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智能制造与工业4.0.pdf

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智能 制造 工业 4.0
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智能制造与工业4.0 郭朝晖2015年6月19日 目录一、智能制造的概念二、德国工业4.0三、美国工业互联网四、数字化与工业大数据五、背景及国情的影响六、中国钢铁行业的对策 抓住智能制造这个核心!6月15日李克强考察中核公司和工信部 智能制造:总理怎么说 • “工业4.0”的核心是智能制造• 智能制造是“工业互联网”的主攻方向• 智能制造是“中国制造2025”的主攻方向和切入点德国、美国和中国的战略智能制造:部长怎么说 人工智能 符号学派(计算机学派)联接学派(生理学派)行为学派(控制学派)何为智能?众说纷纭 控制论(Cybernetics):在动物和机器中控制和通信的科学”。Cybernetics=》Cyber Space=》Cyber Physical SystemCPS广泛深入地用于工业企业=》工业4.0互联网:协调、快速反应数字化:计算机能理解 智能制造:行为学派的逆袭 帮助人、代替人、超越人人很容易做到的,机器不容易做到智能制造:本质是什么 • 智能工厂、数字化车间、人机智能交互、工业机器人、智能物流管理、3D打印、PLM、CRM、SRM、信息集成.智能制造:具体有哪些• 智能产品、智能设备• 智能生产、智能研发、智能供应链。• 智能单元、智能产线、智能车间、智能工厂 目录一、智能制造的概念二、德国工业4.0三、美国工业互联网四、数字化与工业大数据五、背景及国情的影响六、中国钢铁行业的对策 生产线配备了三台机器人。每个零部件都有一个身份信息,机器人按设定的程序抓取特定部件并安装在车体上。这样的生产线更适合不同车型的柔性生产,按用户需求定制产品。三台机器人之间可以互相联络,如果第三台机器人感觉节奏太快,它就会告诉前两台机器人:“你们慢点,我快跟不上了。”工业4.0, 从案例说起智能产品、智能设备=智能生产 设备自主配合、定制产品 工业4.0的概念工业4.0是2010年德国政府《高技术战略2020》确定的十大未来项目之一。2013年4月汉诺威工业博览会期间正式推出,旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新。 物联网和服务用于制造行业:从本质上讲,工业4.0包括将CPS(Cyber-Physical System,虚拟网络-实体物理系统)一体化应用与制造业和物流行业,以及工业生产过程中实用物联网和服务技术。这将对价值创造、商业模式、下游服务和工作模式产生影响。 ——实施工业4.0战略的建议.引言 工业4.0中的一、二、三、八2、双重战略:领先市场和供应商1、一个核心:CPS3、三个维度的集成:1、横向集成2、端到端集成3、纵向集成 4、八项优先行动领域具体落实基础条件重点难点 国家战略基本特征 具体行动两个主题?很可能是伪命题! CPS:定义和形象的描述 现实世界中的对象(零件设备),在虚拟空间(信息计算机)中身份的映像。CPS连接虚拟空间与现实世界,使智能物体通过通信发生互动,创造一个真正的网络世界。 促成现实世界和虚拟世界的互动 物理世界信息空间CPS工业4.0就是全面的智能化CPS是实现智能化的手段。ABS或许是最早的CPS“模型”就是典型的CPS (来源:美国加州大学伯克利分校网站) CPS:全貌 CPS:是一类控制系统CPS是一类控制系统:可能在反馈中有人的存在。CPS控制系统要求:–网络化和/或分布式,或许引入无线的传感和执行–自适应和预测–智能化–实时 CPS要求:– 改善设计工具– 建立和完善设计方法论• 对混合系统和异构系统、网络化、可互操作性和时间同步的规范、建模、分析• 通过模块化和建构、系统综合及与已有的老系统建立接口,使系统规模可扩可缩、具有复杂性管理能力• 验证和确认VCMM模型是2002年提出的互联网技术高速发展,互联网经济到来 工业4.0的价值在于系统性欲破曹公,需用火攻;万事俱备,只欠东风。 