智能制造——数字化车间

增强数字化文化技能 和包容性
应用信息和通信技术应对 气候变化和人口老龄化
更多的研发投资
“信息化战略行动计划” 七大领域
更强的互操作性
更快的互联网接入
统一数字市场的建立
增强互联网的信任度 和安全性
美国“先进制造伙伴”计划
为了巩固制造业竞争优势并确保其在世界制造强国中的领先地位，美国提 出并启动了 “先进制造伙伴（Advanced Manufacturing Partnership）”计 划，并投入5亿美元推动这项工作。 主题词：3D打印、物联网、制造回归、先 进材料、新一代机器人、自动化生产线、节能制造工艺……
通过价值链实现横向集成
跨整 个价 值链 的工
程
工业4.0——从智慧工厂到智能生产 • 工业4.0自动化-信息物理系统（CPS）
垂直集成与网络化制造
在明天的智慧工厂，生产结构不会是固定的，预定义的。相反，一组IT 配置的 规则将被定义，可以根据具体情况 进行工厂结构的拓扑结构配置组 合，其中包括针对模型，数据，通信和计算 算法的所有相关要求。
如果说，工作母机、重大设备和生产线等是工业能力 的硬装备，那么，设计思想、管理模式、各种信息系统、标 准和网络等就是新型工业能力的软装备。硬装备与软装备的 集成产物就是提升工业能力的新型工业装备。
进一步说，如果硬装备是为新型工业提供硬能力的 “躯体”，软装备则是现代工业提供软能力的“灵魂”，也 是新型工业装备的“大脑”。
– 产品：集成有动态数字存储器、感知和通信能力，承载着在 其整个供应链和生命周期中所需的各种必需信息
– 设施：由整个生产价值链所集成，可实现自组织 – 管理：能够根据当前的状况灵活决定生产过程
工业4.0——从智慧工厂到智能生产
• 工业4.0下的产品特点
——集成了信息存储、传感、无线通信功 能 – 产品是信息载体
工业4.0——从智慧工厂到智能生产
• 智慧工厂的车间 ——基于无线、RFID、传感器和服务的架构
工业4.0——从智慧工厂到智能生产
• 智慧工厂的布局
——面向服务的工厂系统布局
硬件无关 抽象服务
服务库
现场层
硬件相关 设备控制
工业4.0——从智慧工厂到智能生产
• Industry 4.0——德国高科技战略计划 • 两大主题：智慧工厂、智能生产 • 三个设想：产品、设施、管理
产品在整个完整的供应链和生命周期中 都一直带有自身信息
– 产品是一个agent
产品会影响其所在环境
– 产品具有自监测功能
产品会对其自身状态和环境进行监测
我生产于2010 年4月30日，5 月3日出厂
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工业4.0——从智慧工厂到智能生产 • 工业4.0自动化-信息物理系统（CPS）
数字化工厂可以理解为：在我国传统庞大的制造业躯 体上装上大脑和灵魂，使之成为智能和智慧的、能适应现在 38 和未来竞争的企业形态。
制造执行系统（MES）的功能构件
制造执行系统（MES）的应用
制造执行系统（MES）的应用
制造执行系统（MES）的应用
制造执行系统（MES）的应用
制造执行系统（MES）的应用
——德国高科技战略计划首位
“工业4.0” 研究项目由德国联邦教研部与联邦经济技术 部联手资助，在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公 司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，并已上升 为国家级战略。德国联邦政府投入达2亿欧元。
工业4.0——从智慧工厂到智能生产
• Industry 4.0——德国高科技战略计划 • 两大主题：智慧工厂、智能生产
计算机软件、新型材料、更灵活的机器、新工艺（特别是三 维打印），以及网络上提供的各种软体服务，这些新科技的汇聚 使工厂将逐渐告别大批量生产，进入完全客户化定制，以更低的 成本、更高的效率和质量生产更多样化的产品，满足不同顾客的 不同需求。
所有革命都要进行一场 惨烈的淘汰，不会以人的意 志为转移。第三波工业革命 也不例外，就像之前两波工 业革命都曾淘汰若干行业和 劳工，未来制造业势必再出 现一场优胜劣败的大洗牌， 工厂需要的劳工将越来越少， 但需要更高的技能。
第三次工业革命
当前，第三次革命 正在展开，这就是制造 业的数字化。制造业数 字化为传统制造业的面 貌和生产方式正在带来 巨大改变 。
