自2013年德國首先提出工業(yè)4.0概念以來，一場圍繞著速度、成本、能效、柔性、安全和智能化的制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級新競賽正在范圍展開。技術(shù)創(chuàng)新是這場競賽的核心驅(qū)動力，而各領域的企業(yè)當仁不讓的成為技術(shù)創(chuàng)新的實踐者和受益人。2015年12月，帶著一份對工業(yè)4.0和德國制造進展的好奇心，筆者受邀參加費斯托(Festo)在德國斯圖加特舉辦的媒體大會（IPC）,并與來自17個國家的近60名記者一同參觀了Festo的Scharnhausen新技術(shù)工廠，感受工業(yè)4.0新思維帶來的創(chuàng)新價值。

位于德國斯圖加特的Scharnhausen新技術(shù)工廠

秉承創(chuàng)新，把握轉(zhuǎn)型機遇

      工業(yè)4.0是德國保持競爭力的重要機會，以*的創(chuàng)新精神，將傳統(tǒng)的工業(yè)制造轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€網(wǎng)絡化的靈活生產(chǎn)系統(tǒng)，保持德國制造的競爭力。正是因為德國知識密集型的制造模式、技術(shù)與生產(chǎn)的快速結(jié)合、來自企業(yè)的創(chuàng)新力量、公共資源的充分利用和政府政策的支持，通過行業(yè)協(xié)會間的緊密合作，保證著工業(yè)4.0研究的有效進行。數(shù)字化是實現(xiàn)面向未來制造的網(wǎng)絡化和柔性生產(chǎn)的關鍵。標準化、技術(shù)研發(fā)和人員培訓是當前工業(yè)4.0平臺研究工作的重要主題，F(xiàn)esto自1925年創(chuàng)立以來，從品質(zhì)的氣動元器件，到以CPX為代表的模塊化控制實現(xiàn)氣電融合平臺，再到多項仿生研究成果的逐步轉(zhuǎn)化，正是對技術(shù)研發(fā)的高度熱情和持續(xù)投入，才有了今天的市場地位。在通往工業(yè)4.0夢想的研發(fā)道路上，F(xiàn)esto正在多個工業(yè)4.0研發(fā)工作組中扮演著重要角色，“工業(yè)4.0平臺的參與者正在各種跨學科團隊中，就標準化、研究和安全性等未來主題開展廣泛細致的工作，同時也涉足新工作領域和培訓領域的方方面面，”Festo管理董事會主席Eberhard Veit博士說。“在這里，我們正在探討如何將工業(yè)制造轉(zhuǎn)型為全面聯(lián)網(wǎng)的靈活生產(chǎn)系統(tǒng)。為了保持競爭力，我們必須秉承自己*的創(chuàng)新精神，在此新的發(fā)展機遇中大顯身手。”

Festo AG & Co. KG管理董事會主席Eberhard Veit博士

Festo AG & Co. KG管理董事會成員，產(chǎn)品供應總裁Claus Jessen博士

      工業(yè)4.0夢想的實現(xiàn)是一個充滿挑戰(zhàn)的持續(xù)過程，F(xiàn)esto認為，目前還處在轉(zhuǎn)型發(fā)展的初期階段。期間為工業(yè)自動化領域發(fā)展提供了巨大的潛力。在塑造未來制造模式的過程中，F(xiàn)esto的工業(yè)4.0戰(zhàn)略將突出技術(shù)創(chuàng)新和人才培養(yǎng)。一方面，覆蓋離散與過程自動化，強調(diào)產(chǎn)品的“直觀、智能、集成和互聯(lián)”，強化客戶定制解決方案；另一方面，構(gòu)建教學培訓系統(tǒng)，提供人才培訓與咨詢服務。“在工業(yè)價值創(chuàng)造過程中，員工的角色正在從機械設備操作員轉(zhuǎn)變?yōu)閱栴}解決者。這對員工提出了新要求，為此，每位員工要接受適當?shù)呐嘤柡徒逃拍軡M足未來的需求。在越來越大的程度上，教育將日益成為制勝的關鍵因素，”Festo管理董事會成員，產(chǎn)品供應總裁Claus Jessen博士說。

