西門子CP5614網(wǎng)卡

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西門子可編程控制器：S7-200CN、S7-200SMART、S7-300、S7-400、 S7-1200、S7-1500、ET200、LOGO邏輯控制模塊 
 西門子HMI人機(jī)界面：TD200、TD400C、TP177A/B、MP277、MP377、 TP700、TP900、TP1200、TP1500、SMART700/1000 
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  西門子工業(yè)以太網(wǎng)：通訊網(wǎng)卡、通訊電纜、通訊接頭、總線連接器 工控機(jī)、交換機(jī)、自動化軟件等系列產(chǎn)品

：康奎

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工作:

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機(jī)器人翩翩起舞

汽車工業(yè)機(jī)器人消耗的電能占車身制造能耗總量的一半以上。西門子攜手大眾汽車和弗勞恩霍夫協(xié)會共同開發(fā)運動優(yōu)化算法，大大降低了機(jī)器人的耗電量。

一家汽車制造廠一年消耗的電能堪比一座中型城市。工業(yè)機(jī)器人是其中的能耗大戶。通過優(yōu)化其運動，可以將耗電量zui多降低50%。

一只巨型機(jī)械臂輕而易舉地舉起車門，并以毫米級的精度將其安裝到車身上。其他機(jī)械臂也幾幾乎同時迅速靠攏，相互之間以毫厘之距擦肩而過。這些機(jī)械臂是用來對車門進(jìn)行焊接的，一時間，火花四濺。當(dāng)這項任務(wù)完成之后，這些機(jī)械臂和來時一樣迅速離去，而車身則滾滾向前，前往下一個裝配站。這如同一場精心排演的芭蕾舞，數(shù)以千計的工業(yè)機(jī)器人在工廠隨時“翩翩起舞”。然而，與舞者不同的是，機(jī)械臂不需要任何休息。但是，它們對電能的胃口則*饜足。

一家日產(chǎn)千輛的汽車廠，每年可輕而易舉地消耗數(shù)億度電能——堪比一座中型城市。負(fù)責(zé)驅(qū)動傳送帶、機(jī)器和泵的電機(jī)，以及操作機(jī)械臂關(guān)節(jié)的電機(jī)，所消耗的電能要占工業(yè)耗電量的三分之二左右。然而，要從負(fù)責(zé)裝配車身的工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)中挖掘節(jié)電潛力，還有很長的路要走。

為了找出行之有效的辦法，大眾汽車、西門子和弗勞恩霍夫協(xié)會聯(lián)合發(fā)起了一個為期三年的研究項目，細(xì)致深入地考察制造機(jī)械臂的運動。這個名為“綠色車身技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟（InnoCaT）”的項目，旨在使用高效的軟件解決方案來優(yōu)化生產(chǎn)過程，以大幅降低其耗電量。迄今為止，生產(chǎn)線機(jī)械臂的運動路徑通常是由人工編程。機(jī)械臂運動過程中遇到的障礙物和設(shè)置安裝高度時的失誤，是推高耗電量的一般因素。然而，zui費電的過程是機(jī)械臂頻頻變換運動方向時發(fā)生的減速和加速。

西門子工業(yè)的整合Matthias Frische是InnoCaT一個子項目的負(fù)責(zé)人，他說：“目前，幾乎所有工業(yè)機(jī)器人都尚未實現(xiàn)運動優(yōu)化。但突發(fā)運動會造成耗電高峰和機(jī)械應(yīng)力。”有鑒于此，F(xiàn)rische取得的一個重要研究成果是一個模擬模型，它能計算出不存在任何方向突變的優(yōu)化曲線。這個模型值得稱道之處在于，它不要求更換機(jī)械臂，因為它只是改進(jìn)了它們的運動方式。Frische說：“這就好比學(xué)跳芭蕾舞。練習(xí)一段時間后，舞者的動作會變得更加優(yōu)雅、高效，哪怕身體還是原來的。”

為了開發(fā)運動優(yōu)化算法，項目團(tuán)隊將一個典型的汽車工業(yè)機(jī)器人搬到實驗室，對它執(zhí)行多種不同任務(wù)時的能耗進(jìn)行了分析。然后根據(jù)分析結(jié)果，創(chuàng)建了一個模擬模型。每一次測定之后，科學(xué)家們都要調(diào)節(jié)多種不同的參數(shù)，由此逐步確定哪些設(shè)置的節(jié)電潛力zui大。Frische解釋道：“人類在搬運重物時，他們會本能地以盡可能zui符合人機(jī)工程學(xué)的方式運動。同樣，模擬模型可以為機(jī)器人計算出實現(xiàn)了動力學(xué)優(yōu)化的節(jié)電運動路徑。這樣的路徑，堪比跑車在彎道上行駛的軌跡。”試驗結(jié)果令項目團(tuán)隊驚喜不已，因為結(jié)果表明，優(yōu)化路徑的節(jié)電潛力高達(dá)10%到50%。Frische補充道：“通過從突發(fā)運動改為弧線運動，機(jī)械臂的機(jī)械應(yīng)力得以降低，從而降低了維護(hù)要求，縮短了停工時間。”

