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工業4.0戰略指南:國產PLC與企業數字化的六大關鍵步驟

2017/3/31 19:08:12??????點擊:

工業革命是個萬眾矚目的大事件。大多數人認為,工業革命只有三次。第一次發生在18世紀,由商業蒸汽機和機械織布機觸發。第二次工業革命大約在20世紀初期,開始的標志是電力和大規模生產的應用。第二次世界大戰后,電腦的出現又使世界邁入了第三次工業革命。

現在就宣布互聯數字技術引發的第四次工業革命已經到來,似乎還為時尚早。但德國國家科學與工程學院院長孔翰寧(Henning Kagermann)在2011 年就曾用 “工業4.0”一詞來描述政府支持的產業創新。

當仔細審視當今數字化在工業領域的迅速發展時,這個表述似乎并不夸張了。它預示著巨大的改變即將發生,許多企業會經歷前所未有的改變,以驚人的速度趕超其他競爭對手。

工業4.0一詞是指數字技術領域中幾個主要的創新結合,目前正逐步邁向成熟,對能源和制造業的轉變起著很大作用。這些技術包括先進的機器人技術和人工智能技術;可編程控制器PLC;先進的傳感器技術;云計算;物聯網;數據采集和分析;數字建造(包括3D打印);軟件即服務以及其他新的營銷模式;智能手機和其他移動設備;運用計算程序駕駛機動車輛的平臺(包括導航工具,租車共乘應用程序,送貨和乘車服務,以及自動駕駛車輛);還有一個可共同操作的全球價值鏈,嵌入了所有的這些元素,使遍布許多國家的企業都可以分享。

這些技術常常被拿來單獨討論。但當把它們結合在一起時,整個物理和虛擬世界就被整合了。這種變化提供了一種組織全球運營的強有力的新方法。將軟件的可替代性和速度提升到了大型機械生產。在工業4.0的模式下,利用數字制造模型,產品在模擬實驗室中設計和研發。產品本身只有在大部分設計和工程問題解決之后才會變得有形可見。工業社會中誕生的機器網絡成為運用高度靈活技術的超感知系統,不只對人類的命令反應迅速,對自我認知和自我方向的判斷也很敏銳。

這一技術基礎設施仍處于發展的早期階段。但它已經改變了制造業。進入工業4.0的各公司開始追蹤他們從初期到后期的所有產品,給售后的復雜產品進行升級(軟件更新也是以同樣的方式進行)。這些公司正在學習大規模定制生產:這是一種能力,可以使批量產品的價格同20世紀經大批量生產的產品價格一樣便宜,同時也為客戶定制完全符合他們規格的產品。隨著技術的發展,這些趨勢將會加速。因此,新產品和服務的發明也將加速,解決當今最棘手的問題包括氣候變化和污染、能源需求、城市化的壓力,以及伴隨人口老齡化,也會催生出新方法。

工業4.0浪潮在德國興起,并且該國許多龍頭工業企業都有很強的舉措,根據《經濟學家》的統計,包含了巴斯夫、博世、戴姆勒、德意志電信、克勒克納公司和通快。這一勢頭在其他市場的增長也很迅速,尤其是在美國、日本、中國、北歐國家和英國等國家。像西門子和通用電氣這樣有影響力的全球工業巨頭,已經完全融入了這一浪潮中。兩家公司的CEO和高管人員已經宣布,工業4.0現在是他們企業形象的核心部分。

2015年,普華永道思略特調查了工業生產領域26個國家的超過2000家企業,包括航空航天和國防,汽車,化工,電子,工程與建筑,林業產品、紙、包裝,工業制造,金屬,運輸和物流。在這一全球工業4.0調查中,三分之一的受訪者表示,他們的公司已經達到了一體化和數字化的先進水平,72%的受訪者預期在2020年達到這一水平(見表一)。

這種勢頭反映了企業欲從經營成果中得到快速回報的期望。絕大多數的受訪者(86%)表示,根據他們的經驗,他們希望通過在先進數字化方面的努力,可以實現成本降低和收入增加。近四分之一的受訪者希望可以在成本節約和收入上有進一步提高,五年內超過20%。

節約成本很大程度上是提高效率和整合技術的結果。工業4.0取代了多余的已有系統,如為運營管理和企業資源規劃(ERP)設計的系統,形成了一個單一的,企業范圍內,可互操作的整體,這樣價格更加便宜。由于近幾年來操作系統的用戶體驗有所改善,員工在工業4.0的環境下工作更加快樂,生產能力也進一步提升。這不僅降低了培訓和員工流動的成本,還提升了運營速度。當預測分析用于支持實時質量控制和維護時,可通過平穩運營和減少停工來節約成本。

