工业4.0与智能制造.ppt

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1、,工业4.0及其智能制造,工业互联网及智能制造2025,未来制造业,目录,工业4.0,一,2011年1月,2012年410月,2014年4月,2012年3月,2013年4月,工业4.0发展战略发布；由VDMA、BITKOM、ZVEI组成秘书处，组建工业4.0平台,工业4.0平台发布白皮书（实施计划）,2010年,德国科学-产业经济研究联盟与德国国家科学与工程院（Acatech）共同制定工业4.0发展战略,德国2020高技术战略行动计划发布，11个“未来项目”缩减为10个（投资84亿欧元）；“工业4.0”一词首次出现（投资2亿欧元）,在德国科学-产业经济研究联盟（Forschungsunion

2、Wirtschaft-Wissenschaft）的倡导下，开始研究工业4.0,德国2020高技术战略发布，并重点推出11个“未来项目”,工业 4.0 的提出,老龄化社会带来的劳动力减少,资源匮乏，能效仍需提升,产业转移带来的国内制造业空心化,发展中国家技术实力不断增强,经济全球化中，需要对市场做出快速响应,保持制造业国际领先地位所需的标准化,需要根据消费者需求，实现差异化、个性化的生产,制造业占据全国GDP的25%、出口总额的60%，影响极大,1,2,3,5,6,7,8,4,工业 4.0 的社会背景,四次工业革命,工业4.0概念,什么是工业4.0,通过互联网等通信网络将工厂与工厂内外的事物和服

3、务连接起来，创造前所未有的价值、构建新的商业模式的产官学一体的项目。“工业4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。,发展优势,在生产能力上，工业4.0将确保仅一次性生产，且产量很低时的获利能力，确保工艺流程的灵活性和资源利用率。另一方面，工业4.0将使人的工作生涯更长，工作与生活更加平衡，高工资时产业仍有强大竞争力。,实现方式,主要是通过CPS（信息物理系统），总体掌控从消费需求到生产制造

4、的所有过程，由此实现高效生产管理。,工业3.0与工业4.0有哪些不同？,大规模定制生产与大规模生产的比较,大规模定制的优势,成本低效率高交货快,品种多 个性化,大规模定制生产,大规模生产品种单一标准化,定制生产成本高效率低交货慢,工业4.0的四个智能,二,工业4.0具体能实现什么？,智能,生产智能化,设备智能化,供应链管理智能化,能源管理智能化,生产智能化,设备智能化,能源管理智能化,供应链管理智能化,工业4.0的要素,三,工业4.0 的两大主题,智能工厂：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：整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该计

5、划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者。智能物流：主要通过互联网、物联网、务联网，整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率，而需求方，则能够快速获得服务匹配，得到物流支持。,工业4.0的三个重点、八大关键,工业4.0的愿景,工业4.0为何引起广泛关注？,改变,改变制造业思维,改变了制造业模式,改变了创新模式,创新的模式,Text in here,行业支持,标准化,创新,研发,生产观 效率、质量、成本、安全 科学的生产观遵循的四项基本原则：第一、如何提高效率？第二、如何降低成本？第三、如何提升质量？第

6、四、如何保障安全？四项基本原则应该从生产力和生产关系两个方面来运作：以先进的科学技术为技术抓手；以先进的管理科学为管理抓手。工业4.0最好的满足了科学生产观的四项基本原则,科学的生产观,科学生产观,工业4.0的智能制造,四,本质 是基于“CPS”实现“智能工厂”核心 是动态配置的生产方式实现“柔性生产”关键 是信息技术应用实现生产力飞速发展愿景 是解决能源消费等社会问题,工业4.0的智能制造,本质是基于“CPS”实现“智能工厂”,信息物理系统,算法,文档三维模型工艺数据,CPS：系统中的物理对象和相应的虚拟对象通过泛在信息网络进行通信,Cyber：算法和服务，服务的动态集成 和服务提供商，并跨

7、越边界进行信息交流,Cyber：包括3D模型，仿真模型，文档，关系，工作条件等数据能够通过可变信息网络在任何地方和任何时间进行搜集,Physcial：在生产系统中的人和自动化模块具有智能化、自我解释、自我意识、自我诊断、交互评估能力,CPS系统触发了向智能化转型,服务,云,物理对象,CPS平台,智能工厂,智能工厂的三层架构,智能设备,基于无线、RFID、传感器和服务的架构,智能产品,智能产品特性 集成了信息存储、传感、无线通信功能产品是信息载体 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

