目錄TOC\o"1-3"\h\u24782第1 我國制造業的回顧與發 3212451.2 14179171.3 17312351.4 21148031.5實施制造強國戰略《中國制造2025 288592第2 美歐智能制造政策動 31306172.2 36164852.2.1 37316092.2.2 43264372.2.3 49298222.3 5791942.3.2 62300932.3.3 70290172.3.4 78149872.3.5 88156552.3.6 9279142.3.7 96287512.3.8 100158132.4 105244162.4.2 113122372.4.3 11715756第3 智慧工廠的使能技 122176003.2 125206813.3 12844033.4 13315583.4.2 13566513.4.3 15720013.4.4 161323043.4.5 166261403.4.6 169279533.4.7 180316363.4.8 18511475第4 中國智慧工廠1.0的理 19210464.1 1942654.1.1起源—— 195298104.1.2形成——中國智慧工廠 202174384.2 204238884.2.2 205100584.2.3 206159034.2.4 207151064.2.5 208248644.2.6 20913733第5 中國智慧工廠1.0實 211194325.1 212215945.1.1 21413495.1.2 216204645.1.3 218253695.1.4 220281085.1.5 222266535.2 223135985.3智慧工廠1.0 22514509第6 中小企業轉型診斷和頂層設 232212436.1 23399986.2 239194726.3 24168606.4制定智慧工廠1.0 243207346.5 24529732 247第1 我國制造業的回顧與發《中國工業化報告（2009）》[1]的數據為依據，將其與2015《制造強國戰略研究：綜合卷》[2]2014~2015：工業現代化研究》[3] 我國15個行業工業現代化水平綜合指數的匯總表1-2 制造強國評價體系各級指標權電子信息技術發展周期遵循摩爾定律（集成電路密度1824個月翻倍）和吉爾特定律（網絡帶寬6個月翻倍），而裝備制造業的技術迭代周期則慢很多，以紡機中的關鍵設備絡筒機為例，其技術更新周期為810年，因此電子信息技術已經成為促進紡機自動化發展最積極的因素。縱觀絡筒機60年發展史，其中也有一個摩爾定律——新一代，也就是絡筒機價格不變（15萬美金），高，純機械成本至少下降15，第6代機電軟一體化智能模塊在總成本中所占比重已超過75，同時帶給用戶紡紗的附加值大幅提升20（生產率提高和能耗下降）。面對工業4.0201286.70，工業制成品出口占全國貨物出口總量的95.09業的發展具有重要的支撐帶動作用，例如先進的通信設備帶動了年增加值約1.4萬億元的信息服務業，發達的汽車制造業將帶動兩倍汽車售價的汽車后服務業。2012年，我國制造業增加值為20792.62億美元，在全球制造業中占比約20，與美國相當，成為世界制造大國（見圖11） 四國制造業增加值對比濟發展的主導力量——實施制造強國戰略《中國制造2025第2 美歐智能制造政策動 健康與可持續的制 智能制造的概與此同時，于2007年開始的歐盟第七個框架計劃（7）提出利用智能制造實現制造模式的新革命，并且利用7項目為計劃提供資金支持。目前，7中的信息與通信技術主題（投資91.2億歐元）和納米科學、納米技術、材料與新生產技術主題（投資35.05億歐元下都有對計劃提供支持的項目。會這一關鍵領域中，歐盟提出了智能工廠、標準、大數據、云計算和數字化技能5個優先行動領域，這實際上將歐盟未來工廠戰略計劃和工業4.0等國家戰略相統一。在歐盟對智能制造的推動上，德國始終扮演著最積極的角色，其提出的工業4.0來智能制造總體發展構想的代名詞。此外，英國也開始思索如何在未來形成更具競爭力的制造業，其標志性成果就是一系列制造的未來研究報告。