企業收入大部分來自于提供新的數字功能和產品,或為客戶引入分析和其他新數字服務。此外,實時數據的可用性使公司能夠提供更多的個性化產品和定制解決方案,收獲的利潤也往往比大批量生產來的多。約55%的受訪者期望在兩內內收回他們的投資,短期的回報還是要依所需的資本數額而定。

技術網絡

當公司在工業4.0浪潮中活躍起來時,會發現公司所獲得的收益遠遠超出了擴大數字化范疇或銷售新產品和服務。技術網絡將建立起公司、員工、供應商,以及由合作伙伴、分銷商、客戶組成的整個生態系統。該系統作為一個完全互聯的、集成的數字網絡,與世界各地的其他網絡相連接。

數字化在以下三個方面形成了工業4.0的核心:

· 公司運營完全數字化,將縱向(包括每一個職能和整個層級)與橫向(連接價值鏈中的供應商、合作伙伴、分銷商,并在其中無縫傳輸數據)整合。以尖端的庫存管理系統為例,該系統連接著零售商、配送中心、運輸者、制造商和供應商。每一部分都可以完全接收到關于其他部分的供應水平、地點和自動完成訂單的數據,并觸發維護和升級。這緩解了典型供應鏈中存在的過剩和短缺問題,使供應鏈可以彌補其自身突然中斷(如自然災害)引發的問題,并且可以很容易的在特定地理位置測試新的產品和服務。

再舉一個更為先進的例子,在設計靈活的制造設施的過程中,會使用可編程機器人執行大部分的操作。這些代表著物理世界的虛擬化。新產品以及全新的裝配線,事實上在投入應用前可還原成軟件。模擬一個新的工廠設計,測試它的缺陷,并在物理機械方面投資是極其容易的,但只有當目的明確,它才會運行的很好。這些設計進步使產品更容易推向市場,價格更便宜,這反過來又使測試尚未全面推出的新產品也更加容易,價格也更便宜。

· 產品和服務的重新設計將與定制設計的軟件相融合,使他們具有良好的反饋性和交互性,與周圍的其他產品活動一道采集、記錄本身的活動和結果信息。當采集、分析數據時,這些產品和服務所產生的數據就會表明他們是如何運作并使用的。例如,在裝運港或建筑工地上使用的設備,如今可以檢測潛在的機械故障,并進行預防。該設備的下一代產品將能夠比較不同機器的運行效率,并給出更加有效的部署建議。另一個例子是汽車軟件,這種軟件在不斷升級,通過下載軟件升級包,對汽車、卡車和其他車輛進行維修,從而代替機械維修人員。

可以采集自身活動信息的工業產品也將為那些產品使用者提供有用的建議:告知人們操作方法、阻礙進度的問題以及解決問題的途徑。制造商可以使用這些數據來開發有利可圖的新產品和服務。例如,對于印刷機制造商來說,他們的大部分收入一般來自于印刷機的銷售和服務。如果當印刷機能夠生成有用的數據后,制造商就成為了印刷機的經紀人,知道什么時間客戶的印刷機是可用的,并相應地協商印刷價格。

· 與客戶更緊密的互動,得益于這些新的流程、產品和服務。工業4.0使價值鏈更具有回饋性,使工業制造商能夠更直接地接觸到終端客戶,并相應地調整他們的商業模式。像飛機引擎和軟件這樣多樣化的產品,越來越傾向于以服務的形式按需提供。這樣的例子很多,比如生產空氣壓縮機的公司阿特拉斯·科普柯(Atlas Copco),總部坐落在瑞典的納卡市。該公司逐漸停止了直接銷售設備,而是轉向按實際使用量的壓縮空氣。機器在客戶方現場安裝,可以監控壓縮空氣的流量,并根據客戶的需要調整輸出。

有很多利用大規模定制經濟的商業模式,實際上就是每一個產品都成批制造,工業4.0也使這些模式受益。目前,數字制造主要運用于原型設計。但隨著它變得越來越復雜,并且軟件和機器人技術集成到新的裝配線,高規格將成為規范。例如,家電制造商海爾已經在中國開展洗衣機和冰箱定制服務??蛻敉ㄟ^電腦、手機或是在海爾的零售店指定需要的功能,這些信息會直接發送到裝配線。

