术)和VR(虚拟现实技术)技术用于生产过程人机交互。

  点评:人机交互是一个永恒的话题,智能工厂在这方面需要作为一个独立主题进行规划。随着人工智能、实时数据分析的建立,AR和VR技术将得到更大的应用。目前,AR/VR已经用于流程制造业沉浸式运维,比如SOP标准作业培训,应急预案演练,紧急状况下的空间分析和决策支持。

  6.支持多品种小批量的柔性制造

  小批量的柔性,是考察智能工厂的一个核心目标。这里包括了五个成熟度等级:僵化的生产体系和小规模的标准件制造;灵活生产系统和相同组件;灵活生产系统和模块化产品设计;在企业内部的组件驱动式模块化产品生产;在企业价值链之间的组件驱动式模块化产品生产。

  点评:A(Agility敏捷性)P(Productivity生产率)Q(Quality质量)S(Sustainability可持续发展)是智能制造的四大关键目标,其中Agility(敏捷性)所代表的柔性制造系统是智能制造的主要目标之一。

  工业4.0成熟度评估展现

  通过工业4.0工具盒对于智能产品和智能工厂的诊断分析,就可以得到工业4.0成熟度的两张雷达图:智能产品和智能生产。

  智能生产评估雷达图

  这样,可以在产品创新和生产技术创新的两个领域,对工业4.0进行评级,从而清晰地指明产品和生产短板。根据企业的实际情况,制定工业4.0/智能制造战略,定义具体改善方案。

  每一个改善方案在评审阶段可以利用波士顿矩阵战略分析方法,从市场增长率和资源实力状况两个维度进行评估,目的在于评估和找寻具有高市场潜力并且可以利用公司现有的资源和能力的具体可行动方案。

  尾声

  回顾德国工业4.0工作组一年的发展,感触良深。不同于各种行动纲领,德国工作组给出了更加具体的数字化模型和可视化的路径。

  中小企业如何扶持?工业4.0如何评估?

  对于这两个关键问题,由于德国工业4.0工作组的细致工作,看上去越来越显得可见、可触摸、可评估。它从深层次回答了一个企业,在面向工业4.0转型升级的过程中,需要解决的问题,并且提供一种思考的视角。这对于回答当下中国智能制造(中国版本工业4.0)如何推进,提供了重要的参考。 

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