産品特色

編輯推薦

本書作者來自同濟大學中德工程學院“工業4.0-智能工廠實驗室”與德國西門子工業軟件公司。前者對工業4.0及智能製造係統架構、關鍵技術等有著長期深入的研究，後者具有豐富的搭建數字化工廠實戰經驗及成熟的解決方案。同濟大學中德工程學院“工業4.0-智能工廠實驗室”是國內首*中德閤作基於“工業4.0”理念而建成的實驗室，並與西門子和菲尼剋斯等國內外知名企業開展聯閤實驗室閤作，受到瞭國內外工業界和學術界的一緻好評。西門子工業軟件公司擁有世界*齊全、應用*為廣泛的數字化企業軟件套件，涵蓋數字化設計、仿真、試驗、製造和執行軟件。

內容簡介

　　本書闡述瞭智能製造的國內外發展與應用狀況、智能製造的內涵與特徵；描繪瞭智能製造參考模型、智能工廠體係架構以及智能工廠解決方案要素；分享瞭數字化工廠三個不同維度的數字化藍圖和實施路綫圖，通過三大集成篇與案例分析篇，結閤“西門子數字化企業軟件套件”，幫助讀者更好地理解智能製造相關理念，促進企業打造新一代智能創新平颱，從而在設計研發、工藝開發、生産製造、售後維護等産品全生命周期實行全麵數字化與智能管理，促進企業實現工業物聯網與應用服務聯網的深度融閤，更好地滿足客戶持續多變的個性化需求。

作者簡介

陳明，同濟大學中德工程學院副院長，工業4.0-智能工廠實驗室主任。在大型設備的遠程診斷、産品數字化開發技術等研究方嚮作為課題組長或分項目負責人完成國傢重大專項、上海市科委、上海市經信委和企業委托等項目20餘項。目前研究方嚮為麵嚮工業4.0的係統構架、工業大數據下的PLM技術、基於工業無綫傳感器網絡的MES係統等。

梁乃明, Siemens PLM Software 全球高級副總裁兼大中華區董事總經理 梁乃明先生擁有20多年的IT行業從業經驗，他將為Siemens PLM Software帶來企業軟件方麵的豐富經驗。同時，在製造、石油石化、電信、銀行和金融等眾多行業，他也取得瞭卓越的商業和技術業績。

精彩書評

本書從智能製造環境下的理論研究、産品生命周期、製造運營管理、全集成自動化、係統集成等五個方麵對智能製造進行深入分析和探討，最終以典型案例形象地描述瞭我國企業在智能製造發展道路上的優勢和不足，對智能製造的理解和分析具有前瞻的理論價值，對企業開展智能製造的實施與改造具有重要的指導意義！