只有将发明用于经济活动并取得成功才算创新 王传福将自动化生产线分解成由人工完成的工,得以比日本同行低40%的成本生产电池,并占领三分之二的市场。 1984年4月9日,世界上第一座“无人工厂”在日本建成。以往需要用近百名熟练工人、花两周时间生产的产品,现在只要用4名工人花一天时间就可以了。然而,30年过去了 新技术:先进不等于成功 工业4.0的存在价值:创造价值的途径工业4.0的三个集成,源于协同制造模式(CMM) • 减少人工• 个性化定制:C2B• 物流与采购成本• 节能• 提高质量• 提高研发效率• 提高服务水平 • .交叉点何在?一个三维还是三个一维? 德国是世界上制造业最发达的国家之一。但老龄化严重。许多制造企业员工的平均年龄超过40岁,制造业后继乏人。2013年,德国成为世界上首个被迫将退休年龄延长至67岁的国家。希望持续保持竞争优势。缺少工人怎么办?怎样让‘高龄’劳动者胜任未来的工作?德国提出工业4.0的社会背景:被逼无奈应对老龄化,工业4.0是被逼出来的 各国智能化战略对比美国:宏观,跨企业的协同与互联德国:中观,制造车间的智能化日本:微观,机器人、数控机床与传感器 中国:全部学习 改革开放中的困惑8%的增长是必须的劳动力无限供给民以食为天,保就业,稳定压倒一切! • 现在中国的农村还有四千万老人五千万留守妇女,六千万留守儿童,四加五加六一亿五千万,所以可见我们的农业开始渐渐没落。国务院参事姚景源 现在的农村:没落了. • 中国改革开放三十年,农业劳动力向非农的转移,恰好可以解释中国每年10%的增长率。• 三十年的经济发展,其实是完成了农业社会向工业社会的转型。• 邓小平的改革开放,是转型的政治保证。改革开放30年,本质是社会转型 国际竞争力强或中国特色的企业往往与劳动力成本低有关华为的职工,为什么吃苦耐劳?中国的网商,为什么比美国做得好?劳动力无限供给=劳动力成本低 中国人为什么要关注工业4.0 部分经济学家认为,中国的刘易斯拐点已经在2008年前后到来。2012年开始,中国已经连续2年劳动力人口净减少。非农劳动人口农业转移:基本结束 青年加入:越来越少 老年退休:越来越多中国世界独有的特色:严厉的计划生育+刘易斯拐点 中国人为什么要关注工业4.0 中国的机器代人不可怕。 可怕的是国外的机器代替了中国的人。 我的观点:自动化的机遇 企业用工荒、劳动力成本迅速上升、劳工权益意识增强、责任心下降、事故和工伤频发低成本竞争模式失效,后发优势丧失,跨国公司产线迁移、中国制造业竞争力下降海尔通过提升自动化减员1.7万浙江通过‘机器代人’减员8万全国机器人采购量增加2倍全国机器人产量增加60%。 中国:正在走入的未来文章结束后见到的数据 这不是设想,是现实! • 减人就是要提高自动化• 自动化带来柔性问题–是否考虑数字化智能化• 自动化带来维护问题–维护带来对人员设备的要求• 自动检测要推进–因为检测用人很多。• “低成本、低质量、高效率”的模式可能不行了。几个观点:以减人为抓手,带动转型 工业革命,从来都不是照单全收• 再发达的国家,也有手工业;• 并非所有行业都采用流水线;• 并非所有行业,都采用PLC。 劳斯莱斯幻影 宝珀手表企业家的决策:在正确的时间和节奏,在正确的行业、企业和地点,做正确的事。 推进工业4.0:行业、企业间差异个性化定制? 产业链前端更标准化,末端更个性化横向集成?大企业主导集成,小企业争取被集成 重点何在?新产业在产品研发,传统产业在工艺技术工业4.0是一离散制造业为背景提出的,流程行业怎么办?推进工业4.0:行业、企业间的差异 目录一、智能制造的概念二、德国工业4.0三、美国工业互联网四、数字化与工业大数据五、背景及国情的影响六、中国钢铁行业的对策 理论的作用:在特定方向上想得更远些• CPS早已广泛的应用。