項目團(tuán)隊對所取得的滿載希望的試驗結(jié)果進(jìn)行了分析，以確定能否將之轉(zhuǎn)化為實際操作。因為沿生產(chǎn)線分布的裝配站必須進(jìn)行嚴(yán)絲合縫的裝配，所以重新設(shè)計的機(jī)械臂運動，必須與過去那種突發(fā)運動一樣迅速，并且精確匹配動作周期。

在*階段的工作中，研究人員為用于車身制造的機(jī)械臂人工編寫了運動路徑程序。這些路徑基于模擬中計算出的理想曲線。測定結(jié)果表明，甚至在實際生產(chǎn)條件下，節(jié)電也可高達(dá)50%。在2014年初開展的第二階段工作中，工程師測試并改進(jìn)了一個能自動優(yōu)化特定運動耗電量的軟件模塊。

程序員首先規(guī)定機(jī)械臂必須到達(dá)的位置，如一系列焊點。軟件僅需數(shù)秒鐘就能計算出焊點之間zui節(jié)電的路徑。軟件還能保證機(jī)械臂相互之間保持zui短距離。這不是一件容易的事，因為機(jī)械臂必須沿著復(fù)雜的位置順序快速移動。軟件需在短短數(shù)秒之內(nèi)完成全部計算。相比之下，以人工方式優(yōu)化每一條機(jī)械臂運動路徑，則要花好幾天時間。由于汽車裝配廠通常具備數(shù)以千計的機(jī)械臂，因此，若以人工方式執(zhí)行這一任務(wù)，所需的工作量將高得驚人。對Frische而言，其益處顯而易見，他說：“我們的軟件，將有史以來*次允許自動優(yōu)化運動路徑的能效，因而十分經(jīng)濟(jì)劃算。”

今年晚些時候，一個與西門子Tecnomatix生產(chǎn)規(guī)劃軟件有關(guān)的軟件模塊可能面市。Frische表示： “事實上，制造企業(yè)僅需按下按鈕就能降低其耗電量，同時為保護(hù)環(huán)境做出貢獻(xiàn)。我們的軟件有助于程序員為機(jī)械臂設(shè)計出能節(jié)約資源的交互動作。”

Stefan Schröder

機(jī)械臂和機(jī)床：智力融合

制造業(yè)的自動化程度越來越高。因此，制造商正在探索既能提高資源使用效率，又能同時提升其生產(chǎn)過程靈活性的新途徑。要實現(xiàn)這樣的發(fā)展，一個重要的前提條件是，著眼于機(jī)械臂與機(jī)床的交互作用方式，使生產(chǎn)機(jī)器精確地協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)。正因為如此，西門子正在與KUKA合作研究如何將機(jī)械臂和機(jī)床的控制系統(tǒng)合為一體。KUKA是機(jī)械臂和機(jī)器生產(chǎn)領(lǐng)域的//供應(yīng)商之一。

對企業(yè)而言，技術(shù)*的機(jī)床是一筆重大投資。因此，zui大限度地提高其利用率和效率是明智之舉。過去，負(fù)責(zé)將工件插入機(jī)器，并在加工完畢之后將之取出的工業(yè)機(jī)器人的程序，是利用其自有控制單元來編寫的。然而現(xiàn)在，可以在機(jī)床的用戶界面上直接為這樣的機(jī)械臂編程。這樣一來，就能更好地協(xié)調(diào)機(jī)器的加工工序，同時大幅降低為相關(guān)機(jī)械臂編寫程序的工作量。

另一個目標(biāo)是，進(jìn)一步改善工件加工過程中機(jī)械臂與機(jī)床之間的交互動作。未來，將要求機(jī)械臂執(zhí)行諸如磨、銑等簡單任務(wù)，特別是在加工新材料時。到那時，機(jī)床將被專門用于要求巨大力量或*精度的生產(chǎn)工序。這有望提高機(jī)床的利用率。

由于其工作范圍廣，并且具備靈活的運動軸，因此，機(jī)械臂也可以加工復(fù)雜或大型的部件。譬如，它們可以取代成本不菲的特制設(shè)備，加工風(fēng)輪機(jī)葉片或機(jī)翼等部件。在這種情況下，也可以在共享用戶界面上控制系統(tǒng)。從設(shè)計到模擬生產(chǎn)，再到工程和車間投產(chǎn)階段，所有這一切，將改善機(jī)器在其整個生命周期內(nèi)的相互協(xié)調(diào)性。