——中國工程院院士 中國創新設計聯盟副理事長 徐誌磊

目錄

序

前言一

前言二

理　論　篇

第1章　智能製造概述 2

1.1　智能製造國內外發展與應用狀況 2

1.1.1　美國智能製造的發展與應用 2

1.1.2　歐洲智能製造的發展與應用 5

1.1.3　亞太智能製造的發展與應用 10

1.2　工業4.0 16

1.2.1　工業4.0的背景 16

1.2.2　工業4.0的主要內容 17

1.2.3　工業4.0的執行情況 24

1.3　中國製造2025 28

1.3.1　中國製造2025的背景 28

1.3.2　中國製造2025的主要內容 30

1.3.3　中國製造2025的執行情況 31

1.4　智能製造的內涵與特徵 32

1.4.1　國內外對智能製造定義、內涵和特徵的理解 32

1.4.2　智能製造與傳統製造的異同 40

1.4.3　智能製造解讀 40

1.5　智能製造參考模型 43

1.5.1　美國 44

1.5.2　德國 46

1.5.3　中國 48

第2章　智能工廠方案與體係 51

2.1　智能工廠的體係架構 52

2.1.1　智能工廠的架構與功能定義 52

2.1.2　智能工廠的雛形——安貝格數字化工廠 54

2.2　智能工廠解決方案要素 57

2.2.1　産品數字化建模與開發係統 57

2.2.2　産品全生命周期管理係統 60

2.2.3　生産製造執行係統 63

2.2.4　全集成自動化係統 64

2.2.5　企業資源計劃 65

産品全生命周期管理篇

第3章　數字孿生模型 70

3.1　概述 70

3.1.1　數字孿生模型的概念及定義 70

3.1.2　數字孿生模型在製造中的作用 74

3.1.3　數字孿生模型的應用和進展 76

3.2　基於模型的企業 77

3.2.1　技術標準與規範 78

3.2.2　從MBD到MBE 81

3.3　MBE的體係建設 91

3.3.1　西門子MBE解決之道 91

3.3.2　西門子MBE解決方案的價值定位 95

第4章　數字孿生模型的組成 96

4.1　産品設計 96

4.1.1　MBD模型定義的挑戰 96

4.1.2　MBD模型定義的解決方案 98

4.2　過程規劃 116

4.3　生産布局 118

4.4　過程仿真 122

4.5　産量優化 123

4.6　維護保障管理 139

4.6.1　服務規劃 139

4.6.2　服務手冊管理 140

4.6.3　維護BOM管理 141

4.6.4　維護保障執行 143

4.6.5　服務調度和執行 143

4.6.6　維護保障知識庫管理 144

4.6.7　FRACAS管理 145

4.6.8　維護保障報告和分析 146

4.6.9　維護物料管理 146

製造運營管理篇

第5章　製造執行係統概述 150

5.1　製造執行係統定義 150

5.1.1　MES的定義及內涵 150

5.1.2　MES的位置及與其他信息係統之間的關係 153

5.2　MES的體係架構簡介 154

5.2.1　設計原則與項目目標 154

5.2.2　MES的體係架構 155

5.3　MES的發展趨勢 161

5.3.1　MES朝著新一代MES的方嚮發展 161

5.3.2　MES成為智能工廠的核心 162

5.3.3　MES成為實現精益生産的關鍵環節 163

第6章　智能製造執行係統——SIMATIC IT 166

6.1　數據展現和功能係統 167

6.1.1　控製係統的數據管理 169

6.1.2　業務係統的數據管理 170

6.2　生産過程和生産管理 174

6.2.1　産品定義和産品生産 175

6.2.2　人員管理和生産規劃 177

6.2.3　工單管理和製造執行 179

6.3　SIMATIC IT産品組閤戰略部署 181

6.3.1　SIMATIC IT生産套件 183

6.3.2　SIMATIC IT Preactor 189

6.3.3　SIMATIC IT智能套件 191

6.3.4　SIMATIC IT研發套件 193

6.3.5　SIMATIC IT eBR 195

全集成自動化篇

第7章　全集成的係統概念 198

7.1　客戶對於自動化解決方案的需求 199

7.2　全集成自動化解決方案的優勢 201

7.3　一體化的工程 202

7.3.1　TIA的統一性 202

7.3.2　TIA的開放性 204

7.3.3　聯閤調試與聯閤編程 205

7.3.4　遠程維護 206

7.3.5　過程的模擬與仿真 206

7.3.6　通過TIA實現高效工程及其帶來的效益 207

7.4　工業數據的管理 207

7.4.1　跨部門的橫嚮集成 207

7.4.2　跨各層的縱嚮集成 207

7.4.3　工業數據管理可以提供多種維度和視角來視察與利用數據 207

7.5　故障安全集成 208

7.5.1　安全集成理念 209

7.5.2　設備安全的實現 209

7.6　工業通信 215

7.6.1　以太網和工業以太網 215

7.6.2　PROFINET 216

7.6.3　工業無綫通信 219

7.6.4　PROFIBUS（IEC 61158/61784） 220

7.6.5　AS-Interface（EN 50295/IEC 62026） 221

7.6.6　IO-Link（IEC 61131-9） 221

7.7　工業信息安全 222

7.7.1　工業信息安全的防護理念 222

7.7.2　工廠安全 223

7.7.3　網絡安全 224

7.7.4　係統完整性 228

係統集成篇

第8章　企業間價值網絡的橫嚮集成 234

8.1　橫嚮集成 234

8.2　橫嚮集成解決的問題 235

8.3　橫嚮集成與車間 236

8.4　橫嚮集成與網絡化 236

第9章　全流程的端到端集成 237

9.1　全流程的端到端集成簡介 238

9.2　端到端——供應鏈要達到最佳的狀態? 239

9.3　端到端集成解決方案 240

9.4　全價值鏈端到端係統工程 240

第10章　網絡化的縱嚮垂直集成與網絡化製造 243

10.1　PDM與ERP集成 244

10.1.1　PDM與ERP集成的必要性 244

10.1.2　PDM與ERP的集成模式 244

10.2　ERP與MES集成 245

10.2.1　ERP與MES的集成分析 246

10.2.2　ERP與MES的集成模式與方法 247

10.2.3　SAP製造行業的ERP與MES集成架構 250

10.3　PLM與MES集成 251

10.3.1　PLM與MES的集成分析 251

10.3.2　西門子的PLM與MES集成架構 251

案例分析篇

製造運營管理案例 254

成功案例1　青島啤酒 254

成功案例2　京信通信 258

産品全生命周期管理案例 264

全集成自動化案例 268

前言/序言

　　序

　　當前，人類在技術革命領域不斷開拓創新，大數據、雲計算、物聯網以及務聯網（Internet of Service）等技術得以成熟應用，工業自動化、數字化的水平不斷提高，這些都悄然孕育著一場新的工業革命。

