工業(yè)4.0-教學詳解

1、12021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 時間時間 復復 雜雜 程程 度度 工業(yè)革命工業(yè)革命1.0 18世紀末 1784 工業(yè)革命工業(yè)革命2.0 20世紀初 電力廣泛應(yīng)用 蒸汽機 工業(yè)革命工業(yè)革命3.0 電子、IT、工 業(yè)機器人 工業(yè)革命工業(yè)革命4.0 信息物聯(lián)系統(tǒng) nIndustry 4.0 德國高科技戰(zhàn)略計劃首位德國高科技戰(zhàn)略計劃首位 22021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 智能化環(huán)境智能化環(huán)境 嵌入式計算機嵌入式計算機智能工廠智能工廠 智能手機智能手機 智能卡智能卡 90%的計算機的計算機 都是嵌入式都是嵌入式 多個多個計算機計算機:1個用戶

2、個用戶 1個個計算機計算機:1 個用戶個用戶 PC 中央計算機中央計算機 1個個計算機計算機: 多多個用戶個用戶 基于物聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)的智能基于物聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)的智能 環(huán)境發(fā)展過程環(huán)境發(fā)展過程 32021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 高精度高品質(zhì)多品種小高精度高品質(zhì)多品種小 批量的批量的智能產(chǎn)品智能產(chǎn)品 綠色綠色生產(chǎn)生產(chǎn): :清潔清潔、資源、資源 利用率高的可持續(xù)發(fā)展利用率高的可持續(xù)發(fā)展 智能工廠位于城市智能工廠位于城市 的的城市生產(chǎn)城市生產(chǎn) 42021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) nIndustry 4.0 德國高科技戰(zhàn)略計劃首位德國高科技戰(zhàn)略計劃首位

3、 “工業(yè)4.0” 研究項目由德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟技術(shù) 部聯(lián)手資助,在德國工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會、西門子公 司等德國學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動下形成,并已上升 為國家級戰(zhàn)略。德國聯(lián)邦政府投入達2億歐元。 52021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) Industry 4.0德國高科技戰(zhàn)略計 劃 兩大主題:智慧工廠、智能生產(chǎn) 智慧工廠 重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程,以及網(wǎng) 絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實現(xiàn) 智能生產(chǎn) 主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機 互動、3D打印以及增材制造等技術(shù)在工業(yè) 生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等 62021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) Indu

4、stry 4.0德國高科技戰(zhàn)略計劃 兩大主題:智慧工廠、智能生產(chǎn) 三個設(shè)想:產(chǎn)品、設(shè)施、管理 產(chǎn)品:集成有動態(tài)數(shù)字存儲器、感知和通信能 力,承載著在其整個供應(yīng)鏈和生命周期中所需 的各種必需信息 設(shè)施：由整個生產(chǎn)價值鏈所集成,可實現(xiàn)自組 織 管理：能夠根據(jù)當前的狀況靈活決定生產(chǎn)過 程 72021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 智慧工廠的架構(gòu) 基于物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)互聯(lián)網(wǎng) 物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng) 服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)互聯(lián)網(wǎng) 智能物料智能物料 APP平臺平臺 智能產(chǎn)品智能產(chǎn)品 APP平臺平臺 信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)信息物理生產(chǎn)系統(tǒng) 智慧工廠智慧工廠 APP平臺平臺 基于語義的基于語義的PLM、 ERP、Q

5、MS、ERP 82021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 智慧工廠的流程 基于云安全網(wǎng)絡(luò) 智能物料智能物料智能產(chǎn)品智能產(chǎn)品 云安全網(wǎng)絡(luò) 智慧工廠智慧工廠2N2N 智慧工廠智慧工廠1 1 智能智能 機床機床 1 智能智能 機床機床 2 面向機床的面向機床的APPAPP平臺平臺 信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)信息物理生產(chǎn)系統(tǒng) 機床間通信機床間通信 92021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 智慧工廠的布局 面向服務(wù)的工廠系統(tǒng)布局 服務(wù)庫 硬件無關(guān)硬件無關(guān) 抽象服務(wù)抽象服務(wù) 硬件相關(guān)硬件相關(guān) 設(shè)備控制設(shè)備控制 現(xiàn)場層 102021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智

6、 能生產(chǎn) 智慧工廠的車間 基于無線、RFID、傳感器和服務(wù)的架構(gòu) 112021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 工業(yè)4.0下的產(chǎn)品特點 集成了信息存儲、傳感、無線通信功能 產(chǎn)品是信息載體 產(chǎn)品在整個完整的供應(yīng)鏈和生 命周期中都一直帶有自身信息 產(chǎn)品是一個agent 產(chǎn)品會影響其所在環(huán)境 產(chǎn)品具有自監(jiān)測功能 產(chǎn)品會對其自身狀態(tài)和環(huán)境進 行監(jiān)測 我生產(chǎn)于2010 年4月30日,5 月3日出廠 請握中 間 已經(jīng)打開2分 鐘了,請蓋上 122021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 工業(yè)4.0下的數(shù)據(jù)挖據(jù)與知識發(fā)現(xiàn) 大數(shù)據(jù) 制造業(yè)存儲了超過其他工業(yè)部門的數(shù) 據(jù) 從

