工业4.0与智能工厂规划

工业4 0与智能工厂规划 中美贸易摩擦的起因 美的集团美的集团2016年 美的斥资42亿美元收购了德国顶尖机器人集团之一库卡 Kuka 美国认为美的收购库卡得到了中国政策性银行的帮助 例如中国进出口银行 中国化工中国化工斥资440亿美元收购全球最大的农药和种子集团之一瑞士先正达 这宗交易完成后 美国的4000名员工 33处研究基地以及31处生产和供应基地将由中国国企控制 中国中车中车集团近几年进入美国市场 拿下了波士顿 芝加哥 洛杉矶 费城供应地铁列车的合同 比亚迪2015年9月 比亚迪被列入华盛顿州交通局800台纯电动大巴采购清单 比亚迪纯电动大巴已经遍布美国30多个州 成为美国电动大巴市场具有垄断地位的品牌 此外 比亚迪在美国储能电站领域的市场份额也已经达到了50 清华紫光美国贸易办公室称 清华紫光由清华大学控股 成立使命就是通过收购把国外的半导体技术带到中国 例如清华紫光旗下的华创投资收购了美国数字成像公司OmniVision 清华紫光2015年还曾准备收购西部数据 但因美国监管部门的调查而放弃 3 4 5 2 新一代信息通信技术产业 10 1 7 8 9 6 航空航天装备 先进轨道交通装备 电力装备 新材料 高档数控机床和机器人 海洋工程装备及高技术船舶 节能与新能源汽车 农机装备 生物医药及高性能医疗器械 中国制造2025 10大重点领域 第一次工业革命对世界的影响 圈地运动 采矿运动 蒸汽机轮船 蒸汽机纺织机 殖民运动 海外市场开拓 世界贸易与分工 火车等运输工具 蒸汽机工业 工业革命的四个阶段 工业1 0发生在英国 让英国成为世界霸主 工业2 0让德国 日本 美国经济崛起 德国 日本二战战败 美国成为世界超级大国 工业3 0美国主导 其他国家纷纷效仿 美国 德国 日本等国家全面普及工业3 0 可口可乐的生产车间里 生产线上连续过来了三个瓶子 每个瓶子都自带一个RFID电子标签 里面记录着这是为张三 李四和王二麻子定制的可乐 第一个瓶子走到灌装处时 通过电子标签的无线通讯告诉中控室的控制器 说张三喜欢甜一点的 多放糖 然后控制器就告诉灌装机器手 加二斤白糖 张三真倒霉 第二个瓶子过来 说李四是糖尿病 不要糖 控制器就告诉机器手 这货不要糖 第三个瓶子过来 说王二麻子要的是芬达 控制就告诉灌可乐的机械手 你歇会 再告诉灌芬达的机械手 你上 大规模 多品种定制生产 每一灌可乐从你在网上下单的那一刻起 他就是为你定制的 这就是智能生产 一个智能生产的虚拟场景 生产流程智能化 生产设备能动态适应个性化的产品生产需求 是实现工业4 0的重要标志 蒸汽机 普通机床 数控机床 智能机床 工业1 0 机械化 工业2 0 电气化 工业3 0 数字化 自动化 工业4 0 智能化 加工装备 电动机 电气化 机床 电脑 按编程操作 数控机床 智能控制 工艺优化 工业革命的四个阶段 机床为例 加工装备 蒸汽机 机械化 2015201420132012 主要工业国家纷纷出台制造业创新战略 德国工业4 0 德国工业4 0 在2013年4月的汉诺威工业博览会上 德国政府正式推出 工业4 0 德国工业4 0提出背景 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20 出口总额的60 影响极大 1 2 3 5 6 7 8 4 德国 工业4 0 战略的要点可以概括为 建设一个网络 研究两大主题 实现三项集成 实施八项计划 什么是信息物理系统 CPS 信息物理系统 CPS 是一个综合计算 通信 网络 控制和物理环境的多维复杂系统 手机 CPS是由传感器 嵌入式终端系统 智能控制系统 通信设施共同组成的智能网络 使人与人 人与机器 机器与机器以及服务与服务之间能够互联 信息物理系统 CPS 是智能制造的本质 CPS将信息世界和现实世界联系在一起 智能目标之间可以互动和互相交流 信息物理系统 CPS 是智能制造的本质 CPS让物理设备具有计算 通信 精确控制 远程协调和自治等五大功能 在生产制造过程中 与设计 开发 生产有关的所有数据将通过传感器采集并进行分析 形成可自律操作的智能生产系统 二 工业4 0时代的智能制造 信息物理系统 CPS 是智能制造的本质 德国工业4 0两大主题 智能生产 侧重点在于将人机互动 智能物流管理 3D打印等先进技术应用于整个工业生产过程 从而形成高度灵活 个性化 网络化的产业链 在工业4 0的战略蓝图中 