德國是工業大國和工業強國，智能制造的工業基礎健全且強健，核心技術和部件基本都可以自主研發制造；德國的工業4.0度最高的智能制造的概念代名詞，軟件密集型嵌入式系統的發展是其核心之一；政府頒布了耗資上百億歐元的高科技戰略，將工業4.0國家計劃，其下聚集了最頂尖的工業企業；依托強大的工業基礎以及政府的有效組織，工業4.0的雛形已經在眾多項目中顯現。用一句話概括就是，德國具備獨立發展智能制造的完整生態系統。德國不僅擁有西門子、博世這樣的多元化工業集團，它們在上述4個領域都具備不俗的實力，能夠提出集成的解決方案，還擁有、庫卡、、哈挺、、dn、鳳凰、、po、這樣的專業化軟硬件系統供應商，加之弗勞恩霍夫研究所、德國人工智能研究中心、亞琛工業大學這些世界領先的研究機構和大學，以及戴姆勒、蒂森克虜伯、發動機等終端產品制造商，使其具備全面研發與應用工業4.0的實力與環境。德國提出的工業4.0被認為是智能制造概念的一個代名詞，可以說一提到智能制造就會聯想到工業4.0。工業4.0是一個含義廣泛的理念，它既指代了第四次工業革命，也包含了信息物理系統、物聯網與服務網、機機（2）通信這樣最前沿的技術領域。對于智能制造來說，工業4.0式生產技術的聯網和相互通信（即），使制造業向智能化轉型。在工業4.0理念中，產品本身就是生產過程中的一個具有能動性的元素，這些產品中包含著全部必需的生產信息，這種智能產品的概念是德國提出并推崇的。通過，企業不僅可以清晰地識別、定位產品，還可全面掌握產品的生產過程、當前狀態以及至目標狀態的可選路徑。用德國提出的智能工廠概念來解釋，也就是數字世界和物理世界無縫融合。西門子的安貝格工廠是其宣傳工業4.0中，大部分生產都實現了數字化，并獨立于實際生產進行了仿真和優化，先進的制造執行系統（）允許在一分鐘之內更改產品和工序，顯著提高了生產效率和柔性。每天大約有100多萬個測量數據不斷地涌入中央系統，通過數據矩陣碼掃描器和射頻識別（）芯片，采集產品信息并將其加載到中央系統，以確保數據的一致性。控制系統可以掌握每一件產品的信息，如產品當前狀態、是否通過檢驗等。若該產品未能通過檢驗，控制系統將按照原有程序對其干涉，比如自動將維護信息發送給質量控制部門的技術人員。運用這些技術，該廠幾乎成為了誤差最小的工廠，產品合格率為99.9985。作為率先提出智能制造的國家，美國于1992年開始執行新技術政策，大力支持所謂的關鍵重大技術而智能制造技術也列入其中。在1995年啟動的國際智能制造系統（）十年期研究計劃中，美國有122家企業和組織積極參與，目前仍舊同歐盟等一起作為計劃的核心成員。美國能源部、商務部國家標準與技術研究院（）和國家科學基金（）要支持力量，近年來資助并設立了眾多研究項目，推動其發展，這其中就包括美國智能制造領導力聯盟計劃。2006年，提出了信息物理系統的概念，并與一起給予大力支持。2014年12月，美國政府宣布，國家制造創新網絡中智能制造創新機構的組建工作將由能源部牽頭啟動，該機構將開發并推廣包括先進傳感器和復雜工藝控制在內的智能制造新技術。和項目，以對武器裝備研制生產中的智能制造進行研究與實踐。在年啟動的下一代制造技術計劃中，國防部確定了6個重點領域，其中制造的領域。2010年，國防部制造技術計劃增加了先進制造企業投資關智能制造領域的研究方向。國防預先研究計劃局（）于2010年啟動的自適應運載器制造（）項目使大型復雜系統制造在設計和制造的部分環節實現了智能化。國防部2014年牽頭成立的數字化制造和設計創新機構的使命之一就是在智能制造方面引領創新，并將與項目相結合，將研究成果轉化到武器裝備研制生產中。此外，公司作為世界最大的多元工業集團，也提出了自己的工業互聯網概念。與工業4.0的基本理念相似，它同樣倡導將人、數據和源、交通、醫療等更多工業領域。公司預測，如果工業互聯網能夠使生產率每年提高11.5，那么未來20年，它將使美國人的平均收入比當前提高2540。如果世界上其他地區能確保實現美國生產率增長的一半，那么工業互聯網在此期間會為全球增加1015萬億美元。據了很大篇幅。