7、2010年以來新產(chǎn)品數(shù)據(jù)達到接近2艾 字節(jié)（216） 儀器儀表產(chǎn)品 供應(yīng)鏈管理系統(tǒng) 產(chǎn)品全生命周期系統(tǒng) 132021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 工業(yè)4.0下的多模式交互 多模式交互多模式交互 語音語音 圖形圖形/ /視覺視覺 手勢手勢 眼球跟蹤眼球跟蹤 面部表情面部表情 身體語言身體語言 肢體動作肢體動作 142021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 以人為中心的基于信息物理系統(tǒng)的智能工廠輔助系統(tǒng) 基于上下文的自適基于上下文的自適 應(yīng)故障診斷輔助工應(yīng)故障診斷輔助工 具具 基于肢體動作的物基于肢體動作的物 理輔助理輔助 移動式個性化自適移動式個性化自

8、適 應(yīng)的輔助導航系統(tǒng)應(yīng)的輔助導航系統(tǒng) 多模式的人機交互多模式的人機交互基于位置的維護和基于位置的維護和 規(guī)劃輔助工具規(guī)劃輔助工具基于虛擬現(xiàn)實基于虛擬現(xiàn)實/ /增強增強 現(xiàn)實的復雜工作流現(xiàn)實的復雜工作流 程輔助管理工具程輔助管理工具 152021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 面向智慧工廠的APP商店 下載量身定制的用戶界面 162021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 面向智慧工廠的室內(nèi)精確定位 172021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 智慧工廠中的增強現(xiàn)實技術(shù) 工業(yè)環(huán)境工業(yè)環(huán)境 佩戴谷歌眼鏡的工佩戴谷歌眼鏡的工 人人 工具工具

9、 182021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 智慧工廠中的機器人技術(shù) 今天今天 明天明天 機器人不再被固定在機器人不再被固定在 安全工作地點而是與人一起協(xié)同工作安全工作地點而是與人一起協(xié)同工作 新一代輕新一代輕量化量化, ,靈活靈活的機器人與人類在智能工廠一起協(xié)同工作的機器人與人類在智能工廠一起協(xié)同工作 192021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 智慧工廠中的智能裝配 DFKI研發(fā)的抽象產(chǎn)品記憶系統(tǒng)用于自適應(yīng)抓取和智能產(chǎn)品裝研發(fā)的抽象產(chǎn)品記憶系統(tǒng)用于自適應(yīng)抓取和智能產(chǎn)品裝 配配 在頭部安裝立體在頭部安裝立體 相機相機, ,在在手臂靠手臂靠 近物體的地

10、方安近物體的地方安 裝裝3D3D攝像頭攝像頭 機器人利用左手內(nèi)部天線從產(chǎn)品內(nèi)存中機器人利用左手內(nèi)部天線從產(chǎn)品內(nèi)存中 讀取尺寸、重量和加持讀取尺寸、重量和加持點點,同時同時機器人能機器人能 夠從信息物理系統(tǒng)中獲得產(chǎn)品裝配說明夠從信息物理系統(tǒng)中獲得產(chǎn)品裝配說明 書書 202021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 工業(yè)4.0自動化-信息物理系統(tǒng)（CPS） 信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System,CPS）強調(diào) 物理過程與信息間的反饋。 2008年美國加利福利亞大學的Lee.E在其技術(shù)報告 信息物理系統(tǒng):設(shè)計挑戰(zhàn)中指出:信息物理系 統(tǒng)是計算和物理過程的整合集成。嵌入

11、式計算機 和網(wǎng)絡(luò)對物理過程進行監(jiān)測和控制。 從自動化技術(shù)的觀點看,CPS是一種工程系統(tǒng),由一 個嵌入在物體中的計算和通信的內(nèi)核，以及物理 環(huán)境中的結(jié)構(gòu)所監(jiān)測和控制。（Karl Henrik Johansson，2011） 以信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)CPPS為模型構(gòu)建智慧工廠， 或者數(shù)字化工廠 212021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 工業(yè)4.0自動化-信息物理系統(tǒng)（CPS） 算法算法 文檔文檔 三維模型三維模型 工藝數(shù)據(jù)工藝數(shù)據(jù) CPS:系統(tǒng)系統(tǒng)中的物理對象和相應(yīng)的虛擬對象中的物理對象和相應(yīng)的虛擬對象 通過泛在信息網(wǎng)絡(luò)進行通信通過泛在信息網(wǎng)絡(luò)進行通信 Cyber:算法算法和和服