要使工業4.0有所發展,就需要在組織實踐和結構上有重大改變。這些改變包括新形式的IT架構和數據管理、強化監管和稅收的新方法、新的組織結構,最重要的是要有一個新的以數字為導向的企業文化,必須把數據分析作為一個企業的核心能力。

要了解為什么分析對工業4.0如此重要,那就要聯想到上一次重大的經營革命,日本汽車行業率先選擇注重質量和精益生產的方法,并在世界各地推廣。如“五個為什么”和統計分析的新嘗試指出,制造工程師和流水線上的工人需要努力監測變化、尋求改進的機會,并將自己的節奏融入工作流程。這很大程度提高了產品的質量和可靠性。工業4.0將同樣的精雕細琢的意識應用于機器,使價值鏈實現自主調節。這些機器可進行編程設置,例如,可以監測出浪費材料、供應鏈效率低下以及出錯的情況。這些信息可以傳送至公司領導層以引起他們的注意,就如同GPS導航器可以傳遞交通擁堵的信息,幫助司機改變路線。

根據普華永道思略特的工業4.0研究,建立分析能力的過程中最常見的困難就是缺乏專門的分析人員。其他一些突出的問題包括:欠佳的數據質量、缺乏獲得正確數據的渠道以及缺乏高層的支持,這些問題凸顯了一個眾所周知的問題:做分析并不容易。工業4.0發展的過程中提供了關于客戶需求和價值鏈物流的大量數據。但是,如果企業不能理解這些數據,并利用它來提高效率,增進與供應鏈合作伙伴的關系,并開發客戶真正想要的產品和服務,那么很多的努力就白費了。

分析可以為企業提供深刻的見解,幫助企業重塑運營模式。例如,分析客戶的日常和季節性產品使用情況可以幫助企業提升生產計劃。關于員工的招聘數據可以幫助預測人才短缺的領域。生產數據可以探索機會,這可避免業績下滑或加快生產能力。分析還可以幫助企業平衡收支:例如,數據可以幫助石油公司決定建立海上煉油廠,雖然成本有所增加,但是由于正常運行時間增多,從而利潤也會更多。

分析可以幫助企業實現以前不可能實現的愿望。例如,許多公司努力想要改善他們的生態足跡。分析可以幫助企業識別廢棄材料,并建議如何回收它們,或把它們用作其他工業過程的輸入材料。分析還可以發現新的市場,或現有市場的潛在增長機會。

 

當然,與工業4.0相關的挑戰也有很多。這要求開放數據和合作,但需要的開放程度可能會讓很多公司感到不適應。必要的技術能力和人力技能經常會供不應求。這涉及到全新且陌生的組織生產方式。而且,也許最令人生畏的是,它代表了突破傳統的思維方式;必須在當下開始進行投資,而許多實現工業4.0的產品和流程仍是未知數。

那些仍在觀望趨勢還未進行投資的公司,持續的等待會讓他們落于人后。正如世界經濟論壇創始人克勞斯·施瓦布(Klaus Schwab)在他的新書《第四次工業革命》(The Fourth Industrial Revolution,世界經濟論壇,2016年)所說的,“與先前的工業革命相反,這一次是以指數速度而不是直線速度增長的。它不再僅僅是去改變做什么和怎么做,同時還要改變我們自己?!?

接受我們調查的公司中只有一小部分(71家)選擇做先行者,僅占被調查公司的4%。這些先行者說,從2013年開始,他們已經在工業4.0上投入了公司收入6%甚至更多的資金,并且也得到了高水平的數字化和競爭優勢。他們似乎正在效率、節約成本以及創新機會這些問題上尋找快速的回報;他們之中超過一半的公司都期待投資能夠迅速獲得商業回報。

當先行者比競爭對手采取行動更快,他們所享有的先行優勢將會實現良性循環。如果先行者能實現預期的節約成本和收入增長,就會投資更多的資金在工業4.0戰略,從而改善他們的經營業績并提升競爭力。因此,對于落后者而言,他們如果到那時再想要追趕上那些先行者,所需的投資將會增長。工業4.0的有效執行將會提供足夠的競爭優勢,從而也會幫助他們獲得更多來自其他投資者的資金。

還有一個更引人注目的因素是那些先行者創建的平臺。這些平臺是交換和互操作性技術的紐帶,它能夠讓不同的供應商和客戶無縫交互。軟件和互聯網行業的最成功先行者,包括亞馬遜、蘋果、eBay、Facebook、谷歌、微軟等等,都通過強大及獨特的平臺鞏固了自己的地位。以蘋果和谷歌為例,公司收入的30%來自于他們的應用程序商店銷售的應用程序。

