工业4.0及西门子工业数字化之路

工作命令 生產要求 機台規劃 模擬分析 加工程式
生产 工程
品管資料 材料批次 加工過程 錯誤處理 零件追溯序列
生产
零組件週期 零件組配狀態 備品資訊 維修3D模型 變更及維修記 錄 維修成本
服务
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工业4.0的关键特征： --涵盖从战略、流程、系统的三个层面
通过价值链和价值网络实现企业间 横向集成
• 旨在解决资源枯竭、城市化、老龄化 和工作/生活平衡等全球挑战
2013年汉诺威工业博览会上，由“产官学”组成的德国“工业4.0 工作组”发表了题为《德国工业4.0战略计划实施建议》（以下简 称《建议》），称物联网和制造业服务化宣告着第四次工业革命到 来。
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工业需求
• 提高运营效率与透明 • 提高复杂产品的灵活性 • 加快投放市场的步伐 • 改进材料质量与工艺
政府计划
• 德国工业4.0计划 • 2013年4月德国政府首次发布，为保
持德国制造业全球竞争力的战略举措 • 解决资源枯竭、城市化、老龄化和工
作/生活平衡等全球挑战
• 2013年4月17日，美国制造业新战 略“再工业化”
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工业4.X平台
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第四步: CPS 形成优化的生产方案
第五步: 选择最优化的生产方式，开始生产
… 作为计划者、控制者、决策者
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德国“工业4.0”计划强调
• 未来工业生产形式的主要内容包括 • 在生产要素高度灵活配置条件下大规模生产高度个性化产品 • 顾客与业务伙伴对业务过程和价值创造过程广泛参与 • 以及生产和高质量服务的集成等。 • 物联网、服务网以及数据网将取代传统封闭性的制造系统。
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1900
第一部可编程 逻辑控制器 (PLC) Modicon 084，1969 年
智能设备 智能物料 物联网 (IoT)
IPv6 网络化的分散制造系统
2000 如今
时间
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工业4.0的核心： --基于信息物理融合系统（CPS）的生产
第三次 工业 革命
其基础是 电子技术与 IT 的使用 而进一步实现 自动化生产
复杂 程度
第四次 工业 革命
其基础是 使用信息物理融合系统
第一台机械纺织机，1784 年
第一条传送机 皮带，辛辛那提 屠宰场，1870 年
1800
来源：DFKI (2011)
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• 2015年5月8日发布《中国制造 2025》，围绕创新驱动、智能转型、 加快走新型工业化道路步伐，促进工 业结构优化升级。
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其中德国工业4.0为世界所共识
• 德国政府为保持德国制造业全球竞争 力的战略举措，“工业4.0”战略的目 的，是为了“确保制造业的未来”。
物料需求计划
主数据管理
订单管理
厂外物流管理
数字化产品验证 数字化产品制造
生产计划与工单管理
MOM
质量管理
车间与人员管理
厂内物流管理 出货管理
企业级BOM及变更管理
物料管理
生产过程监控
生产文档管理
立式自动仓库
企业级项目管理
设备管理
报表管理
KPI和智能支持
自动运载机具
数据采集与 监视控制系统
智能设备
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工业4.0及西门子工业数字化之路
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Realize innovation.
内容
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工业4.0 愿景 通往工业4.0之路 西门子工业4.0解决方案 小结
•
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▪ 战略层面 ▪ 新的商业模式 ▪ 商业生态系统
贯穿整个价值链的端到端工程 数字化集成 ▪ 流程层面
▪ 集成的产品与生产生命周期 ▪ 从设计-制造-服务的闭环
企业内部灵活且可重新组合的网络化 制造系统纵向集成
▪ 系统层面 ▪ 基于CPS的柔性可配置的生产 系统 ▪ 全集成自动化
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垂直集成及网络化制造系统
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“工业 4.0” : 信息物理融合系统CPS ---改变了制造业的游戏规则
市场
动态需求
设计
全面3D工程化
工程
自主部件
市场
客户满意
信息
实时更新
生产
自优化 自修复
调试
自配置
工业 4.0 对制造企业的要求：
▪ 企业所制造的产品包含生产 需要的所有信息……
▪ 企业面向整个价值链，集成 网络化的智能生产单元的自 我组织……
▪ 企业基于制造过程的智能， 灵活地制定符合当前情势的 生产过程决策…..