我们传统的工厂是从设计到开模生产，需要投入大量设备、 资金和人力，如今有了三维印制机，只要在电脑上设计，就可三 维打印出零部件和产品，包括航空航天、汽车摩托车、各种装备 等复杂产品的精密零件及各种生活和工业用品，这种新型工艺的 应用具有无限可能，并可大幅降低制造的门槛。
这种评论以直白的方式宣告，以美国为首的西方 发达国家政府和企业希望通过这场正在来临的以移 动互联网、物联网、云计算、大数据以及3D打印和 新一代机器人等为基础的工业革命击败中国制造业 。
我们
如何来适应？ 如何来把握？？ 如何来应对？？？
中国制造2025的提出
李克强总理在政府工作报告中的讲话
“中国制造2025”围绕创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展、人 才为本等关键环节，以及先进制造、高端装备等重点领域，重点促进以云计 算、物联网、大数据为代表的新一代信息技术与现代制造业、生产性服务业 等的融合创新，为大众创业、万众创新提供环境，加快制造业转型升级、提 升增效，力争到2025年从制造大国迈入制造强国行列。
工业4.0——从智慧工厂到智能生产
Industry 4.0
——德国高科技战略计划首位
电子、IT、工 业机器人
信息物联系统
复 杂 程
工业革命4.0 度
电力广泛应用
工业革命3.0
蒸汽机
1784 18世纪末
20世纪初
工业革命2.0
工业革命1.0
时间
工业4.0——从智慧工厂到智能生产
Industry 4.0
进行设计。
2012年，在由英国《经济学人》杂志发起的关于 “第三次工业革命”讨论中认为，“以中国为代表 的在第二次工业革命的末期突然崛起的国家，很可 能会因为第三次工业革命的到来，再次被远远地抛 在后面，发达国家尤其是美国、德国等，很有可能 在第三次工业革命中再度领先，让一度已成为全球 制造业中心的中国望尘莫及”。
其业务覆盖机床、医药、激光和电子技术
SAP公司：全球领先的
企业应用软件公司
BOSCH公司：德国最大
的工业企业之一 ，精密机械 及电气工程的工厂 。
WITTENSTEIN公司：伺服电机和
运动控制技术制造商
FESTO公司：全球领先的工厂自动
化技术供应商
“工业4.0”行动领域
保持德国制造业发展，促进全球竞争力提升
在西门子成都工厂，宽敞的厂房里只有二三十名工人在工作，大多数工 序都是自动完成的。对此，西门子表示：我们建设数字化工厂，其一是为 了获得更高的产品质量，通过各种体系的无缝连接保障产品质量。其二是 为了实现快速生产的调整。其三是帮助客户有效缩短产品的上市时间。
数字化工厂
——我国当前工业企业的必然选择， 也是唯一选择
“数字化工厂”是以信息技术为代表的高技术与传统工 业领域所有要素融合，进而促进传统工业的改造、提升、变 革和创新，形成新型工业装备及系统，催生新的工业模式， 构建现代产业体系，提升工业的核心竞争能力。
现代工业装备 = 硬装备 + 软装备
今天
明天Fra Baidu bibliotek
新一代轻量化，灵活的机器人与人类在智能工厂一起协同工作
工业4.0——从智慧工厂到智能生产
DFKI研发的抽象产品记忆系统用于自适应抓取和智能产品装配
• 智慧工厂中的智能装配
在头部安装立体相 机，在手臂靠近物 体的地方安装3D摄 像头
机器人利用左手内部天线从产品内存中读取尺寸、 重量和加持点，同时机器人能够从信息物理系统 中获得产品装配说明书
制造执行系统（MES）的应用
制造执行系统（MES）的应用
制造执行系统（MES）的应用
设备能耗信息
制造执行系统（MES）的应用
远程监控设备实时作业状态
德国富克公司60米龙门加工中心
奥地利五轴数控龙门加工中心
奥地利IGM公司悬臂自动焊机
瑞典伊萨公司自动焊机
西门子数字化工厂
当工厂需要的劳工减少，工资占生产成本的比重也会降 低，从而改变目前到工资低的海外国家设厂的模式，跨国企 业将逐渐把工厂搬回国内，以便设计人员能够和生产线更密 切合作，同时更能贴近客户并迅速回应其需求。
先进发达国家的应对策略
2009年1月，美国IBM公司提出了“智慧地球(Smarter Planet)”概念。 2009年4月，新西兰政府推出了《新西兰数字战略2.0》 2009年6月，英国出台了“数字英国(Digital Britain)”战略。 2009年7月，日本推出了《i-Japan战略2015》。 2009年9月，韩国出台了《I T韩国未来战略》研究。 2010年5月，欧盟推出了《信息化战略行动计划》以应对当前欧盟的金融危机。 2010年，奥巴马政府签署规模为170亿美元的《美国制造业促进法案》 ；2011年6月，又
业水平不 断提升
世界制造大国
生产制造大国
日本
欧盟
台湾
世界制造...