廉價勞動力不再是中國的主要優(yōu)勢。中國已開始轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，曾經(jīng)的“世界工廠”今非昔比，現(xiàn)如今中國生產(chǎn)著復(fù)雜的產(chǎn)品，而其生產(chǎn)過程則需要*的自動化和信息管理解決方案。

中國已一躍成為*二大經(jīng)濟(jì)體。同時很多跡象表明，2020年之前，中國將趕超美國，成為世界zui大的經(jīng)濟(jì)體。在這場宏大的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的初期階段，中國zui大的優(yōu)勢是仿佛*的勞動力資源，正是這種豐富的人力資源使中國被冠以“世界工廠”之稱。不過初期改革的成功開創(chuàng)了新形勢。富裕起來的中國很快將不再滿足于在價值鏈的低端徘徊。

早在2001年，廣東省政府便開始實施激勵技術(shù)密集型企業(yè)的結(jié)構(gòu)性改革計劃。這項改革帶動當(dāng)?shù)毓べY水平快速上升。舉例而言，深圳的產(chǎn)業(yè)工人平均月工資約為320美元。相比之下，柬埔寨當(dāng)前的法定zui低工資標(biāo)準(zhǔn)只有50美元。這種發(fā)展所帶來的結(jié)果是勞動密集型行業(yè)正撤出廣東，甚至撤出中國。如今球鞋和T恤衫的產(chǎn)地已逐步從珠三角地區(qū)轉(zhuǎn)移至孟加拉、越南或柬埔寨。與此同時，中國的生產(chǎn)重心開始向更為復(fù)雜的產(chǎn)品轉(zhuǎn)移，例如高速列車、電腦、機(jī)械和汽車等。在這些領(lǐng)域，廉價勞動力不再是。真正讓中國獲得競爭力的是高效的流程、專業(yè)技術(shù)和組織管理能力。中國的汽車行業(yè)就是一個很好的例子。

越來越多的中國汽車制造商開始采用西門子的解決方案，包括奇瑞和吉利，其目的是優(yōu)化生產(chǎn)過程。

“汽車研發(fā)是一個極其復(fù)雜的過程。”西門子工業(yè)軟件（上海）有限公司的高級業(yè)務(wù)顧問周克虎說，“一方面，它需要多個職能團(tuán)隊的通力合作。另一方面，所有這些團(tuán)隊還要處理大量的數(shù)據(jù)。所以可想而知，單是協(xié)調(diào)數(shù)量眾多的數(shù)據(jù)就不是件輕松的事。”為避免溝通不力，確保生產(chǎn)過程的順暢運行，工程團(tuán)隊不僅要管理團(tuán)隊內(nèi)的數(shù)據(jù)，還必須時刻掌握生產(chǎn)部門和質(zhì)量控制團(tuán)隊的工作進(jìn)展。

西門子實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期管理（PLM）的軟件解決方案，幫助工業(yè)企業(yè)解決上述難題。PLM匯集從初稿到詳細(xì)設(shè)計過程、再到實際生產(chǎn)的所有相關(guān)信息。因此，企業(yè)可以通過PLM收集的此類數(shù)據(jù)來優(yōu)化設(shè)計和生產(chǎn)過程。

在汽車行業(yè)的應(yīng)用中，PLM能夠使設(shè)計更加成熟，促進(jìn)質(zhì)量管理的顯著改善。因此，中國的*汽車制造商和供應(yīng)商很早以前就根據(jù)PLM的需求，調(diào)整他們的產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)計劃。

奇瑞汽車有限公司就是一個例子。該公司去年的產(chǎn)量約為67萬輛，其中約有17萬輛銷往國外。這也使奇瑞成為中國汽車出口的。與其他所有中國汽車制造企業(yè)一樣，奇瑞的發(fā)展歷史并不長。該公司成立于1997年，自2003年以來，一直采用西門子的PLM解決方案。

在奇瑞采用的多種PLM工具中，zui重要的工具之一是Tecnomatix。從過程定義和規(guī)劃到模擬和實際生產(chǎn)，Tecnomatix把制造和產(chǎn)品研發(fā)緊密在一起。奇瑞利用PLM的這一工具進(jìn)行尺寸分析。“尺寸分析在車身設(shè)計中具有重要作用。” 奇瑞汽車股份有限公司規(guī)劃設(shè)計一院工藝技術(shù)部部長吳世強表示，“通過尺寸分析，我們在車身設(shè)計的早期階段就能確定設(shè)計結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方法是否符合技術(shù)規(guī)范。所以我們可以及早制定解決方案來優(yōu)化這些因素。”