能源部支持了智能制造領導力聯盟計劃，商務部支持了智能制造項目，國防部支持了包括下一代制造技術計劃、數字化制造和設計創新機構在內的一系列項目。企業尤其是終端產品制造權保障，重視中小企業，加深管產學研用合作。美國政府從2011接連發布美國創新戰略、先進制造伙伴計劃、國家先進制造戰略計劃，并且配套實施了國家機器人計劃、國家納米技術計劃、材料基因組計劃、國家制造創新網絡計劃等，每個計劃都把知識產權創新形成完整的商業化鏈條，從而推進每個領域內持續不斷的自主創新。的“IMS2020”路線圖就是這一計劃最新的行動指南，它對于未來制造的為“IMS2020”的路線圖項目，項目提出了“智能制造系統2020”愿景，以“IMS2020”是歐盟資助的一個路線圖項目，于2010年啟動，合作伙大學、麻省理工大學等。項目提出了“IMS2020”愿景，制定了行動路線未來制造的“IMS2020”愿景可以總結為以下3關鍵領域主題1在“IMS2020”路線圖中，可持續性的意義重大，它旨在改進技術、關鍵領域主題2在“IMS2020”路線圖中，高能效制造旨在通過創新的方法和技術，關鍵領域主題3在“IMS2020”路線圖中，面向制造的關鍵技術正在開發：讓系統制造在該計劃中占據了核心位置。該計劃也與歐盟“IMS2020”路線圖相呼 制造未來產品路線圖提出了6廠資源（資產、機床、工人和物品）德國工業4.0已經超越美國第三次工業革命和3打印概念，成為工業界最熱點的話題。工業4.0就是打造基于信息物理系統的智能制造模式，實現物聯網、數據和服務聯網。總的來看，工業4.0計劃的核心就是通過信息物理系統網絡實現力，“ICT2020——創新研究”計劃特別注重復雜系統的ICT、新業務過 工業4.0智能工廠流水是為數不多的給出了智能制造定義的組織，而且提出了若干關鍵技術，具體包括：聯網的傳感器、數據互用性、多尺度動態建模與仿真、智能自動化、可擴展的多層級信息安全。組織制訂的能流程制造路線圖和智能制造企業（聯盟）行動計劃就圍繞這些關鍵技術，確定了集成的發展路線。 制造生態系統中的多層數據管用4個行動計劃打造智能制造企業。智能制造企業（聯盟）應該從化的，業務和制造都是高效協同運行的。針對這個2020年的目標，確立了4個行動計劃：①搭建面向智能制造的工業界建模與仿真制造工廠和供應商之間實現企業（聯盟）的教育與培訓。 在SMLC2011年6月發布的《實施21世紀的智能制造》報告中詳細 智能流程制造的5條實現路 與開放式制造、基于模型的企業、可生產性建模、網絡中心制造、系統2020等美國國防部已開展的計劃、項目相輔相成，有助于要一環。74家，包括42家企業、23家大學和實驗室，以及9字制造開放研究實驗室的合作伙伴包括波音、洛馬、通用電氣、羅·羅、卡特彼勒、、約翰迪爾、西門子、微軟等公司。先進制造企業。關注主題是的基于模型的工程定義（）和技術數據包（）注的三維模型；利用基于協同技術的云計算這樣的創新解決方案，演示驗證這些三維模型在供應商之間的可靠轉換，并且將力進行連接，演示驗證供應鏈的集成。關鍵的任務包括：演示驗證和/或建立標準、構建全生命周期信息流及其構架、性能預測。智能機床先進制造企業方向的關注主題就是式轉變的基礎和前提，也與之前美國國防部下一代制造技術計劃的項目、制造技術計劃的方向相呼應。智能機床關注的不僅僅是硬件方面，也有軟件部分，目的是利用現有設備以及即插即用的智能化軟硬件工具集實現智能加工。先進分析關注的是設計與制造的一體化，將先進測量科學計量方法加入設計與生產決策過程中，以更智能地實現產品、工藝設計。安全則明顯是智能制造的保障。美國國家標準與技術研究院（）是美國政府振興制造業戰略的牽頭單位，先進制造國家計劃辦公室（）就掛靠于此，先進伙伴關系（）、國家制造創新網絡（）等戰略計劃都由協調，因此，其對智能制造開展的研究可以說直接反映了美國政府對于智能制造的定位、需求，以及發展重點。為實現智能美國的目標，美國商務部國家標準與技術研究院的工程實驗室（）智能系統分部和制造系統集成分部在2013年一起主持了一系列智能制造項目，其戰略目標是通過先進測量科學為下一代制在美國先進制造領域的開發、應用與集成。