工业4.0——概念、技术及演进案例

第1篇 工业4.0的概念、框架及意义 第1章 新科技革命引发第四次工业革命......................................... 2 1.1 新科技革命正在引发产业革命.......................................... 2 1.1.1 新时期的科技革命呈现出智能化、生态化等特点............................... 3 1.1.2 新科技革命与产业变革的互动具有复杂性..................................... 3 1.1.3 注重战略性新兴产业的发展，兼顾传统产业................................... 4 1.1.4 科技政策与产业政策的协调，推进国家科技发展战略........................... 5 1.2 历次工业革命的演进.................................................. 6 1.2.1 **次工业革命........................................................... 8 1.2.2 第二次工业革命........................................................... 9 1.2.3 第三次工业革命.......................................................... 10 1.2.4 三次工业革命对社会的冲击................................................ 11 1.3 第四次工业革命正在拉开序幕......................................... 13 1.3.1 经济爆发式增长和就业困境................................................ 15 1.3.2 企业不改变就灭亡........................................................ 16 1.3.3 放眼国家和全球.......................................................... 17 1.3.4 前所未有的社会变革...................................................... 18 1.3.5 无孔不入的技术.......................................................... 19 1.3.6 权衡公共信息与个人信息.................................................. 20 第2章 德国工业4.0战略分析................................................. 22 2.1 德国工业4.0战略计划简述............................................ 23 2.2 德国工业4.0规划愿景................................................ 24 2.2.1 工业4.0愿景 ............................................................ 25 2.2.2 工业4.0下的未来情景 .................................................... 25 2.2.3 新型的商业机会和模式 ................................................... 27 2.2.4 工作场所的全新社会基础设施 ............................................. 28 2.2.5 全新的基于服务和实时保障的CPS平台 ...................................... 29 2.2.6 工业4.0之路............................................................. 30 2.3 双重战略：成为领先的市场和供应商................................... 32 2.3.1 领先的供应商策略 ....................................................... 32 2.3.2 主导市场策略 ........................................................... 33 2.3.3 双重战略及其关键特征 ................................................... 34 2.4 需求研究........................................................... 37 2.5 优先行动领域....................................................... 39 2.5.1 标准化和开放标准的参考体系 ............................................. 39 2.5.2 管理复杂的系统 ......................................................... 42 2.5.3 为工业提供一个全面宽频的基础设施 ....................................... 45 2.5.4 安全是工业4.0成功至关重要的因素 ........................................ 46 2.5.5 数字化工业时代工作的组织和设计 ......................................... 50 2.5.6 培训和持续的职业发展 ................................................... 52 2.5.7 规章制度 ............................................................... 56 2.5.8 资源效率 ............................................................... 59 2.6 德国如何与世界其他国家竞争......................................... 63 2.7 展望............................................................... 65 2.8 德国工业4.0的新动态................................................ 66 2.8.1 工业4.0对就业岗位的影响................................................. 66 2.8.2 新开设的“中小企业4.0能力中心”......................................... 66 2.8.3 2018年全球数字化转型报告................................................ 67 第3章 工业4.0的概念、框架及启示........................................... 69 3.1 工业4.0的概念和内容框架............................................ 69 3.1.1 工业4.0的概念........................................................... 69 3.1.2 工业4.0的两大目标....................................................... 70 3.1.3 工业4.0的内容框架....................................................... 71 3.1.4 工业4.0的主要内容....................................................... 72 3.2 工业4.0的主要基础技术.............................................. 76 3.2.1 支持工业4.0的新一代IT技术............................................... 77 3.2.2 大数据是工业4.0的基础与核心技术......................................... 81 3.2.3 大数据、云计算和AI三者之间的关系........................................ 82 3.2.4 5G技术的到来加速工业物联网发展.......................................... 84 3.3 深入剖析“工业4.0”及其重要意义.................................... 86 3.3.1 德国为什么提出工业4.0规划 .............................................. 86 3.3.2 对德国工业4.0我们如何认识............................................... 90 3.3.3 德国工业4.0的全球影响和展望............................................. 95 3.3.4 德国工业4.0对中国的启示................................................. 96 第2篇 工业4.0的关键技术和解决方案 第4章 智能制造的关键技术及组织结构....................................... 100 4.1 CPS数字物理融合技术............................................... 100 4.1.1 CPS数字物理融合技术国内外研究态势...................................... 101 4.1.2 CPS数字物理融合技术体系................................................ 101 4.1.3 智能制造的技术机理：“人-信息-物理系统”............................... 109 4.2 智能制造.......................................................... 112 4.2.1 智能制造的三个基本范式................................................. 113 4.2.2 数字化制造............................................................. 114 4.2.3 数字化-网络化制造...................................................... 114 4.3 新一代智能制造——数字化-网络化-智能化制造........................ 