　　2013年年底，德國正式發布“工業4.0戰略計劃”，破曉瞭第四次工業的晨光。作為老牌工業發達國傢，德國一直緻力於引領全球工業發展的步伐，因此“工業4.0”的發布在全球範圍內引起瞭極大的反響。繼德國之後，美國、英國、日本等世界主要工業發達國傢均齣颱瞭一係列國傢政策以支持本國工業發展，應對新一輪工業革命所帶來的挑戰。我國政府通過統籌兼顧國內外環境，提齣瞭實施製造強國“三步走”戰略，並於2015年5月由國務院頒布齣颱瞭指導未來工業發展第一個十年計劃“中國製造2025”，力爭在十年內躋身世界製造強國行列。盡管各個國傢在製定相應戰略政策時，由於各自工業基礎和發展環境的不同，其戰略側重點有所區彆，然而智能製造卻一直作為未來工業發展的主鏇律備受重視。

　　在這一工業發展的重要變革時期，中德兩國政府高度重視閤作共贏，包括兩國重要領導的高層互訪，雙邊政府性文件的齣颱。中德雙方在關於未來工業發展的道路上已經具備瞭良好的、廣闊的平颱。為瞭更好地對接國際形勢，積極推動我國智能製造的發展，同濟大學充分利用對德閤作優勢，繼德國“工業4.0”計劃發布不到一年，與相關德國企業共同建立瞭“工業4.0-智能工廠實驗室”。一方麵，作為教育部“智能製造/工業4.0”師資培養基地，為我國智能製造産業培養瞭大量的人纔。另一方麵，作為智能製造關鍵技術研究的重要基地，為我國智能製造相關企業提供瞭有效的技術支持和驗證平颱，在國內外産生瞭廣泛且積極的影響。西門子（Siemens）作為德國大型跨國公司，一直緻力於服務全球工業發展。自進入我國以來，不斷拓寬業務領域，並以優異的品質和領先的技術水平，確立瞭領先的市場地位。作為“工業4.0”的發起者和倡導者之一，西門子在“工業4.0”的發展過程中始終處於領軍地位，先後建成瞭德國安貝格數字化工廠和成都數字化工廠，作為通往未來智能製造的先驅試點，引起瞭全球製造業的高度關注。同濟大學與西門子在智能製造領域也已開展瞭廣泛的閤作，從中德雙方的角度審視“工業4.0”和智能製造，為我國的工業發展道路打開一扇啓迪的窗戶。

　　本書從智能製造環境下的理論研究、産品生命周期、製造運營管理、全集成自動化、係統集成等五個方麵對智能製造進行深入分析和探討，最終以典型案例形象地描述瞭我國智能製造企業在發展道路上的優勢和不足，對理解和分析智能製造具有前瞻的理論價值，對企業開展智能製造的實施與改造具有重要的指導意義！

　　中國工程院院士

　　中國創新設計産業戰略聯盟副理事長

　　前言一

　　21世紀以來，全球齣現瞭以物聯網、雲計算、大數據、移動互聯網等為代錶的新一輪技術創新浪潮。當前，新興經濟體快速崛起，全球市場經濟交流閤作規模空前龐大，多樣化、個性化需求快速發展，用戶體驗成為市場競爭力的關鍵要素；資源、能源需求快速增長，生態環境、氣候變化備受關注，綠色低碳的發展理念漸成共識；信息網絡、先進材料、智能製造、生物醫藥等科技與産業醞釀新突破，服務與業態創新日新月異。

　　在此背景下，德國提齣“工業4.0”，中國推齣“中國製造2025”，美國推進振興高端製造，日本發展協同機器人和無人工廠，英國著力生物、納米等高附加值製造，法國開啓“新工業法國”總動員。這些國傢都將智能製造視為振興實體經濟和新興産業的支柱與核心，以及提升競爭力和可持續發展能力的基礎與關鍵。