此外，針對智能制造的核心的發展，于2012年3月資助了信息物理系統創新基礎研討會，識別美國在創新與競爭上的前沿技術壁壘以及知識缺口，提出了面向21音、范德比爾特大學、聯合技術公司、霍尼韋爾、福特公司等是T委員會成員。2014年6月，成立了公眾工作組（），幫助定義并形成研發的關鍵方面，加速其發展和實施。該工作組由5個隱私、數據互用性。發展的5個技術主題：可靠、安全和牢靠的系統；網絡化、協同、與人交互的系統；跨越數字物理界限的工程；教育、勞動力、培訓和技術轉化。公司認為工業互聯網是兩大革命中先進技術、產品與平臺的結合，即工業革命中的機器、設施與網絡和互聯網革命中的計算、信息、通信結合。工業互聯網將通過智能機床、先進分析方法以及人的值的角度來看，公司認為工業互聯網的價值可以從三方面體現：效率；第三，優化并簡化運營，提高運營效率。 （機床）、設施、機隊（車船）·GB/T30976.1-2014-工業控制系統信息安全第1·GB/T30976.2-2014-工業控制系統信息安全第2部分：驗收規范。第3 智慧工廠的使能技工業4.0從工業4.0的主要組成部分，可以導出6個設計原理[1]，詳見表3-1 由表31可見，互操作性是實現工業4.0的關鍵技術，即工業4.0中非常重要的使能技術（nbnghnoogy）。在不同之間、與人之間，要通過o和o互聯互通，則必須在不同行業技術專業技術之間進行無歧義、明確的信息傳遞和交換，這就是語義互操作性。成功實現不同制造業的間的互聯互通的關鍵因素將是語義互操作性的標準化。在工業4.0的一個實驗性樣板工程oyL中，語義互操作意味著在這個工廠中所有的（工件的加工工段、工件的傳輸載體、裝配工段以及產品）間都能夠通過開放式網絡和語義描述進行通信。 信息物理系統（CyberPhysicalSystem，CPS），也有人稱為信息物迎加入書社,每日海量書籍,大師課精彩分享. （CyberSpace）5C架構由智能連接層（smartconnectionlevel）、數據-（data-to-informationconversionlevel）、信息控制層（cyberlevel）、認知知識層（CognitionLevel）和組態層（ConfigurationLevel）自下而上 部件的自動化（component-basedautomation），軟件安裝階段組態（deploymenttimeconfiguration），通信和分散的功能性對分層通信結正在用OT，即operationtechnologies來表達這一系列技術的總合）之61131-3的XMLScheme、IEC61131-3的OPCUA信息模型及Server功能SDN（SoftwareDefinitionNetworking）、工業物聯網。還在開發中的使能技術（enabling間的通信（M2M），基于OPCUA的垂直集成語義互操作性的實現技術控制規范、機械安全規范、IEC61131-3的XML格式規范和IEC61131-3善能耗和減小空間（PCB85%的空間被模擬芯片和離散元器件所占據，IEC61131-3推動了PLCIEC61131-3推動PLC為適應工業4.0和智能制造的軟件需求，IEC61131-3的第3版將和順序控制、運動控制、過程控制等）工作階段（如編程組態、仿真調試、維護管理等）而且往往在使用不同的軟件時必需自行定義標簽變量（g），而定義動會導致人力資源成本高，效率低下。和運動控制的功能組合在控制軟件的編制中；為實現IEC61131-3編程與了在IEC61131-3的開發環境下涉及安全的規范；公布了《PLC性能的基與OPC基金會合作開發：IEC61131-3的信息模型（2010.5發布）、IEC61131-3的OPCUAClientFB客戶端功能塊（2015.3發布），IEC61131-3的OPCUAServerFB服務端功能塊（2015.3發布）。這些規范經美國 如今工業互聯網、工業物聯網、工業4.0和智慧工廠的應用正在快速推進和實現。盡管有一些由供應商所開發的數據交換協議，但都不能提供使控制器與企業信息系統、云端之間的信息傳輸暢通無阻的可互操作性，而運用opn的C功能塊，可使這一信息傳輸過程大為簡化和改善。