通过基于嵌入式互联网技术，进行分散的信息物理融合系统 (CPS) 交互
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“工业 4.0” : 信息物理融合系统CPS ---改变了人在制造业的角色
第一步: 人创意和设计产品
第二步: 人决定生产工艺和参数
第三步: CPS 基于工艺规划仿真 和比较各种选项
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Βιβλιοθήκη Baidu
• 工厂仿真 • 机器人 • 自动化物流 • 大数据
• 市场 • 供应商 • 质量 • 财务绩效
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工业3.X特点：五大系统互连互通 “倒逼”企业提升生产效能
PLM
数字化产品规划
ERP
WMS
财务
人力资源
采购管理
数字化工厂与物流规划
数字化产品设计
工业2.X平台
工业3.X平台
工业4.X平台
软硬件系统融合时代：实现软件系统之间、软硬件系统之间数据的互联互通。
1. 工业自动化系统 2. 传感器系统 3. 驱动系统 4. 网络结构及通讯产品 5. 基于模型的信息互连
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定义目标 设置规则
实现 使能
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“工业 4.0”实施的关键领域
管理复杂系统
标准化与参考体 系结构
综合性的宽带基 础结构
工作组织与设计
规章框架
培训与持续的职 业发展
安全性
资源效率
跨价值网络横向集成战略
跨整个价值链的端对端工 程集成流程
• 德国“工业4.0”是德国政府在德国工 程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司 等的建议和推动下形成的项目， 20多 家德国企业、研究机构和大学参与， 并成为面向2020年的国家战略, 在 2013年4月汉诺威工业博览会上首次 发布《实施“工业4.0”战略建议书》。
• 其目标是定义在互联网时代制造业企 业的发展道路，研究物联网和服务网 演进为CPS信息物理融合系统后制造 业格局和商业模式
• 发布《制造业创新中心网络发展规划》 • 提振和回流制造业领导地位
• 2014年12月19日，日本特色是对人 工智能产业的探索，以解决劳动力断 层并支持未来的工业智能化，
• 日本政府层面，非常重视从整体上对 产业和行业进行布局。
• 2011年4月6日，五部委“关于加快 推进信息化与工业化深度融合的若干 意见”。
为初始创业和小企业提供发展良机，并提供下游服务。
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内容
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工业4.0 愿景 通往工业4.0之路 西门子工业4.0解决方案 小结
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制造业进化到4.0时代 工业4.0--以信息物理融合系统广泛应用为主要标识的工业时代
从 工业 1.0 到 工业 4.0
第一次 工业 革命
其基础是引入 由水力和蒸汽动力 驱动的机械 生产设备
第二次 工业 革命
其基础是 由于人工的分工 与电能的使用 而实现的大批量生产
▪ 位置，身份 ▪ 状态 ▪ SW 版本 ▪ 接口 ▪…
数字影像总是最新的，并扩展到整个生命周期
3D圖檔 產品資料 數位模型 技術要求 PMI標註
产品 设计
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製造分工 製程路線 工裝資源 工作說明 產線規劃
生产 规划
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工业2.X特点: 单点信息系统应用
工业2.X平台
工业3.X平台
工业4.X平台
单点应用系统时代：为满足业务需求，建立了一系列独立的计算机系统。
产品设计： • 设计 • 分析应用 • 公差分析
制造过程管理： • 工艺设计 • 制造执行 • 检测检验
工业4.0产生的背景 --全球的大环境现实和各种新技术出现加速了工业发展的步伐
大环境
新技术
全球化
物联网
老龄化
云技术
城市化
3D打印 知识自动化
气候变 化
高级机器人
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制造业的挑战
全球竞争 更短的产品生命周期 需求的多样化 人工成本增加 材料成本上升 能源的不确定性 可持续和绿色制造
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Automation
网络与通信系统
物料定位
物料移动控制
人机交互系统
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工业4.X特点: 智能产品和智能制造
工业2.X平台
工业3.X平台
1 智能产品，涵盖整个价值增值链
2 虚实互联，数字与实际环境的融合
3 制造互联，信息物理融合系统
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CPPS
CPS
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信息物理生产系统（CPPS)…… --以“数字影像”的形式包含所有信息
信息物理生产系统（CPPS）：
+
物理生产设施
数字影像
包含所有相关信息…
▪ 机械 (CAD) ▪ 电气 (CAE) ▪ 自动化，HMI ▪ 安全性 ▪ 维护
•
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工业4.0理念下智慧企业建设路线
工业2.X平台
信息系统业务全覆盖 (核心是基于三维模型的企业)
工业3.X平台
五大信息系统及硬件 业务信息互通
(核心互联基础上工 厂自动化)
工业4.X平台
基于务联网商业模式
(核心是互联下智能产品和智能生 产)
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供应链管理： • 供应商管理 • 仓储管理 • 物流网络
客户关系管理： • 客户管理 • 呼叫中心 • 销售管理
财务管理： • 成本核算 • 费用监控 • 绩效考核
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工业3.X特点:自动化(软件和硬件融合)
• 工业4.0 拥有巨大的潜力。 • 智能工厂使个体顾客的需求得到满足，这意味着即使是生产一次性的 产品也能获利。
• 动态业务和工程流程使得生产在最后时刻也可以变化，也可能为供应 商对生产过程中的干扰与失灵作出灵活反应。
• 制造过程中提供的端到端的透明度有利于优化决策。 • 工业4.0也将带来创造价值的新方式和新的商业模式。特别是，它将
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工业3.X 特点：利用虚拟仿真技术优化改善工厂P3R(产品、 工厂及资源）
工业2.X平台
工业3.X平台
工业4.X平台
软硬件系统融合时代：
产品
工厂
资源
• 3D设计 • 仿真 • 验证 • 标准化
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“智能” 产品 • 具有独特的身份识别，包含了生产所需的所有
信息 • 理解自己的“使命”和“路线图” “智能”制造 • 工件自动呼叫移动自主智能加工单元的生产组
织 • 面向整个价值链的网络化生产设施的优化 • 生产步骤基于实况变化柔性配置
通过“更智能化的”结构，降低复杂性！
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