　　本書以同濟大學中德工程學院“工業4.0 -智能工廠實驗室”和西門子相關解決方案為背景，結閤作者在智能製造領域的實踐經驗和關鍵技術編寫而成。

　　本書共分六篇，分彆為理論篇、産品全生命周期管理篇、製造運營管理篇、全集成自動化篇、係統集成篇、案例分析篇。書中介紹瞭智能製造在國內外的發展與應用狀況、智能製造的內涵與特徵；描繪瞭智能製造參考模型、智能工廠體係架構以及智能工廠解決方案要素；分享瞭智能製造前站——數字化工廠三個不同維度的數字化藍圖和實施路綫圖；通過係統集成篇與案例分析篇，結閤西門子數字化企業軟件套件，幫助讀者更好地理解智能製造相關理念，促進企業打造新一代智能製造創新平颱，從而在設計研發、工藝開發、生産製造、售後維護等産品全生命周期實行全麵數字化與智能管理，同時促進企業實現工業物聯網與應用服務聯網的深度融閤，更好地滿足客戶持續多變的個性化需求。

　　本書在注重智能製造基礎理論架構的同時，也注意與數字化工廠多維信息管控係統及企業實踐案例相結閤，使讀者能準確認知智能製造理論，體驗實踐環境。本書適用於開設智能製造課程的高校教師和學生、緻力於打造數字化企業的從業人員、研究智能製造關鍵技術的科研人員及係統設計與開發人員。

　　由於筆者水平有限，且編寫時間倉促，如有紕漏，懇請積極反饋！

　　陳明

　　同濟大學中德工程學院副院長

　　同濟大學工業4.0-智能工廠實驗室主任

　　2016年10月

　　前言二

　　“中國製造2025”的主攻方嚮是智能製造，要推進信息化與工業化深度整閤，促進工業互聯網、雲計算、大數據在企業研發設計、生産製造、經營管理、銷售服務等全流程和全産業鏈的綜閤集成應用；加快推動新一代信息技術與製造技術融閤發展，把智能製造作為兩化深度融閤的主攻方嚮；著力發展智能裝備和智能産品，推進生産全過程智能化、培育新型生産方式，全麵提升企業研發、生産、管理和服務的智能化水平。

　　作為德國“工業4.0”的倡導者和世界級智能製造實踐者之一，西門子數字化工廠集團及西門子工業軟件公司長期紮根中國，積極響應《中國製造2025》的號召，參與組建中德智能製造聯盟，利用西門子廣泛的全球資源和本土創新能力，協助中國製造企業不斷提升自動化、數字化、智能化水平，深度參與中國從製造大國轉型為製造強國的曆史進程。在此過程中，西門子積纍瞭大量成功案例和寶貴的工程實踐經驗。我們十分願意和業界分享這些經驗，在分享經濟時代實現健康的共同成長。

　　為此，在機械工業齣版社計算機齣版中心總編溫莉芳女士的全力支持，以及副總編王穎女士的策劃下，2015年9月，西門子工業軟件技術團隊組織編寫瞭《工業4.0實戰：裝備製造業數字化之道》一書，該書以基於模型的數字化企業（Model Based Enterprise，MBE）為主綫，比較全麵地闡述瞭數字模型在全流程和全産業鏈中的應用。

　　MBE的理想目標是建立數字孿生（Digital Twin）模型，即通過産品係統和生産係統的全數字化建模和仿真，全麵或部分替代成本高且周期長的物理孿生、半數字孿生等工程開發和驗證手段， 並在工程設計和工藝設計領域應用工業大數據和預測性工程分析（Predictive Engineering Analytics）技術，逐步實現“十三五”規劃中提齣的智慧院所和智能工廠的願景目標，打通貫穿全價值鏈的數字神經係統，通過工業雲和工業大數據實現嚮服務型製造轉型。

　　欣聞同濟大學中德工程學院副院長陳明教授和他的團隊編著《智能製造之路：數字化工廠》，決定選擇西門子數字化工廠技術作為核心案例，西門子很榮幸地嚮同濟大學團隊提供瞭全套技術參考資料。資料收集團隊由方誌剛、王文華牽頭，PLM部分：王昕、李誌明、陳鐵鋒、鄒明政、曾法力；MES部分：戚鋒、呂平、張炬、何夢瓊；TIA部分：葛蓬、崔堅、 程瀚儂、馮學衛、楊德奇、楊光、趙欣。在此一並對做齣貢獻的同事錶示感謝。

　　衷心希望本書對讀者有一定的參考價值，讓我們共同為實現“中國製造2025”而繼續努力！

　　梁乃明（Leo Liang）

　　西門子數字化工廠集團工業軟件全球副總裁兼大中華區董事總經理

　　中德智能製造聯盟副理事長

　　2016年10月

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