開放的opn規范和標準改善了自動化控制系統的設備可互操作性。運用基于C611313的CAvr服務端功能塊，將簡化智能傳感器、控制器與企業管理系統和生產調度執行系統的通信，與云端的通信以及與互聯網的通信。機，通常是伺服電動機）加速度變化率（躍度）工作組，歷時十多年，目的在于：在IEC61131-3為基礎的編程環境下，PLCopen針對運動控制標準化的技術路線是，在IEC61131-3為基礎顯而易見，IEC61131-3為機械部件的運動控制提供一種良好的架此說，IEC6113-1-3與PLCopen的運動控制規范的緊密結合提供了理想 智能制造和智慧工廠正在全球蓬勃發展，其中，首當其沖的關鍵問題就是和機器人這些制造單元的開放架構。、、等都要求制造設備層能提供基于技術的軟硬件接口。而且智能制造技術的實現也要求絡和軟件接口。與此同時，由于驅動技術和機器人技術的發展，使得用機器人來控制前智能制造裝置最前沿的一個值得關注的動向，這就是技術、機器人技術和技術正在呈現融合發展的趨勢。的控制軟件解決方案。它可以嵌入到基于IEC61131-3的PLC編程平臺opn制定機械安全規范的目的在于讓用戶的機械水平和工廠水平達到功能安全規范C61508的要求。opn與專業從事安全的機構ü一起定義了在C61131開發環境下涉及安全的規范。這必須由集成在C611313全功能性的標準化，即：①定義與安全相關的函數集和功能塊集；②在編程環境中進行支持，包括編程語言（、）和功能性（安全數據類型和說明等）；③出錯處理和診斷。按照功能安全國際工業標準IEC61508第三部分的規定，編寫功能C++、匯編語言等），另一類是有限可變語言LVL（如IEC61131-3規定 符合功能安全的軟件的基本概PLCopen開發的機械安全規范與IEC61131-3所支持的邏輯和順序控 在IEC61131-3的編程環境下組合邏輯控制、運動控制和功能安opn的機械安全規范包含4個部分：第12部分為用戶舉例、第3部分為第1部分的擴展、第4部分為壓力機的擴展。 5.PLCopen和OPC基金會合作開發的IEC61131-3信息模型建立IEC61131-3的OPCUA信息模型的目的在于提高控制器和可視象具有IEC61131-3軟件模型，而它們的詳細描述均在OPCUA的命名空間內由OPCUA的公共工作組給出的規則予以實現。2006年發布了OPCUA規范，它將原有的OPCDA、OPCA&E、OPCHAD等整合到可廣泛應用于面向服務的架構SOA，并且增加了許OPCUA具有兩個維度：①通過將OPC技術嵌入裝置級的設備和應目前C已經被接受為一種國際計算技術的標準，目的在于讓工業自動化系統進入通用計算機工業所能夠進入的領域。這樣，C成為了計算機工業中普遍采用的公共標準，應用于系統通信和各種互聯、互通、互操作的互聯網服務。3（世界互聯網聯盟）種b服務：用軟件系統支持通過網絡的2（機器對機器）的互操作。2010年已由公司在異構的控制器和構成的系統中實IEC和ISO接受為國際標準（IEC/ISO62264）。而B2MML是這個系列標OPCUA/ISA95聯合規范。有了這些基礎性的工作，過去控制工程師使用OPCUA對象在控制61131-3編程的數據交換規范（見圖3-10）。通過為IEC61131-3規定一 XML技術，把IEC61131-3環境下的完整工程項目的全部信息用XML格類似于建模工具（如：通用建模語言），opn的規序的接口，還規定了功能塊庫的分發格式（dbuono）。于是，由圖311可知，從縱向看的生成軟件與使用軟件之間提供接口。從橫向看，它又為不同工程項目的開發工具和程序組織單元提供輸入輸出接口。 Siemens、RockwellAutomation等工業企業，軟件和服務商netAllied、AutomationML（AutomationMarkupLanguage），進行標準化。制定工藝流程（設備）布局方面，采用CAEX標準（ComputerAidedEngineeringExchange），這是一種基于XML的容許存儲分層結構對象為方面，采用PLCopen組織的IEC61131-3的XML格式。