114 4.3.1 新一代智能制造的系统组成与系统集成..................................... 115 4.3.2 智能产品与制造装备..................................................... 115 4.3.3 智能生产............................................................... 116 4.3.4 智能服务............................................................... 116 4.3.5 智能制造云与工业智联网................................................. 116 4.3.6 系统集成............................................................... 117 4.4 工业互联网技术.................................................... 117 4.4.1 企业网络............................................................... 117 4.4.2 工业以太网............................................................. 124 4.4.3 PROFINET实时工业以太网................................................. 130 4.4.4 工业以太网网络规划..................................................... 135 4.4.5 西门子工业以太网产品................................................... 142 4.5 工业网络安全...................................................... 146 4.5.1 工业基础设施与控制系统的安全现状与威胁................................. 147 4.5.2 工业信息安全在智能工厂中的关键性....................................... 149 4.5.3 工业控制系统政策与法规的影响........................................... 150 4.5.4 纵深防御理念........................................................... 151 4.5.5 控制系统的层级划分与安全策略........................................... 153 4.5.6 控制系统安全应用场景与西门子的解决方案................................. 155 4.5.7 工厂信息安全服务....................................................... 158 第5章 智能制造解决方案................................................... 160 5.1 工厂自动化与智能工厂数字化平台.................................... 160 5.1.1 智能工厂数字化平台概述................................................. 160 5.1.2 西门子自动化系统SIMATIC PCS 7.......................................... 163 5.2 西门子工程设计与运维软件COMOS..................................... 193 5.2.1 COMOS平台的特点........................................................ 193 5.2.2 COMOS一体化工程设计.................................................... 195 5.2.3 COMOS与DCS的集成....................................................... 196 5.2.4 COMOS数字化工厂与一体化运维............................................ 199 5.3 智能工厂中的数据源泉.............................................. 202 5.3.1 工业识别获取准确的信息使工厂透明化..................................... 203 5.3.2 工业识别系统原理及应用举例............................................. 203 5.3.3 西门子工业识别产品线简介............................................... 205 5.4 西门子制造执行系统（MES）产品SIMATIC IT eBR....................... 212 5.4.1 SIMATIC IT eBR介绍..................................................... 212 5.4.2 生命科学行业实施MES的必要性............................................ 222 5.4.3 实施MES给生命科学行业带来的优势........................................ 223 5.4.4 某制药企业实施MES的经验分享............................................ 225 5.4.5 西门子生命科学行业数字化制造运营管理产品家族........................... 226 5.5 PAT过程分析技术................................................... 231 5.5.1 PAT和QbD概述........................................................... 231 5.5.2 制药企业需要实施PAT.................................................... 232 5.5.3 如何成功实施PAT........................................................ 233 5.5.4 SIPAT——西门子提供的PAT数据解决方案................................... 234 5.5.5 案例研究............................................................... 238 第6章 工业互联网平台..................................................... 240 6.1 工业互联网的概念.................................................. 240 6.1.1 如何理解工业互联网..................................................... 240 6.1.2 工业互联网与工业物联网（IIoT）是什么关系............................... 241 6.1.3 工业互联网平台......................................................... 241 6.1.4 工业互联网与智能制造的关系............................................. 242 6.1.5 工业互联网与工业大数据的关系........................................... 242 6.1.6 工业互联网目前的成熟度................................................. 243 6.2 西门子MindSphere平台.............................................. 243 6.2.1 MindSphere概述......................................................... 243 6.2.2 MindSphere融合真实世界与数字化世界..................................... 244 6.2.3 MindSphere开放式平台即服务（PaaS）..................................... 247 6.2.4 MindSphere在特定领域行业的应用和数字化服务............................. 252 6.2.5 采用全数字化双胞胎进行闭环创新......................................... 256 6.3 美国工业互联网.................................................... 258 6.3.1 工业互联网的由来....................................................... 258 6.3.2 工业互联网联盟的运行机制............................................... 259 6.3.3 美国工业互联网的三大法宝............................................... 259 6.3.4 GE的工业云平台......................................................... 262 6.4 工业互联网平台发展趋势............................................ 266 6.5 对我国工业互联网发展的启示........................................ 268 第3篇 企业组织向工业4.0演进的策略与方法及案例 第7章 企业组织工业4.0的参考框架.......................................... 272 7.1 RAMI 4.0术语...................................................... 272 7.2 整体架构模型...................................................... 273 7.3 小公司怎么参与.................................................... 274 7.4 联合的走向........................................................ 275 7.5 中国智能制造参考架构.............................................. 276 7.6 数据编码标准体系建设.............................................. 