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工业4.0学习材料234目录第一部分工业发展历程第三部分核心技术内涵第二部分工业4.0简介第四部分应用场景第五部分机遇与挑战5工业发展历程6工业发展历程第四次工业革命系统基于信息物理融合第三次工业革命用电子和IT技术实现制造流程的进一步自动化第二次工业革命随着基于劳动分工的、电力驱动的大规模生产的出现第一次工业革命随着蒸汽驱动的机械制造设备的出现18世纪末20世纪初20世纪70年代现在1784年第一台纺织机1870年第一条生产线美国辛辛那提屠宰场1959年第一个可编程逻辑控制器PLC工业1.0:机器制造，机械化生产；工业2.0:流水线，批量生产，标准化；工业3.0:高度自动化，无人/少人化生产；工业4.0:网络化生产，虚实融合。7“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。国内外工业发展现状国外发展现状国内发展现状泉州发展现状德国作为世界工业制造的翘首，在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出“工业4.0”的概念，通过《保障德国制造业的未来——关于实施工业4.0战略的建议》完成了未来十年德国国家工业发展战略级规划。并率先完成了对信息物理系统(CPS)、产品生命周期管理(PLM)、全集成自动化(TIA)、实时定位识别协同(LIS)等体系化的研究及应用。中国首套工业4.0流水线也已经亮相第十六届中国工业博览会，并由工信部及中国工程院牵头完成了《中国制造2025》的工业规划。上海柯马、华晨宝马等一批中国制造领头企业正借助引入国外先进技术，率先与国际接轨进行工业4.0改造实践。泉州目前工业现状是，全面实现达到工业1.0，大部达到工业2.0，局部具有工业3.0，点状出现工业4.0萌芽。晋江市和哈工大共同投入研发了具有共性技术的“食品自动包装线”、“大规格瓷砖自动包装线”和“纺织自动断线检测系统”目前已投入产业化阶段。泉州作为全国“中国制造2025”唯一的地方样板和实践范例，相信对整个产业升级及地方经济的发展都是一个重大的机遇。8目录第一部分工业发展历程第三部分核心技术内涵第二部分工业4.0简介第四部分应用场景第五部分机遇与挑战9工业4.0简介通过互联网等通信网络将工厂与工厂内外的事物和服务连接起来，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。工业4.0的概念在生产能力上，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。发展优势主要是通过深度应用CPS（信息物理系统），总体掌控从消费需求到生产制造的所有过程，由此实现高效生产管理。实现方式10智能工厂：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、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该计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；破译“工业4.0”--2大主题注：“工业4.0”项目主要分为三大主题:一是智能工厂；二是智能生产；三是智能物流：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。11破译“工业4.0”--工业4.0--3个重点和8大关键12工业4.0的愿景德国学术界和产业界认为，“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统—信息物理系统（Cyber-PhysicalSystem)[5]相结合的手段，将制造业向智能化转型。13畅想“工业4.0”14工业4.0三大趋势在未来，生产过程中的每一步都将在虚拟世界被设计、仿真以及优化，为真实的物理世界包括物料、产品、工厂等建立起一个高度仿真的数字“双胞胎”虚拟与现实世界的完美融合生产网络在未来的只能工厂中，产品信息都将被输入到产品零部件本身，他们会根据自身生产需求，直接与生产系统和设备沟通，发出下一道生产工序指令，指挥设备进行自组织生产。这种自主生产模式能够满足每个用户的“定制需求”制造运行管理系统（MOM）将帮助生产价值链中的供应商获得并交换实时的生产信息。供应商所提供的全部零部件都将在正确的时间以正确的顺序到达生产线。三大趋势信息物理融合系统15工业4.0下的产品特点产品是信息载体•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，请盖上集成了信息存储、传感、无线通信功能16目录第一部分工业发展历程第三部分核心技术内涵第二部分工业4.0简介第四部分应用场景第五部分机遇与挑战17工业4.0的三大技术支撑18核心技术内涵—信息物理系统信息物理系统（CPS）信息物理系统（CyberPhysicalSystem，CPS）强调物理过程与信息间的反馈。2008年美国加利福利亚大学的Lee.E在其技术报告《信息物理系统：设计挑战》中指出：信息物理系统是计算和物理过程的整合集成。嵌入式计算机和网络对物理过程进行监测和控制。从自动化技术的观点看，CPS是一种工程系统，由一个嵌入在物体中的计算和通信的内核，以及物理环境中的结构所监测和控制。