把智能生产描绘成工厂可以为单件小批量的单个客户提供个性化生产服务 而不是只能按照固定的生产流程生产 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 流程型制造与离散型制造 离散型制造是将不同的现成元部件及子系统装配加工成较大型系统 例如电脑 汽车 家电及工业用品制造等 流程型制造是通过一条生产线将原料制成成品 比如集成电路 冶金 石化 药品及食品 饮料制造等 智能制造技术 新型传感技术模块化 嵌入式控制系统设计技术先进控制与优化技术系统协同技术故障诊断与健康维护技术高可靠实时通信网络技术功能安全技术特种工艺与精密制造技术识别技术 主要包括 工业4 0的三项集成 纵向集成 企业内部信息孤岛的集成 企业内部实现所有环节信息无缝链接 解决信息网络与物理设备之间的联通问题 横向集成 企业之间通过价值链机信息网络来实现资源整合 供应商 销售商 用户 端到端集成 围绕客户价值进行的集成 从用户需求开始 贯穿产品整个生命周期的研发设计 原料供应 生产制造 物流配送 销售服务等各个环节 最终满足用户需求 在为客户提供更有价值的产品和服务同时 重构产业链各环节的价值体系 标准化和参考架构 管理复杂系统 一套综合的工业宽带基础设施 安全和保障 工作的组织和设计 培训和持续的职业发展 监管框架 资源利用效率 德国工业4 0中的八项措施 德国政府 西门子 SAP 德国工业4 0的重要推动者 工业4 0 智能制造 的关键技术 智能传感器RFID3D打印工业机器人智能加工装备智能制造工艺工业软件与网络 智能工厂的四个特征 小组研讨 为什么汽车行业自动化程度比较高 汽车制造过程 冲压 白车身 总装 动力系统 喷漆 质量 自动化视频案例 特斯拉汽车工厂 自动化设备 冲压设备 模具 切割 压铸 焊机设备 点焊 凸焊 缝焊 弧焊 喷漆设备装配设备检测设备清洗设备运输设备 线体 吊装 AGV 搬运 固定工装 据统计每辆汽车车身上 大约有3000 4000个电阻点焊焊点 在汽车车身装焊工艺中 点焊工艺仍处于主导地位 电阻点焊技术的应用实现了汽车车身制造的量产化与自动化 横梁总成托架点焊传动轴平衡片凸焊汽车燃油箱缝焊汽车轮圈连续闪光对焊汽车转向臂 消声器 净化器壳体的电弧焊等 自动化设备 焊接设备 智能组件 数据采集 自动控制 信息交互 系统集成 机器人 工艺治具 传感器 仪器仪表 PLC 驱动件 智能装备 装备引进 装备定制 装备集成 通信网络 通信设备 通信协议 工业总线 智能物流 智能仓储 智能搬运 调度系统 识别系统 标识方式 移动识别 终端设备 检测装置 控制软件 人机互动 自动化装备及系统总体规划 自动化在制造业应用的重要意义 高效率 高精度 质量 安全 小组研讨 高度自动化会带来哪些隐患 智能工厂的四个特征 小组研讨 制造过程有哪些重要数据需要收集 生产过程数据 1 产品设计数据 2 工艺设计数据 3 设备运营数据 4 生产计划与执行数据 5 质量检测与监控数据 6 物流与供应链数据 ERP PDM MES 手持PDA终端 条码采集器 PLC 传感器 DCS SCADA RFID等硬件设备和系统 对生产过程进行实时数据采集 控制和监控的系统 数据采集方式 MES MES 制造执行系统 manufacturingexecutionsystem 关键支撑技术 软件与网络服务 MES 制造执行系统 manufacturingexecutionsystem MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理 当车间发生实时事件时 MES能对此及时做出反应 报告 并用当前的准确数据对它们进行指导和处理 SCADA与DCS PLC三者有何区别 SCADA的重点是在监视 控制 可以实现部分逻辑功能 PLC单纯的实现逻辑功能和控制 不提供人机界面 实现操作需借助与按钮指示灯 HMI以及SCADA DCS兼具二者功能 但是基本上用在比较大的系统中和一些控制要求高的系统中 SCADA 数据采集与监视控制系统 可实现对设备的数据采集 设备控制 测量 参数调节以及各类信号报警等各项功能 SCADA系统 信息化总体规划及架构 大数据 工业云 智能制造信息平台 基础信息平台 数据采集 分析优化 云计算 云服务 仿真优化 数据建模 过程仿真 综合优化 PDM 数据应用 产品研发 图文管理 项目管理 ERP 财务管理 计划库存 供需管理 APP 远程管理 远程监控 