數(shù)字化平臺確保人工裝配的準確性

氣電共融，構(gòu)建工業(yè)4.0 橋梁

      氣壓傳動是生產(chǎn)過程自動化和機械化zui有效手段之一，具有結(jié)構(gòu)簡單、安全與可靠性高和調(diào)節(jié)簡便等諸多優(yōu)勢，但其工作介質(zhì)（壓縮空氣）制造成本高，使得提高氣動系統(tǒng)使用效率成為行業(yè)面臨的突出問題。1989年，通過建立一組帶有共用控制電源的底座集成閥，F(xiàn)esto創(chuàng)立了閥島的概念。此后，F(xiàn)esto不斷對閥島進行研發(fā)：控制協(xié)議、診斷和狀態(tài)監(jiān)控功能以及優(yōu)化應用的閥島使其更靈活、性價比更高。閥島的電氣終端不僅只連接現(xiàn)場和主控制層,2002年推出的CPX系列電氣終端已具備診斷設施并能提供狀態(tài)監(jiān)控功能。它的各種模塊能夠?qū)飧卓刂婆c電缸控制整合在一起，通過模組化閥島MPA和VTSA來控制氣缸，通過運動控制器來控制電缸，同時集成了安全功能，可以訪問診斷信息，快速定位故障并更換模塊。通過CPX對常用的總線系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的整合，F(xiàn)esto已為工業(yè)4.0 時代的開放互聯(lián)做好了充分準備。

VTUG閥島

      2013年推出的VTUG閥島提供了簡單經(jīng)濟的現(xiàn)場總線解決方案，適用于所有標準的現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)及IO-Link。由于現(xiàn)場總線節(jié)點通過螺釘固定到閥島上，因此用戶可以快速簡便地更換現(xiàn)場總線。對于提供模塊化設計的設備及系統(tǒng)制造商而言，VTUG閥島zui大的亮點是兼具電氣模塊化和高度氣動靈活性優(yōu)勢。

UVUG模組化自動生產(chǎn)裝配線

      Festo以CPX綜合自動化平臺實現(xiàn)的電缸集成驅(qū)動已經(jīng)在DELTA機器人高速搬運系統(tǒng)控制上取得成功，通過氣電融合，以CODESYS控制器作為控制器，完成在三維空間中每分鐘100次的高速拾取動作。配合使用免維護集成式EC電機且防護等級為IP54/65的電驅(qū)動器EMCA，避免了對傳統(tǒng)控制柜的依賴，實現(xiàn)無控制柜的IP65/67防護等級。Festo借此向設備離散式自動化邁出了跨越性的一步。

人機協(xié)作在Scharnhausen新技術(shù)工廠已成為現(xiàn)實

制造，數(shù)字化工廠*

      Festo位于斯圖加特的Scharnhausen新技術(shù)工廠，是Festo生產(chǎn)閥、閥島和電氣產(chǎn)品的主要工廠，廠區(qū)總面積66 000平方米，員工1200余人。Festo已累計投資七千萬歐元用于廠區(qū)擴建，立足滿足今后5～10年的市場需求。新工廠秉承客戶至上以及可持續(xù)綠色生產(chǎn)的理念，積極提供針對客戶特定需求的定制化解決方案。基于制造價值鏈的整體優(yōu)化貫穿工廠建設和生產(chǎn)全過程，數(shù)字化創(chuàng)新在廠房布局、工件加工、物流、精密裝配和能效管理等多方面得到全面應用。2015年9月，新工廠由于精益生產(chǎn)、節(jié)能和環(huán)境友好表現(xiàn)突出，被德國可持續(xù)建筑委員會(DGNB)授予白金證書，堪稱當前德國先進制造的*。