8、于2010年4月30日，5月3日出厂,请握中间,已经打开2分钟了，请盖上,智能APP平台,面向智能制造的APP商店下载量身定制的用户界面,工业4.0中的智能汽车,智能产品案例-智能化汽车,动力管理APP,驾驶员辅助APP,智能用户界面APP,绿色驾驶APP,工业4.0智能工厂的布局,面向服务的工厂的布局,服务库,硬件无关抽象服务,硬件相关设备控制,现场层,横向、纵向、端到端的集成,核心是动态配置的生产方式,产品-服务坐标,产品开发,服务,C3P,PLM,买方交易,卖方交易,物流交易,供应商,客户,价值链坐标,企业坐标,生产,管理,CRM,SCM,ERP,MES,信息交换（数据）,关键是信息技术

9、应用,工业软件决定工业4.0,愿景：制造业节能,工业节能减排与综合利用,收集和分析能源信息,识别问题,管理运营,改变耗能不良习惯,工业互联网,五,工业互联网是什么,GE伊斯梅尔：所谓工业互联网就是 开放、全球化的网络，将人、数据和机器连接起来。工业互联网的目标是升级那些关键的工业领域。这是一个庞大的物理世界，由机器、设备、集群和网络组成，能够在更深的层面和连接能力、大数据、数字分析相结合。这就是工业互联网革命。,工业互联网的关键要素,工业互联网的价值分析,GE认为，工业互联网的价值总体上将从三个方面来体现：第一是提高能源的使用效率，包括油、气、电等等，而减少能源的浪费，并提高使用率，从侧面也等

10、于提高了GDP。第二，提高工业系统与设备的维修和维护效率，降低宕机的时间，减少故障，并缩短维护时间，这相当于提高了生产力。第三，优化并简化运营，提高运营效率，这相当于解放了更多宝贵的人力资源，让他们可以进行更有价值与富有创新的工作。,工业互联网的价值,GE报告显示:机器数据空前高速增长，未来10年。而处理急速增长的工业大数据，则需要大量基于机器的软件和服务。Wikibon预计，到2020年，工业互联网技术的总支出将达到5140亿美元。报告还显示，在以毫秒计算的速度下，即时分析海量原始数据及灵活地与其他现有工业数据流互动和对比，对于从数据中提取有用信息并产生积极结果所需的实时决策至关重要。到20

11、20年，工业互联网创造的总体价值将近1.3万亿美元。主要源自工业互联网技术带来的效率和生产率提升以及其他相关收益。,工业互联网的应用,工业互联网包括传统方式以及最新混合方式，以便通过特定行业的高级分析来充分利用历史数据和实时数据。,工业互联网的数据流,工业互联网可以被看作是数据、硬件、软件和智能的流通与互动。从智能设备和网络中获取数据，然后利用大数据和分析工具进行存储、分析和可视化。最终的“智能信息”可以供决策者（在必要时实时）使用，或者作为各工业系统中更广泛的工业资产优化或战略决策流程的一部分。,中国制造2025,六,中国制造2025强国战略规划：远超制造本身,近期印发,互联网+,智能制造已

12、开始试点示范：2015年30个项目。,五大工程,一是要实施国家制造业创新中心建设工程。要建设一批产学研用相结合的制造业创新中心。在现有研究院所、大学和企业基础上，以产业联盟形式来承担制造业强国建设的核心任务，然后市场化的组建，阶段性地形成成果。二是大力推进智能制造。带动各个产业提高数字化水平和智能化水平。智能制造是新一轮科技革命的核心，也是制造业数字化、网络化、智能化的主攻方向。三是工业强基工程。解决基础零部件、基础工艺、基础材料比较落后。四是绿色发展工程。破解环境和资源制约，节约资源，保护环境。特别提到节能减排降耗、提高资源利用率。发展的质量和效益已经成为中心任务。因为工业占我国整体能源消耗

13、的73%。五是高端装备创新工程。“核高基”、互联网、数控机床、大飞机等专项已经在做还要推进一些新的专项来启动，来提高整个装备制造业的水平。,十大领域,用一路一带眼光看中国制造2025,对外：26国、44亿人、21万亿$经济总量丝绸之路经济带：中国经中亚、俄罗斯至欧洲（波罗的海）；中国经中亚、西亚至波斯湾、地中海；中国至东南亚、南亚、印度洋。21世纪海上丝绸之路：从中国沿海港口过南海到印度洋，延伸至欧洲；从中国沿海港口过南海到南太平洋。,对内：全国调动两个核心区：新疆(陆)、福建(海)四门户：西北、东北、广西、云南八高地：西安；兰州、西宁；宁夏；重庆；成都、郑州、武汉、长沙、南昌、合肥；西安、宁

