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工業4.0智能制造專題研究系列一

發布時間:2017年2月9日 13:28 來源:

1、工業4.0概覽

1.1、背景

工業 1.0:機械化,以蒸汽機為標志,用蒸汽動力驅動機器取代人力,從此手工業從農業分離出來,正式進化為工業。

工業 2.0:電氣化,以電力的廣泛應用為標志,用電力驅動機器取代蒸汽動力,從此零部件生產與產品裝配實現分工,工業進入大規模生產時代。

工業 3.0:自動化,以 PLC(可編程邏輯控制器)和 PC 的應用為標志,從此機器不但接管了人的大部分體力勞動,同時也接管了一部分腦力勞動,工業生產能力大幅度提升。

隨著互聯網以及人工智能等計算機新技術的發展,工業界越來越需要機器進行自我認知和學習,工廠的管理也逐漸從操作人員的管理向機器數據的管理轉變,從而誕生了工業4.0概念。


1: 工業 1.0 至工業 4.0



資料來源:DFKI,國海證券研究所

1.2、定義

工業4.0是以智能制造為主導的第四次工業革命。由德國教研部、科技部、西門子、博世等在 2013 年 4 月的漢諾威工業博覽會上聯合正式推出,其目的是為了提高德國工業的競爭力,在新一輪工業革命中占領先機。

工業4.0的概念目前仍然是相對模糊的,可以被理解為一個大的生態系統。從供應商到制造車間,再到下游客戶,全過程實現智能化和網絡化。工廠內部生產過程高度智能化,云技術和大數據貫穿其中,CPS(Cyber-Physical Systems)賦予設備互聯通信,并且可以實現全過程數字管理,形成一個完整的生態鏈,在這個生態鏈中,主要的角色有:供應商、企業、工廠、設備、客戶等,連接這些角色的是CPS系統。工業4.0利用CPS將生產中的供應、制造、銷售數據信息數據化,形成有效的網絡,信息共享和交流,最后達到快速、有效、個性化的產品供應。

2:工業4.0產業鏈

資料來源:國海證券研究所

1.3、德國工業 4.0 的戰略要點


3:工業 4.0 的核心

資料來源:國海證券研究所

1套網絡:CPS

CPS就是將物理設備連接到互聯網上,讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等五大功能,從而實現虛擬網絡世界與現實物理世界的融合。CPS可以將資源、信息、物體以及人緊密聯系在一起,從而創造物聯網及相關服務,并將生產工廠轉變為一個智能環境。工業 4.0 所要追求的就是在企業內部實現所有環節信息無縫鏈接,打破信息孤島,這是所有 智能化的基礎。

4:信息物理系統(CPS)

資料來源:bosch,國海證券研究所

4大主題:智能生產、智能工廠、智能物流、智能服務

智能生產:側重點在于將人機互動、3D 打印等先進技術應用于整個工業生產過程,并對整個生產流程進行監控、數據采集,是實現工業 4.0 的關鍵。

智能工廠:現代工廠信息化發展的新階段, 是在數字化工廠的基礎上, 利用物聯網技術和設備監控技術加強信息管理和服務; 清楚掌握產銷流程、 提高生產過程的可控性、 減少生產線上的人工干預、 及時采集生產線數據, 合理的生產計劃安排, 加上綠色智能的手段和智能系統等新興技術于一體, 構建一個高效節能、 綠色環保、環境舒適的人性化工廠。


5:基于服務互聯網和物聯網的智能工廠架構

資料來源:國海證券研究所

智能物流:通過互聯網、移動互聯網、物聯網和企業內網,整合物流資源,充分發揮現有物流資源供應方的效率。需求方則能快速獲得服務匹配并能得到智能物流支持。

智能服務:智能產品配合狀態感知控制, 運用大數據分析, 將改變產品的現有銷售和使用模式,增加了在線租用、自動配送和返還、優化保養和設備自動預警、自動維修等智能服務新模式。

 

3項集成

工業 4.0 中的三項集成包括橫向集成、縱向集成與端對端的集成,三大集成打通企業內外信息流。

6:3項集成

資料來源:國海證券研究所

縱向集成(車間):基于未來智能工廠中網絡化的制造體系,主要解決企業內部的集成,即解決信息孤島的問題,解決信息網絡與物理設備之間的聯通問題。

7:縱向集成

資料來源:國海證券研究所

端到端集成(產業鏈): 端到端集成是指貫穿整個價值鏈的工程化信息系統集成,以保障大規模個性化定制的實施。端到端集成以價值鏈為導向,實現端到端的生產流程,實現信息世界和物理世界的有效整合。

8:端到端集成

資料來源:惠普,國海證券研究所

橫向集成(生態):橫向集成是指貫穿整個生態系統的工程化數字集成。以往的工廠生產中,產品或零部件生產只是一個獨立過程,之間沒有任何聯系, 橫向集成通過外部的網絡協同制造使得一個工廠可以和全產業鏈聯系起來,實現了價值鏈上的橫向產業融合。

9:橫向集成

資料來源:國海證券研究所

1.4、工業4.0的九大技術支柱

工業物聯網是工業 4.0 的核心技術,融合了機器學習和大數據技術,使用大量的傳感器 數據,機器對機器(M2M)通信,以及自動化技術。其背后理念是基于大數據的智能工業,能比人類更精確的處理、傳遞數據,為企業節省時間和金錢,實現工業產出和效率最優。

工業云計算。在工業 4.0 時代里,更需要跨站點和跨企業的數據共享,與此同時,云技術的性能將提高,只在幾毫秒內就能進行反應。其結果是設備數據將存儲在云中,生產系統可以提供更多的數據驅動服務,許多工業監測和控制處理也將進入云端。