基于上下文的自适应故障诊断辅助工具基于肢体动作的物理辅助移动式个性化自适应的辅助导航系统多模式的人机交互基于位置的维护和规划辅助工具基于虚拟现实/增强现实的复杂工作流程辅助管理工具19核心技术内涵—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系统触发了工业自动化模式转变服务云物理对象20核心技术内涵—物联网文化科技…工业CPS应用智慧工厂CPPS能源CPS应用智能电网移动通信CPS应用智能手机健康CPS应用智能健康…与所有领域相关的通用技术（语义技术、云计算服务平台）经济安全、工程、教育、参考框架、模型物联网工业4.0是物联网从消费服务领域向工业生产领域的扩展。21核心技术内涵—云计算、大数据云计算推动工业4.0的创新能力发展，通过资源的平台集中管理，实现智能化实时控制调配。同时大数据分析实现制造、库存、采购、物流等的最优化管理。行业应用软件即服务SAAS基础设施即服务IAAS平台即服务PAASOA切削云焊接云数据分析云…管理和业务这次恒安全CRM门户即时通信邮件内容管理工业应用ansysabqqusfluentblast基服础务基设础施身份认证ACLDataMiningFramework…CloudAPIDevelopmentFramework虚拟化主机存储网络其他硬件数据存储计算服务负载管理备份精加工云22核心技术内涵—人工智能通过采用机器人、无人搬运机、无人工厂等人工智能技术，实现智能工厂的建设，大幅度提升企业成本竞争了，同时创造更多的服务与软件行业岗位。通过机器视觉，指纹识别，人脸识别，视网膜识别，虹膜识别，掌纹识别，专家系统，自动规划，智能搜索，定理证明，博弈，自动程序设计，智能控制，机器人学，语言和图像理解，遗传编程等在工业制造中的实际应用，人工智能将越来越多的参与到工业4.0的推进当中，构建智能工厂。自1956年“人工智能”被提出以来，经过50多年的发展，“人工智能”取得了长足的发展，但在现实生活中的应用还是太少。随着工业4.0智能工厂概念的提出，机器人和人工智能将迎来一轮新的发展。23目录第一部分工业发展历程第三部分核心技术内涵第二部分工业4.0简介第四部分应用场景第五部分机遇与挑战2425应用场景当前汽车车身激光焊接生产线运行具有间歇性。间歇期各种设备的能耗占总能耗的12%。工业4.0之下，采用“网络唤醒模式”，可大幅减少间歇期能耗减少能耗当前产品设计已被高度固化，客户不可以将跨一款车的雨刷器用于跨厂商的其它车型。工业4.0之下，设计、生产均具有高度的灵活性，可以完成端到端的从客户需求到加工制造等各方面的配置，以较低的成本满足客户需求，实现产量很低仍能获利的一次性生产，为客户生产该款雨刷器。生产均具有高度的灵活性26当前汽车生产线也是高度静态配置，不可能将同一厂商不同产品组的部件相互置换。比如，客户不能将同是大众品牌下的保时捷的坐椅用于大众其它车型。工业4.0之下，将形成动态生产线，实现车辆的混装并确保匹配。动态生产线在工业4.0之下，生产系统将如同“社会机器”，以类似于社交网络的方式运转，自动连接到云平台搜索合适的专家处理问题。专家将通过集成的知识平台，通过移动设备更有效地进行传统的远程维护服务。远程维护服务应用场景27智慧工厂案例面向智慧工厂的app商店---下载量身定制的用户界面面向智慧工厂的室内精确定位智慧工厂中的机器人技术智慧工厂中的增强现实技术28智慧工厂案例智慧工厂中的智能装配29工业4.0工厂畅享通过工业4.0的制造方案，产品设计时间、成本、产品质量、设备可用率均得到了显著提升。30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APP31智能产品案例-波音32智能产品案例-德国企业33目录第一部分工业4.0简介第三部分核心技术内涵第二部分国内外发展历程第四部分应用场景第五部分机遇与挑战34中国制造现状—“大而不强”从中国制造业形势看，2013年工业占GDP的37%，装备制造业产值规模突破20万亿元人民币，占全球装备制造业总量的三分之一以上。中国发电设备产量约占全球总量的60%；造船占全球比重的41%；机床占全球比重38%。在500余种工业产品中，中国有220多种产量居世界第一。发达国家正在进行“再工业化”运动东盟国家、印度和拉美国家则拥有更低的劳动力和资源成本。美国、德国、英国等发达国家纷纷提出以重振制造业为核心、以信息网络技术、数字化制造技术应用为重点，旨在依靠科技创新，抢占制造业新的制高点的“再工业化”战略。如何将中国制造转变为中国创造，如何提升中国制造业的全球竞争力，成为中国政府和企业的一大任务。人口红利消失劳动力供给减少人口成本上升从事制造业意愿降低国际金融危机，凸显实体经济的重要性中国的“世界工厂”面临双重挑战35工业4.0与两化融合横向一体化提升竞争力可持续发展工业4.0两化融合智能工厂智能生产信息化工业化技术融合产业衍生产品融合业务融合横向一体化垂直一体化价值网络实现横向集成垂直集成和网络化的制造系统端到端数字集成横跨整个价值链随着全球工业向4.0时代的大步迈进，面对以信息网络技术创新引领的智能化制造新趋势，大力推进两化深度融合成为打造中国制造业升级版的必然选择。36推动泉州制造业新腾飞从产业上看，制造业占泉州GDP（本地生产总值）比例超过50%，产业集群效应已现——石化、纺织服装、鞋业产值超千亿元，装备制造、建筑建材、食品饮料业产值超500亿元；光上市企业就有86家。《中国制造2025》泉州为唯一地方样板和实践范例借助工业4.0及两化融合契机实现产业升级，促进区域经济再次腾飞。未来泉州政府和企业的关键任务。劳动密集型产业主导创新能力不强产品附加值不高智能制造质量品牌提升服务型制造加强研发及推广，借实施数控一代示