西門子工業領域的首席執行官魯思沃教授2014年7月在北京的演講中指出，工業4.0的三大支柱是：、虛擬和現實的結合、息融合系統。在西門子看來，工業4.0這三大支柱中，將會起到更重要的作用。這是迄今為止將在工業4.0中的作用詮釋得最清晰的論斷。 隨業務功能發展經歷了四代的 MOM—ManafaturingOperationManagement，制造運營管理CPM—CollaborativeProductionManagement，協調生產管 工業物聯網的架IEEE802.15.4和ZigBee、Wi-Fi；以及基于云計算的、適應大數據存儲表3-4工業物聯網的各個部件及其功能性（機械系統）， 由多個機電功能模塊構成可自動組態的生產 機電功能模塊的基本部件組 機械工程、電子電氣工程和信息工程等多學科的融德國工業4.0是：系統結構、應用案例（usecase）、基礎、非功能性特性、技術系62264（ISA95）和批量控制標準IEC61512（ISA88），基本上只是系3-19）和工業4.0的基本單元（componentofIndustry4.0）模型[3，4]（見 工業4.0的參考架構模型 工業4.0的基本單元模右面的水平軸按照IEC62264（即ISA95）企業信息集成國際標左面的水平軸按照IEC62890（即ISA105）工業4.0的基本單元可以是硬件單元，也可以是軟件單元。成為工業4.0基本單元的一個先決條件是：它必須在整個生命周期內采集所有相關數據，并將數據存放在由該基本單元所承載的具有信息安全的電子容器內，并由它把這些數據提供給企業參與價值鏈的過程中。在工業4.0基本單元的模型中，這個電子容器就稱為管理殼件是：基本單元的真實對象必須具有通信能力，以及相應的數據和功能。這樣，生產環境中的硬件單元和軟件單元之間就能進行符合工業4.0要求的通信。生產環境中硬件單元（如一臺機械裝備）工業4.0基本單元的管理殼存放了大量數據和信息，包括由制造商提供的作人員又在其中增加了與其他硬軟件連接的信息和維護信息。工業4.0的平臺規定了數據信息安全的措施，以確保數據的可用性、可信性和完整性。“usecase”智能制造標準化體系語境下的基礎包括3名詞術語：術語可以在IEC60050系列標準的基礎上擴展和補軟件定義聯網（ondokng，）可以在保證信息安全的前提下，統籌實現資產設備和運營資產設備這兩類系統的各類服務的集成，而絲毫不會影響兩個系統各自的管控。從而為規避傳統網絡結構的弊端、重建新網絡結構創造了可能。種公共的應用程序編程接口（ApplicationProgrammingInterface，API）2011年成立的開放聯網基金會（OpenNetworkingFoundation，為了適應智能制造和智慧工廠的需求，當前工業網絡正面臨由現場總線加速向工業以太網轉型、由單一功能的通信總線加速向多功能通信演進、由缺乏網絡管理加速向智能網絡管理發展的趨勢。看起來能夠綜合各方面要求的解決方案非軟件定義工業網絡莫屬，也就是說，利用軟件定義網絡的基本理念和實施規范來開發軟件定義工業網絡，這是工業網絡技術創新突破的方向。美國開發了一種軟件定義工業網絡的架構，其中各種工業通信網絡（如hn、和on）都可以通過控制數據面接口（pno）與控制器相連接。在軟件定義網絡中運用被稱為表達狀態轉移（pnonen）的互聯網技術RESTFULAPI作為支持系統和應用之間標準接口的架構。這樣，控 新型網絡結構的軟件定義網絡的基本架 傳統工廠的建設模式示數字工廠有著眾多不同的表述。德國工程師協會（VereinDeutscher 數字工廠建設模式示 虛實結合的數字工廠推進示第4 中國智慧工廠1.0的理起源——“科技自動化”（Sci-techAutomation）全新理念（見圖4-1）可以表 科技自動化全新理念圖2008年倍福公司推出了帶有分布時鐘（dbueok）的階躍響應1的超高速模塊（）。使用模塊，結合可執行50級任務的以及能在數十微秒內刷新數據的h，倍福控制系統穩定 科技自動化的三維模形成—