快速靈活的物料配送

      在新工廠規(guī)劃之初，F(xiàn)esto組織專家們從采購、開發(fā)、物流、生產(chǎn)和人力資源多角度展開合作，以跨部門的工作方式，借助3D建模和虛擬仿真等技術(shù)手段優(yōu)化廠房布局，在短短3年內(nèi)完成了工廠建設。“適應性生產(chǎn)”整體理念使新工廠具備*的適應能力，并建立起的價值流，讓Festo客戶因此受益。工廠總Stefan Schwerdtle表示：“以該技術(shù)工廠為依托，我們*可以滿足未來市場的需求。我們在此工廠中建立了用于技術(shù)協(xié)作和產(chǎn)品開發(fā)的場所，并通過優(yōu)化程序和調(diào)整核心流程大幅縮短了產(chǎn)品上市時間。”

      整體價值流管理通過數(shù)字化手段得以實施，是該工廠鮮明特色。確保從開發(fā)、物流到生產(chǎn)的所有價值流始終保持在*流動狀態(tài)。該技術(shù)工廠物資管理部總監(jiān)Stefan Labonde解釋說：“我們專注于找出價值流中的瓶頸，然后采取*方式相應調(diào)整流程，因此得以避免延誤，確保業(yè)務平穩(wěn)有序進行。”事實證明，價值流優(yōu)化措施相當有效。Stefan Labonde說：“例如，在生產(chǎn)DGSL 小型氣動滑塊的過程中，我們現(xiàn)在在一個地點完成所有工序，總運輸距離從以前的32km縮短到僅240m，吞吐時間也縮短了66%。”

      同時具備金屬加工、電子制造和精密裝配生產(chǎn)能力本已不易，而實現(xiàn)廠級價值流整合和智能流程管理則更是難能可貴。Festo新工廠以電子看板結(jié)合MES系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)配大量高精度金屬加工機床和管材切割設備；以自動化倉儲和物流小車完成物料傳輸保證電子制造的靈活、快速和批量；以條碼識別、平板電腦和配合裝配管理系統(tǒng)確保人工裝配過程中訂單、母件與工件的準確對應、定制化產(chǎn)品圖示和后期追溯。尤為引人注目的精密裝配線，設置八個生產(chǎn)單元，可控制和執(zhí)行用于組裝各種閥的運動序列。包括噴涂外殼潤滑脂、壓入閥芯和彌合密封，以及確保各過程監(jiān)控程序的運行。生產(chǎn)單元的硬件和軟件由Festo自動化專家采用模塊化設計方法創(chuàng)建，且彼此互聯(lián)互通。各個過程自主進行設置，而各個單元的接口則采用標準化設計，可完成生產(chǎn)單元的更換或擴展。針對訂單的裝配設備更換，無需另行規(guī)劃時間空擋，系統(tǒng)會在循環(huán)時間內(nèi)自行更換，已經(jīng)具備了工業(yè)4.0所倡導的柔性生產(chǎn)的重要特征。

結(jié)合實際生產(chǎn)，開展員工培訓

      Scharnhausen新技術(shù)工廠的另一個重要作用是對人才的繼續(xù)教育。專設的員工培訓教室設置有與產(chǎn)線相配合的裝配和檢測等各種工作臺，保證員工能在與實際生產(chǎn)條件一致的設備環(huán)境下，結(jié)合生產(chǎn)需求，有針對性的快速提升勞動技能。“頭腦風暴”教室則展開針對生產(chǎn)與研發(fā)的各項創(chuàng)新思路交流，通過網(wǎng)絡實時實現(xiàn)靈感思路的共享，體現(xiàn)著對創(chuàng)新和人才的高度重視。

培訓仿生研究，激發(fā)創(chuàng)意靈感

      鮮有工業(yè)企業(yè)會在仿生領域持續(xù)投入研發(fā)，而Festo卻已堅持多年，每年確定1～2個新項目，目的是為了借鑒生物模板，以技術(shù)手段實現(xiàn)對生物體的模仿，激發(fā)創(chuàng)意靈感，為未來制造業(yè)創(chuàng)新進行準備。目前已在材料、結(jié)構(gòu)設計、運動控制、個體協(xié)作和自主適應等多個不同方面取得了卓有成效的創(chuàng)新成果。