市场互动 仓储管理 物流管理 生产物控 WMS MES 生产管控 可视过程 质量追溯 研发软件 数字化 可仿真 数据交互 云协同 PLM 设计生产 流程管理 生命周期 数字化制造信息平台 基于数据共享及信息安全 智能服务 远程诊断 服务支持 智能运营 基于数字孪生技术的智能工厂 一 工艺设计智能化 二 生产过程智能化三 生产服务智能化 远程运维 诊断 操作 维护 用于奇瑞 江淮 一汽海马等自主品牌汽车生产 典型案例 汽车行业 实施数字化工厂带来的收益 小组研讨 推行数字化需要哪些先决条件 智能工厂的四个特征 2017年4月28日 康普顿设计产能10万吨 年的智慧工业园区启用 占地170亩 新工业园区内 设有储罐103个 总库容近3万立方米 做到专罐专线 引入了两条最先进的高速自动化灌装线 灌装线体最快速度可达12000桶 小时 国内润滑油行业首家启用立体智能仓库 在占地4000平米的位置 实现有10560个仓位 可存放近2亿货值润滑油产品 中国石油大连设计院规划设计 中国电子系统工程第四建设有限公司承建安装 康普顿黄岛工业园智慧工厂投产启用 流程型智能制造案例 九江石化 流程型智能制造案例 九江石化 构建智能化联动系统实现 管理 生产 操作协同 三层 管理层 ERP 实验室信息管理系统 LIMS 原油评价系统 计量管理系统 环境监测系统等 生产层 MES 调度系统 流程模拟系统 生成运行数据库 原油评价数据 分析数据 转换成具体操作指令 操作层 产品生命周期 PLM 流程模拟 根据排产计划 监测生产设备负荷 仪器仪表运行 采集实时数据等 建立炼化环节生产管控中心实现连续性生产智能化生产炼化环节建立生产管控中心 该中心集生产运行 全流程优化 环保监测 DCS控制 视频监控等多个信息系统于一体 实时汇集传递生产 安全 环保 工艺 质量等信息 通过数据分析 制定出精细化的生产安排 整个生产流程不再局限于单一的生产 而是一个数字化的操作集成 搭建内外协同联动系统实现数据连续性精准传输九江石化通过内外联动系统 实现了中控室与生产现场操作及时互通 当数字监控系统发现生产数据信息异常或者在日常检查中发现设备问题时 外出的操作人员就能及时将异常信息通过移动终端反馈到中控室 中控室再根据整个生产流程的运行参数 设备信息等综合数据做出评判 给出解决方案 并向现场操作人员发出指令 进而解决问题 应用智能仓储系统实现大宗物料 发货无人化建成了智能化的立体阀门仓库 仓储作业 配货送货效率显著提升 产品出厂发货实现了铁路装车自动定位 密闭灌装 流量远程控制 通过建设智能仓库 实现仓储 配货 灌装 发货流程无人化 既保障了安全性和效率 构建协同一体化管控模式实现各流程环节高效管理九江石化积极引入ERP MES 先进过程控制等管理方式 对管理层 生产层进行信息系统集成 实现了整个生产运营过程的数字化管控 极大地提升了对各项生产指标的预测 预警 以及动态分析与辅助决策能力 通过数字化 自动化 智能化的运营管理模式 生产优化能力由局部优化提升为一体化优化 由月度优化转变为实时在线优化 5G与4G对比 传输速度 5G 1 10Gbps4G 40 80Mbps 5G网络特征 高宽带 低延迟 广覆盖 高可靠 延迟 latency 5G 低于1ms4G 15ms 视频案例 工信部长谈5G 5G时代 每辆汽车都会连接起来 可以判定相互的位置 即使速度行驶到150km h 也能够有足够的响应速度 基于网络化的供应链资源共享与整合 基于网络化的供应链资源共享与整合 长安汽车 通过建立高度集成的供应链共享协同平台 实现了产业链上相关企业 客户之间的协同采购 协同生产 协同销售 协同服务等功能 基于网络化的供应链资源共享与整合 客户下单 物料准备 成品制造 物流发运 T周期 T 1周期 T 2周期 T 3周期 美的公司T 3模式 以用户需求为主导的给予客户订单满足的产销新模式 从23天降为12天 基于网络化的供应链资源共享与整合 美的公司 全国一盘货 美的公司把散落全国各地的大小货仓集中到安得手中 统一库存 统一物流 一个美的 对接所有代理商和经销商 提升运营效率 一盘货以后 如某经销商销量较大 可以调用同一仓库内其他经销商的共享存货迅速补给 避免断货和过期的窘境 智能工厂的四个特征 互联网时代的冲击 个性化与大规模制造 大规模制造 成本低效率高交货快标准化产品单一 成本高效率低交货慢个性化品种多 个性化制造 汽车总装柔性生产线 可以生产多种混合车型 并可以根据