• 标准+α就是定制化生产。• 集成互动一直有• 工业4.0提到的,过去都想过 • 可以想得更远;• 可以调动更多资源;• 前提是:自己要想清楚• • 质量不稳定:达不到6σ、质量成本高。•定制成本高:仅交接坯损失就数以亿计。•环保压力大:吨钢环保成本400元。•研发效率低:依赖于经验、反复尝试。•服务效率低:难以面向小用户、反复出错•劳动效率比浦项低一半。 钢铁业目前的技术问题缺少知识、缺少协同、缺少优化、缺少手段 工业3.0升级:先要补课机器人无人行车、台车、机车无人仓库、无人车间 工业4.0: 智能化的逻辑• 数字化及可获得性– 需求、质量、能量、排放、成本–与之相关的量:设备状态、工艺参数、辅材–对应性:时间对应和位置对应;可获得性。• 工艺、标准的模型化:知识–工序质量之间的关系。–工艺、设备状态与质量之间的关系–工序质量与需求–设备、工艺、质量与成本• 信息集成与控制:CPS – 跨工序互动控制:– 研发各个环节的协同\服务环节的知识共享.– 价值网络上的信息共享 生产过程需要智能价值效率质量 成本 安环工艺用料 维护 控制 机器人备件检测 . 库存组织安全设备数据有吗?知识有吗?信息集成了吗? • 数据和知识难以共享• 反复试错• 产品不能合理集约• 质量设计过剩• 质量设计缺陷经常出现 研发与服务过程的问题知识问题、协同问题数据问题 • 握用户需求和市场的变化• 备品、备件、技术的供应商• 新的业务和商业模式• . 价值网络问题横向集成、工业互联、互联网+工业是大方向、大问题紧密跟踪,但非一家之事 装配:设计与工艺耦合度低 加法变乘法要素数目多钢铁行业:难在数字化化学物理变化:产品设计与工艺耦合度高。• 随机因素多。• 难以标准化。 有效关注难数字化难 量变到质变 钢铁行业再认识:数字化困难随机性强、经验依赖性强制造流程长、环节多;制造过程发生复杂的化学物理变化;为降成本,工艺、能耗、设备、效率卡边。检测条件差实际影响因素多数字化难 “2σ行业” 结构化困难:人脑中的知识结构• 质量与组织的关联不完备 • 许多质量是由工艺直接决定的。• 有时,质量设计包含组织要求。质量 组织 工艺需求 成分 知识结构难匹配• 按标准做,人很难受,效果有限。• 不按标准做,计算机难管。 结构化困难:人机两难 PLM:工业4.0的关键维度与核心技术PLM是工业4.0的核心技术PLM是端到端集成的主体PLM是钢铁业空缺的技术• SysLM(PLM升级)是关键• 总共8篇文章 • 6篇理论文章谈SysLM• 3篇将SysLM放在题目中 PLM:制造向研发和服务转型的信息化工具 CAD 决策支持CAPP PLM:Product Lifecycle Management支持微笑曲线的两端数据和知识的有效管理和利用 PLM是一种支持产品全生命周期的信息的创建、管理、分发和应用的应用解决方案,能够集成与产品相关的人力资源、产品生命周期管理、流程、应用系统和信息。 应用举例:面向服务 买镀锡板。卖到美国吗? 是啊装食品吗? 是啊建议您用. • 用户主要通过与计算机沟通获得免费的知识和服务。• 必要时,提供人工付费服务,如模拟计算等。• 服务的过程,也是知识和数据的积累过程。关键在与机器自主提出问题用户与机器交流 应用举例:面向研发用户的新需求。 建议卷取温度降低20度 某性能富裕量太小与某钢种非常接近 有无现成板坯有20吨. • 与产品相关的各个部门都是知识和数据提供者。• 提示相近的钢种或数据、需要关注的问题、可供参考的解决方法。关键在与机器知道你需要什么 知识的自动化仓库 • 把知识维护过程做精、做细• 让知识使用过程简单、方便知识和数据的管理应该走向智能化• 模型像APP STORE 那样标准化。• 像编译过程一样报警• 像数据那样易于维护 已有的事,后必再有。已行的事,后必再行。日光之下,并无新事。——《圣经. 传道书》学会辩证地、历史地看待新技术革命,才会知道现在该做什么。
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