14、夏、重庆、上海自贸区；前海等开放合作区；,这里还一条到南太平洋的。,培养全球眼光世界格局迫在眉睫！,亚投行的巨大支撑,制造的两大基本问题,七,制造的两大基本问题：一、生产什么？,传统制造：创办人决定生产什么,智能制造：客户决定生产什么,制造的两大基本问题：二、如何盈利？,践行科学的生产观（四项基本原则）如何提高效率？如何降低成本？如何提高质量？如何保证安全？,个性化制造的三类基本任务：一、完全个性化需求,每个人需要的产品绝对不同；不能够超出绝大多数人能够接受的价格范围 在客户能接受的时间内完成任务；企业能够盈利。,个性化制造的三类基本任务：二、小批量 不知道客户在哪,小批量的客户有共同的需求；

15、制造商不知道客户是谁，也不知道批量有多大；能够把分散的客户需求进行集中；企业能够盈利,个性化制造的三类基本任务：三、小批量 不知道批量多少,有一些客户需求相同；能够知道客户是谁；小批量，形不成规模化生产，而且知道数量；企业能够盈利,智能制造的四大要素,八,智慧的人,客户 智力资源 员工 评论员,智能产品,智能产品特性 集成了信息存储、传感、无线通信功能产品是信息载体 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,请握中间,已经打开2分钟了，请盖上,智

16、能物料,智能工厂,智能制造的五大集成,九,客户集成,客户集成,预售,团购,众筹,O2O,智力集成,智力集成,外部生产资源,外部智力资源,内部生产资源,内部智力资源,横向集成（工厂之间）,纵向集成（智能工厂）,价值链集成,智能制造的六大价值网络,十,智能客户网络,吸引客户、发展客户、汇聚客户、点燃客户、抓住客户、激励客户、服务客户,大数据 云计算 移动互联网 物联网 CPS,开放 自治 全面采集 价值导向,体验经济,智能智力网络,智力网络,外部生产资源,外部智力资源,内部生产资源,内部智力资源,智能供应网络,智能生产网络,智能物料,智能产品,智能工厂2N,智能工厂1,机器1,机器2,面向机器的A

17、PP平台,CPS,机床间通信,云安全网络,智能物流网络,智能服务网络,智能制造的体系运转,十一,智能制造体系的需求波,智能制造体系的动力体系,智能制造体系的价值环,智能制造体系的运转,智能制造体系的概念,智能制造体系是在新一代信息技术的基础上，以技术管理的深度融合的新思维为导向，以满足客户个性化需求以及个性化量产为目的，由智能客户网络、智能智力网络、智能供应网络、智能生产网络、智能物流网络、智能服务网络六大价值网络有几集成一体的动态化、智能化、网络化的新一代制造工程系统。,智能制造的未来蓝图：量子制造体系,油气生产物联网系统,十二,油田的产品？油田的就是油气；粗放的油气生产就是生产尽可能多的油

18、气；科学的油气生产就是安全的、环保的、生产尽可能多的合格的油气。,科学的油气生产观,油气生产物联网系统就是应用物联网技术，对油田生产单元进行全面覆盖，将生产数据、设备状态信息、环境等信息进行全面感知，通过泛在网进行全面传输，通过统一软件平台对数据进行全面整合，实现工厂化闭环控制。达到全面支持油气生产的过程管理，全面提升油气生产决策的及时性和准确性，全面降低运行成本和安全风险。,金光节能,科研规划,生产现场自动控制,站,油井,油井,站,油井,数据处理,决策指挥,协同工作,无线传输,中心数据库,油气生产物联网的本质就是科学的油气生产观。油气生产物联网系统的成功应用：将从根本上提高油气的生产效率；将

19、从根本上降低油气的生产成本；将从根本上提升油气的产品质量；将从根本上保障油气的安全生产。,如何建设好油气生产物联网系统呢？做好顶层规划 做好顶层设计 顶层规划和顶层设计是两个层面上的东西。顶层规划是哲学层面的，是战略性的、方向性的，系统论是顶层规划的指导思想；顶层设计是工程哲学层面的，是战术性的、操作性的，系统工程论是顶层设计的指导思想。,总体规划,系统论：所谓的系统论就是运用完整性、集中性、等级结构、终极性、逻辑同构等概念，研究适用于一切综合系统或子系统的模式、原则和规律，并力图对其结构和功能进行数学描述。系统强调整体与局部、局部与局部、整体与外部环境之间的有机联系，具有整体性、动态性和目的