12、務(wù)服務(wù),服務(wù)服務(wù)的動態(tài)集成的動態(tài)集成 和服務(wù)提供和服務(wù)提供商商,并并跨越邊界進行信息交流跨越邊界進行信息交流 Cyber:包括包括3D模型模型,仿真模型仿真模型,文檔文檔,關(guān)系關(guān)系， 工作條件等數(shù)據(jù)能夠通過可變信息網(wǎng)絡(luò)在工作條件等數(shù)據(jù)能夠通過可變信息網(wǎng)絡(luò)在 任何地方和任何時間進行搜集任何地方和任何時間進行搜集 Physcial:在在生產(chǎn)系統(tǒng)中的人和自動化模塊生產(chǎn)系統(tǒng)中的人和自動化模塊 具有智能化、自我解釋、自我意識、自我具有智能化、自我解釋、自我意識、自我 診斷、交互評估能力診斷、交互評估能力 CPS系統(tǒng)觸發(fā)了工業(yè)自動化模式轉(zhuǎn)變系統(tǒng)觸發(fā)了工業(yè)自動化模式轉(zhuǎn)變 服務(wù)服務(wù) 云云 物理物理 對象對象

13、222021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 工業(yè)4.0自動化-信息物理系統(tǒng)（CPS） 文化 工業(yè)工業(yè) CPS應(yīng)用應(yīng)用 智慧工廠智慧工廠 CPPS 能源能源 CPS應(yīng)用應(yīng)用 智能電網(wǎng)智能電網(wǎng) 移動通信移動通信 CPS應(yīng)用應(yīng)用 智能手機智能手機 健康健康 CPS應(yīng)用應(yīng)用 智能健康智能健康 與所有領(lǐng)域相關(guān)的通用技術(shù) （語義技術(shù)、云計算服務(wù)平臺） 經(jīng)濟 安全、工程、教育、參考框架、模型安全、工程、教育、參考框架、模型 物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng) 232021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 工業(yè)4.0自動化-信息物理系統(tǒng)（CPS）通過價值鏈實現(xiàn)橫向集成通過價值鏈實現(xiàn)橫向集成

14、 跨整跨整 個價個價 值鏈值鏈 的工的工 程程 242021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 工業(yè)4.0自動化-信息物理系統(tǒng)（CPS） 垂直集成與網(wǎng)絡(luò)化制造垂直集成與網(wǎng)絡(luò)化制造 在明天的智慧在明天的智慧工廠工廠,生產(chǎn)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)不會是固定結(jié)構(gòu)不會是固定的的,預(yù)定預(yù)定義的。義的。相反相反, 一一組組IT配置的配置的 規(guī)則將被定義，可以根據(jù)具體情況規(guī)則將被定義，可以根據(jù)具體情況 進行工廠結(jié)進行工廠結(jié) 構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)配置組合，其中包括針對模型，數(shù)據(jù)，通信和構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)配置組合，其中包括針對模型，數(shù)據(jù)，通信和 計算計算 算法的所有相關(guān)要求。算法的所有相關(guān)要求。 252021/3/27 4

15、.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 工業(yè)4.0的標準規(guī)范 工業(yè)工業(yè)4.0 智慧工廠智慧工廠 標準標準 EMMA: 多模式工業(yè)輔多模式工業(yè)輔 助系統(tǒng)助系統(tǒng) OMM: 語義產(chǎn)品內(nèi)存語義產(chǎn)品內(nèi)存 USDL: 信息物理產(chǎn)品系信息物理產(chǎn)品系 統(tǒng)中的語義服務(wù)統(tǒng)中的語義服務(wù) 262021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 智能產(chǎn)品案例-智能化汽車 動力管理動力管理APP 駕駛員輔助駕駛員輔助 APP 智能用戶界面智能用戶界面 APP 綠色駕駛綠色駕駛 APP 272021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 智能產(chǎn)品案例-波音 波音公司已經(jīng)在一些領(lǐng)域（軍用民用）應(yīng)用信息物理 系統(tǒng),從中獲益匪淺。 CPS 對于波音公司航空航天領(lǐng)域至關(guān)重要 282021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 德國一些企業(yè)已經(jīng)開始實施industry 4.0 TRUMPF公司 SAP公司 WITTENSTEIN公司FESTO公司 BOSCH公司 292021/3/27 4.1 工業(yè)4.0從智慧工廠到智 能生產(chǎn) 總結(jié) 多品種小批量智能產(chǎn)品的高精度卓越