工業大數據。工業 4.0 時代,無數的傳感器終端產生海量的大數據,基于大數據分析能 夠優化產品質量、節約能源,提高設備服務。在工業 4.0 背景下,將對來自開發系統、 生產系統、企業與客戶管理系統等不同來源的數據進行全面的整合評估,使其成為支持 實時決策的標準。

工業機器人被譽為制造業皇冠上的明珠,機器人越來越智能化,已經被長期使用來處理復雜的任務,機器人將成為工業 4.0 整個大系統中不可或缺的智能終端,既能高效精確的執行各種定制化、柔性生產任務,也能反饋生產中的各種數據。

3D 打印。以 3D 打印為代表的增材制造完全不同于傳統的減材制造方式,可以生產出各種形狀的商品,催生多種復雜而輕巧造型設計,在小批量定制產品的生產中更加廣泛地應用。

知識工作自動化。工業時代需要工業自動化知識時代必須知識自動化。知識自動化將在智慧社會、智能產業、智能制造以及工業 4.0、工業 5.0 當中起到核心的作用。實現知識自動化的主要方法和技術包括智能控制、人工智能、機器學習、人機接口、基于大數據的管理。從物理過程的自動化到虛擬空間的自動化是關鍵。

工業網絡安全。深度網絡化和多層面互聯互通增加了攻擊路徑;傳統 IT 產品的引入帶來了更多安全漏洞;新興信息技術在工業控制領域的防護體系尚不成熟,這些都導致工業網絡面臨更多的安全挑戰。

虛擬現實極大提高生產效率。把虛擬的場景放在研發當中、放在新生產之前的測試中。過去我們是用圖紙把產品生產出來,然后再不斷的進行迭代和改善。未來通過虛擬現實,整個產品在生產前在電腦前就經過幾千萬次的改善,整個生產的效率將會急劇提高。

人工智能。是計算機科學的一個分支,它企圖了解智能的實質,并生產出一種新的,能以人類智能相似的方式做出反應的智能機器,該領域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等。

 

1.5、工業互聯網:美國對于未來工業的戰略野心

在美國,“工業 4.0”的概念更多的被“工業互聯網”所取代,盡管稱呼不同,但這兩個概念的基本理念一致,就是將虛擬網絡與實體連接,形成更具有效率的生產系統。

“工業互聯網”的概念最早由通用電氣于 2012 年提出,隨后美國五家行業龍頭企業聯手組建了工業互聯網聯盟(IIC),將這一概念大力推廣開來。除了通用電氣這樣的制造業巨頭,加入該聯盟的還有 IBM、思科、英特爾和 AT&T 等 IT 企業。通用電氣認為工業互聯網革命可以再造一個美國經濟工業互聯網聯盟采用開放成員制,致力于發展一個“通用藍圖”,使各個廠商設備之間可以實現數據共享。該藍圖的標準不僅涉及 Internet 網絡協議,還包括諸如 IT 系統中數據的存儲容量、互連和非互連設備的功率大小、數據流量控制等指標。其目的在于通過制定通用標準,打破技術壁壘,利用互聯網激活傳統工業過程,更好地促進物理世界和數字世界的融合。盡管上述標準的建立和最終批準可能需要幾年時間,但一旦這些標準建立起來,將有助于硬件和軟件開發商創建與物聯網完全兼容的產品, 最終結果可能是實現傳感器、網絡、計算機、云計算系統、大型企業、車輛和數以百計其他類型的實體得以全面整合,推動整個工業產業

鏈的效率全面提升。

近年來,雖然美國依舊在航空航天、芯片制造等先進制造業領域占據全球領先地位,但其制造業內部空心化的局面,和在全球市場份額中的丟失已經很難通過簡單的政策調整或商業方式加以扭轉。與德國渴望利用新的變革重塑領導地位類似,美國亦認為,更有效的方法是一場具有變革性的制造業模式轉變,這樣才能使其從本質上突破現有的國際行業格局,再次實現在新的制造業中的復興。與此同時,美國同樣面臨類似的人口結構問題,國際消費者對產品定制化多樣化的要求也從內外部促使美國利用其在信息產業的優勢對制造業加以改造。

與德國工業 4.0 強調的“硬”制造不同,軟件和互聯網經濟發達的美國更側重于在“軟”服務方面推動新一輪工業革命,希望借助網絡和數據的力量提升整個工業的價值創造能力。可以說,美國版的工業 4.0 實際上就是“工業互聯網”革命。而在此過程中,除了美國政府的政策扶持外,行業聯盟的率先組建成為發展的重要推手。

 

工業互聯網聯盟與工業 4.0 平臺開展合作

2016 年 3 月 2 日,工業 4.0 平臺(PlattformIndustrie 4.0)和工業互聯網聯盟(Industrial Internet Consortium, IIC)的代表在瑞士蘇黎世會面,探討在雙方各自推出的參考架構——RAMI 4.0 和 IIRA——之間建立某種一致性的可能。會議取得了成功,成果包括:雙方就兩種模型的天然互補性達成共識;形成了初始映射圖,以顯示兩種模型其元素之間的直接關系;制訂了未來確保互操作性的一個清晰路線圖。其它潛在議題包括:在 IIC 試驗臺和工業 4.0試驗設施方面的合作,以及工業互聯網中標準化、架構和業務成果方面的合作。

18:工業 4.0 參考架構模型(RAMI4.0)    圖 19:工業互聯網參考架構(IIRA)

資料來源:工控網,國海證券研究所    資料來源:工控網,國海證券研究所

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