20、性三大基本特征。作为一种指导思想，系统论要求把事物当作一个整体或系统来考察，符合马克思主义关于物质世界普遍联系的哲学原理。顶层规划需要规划的是什么呢？那就是：,总体规划,油气生产物联网系统建设的总体目标是：建立一套覆盖全部油气水井区、计量间、集输站、联合站、处理厂、集输等生产数据自动采集的、规范的、统一的平台系统。全面支持油气生产的过程管理，全面提高油气田生产决策的及时性和准确性，全面降低运行成本和安全风险。,总体规划,统一组织管理统一规划设计统一标准规范统一平台开发,总体规划,1建立数据自动采集系统（1）单井（包括抽油机井、电泵井、螺杆泵井、水井）电流、电压、油压、套压、载荷、位移、红外等生

21、产参数的采集；（2）计量间总掺水温度、总掺水压力、单井回油温度、流量等生产参数的采集；（3）联合站、中转站、高产油井、油区重要路口等视频监控的采集。,总体规划,2建立数据传输网络系统（1）有线接入：进行光缆网络延伸工作，在整个油田逐步实现油田公司-采油厂-作业区-采油队-站所的全光化传输；（2）无线传输：针对数量众多、分布零散的单井、计量间，采用无线传输方式解决生产数据采集以及视频信息的传输问题，逐步实现全油田的无线宽带网络覆盖。,总体规划,3建立生产管理系统（1）建立规范统一的报表模板，实现公司总部、油气田公司、采油（气）厂、作业区规范报表的管理与应用；（2）建立分类报表定制模式，适应生产过

22、程中个性化报表，定制报表和数据统计分析应用的需要；（3）实现分类数据和综合数据的实时查询；（4）实现图形信息、音像信息和数据信息的可视化展示；（5）实现工况预警；（6）建立数据接口规范，支持专业软件的数据应用,实现与其他统建系统的数据共享。原则：管理流、业务流、数据流统一,总体规划,顶层设计WSR+MN方法论,W物+S事+R人+M机（计算机）+N网（网络）=顶层设计方法论,智能工厂的使命,复杂系统的特质不可分、不可知,智能化,两个矛盾：不可分又要分的矛盾不可知又要知的矛盾,两个矛盾：算法的封闭与开放的矛盾；已知的知识与未知的问题之间的矛盾,UDC特征：不定性（Uncertainty）多样性（D

23、iversity）复杂性（Complexity）,AFC具有深度知识支持的灵捷（Agility）通过实验解析的聚焦（Focus）能够反馈互动自适应的收敛（Convergence）,ACP,CPS,ACP是实现从UDC到AFC转化使命的基础方法。ACP是人工社会（Artificial Societies）+计算实验（Computational Experiments）+平行执行（Parallel Execution）的有机组合。ACP的核心就是利用数据把复杂系统“虚”的和“软”的部分建立起来，通过可以定量实施的计算化、实时化，使之“硬化“，真正用于解决实际的问题。,物事人机网方法论的基础：ACP

24、+CPS,CPS即CPSS则是支撑ACP方法的基础，也就是社会物理融合系统(Cyber-Physical-Social Systems,CPSS)，使虚实互动、闭环反馈、平行执行成为可能。,三个平行世界：物理世界，心理世界和人工世界。如今，物联网、云计算、大数据来了，为开发第三世界提供的前提。,平行世界运行包括：一个核心，平行的虚实互动理念；两个支撑，ACP方法和CPSS基础设施；三个主题，智能组织、智慧管理和社会智能。,工厂与智能工厂属于平行世界,油气生产物联网系统，“怎样把油气生产物联网系统的顶层规划，逐步地变为成千上万个研制任务参加者的具体工作，以及怎样把这些工作最终综合成一个技术上合理