产业链的 转移
全球产业价值分配
附加值
微笑曲线
研发 活动
高技 术零 部件
简单 零部
件
技术与资本密集
市场与 生产性 营销 服务业
组装
劳动密集
全球产业价值链
价值链
信息与管理密集
The Third Industrial Revolution
机床1
机床2
面向机床的APP平台
智能产品
信息物理生产系统
云安全网络
工业4.0——从智慧工厂到智能生产 • 面向智慧工厂的室内精确定位
工业4.0——从智慧工厂到智能生产
• 面向智慧工厂的APP商店
– 下载量身定制的用户界面
工业4.0——从智慧工厂到智能生产
• 智慧工厂中的机器人技术
机器人不再被固定在 安全工作地点而是与人一起协同工作
– 智慧工厂
重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化 分布式生产设施的实现
– 智能生产
主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动、 3D打印以及增材制造等技术在工业生产过程中 的应用等
工业4.0——从智慧工厂到智能生产
• 智慧工厂的流程
——基于云安全网络
智慧工厂2…N 智慧工厂1
智能物料
机床间通信
智能 … 智能
启动了美国《先进制造伙伴》计划 2011年4月，德国首次提出了《工业4.0》发展战略，旨在支持工业领域新一代革命性技术
的研发与创新，提高德国工业的综合竞争力。
欧盟“信息化战略行动计划”
欧盟“信息化战略行动计划”是欧洲数字计划七项旗舰举措中的一项，可 促进经济的明显增长，使社会各领域都能享受数字时代带来的快捷和便利。
工业4.0——从智慧工厂到智能生产
• 工业4.0的标准规范
EMMA: 多模式工业辅
助系统
标准
工业4.0 智慧工厂
USDL: 信息物理产品系 统中的语义服务
OMM: 语义产品内存
工业4.0——从智慧工厂到智能生产 • 德国一些企业已经开始实施industry 4.0
TRUMPF公司：全球领先的技术公司，
参考架构。
建立宽带互联 网基础设施， 为工业4.0提 供可靠、全面 和高质量的通 信网络
在确保生产设 工业4.0将改 通过促进学习、 完善法律法规， 工业4.0能提
施和产品本身 变员工的工作 终身学习和以 以保护企业数 高资源的生产
对人和环境没 内容、工作流 工作场所为基 据和个人信息， 率和利用效率，
有威胁的同时， 程和工作环境， 础的持续专业 建立相应的行 但需计算在智
保护他们所带 在工作组织中 发展计划，实 业准则和协议， 能工厂中投入
的数据和相关 需应用社会技 施适当员工培 促进企业自我 的额外资源与
生产信息。
术方法对员工 训策略和组织 监管。
产生的节约潜
的参与性工作 工作。
力之间的平衡。
标准化和 管理 建立宽频 构建安全 工作有效 培训与 完善 资源利用 参考架构 复杂系统 基础设施 保障体系 组织设计 专业发展 监管框架 率的平衡
工业4.0涉及 为复杂产品和 不同企业的网 制造系统的管 络连接与集成， 理提供适当的 因此需开发一 解释性模型、 套统一的标准， 工具和方法 并提供相应的
2010年，中国工业总产值占全球 工业总值的比重已经达到19.9%，超 过美国成为全球第一制造业大国。美 国以18%排第二，日本第三，德国第 四。
我国世界制造大国的地位，是在承接世界制造 链的转移和我国制造业水平不断提升的过程中逐渐 形成的。
处于世界产业价值链的低端
规模扩大
美国
装备升级
技术提升
..我. 国制造