基于螞蟻的仿生研究

      為了制作仿生螞蟻，F(xiàn)esto工程師們對真螞蟻進行了精細解剖并用作構(gòu)建模型。這是有史以來人類*次利用復雜控制算法，將生物的合作特性運用到技術(shù)領域。“像自然界的螞蟻一樣，仿生螞蟻也是按照簡單明確的規(guī)則彼此合作，”Festo公司副總裁，企業(yè)傳訊部負責人Heinrich Frontzek博士說。這一合作機制從理論上為未來工廠提供了有趣的解決方案。未來生產(chǎn)系統(tǒng)建立在智能元件的基礎上，這些元件需要靈活適應不同的生產(chǎn)條件和情況，因此會從更高的控制級別承接任務。Frontzek博士說：“螞蟻之間彼此通信，協(xié)同運動。每只螞蟻自主決策，但其決策始終與共同目標保持一致，因此它們是各司其責，共同完成任務。”

基于蝴蝶的仿生研究

      在仿生蝴蝶中，F(xiàn)esto將人造昆蟲的超輕結(jié)構(gòu)與群體協(xié)調(diào)飛行特性結(jié)合。仿生蝴蝶展示了未來生產(chǎn)領域的多個復雜主題，如功能集成、超輕機構(gòu)以及個體系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)實時優(yōu)化通信。“但是，并不是說，未來工廠中會有仿生蝴蝶到處飛舞；仿生蝴蝶啟示了相互聯(lián)網(wǎng)的整體系統(tǒng)執(zhí)行功能的新方法，還展示了未來工業(yè)物流應用的景象，”Frontzek博士說。聯(lián)網(wǎng)導航和監(jiān)控系統(tǒng)可安全自主地協(xié)調(diào)翱翔空中的眾多個體飛行器，所采用的通信和傳感器技術(shù)構(gòu)成了室內(nèi)GPS系統(tǒng)，它控制群體中蝴蝶的飛行，使其不會彼此碰撞。

      靈感源于變色龍舌頭的變色龍仿生抓手，無需手動轉(zhuǎn)換，就可以在一個進程中抓取、采集和釋放形狀差異很大的多個物體。這一功能通過充水硅膠帽實現(xiàn)，這種硅膠帽可以靈活適應被抓取對象的形狀，包裹住被抓取物體。在未來，靈活抓手可用于需要同時處理形狀不同的多種物體的生產(chǎn)設備，例如在工業(yè)機器人領域，用于執(zhí)行裝配任務或搬運小型元件。

價值共享，助力中國制造2025

      傳統(tǒng)的業(yè)務模式正在發(fā)生重要變革，工業(yè)4.0 將形成一個統(tǒng)一的市場。Festo已在61個國家成立分公司，致力建立一個投資、開發(fā)和生產(chǎn)網(wǎng)絡。Festo高度重視中國市場，自1993年進入中國市場以來，F(xiàn)esto在華業(yè)務取得了快速穩(wěn)定增長。2012年，濟南生產(chǎn)中心成功納入Festo生產(chǎn)中心體系，成為集團第11家生產(chǎn)基地。2013年上海亞太技術(shù)中心完成擴建，借助化生產(chǎn)與技術(shù)平臺，為亞太區(qū)，尤其是中國用戶提供創(chuàng)新產(chǎn)品與定制服務。中國制造業(yè)的多樣性和差異化需求亦為Festo提供了定制創(chuàng)新的動力源泉。展望未來，結(jié)合中國制造2025戰(zhàn)略中所強調(diào)的智能制造、工業(yè)強基和綠色制造等重點工程，通過可靠器件、靈活平臺與定制方案，中國用戶可以共享Festo工業(yè)4.0實踐的新成果，而Festo所蘊含的創(chuàng)新、務實與堅持的企業(yè)精神，則更值得中國制造業(yè)學習與借鑒。