25、、经济上合算、研制周期短、能协调运转的实际系统，并使油气生产物联网系统成为它所从属的智能油田的有效组成部分”这样的问题，应该按照WSR+MN方法论，做好顶层设计。顶层设计设计的是什么呢？那就是：,顶层设计,顶层设计,顶层设计,顶层设计,案例,SCADA系统总体结构,长庆油田采油三厂油房庄作业区,案例,长庆油田采油三厂油房庄作业区,油房庄作业区日产液量4204方，日产油量1320吨，综合含水66.7%，日注水量5194方。作业区SCADA采集的生产数据包括油井570口，有注水站8座；撬装注水站2座，配水间67座，水源井33口，注水井219口，联合站2座，接转站11座，增压站10座。SCADA包括

26、生产运行监控，产量监控，注水量实时监控，集输流程，注水流程，管网监控，通讯检测，电网监控，安全环保等子系统。,案例,流程监控,案例,流程监控,产液量分析,案例,油井监控,案例,载荷信号,温度信号,压力信号,电压信号,黑匣子,油井诊断/数据库,声光警报,采油维护人员,含水变化,注汽信号,掺油水信号,量油 掺油掺水 注汽 外输,油气生产物联网示意,智能工厂的总体目标：以工厂数据为中心，自动化控制、生产调度优化、资源计划管理三位融合的产品自动生产系统。智能工厂是能够全面感知的工厂智能工厂是能够自动操控的工厂智能工厂是能够优化决策的工厂特征：实时感控、全面联系、自动处理、辅助决策、分析优化,Inven

27、sys 2/14/2023,Invensys proprietary&confidential,110,智能工厂目标,传统的智能工厂解决方案,十三,智能工厂的系统部署,智能工厂的四个层面,智能工厂的三层架构,企业资源管理系统 ERP,生产执行系统MES,智能工厂的工单流转示意,智能工厂示意,改良的智能工厂解决方案,十四,基础设施,PCS,MES,改良的智能工厂架构,ERP,基于数据中心的智能平台,智慧园区,制造能力和管理水平,未来的智能工厂解决方案,十五,智能工厂,智能工厂的布局,服务库,硬件无关抽象服务,硬件相关设备控制,现场层,IPS Confidential,整体框架及设计原则,英维思工

28、厂生产运营MES系统解决方案整体框架,智能工厂整体框架,智能工厂设计四统一原则,统一组织统一设计统一标准统一平台,网络入口,网页、移动办公,质量管理,设备管理,绩效管理,PLC,DCS,DCS,RTU,工艺监控,DCS,LIMS,ERP系统,操作管理,计划调度,智能平台,业务模型,架构建设,通讯,可视化集成,配置管理,数据库,ERP集成,GIS系统,CCTV,可视化环境APP体系专业应用接口,基于数据中心的智能平台,基于数据中心的智能平台,基于数据中心的智能基础平台！,以数据为中心的智能平台,能源管理,HSE,应急指挥,物料管理,126,车间设计模型,127,产品生命周期管理,车间现场智能化,

29、基于数据中心的智能平台,客户,在线下订单,查询订单进度,供应商,在线获取订单,处理供应业务,厂内用户,监控生产状态,处理生产任务,智能平台中的APP体系,128,APP功能模块-生产管理系统,129,机器稼动率：92%批次 ID：4531980,今天消耗的能源为 1100 kWh,APP功能模块-采集（感知）系统,130,APP功能模块-智能配送系统,131,131,功能范围及呈现方式,工作流程,APP功能模块-异常报警系统,132,APP功能模块-可视化系统,支持各种动态化/图形化终端展现,支持多种Web方式的展现,支持多种KPI分析方式及组态展现,支持中心式监控墙展现,丰富的可视化,134

30、,APP功能模块-大数据分析及决策系统,135,APP功能模块-移动办公系统,136,客户,供应商,APP功能模块-SCMCRM链接系统,Invensys 2/14/2023,Invensys proprietary&confidential,137,DCS,操作员,OPC Server,调度员,厂长,Industrial Application Server Node,实时数据库,车间主任,Reactor1.Valve.PV,工程师站,智能平台,Plant.Efficiency.PV,Machine.RunningTime,关系库,智能平台工作示意,未来制造业,十六,Business,Customers,Equipment&Automation,Suppliers,产品 Production,Design,运行设施 Operations Infrastructure,企业设施 Enterprise Infrastructure,Support,供应侧,客户侧,企业侧,支持,设计,工业软件定义制造业,大数据驱动制造业向服务业转型,制造业大数据,网络信息安全同样影响工厂,制造业将成为信息产业的一部分,制造业产品将被视为电子产品或者网络产品,制造业也将成为信息产业的一部分,谢谢观赏！,