西門子的Tecnomatix軟件還有一個重要組件，叫做差異分析，即VSA。VSA也是一種尺寸分析，它在計算機(jī)生成的三維模型的輔助下模擬生產(chǎn)工藝。VSA的設(shè)計用途是在執(zhí)行實際生產(chǎn)之前洞察生產(chǎn)工藝中的薄弱點。比如，奇瑞曾利用VSA查出某車型頭燈生產(chǎn)中的問題，僅僅是這一次軟件診斷就為奇瑞挽回了近15萬美元的損失。“當(dāng)然，這種診斷還避免了生產(chǎn)的延誤。”吳世強指出。

在選擇西門子的Tecnomatix之前，奇瑞曾考察過很多軟件解決方案。“zui打動我們的是Tecnomatix的多功能性。”吳世強介紹道。奇瑞考慮的其他重要因素還有西門子在該軟件領(lǐng)域的。。地位、*的客戶服務(wù)、在該領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗，以及西門子與世界各地。。汽車制造商的*合作。“鑒于上述原因，我們zui終選擇了西門子。”吳世強說。其他很多汽車制造商和供應(yīng)商做出了同樣的選擇。因此，西門子成為中國汽車業(yè)zui大的PLM解決方案供應(yīng)商。根據(jù)獨立的PLM咨詢公司CIMdata的數(shù)據(jù)，2011年，西門子在中國擁有27%的PLM*。

中國為何轉(zhuǎn)向自動化。西門子為汽車制造商帶來的優(yōu)勢十分顯著。例如，作為中國。。汽車制造商之一的中國一汽采用西門子的Tecnomatix等PLM解決方案后，其規(guī)劃流程縮短了數(shù)月時間，同時工序的精確性得到顯著提高。“我們的規(guī)劃效率提升了35%。”中國一汽的技術(shù)副總監(jiān)苑學(xué)愚說，“另外，我們的過程規(guī)劃整改數(shù)量減少了18%，組裝線生產(chǎn)率提高了25%，并且顯著提高了所有相關(guān)資源的利用效率。”

這樣的自動化解決方案和工作流程與中國作為世界工廠的舊形象相去甚遠(yuǎn)。的確，自動化在中國正變得日益重要。畢竟，中國的勞動力資源已經(jīng)不像過去那般取之不盡用之不竭。在中國的主要工業(yè)區(qū)（香港和深圳之間的珠三角地區(qū)和靠近上海的長江口地區(qū)），企業(yè)已經(jīng)感受到招工難的壓力。這個問題在今后幾年只會有增無減。中國面臨著人口老齡化加速問題，單是人口因素就會產(chǎn)生巨大影響。到2050年，中國人口的平均年齡將突破48歲，比日本目前的平均年齡高出四歲，而日本和摩納哥是當(dāng)前世界上人口平均年齡zui高的兩個國家。

“自動化工藝的一大優(yōu)勢是可以確保一定程度的質(zhì)量穩(wěn)定性和規(guī)劃安全性，如果沒有自動化，即便擁有再多的勞動力資源，也無法實現(xiàn)這一點。”上海西門子汽車工業(yè)培訓(xùn)中心的系統(tǒng)應(yīng)用Chen Wei如此評價，“所以，生產(chǎn)工藝自動化方面的投入直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量。”

解決方案的復(fù)雜程度隨生產(chǎn)的復(fù)雜程度而異。汽車行業(yè)目前屬于復(fù)雜度較高的領(lǐng)域，在生產(chǎn)線中，需要眾多機(jī)器人、傳感器、人機(jī)界面及其他設(shè)備協(xié)調(diào)工作。這種協(xié)調(diào)可以通過可編程邏輯控制器（PLC）來實現(xiàn)。PLC是一種功能強大的計算機(jī)，其作用相當(dāng)于自動化工廠的“神經(jīng)中樞”。奇瑞、吉利以及中以合資企業(yè)觀致汽車有限公司等。。汽車制造商均在生產(chǎn)中引入了西門子的此類高性能組件。

像奇瑞汽車這樣的市場客戶使用的是西門子在德國生產(chǎn)的組件。不過，目前西門子在中國本地也開始研發(fā)其他PLC及類似設(shè)備，這些設(shè)備不僅供應(yīng)給中國市場，還出口到其他國家，尤其是新興市場。所有這些都是西門子通過在各地設(shè)立研發(fā)部門以增強自身創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)實力的戰(zhàn)略的組成部分。同時這種發(fā)展也符合中國轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式的戰(zhàn)略——中國希望從世界工廠轉(zhuǎn)型成為*自動化解決方案的應(yīng)用地和研發(fā)地。30年來，中國的確取得了不俗的成就。