工業4.0的先行者也將尋求類似的優勢。通用電氣與西門子正在不斷鞏固其作為平臺提供商的地位。他們開發了云系統,從而可以從各種各樣的公司連接機器、設備和系統(如企業資源規劃系統),便于交易、運營以及物流實現無縫銜接,收集和分析的數據可供進一步使用。

在這種形式的行業平臺上,從系統里的機器與人的行為中得到的市場情報,都會順利的引入到產品的發展和制造中去。來自多個供應商的設備和軟件會聯結在一起,同時還可以跨越公司的藩籬進入到價值鏈,以聯結外部的經銷商和供應商。這樣,最終的效應能讓客戶更加貼近運營,可以分析他們的數據從而更好地預測他們的需求,還能夠改進產品并開發新的更量身定制的產品。

規模較小的公司也可以通過這一平臺的概念確立自己的地位。譬如,一些太陽能電池板制造商已建立了創新型盈利模式,這些模式是工業4.0的先驅模式。與直接將面板出售給客戶不同,他們出售的是這些面板所生成的電力。制造商安裝好這些面板(巨額融資作為前期費用),并以一定的價格維護和升級它們。作為交換,客戶需要簽署一份20或30年的合同。制造商承諾不管隨后的幾十年中發生了什么,其分析技術—結合天氣、財務和運營數據—將使它能夠采用不斷變化的技術并且以較低的成本提供電力。這些公司將會保持面板的清潔,使用傳感器來檢測設備故障(太陽能電池板幾乎沒有移動部件,所以故障比較少見),并在當光伏技術改進的時候對這些面板進行升級。

平臺在互聯網4.0的背景下是非常成功,因為這是經濟學家所周知的一種現象—鎖定效應。一旦客戶專心于使用一個技術全面的平臺,尤其是提供多種服務、費用遞減且用戶網絡不斷擴大,這將使更換平臺變得越來越難。每個新客戶希望能夠連接到自己所在的商業網絡,因此新客戶也會加入這個平臺?;ヂ摼W的背景使得鎖定效應得到了進一步的強化。

例如,在未來的20年或30年里,太陽能電池板制造商平臺很可能會通過工業4.0聯結到其他一些公司的平臺。反過來,這也會影響到太陽能電池板客戶的選擇。隨著這些客戶增加相關技術,他們很可能會發現他們的操作鎖定在了某個生態系統,而競爭對手的客戶可能被鎖定在另一個不同的生態系統。最終,兩個或三個平臺可能會覆蓋大部分行業,就像蘋果的iOS和谷歌的安卓系統現在在智能手機行業平分秋色。在工業4.0時代,就像在其他技術領域,誰擁有了可以獲得客戶的平臺,誰就可以融入其他許多企業的集成工作中。

全球化加速者

由于第四次工業革命通過世界各地的供應鏈和傳感器網絡使得企業和國家結合得更加緊密,它會加快全球化的進程。與此同時,它也會使本土企業緊密聯系在一起。這也解釋了為什么調查結果因地區差異會大不相同。亞洲企業,尤其日本企業和中國企業,預計將從工業4.0的數字化中獲得最大收益,其次是美洲地區的企業,再后是歐洲和中東地區的企業。日本企業目前已經是該領域的佼佼者,而美國企業與歐洲企業緊隨其后。各地區的企業都希望能夠在五年之內跟上腳步(見表二)。

隨著工業4.0在世界各地扎根,新興國家可能會獲益最多。他們可以利用數字化在橫向整合中提升效率,可以向全球的制造商提供原材料、零部件和組件。他們和工業4.0平臺合作的越緊密,能夠吸引的潛在客戶也會越多。

他們強大的整合力能夠在面臨政治分歧時也能獲得力量—當許多國家的政府正在考慮加大國際貿易的難度。事實上現在不管是人還是產品,跨境的難度的確在不斷加大。但是工業4.0能夠克服這些壁壘,它可以使這些公司只轉讓他們的知識產權,包括他們的軟件。這樣可以讓每個國家都維持自己的制造網絡。舉個例子,未來3D打印的飛躍能夠讓每個公司在任何地方開設店鋪,并且可以制造零部件、備件以及(有潛力的)工業設備而無需配送這些成品件。運營會同時變得更加國際化和本土化。