279 7.6.1 数据编码标准体系建设的目标、内容及意义................................. 279 7.6.2 主数据编码管理体系概述................................................. 280 7.6.3 智通翔云主数据管理解决方案及系统....................................... 282 7.7 医药行业4.0的参考框架分析......................................... 284 7.7.1 医药行业自动化和信息化现状............................................. 285 7.7.2 医药行业4.0的推动力.................................................... 286 7.7.3 《医药工业发展规划指南》智能制造解读................................... 289 7.7.4 医药行业4.0的参考框架分析.............................................. 291 7.7.5 推进医药行业4.0面临的问题与应对之策.................................... 296 第8章 企业组织向工业4.0演进的策略与方法及途径............................ 298 8.1 中国制造2025...................................................... 298 8.1.1 原则................................................................... 298 8.1.2 《中国制造2025》规划................................................... 299 8.1.3 内容概要............................................................... 300 8.2 两化融合与工业互联网.............................................. 300 8.2.1 工业互联网与两化融合................................................... 301 8.2.2 工业互联网政策解读..................................................... 302 8.3 向工业4.0演进的策略及途径......................................... 303 8.3.1 智能制造现状比较分析................................................... 303 8.3.2 建设数字化企业的策略................................................... 304 8.3.3 数字化工厂的演进途径................................................... 305 8.4 智能化工厂规划的核心要素.......................................... 310 8.4.1 数据的采集和管理....................................................... 311 8.4.2 设备联网............................................................... 312 8.4.3 工厂智能物流........................................................... 312 8.4.4 生产质量管理和设备管理................................................. 312 8.4.5 智能厂房设计........................................................... 313 8.4.6 智能装备的应用......................................................... 313 8.4.7 智能产线规划........................................................... 314 8.4.8 制造执行系统........................................................... 314 8.4.9 生产无纸化............................................................. 314 8.5 企业组织向工业互联网演进的策略与方法.............................. 315 8.5.1 工业互联网是制造业转型升级的必由之路................................... 315 8.5.2 深入理解工业互联网..................................................... 316 8.5.3 制造业向工业互联网演进的路径........................................... 318 第9章 企业组织向智能制造演进的案例分析................................... 323 9.1 打响智慧战“疫”，守卫动物健康.................................... 323 9.1.1 智慧蜕变正当时......................................................... 324 9.1.2 端到端集成：从一体化工程到一体化运维................................... 325 9.1.3 纵向集成：快速响应复杂的市场需求....................................... 325 9.1.4 横向集成：挖掘大数据背后的价值......................................... 326 9.2 凯赛携手西门子打造生物制造领域的世界级数字化生产基地.............. 327 9.2.1 实现跨越............................................................... 327 9.2.2 研发提升............................................................... 329 9.2.3 保证反应无中断......................................................... 329 9.2.4 稳定高效的生产......................................................... 330 9.2.5 一体化运维............................................................. 331 9.3 弯道超车——西门子打造的全流程自动化无菌车间...................... 332 9.3.1 四大亮点打造样板车间................................................... 332 9.3.2 不仅是条生产线......................................................... 333 9.3.3 协作典范............................................................... 334 9.4 澳大利亚多乐士——实现任何颜色可调制.............................. 334 9.4.1 个性化涂料生产......................................................... 335 9.4.2 仿真贴合现实........................................................... 335 9.4.3 无纸化生产实现高效归档................................................. 336 9.4.4 提高生产效率，降低能源消耗............................................. 337 9.4.5 公司秉承合作传统....................................................... 337 9.5 解码蓉生——西门子助力“中国血液制品”............................ 337 9.5.1 目标：两化融合......................................................... 338 9.5.2 事半功倍的信息化利器................................................... 338 9.5.3 拥有大数据将拥有未来................................................... 340 9.6 医药供应链云服务物流平台.......................................... 340 9.6.1 赛飞药品供应链云服务平台综述........................................... 340 9.6.2 项目背景及目的......................................................... 341 9.6.3 解决方案及关键技术..................................................... 341 9.6.4 主要功能及业务......................................................... 344 9.6.5 应用情况及成效......................................................... 346 9.7 他山之石：欧洲企业向工业4.0演进趋势及案例......................... 347 9.7.1 欧洲企业演进现状综述................................................... 347 9.7.2 通向数字化工厂的蓝图................................................... 354 9.7.3 国内数字化工厂的省思................................................... 355 9.7.4 基于工业4.0框架下的智慧供应链发展趋势.................................. 357 参考文献.................................................................. 359