尚未解決的問題還有很多。例如,相較于知識資本和后續支持等無形資產,政府是否會改變他們的海關行動和稅收結構來應對各種實物商品價值的直線下降呢?數字制造工廠是否將來會被看作是一個完整規模的生產地點?這類的制造會創造工作機會嗎?或是用技術取代人力?隨著軟件和服務的知識產權價值上升,會出現新的網絡安全挑戰嗎?產品的終生追蹤會讓關于偷竊知識產權的全球規則的實施以及追查違規行為變得更加容易嗎?幾個世紀的全球化進程一直在提出新的挑戰和風險;現在我們又站在一個全新的技術生活方式的邊緣,挑戰和風險可能也會以我們不熟悉的新形式出現。

您的公司道路

數字化能力對于協同工業4.0發展至關重要。發展數字化能力需要時間和精力;循序漸進的方法非常重要。但企業必須迅速行動,這樣才不會失去對競爭對手的先發優勢。那些成功企業都遵循了以下六個關鍵步驟。

預先制定工業4.0戰略藍圖。先評估自己當前的數字化成熟度,與企業需要達到的目標做一個對比。然后設定一個清晰的目標以縮小差距。給那些會為業務帶來最多價值的戰略舉措足夠的優先度,并確保這些舉措與企業的整體戰略相一致。獲得公司各方領導層對這個方案的支持,并確保這一支持能夠公司上下周知,因為公司員工更希望這些決定是基于領導層的意愿。

從試點項目開始。用這些試點項目來建立概念驗證并演示其商業價值。不是每個項目都會成功,但它們都將幫助您了解適合您公司的方法。通過早期的成功您也可以從公司獲得更多的投入,并且可以為更大的展示爭取融資。對于早期的試點項目,要限定在一個相對窄的初始范圍,但是要融入工業4.0的端至端的概念,從材料到客戶交貨(和售后服務)。在設計上要符合實際,以彌補標準或基礎設施的缺失。與公司以外的數字化領導者一起合作,與創業公司、大學以及行業組織一起合作以加快企業的數字化創新。

確定所需要的能力?;趶脑圏c項目上吸取的教訓,詳細繪制出企業實現目標所需的能力,并制定藍圖以建設(或獲得)這些能力。要囊括那些可以推進企業業務流程的技術引擎,比如精心設計的用戶界面、靈活又功能強大的IT基礎設施。還要包括招募和發展稱職的員工,并吸引合適的公司進行戰略合作。公司布局工業4.0是否能成功將取決于所能運用的技能和知識。

成為數據分析大師。要在工業4.0的背景下取得成功,企業分析數據以及用創新和高效的方式利用這些數據的能力非常重要。建立跨職能的分析能力,這需要和整個企業的戰略緊密聯系在一起,同時充分利用內部員工和外部專家的意見。制定一套方法,能夠分析來自不同業務部門的綜合數據,例如,來自公司質量部門、物流部門和工程部門等(此前可能已經有獨立互斥的監管制度)的數據,并將這套方法應用到盡可能多的領域,尤其是那些讓您公司脫穎而出或者吸引客戶的領域。要通過智能系統的設計了解如何從數據中獲得價值,使用實時分析來為客戶量身定制產品,從而不斷優化流程。大處著眼,但要以“概念驗證”項目從小處著手。

轉變成數字化企業。抓住工業4.0的全部潛力很可能會引起公司實踐方法和態度的大變化。要從上層定調,最高領導層和股東要有明確的領導、支持和愿景。培育數字化文化:企業的所有員工都需要像熟練掌握技術的內行一樣思考和行動,他們需要愿意嘗試去學習新的工作方式,并相應地調整日常流程。請記住,一旦企業開始實施工業4.0,改變就不會停止。企業需要比過去更快速地不斷重新塑造能力,從而在這場競賽中獨占鰲頭。

用生態系統的角度來看問題。為客戶制定完整的產品和服務解決方案。如果企業不能獨立提供綜合性的方案,可以與合作伙伴或平臺進行合作。有時外部合作并不容易,也許可能會考慮通過收購達成合作目的。但是,要想辦法拓展公司的邊界,比如提升技術標準,從而從中獲利。當企業主動了解消費者行為,并能夠讓自己的公司在伙伴、供應商和客戶的復雜生態系統中扮演重要角色,突破也就應運而生。

最后,不要執迷于宣傳炒作,要腳踏實地。工業4.0對那些深諳其中價值的公司而言是巨大的福音。在邁向工業4.0的過程中將超越您公司的邊界,并很有可能會超越您所開展業務的國家的邊界。

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