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马志敏 著

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出版社： 化学工业出版社

ISBN：9787122311733

版次：1

商品编码：12293073

包装：平装

开本：16开

出版时间：2018-03-01

用纸：轻型纸

页数：216

字数：363000

正文语种：中文

编辑推荐

适读人群 ：本书可供广大企业决策、管理和技术人员阅读参考,也可作为高等学校相关专业的教材。
随着《中国制造2025》战略的实施，中国企业将深入开展同德国“工业4.0”技术的对接合作，从而进一步提升我国企业的国际竞争力，为此，我们必须深入了解“工业4.0”技术。《工业4.0技术及应用》简单介绍了世界工业革命的历史，以及“工业4.0”技术的发展过程及其对世界和我国的影响；然后，从软件到硬件、从设备到技术、从专业到学科，全面介绍了工业4.0的应用软件、工业4.0的硬件系统；以智能工厂的设计、安装和调试为例，综合介绍了如何应用工业4.0技术的具体实例。
《工业4.0技术及应用》在编写中力图体现以下特色：
1.《工业4.0技术及应用》紧扣我国工业现状，面向产业结构调整，紧扣《中国制造2025》纲要，适合企业需求，解决企业转型升级的关键技术。
2.《工业4.0技术及应用》从工业4.0的应用角度，详细介绍了工业4.0的应用软件和硬件系统，还通过实例讲解了工业4.0的具体应用方法，内容实用，是我国从事相关政策研究人员、企业管理者的必读书籍。
3.《工业4.0技术及应用》用简明易懂的语言，阐述了工业4.0技术，便于中高职职业教育和应用型大学的专业布局和开设新专业时阅读参考。

内容简介

随着《中国制造2025》战略的实施，中国企业将深入开展同德国“工业4.0”技术的对接合作，从而进一步提升我国企业的国际竞争力，为此，我们必须深入了解“工业4.0”技术。《工业4.0技术及应用》简单介绍了世界工业革命的历史，以及“工业4.0”技术的发展过程及其对世界和我国的影响；然后，从软件到硬件、从设备到技术、从专业到学科，全面介绍了工业4.0的应用软件、工业4.0的硬件系统；最后，《工业4.0技术及应用》以智能工厂的设计、安装和调试为例，综合介绍了如何应用工业4.0技术的具体实例。
《工业4.0技术及应用》可供广大企业决策、管理和技术人员阅读参考，也可作为高等学校相关专业的教材。

作者简介

马志敏，吉林省工业技师学院，国家电工与电子技术学科带头人，教育部学术研究员，教研室主任，吉林机电专业科带头人，国家职业技能鉴定考评员，教育部中国职教学会信息化工作委员会全国微课专家遴选人,吉林市政府采购评审专家，吉林省工业技师学院机电技术应用专业建设委员会委员。
研究方向：机电技术应用、自动控、电工与电子技术、工业机器人、电力拖动控制技术、PLC控制技术等。
先后担任过《电工学》、《电力拖动》、《电工材料》、《电工仪表》、《电工基础》、《工业机器人》、《制药机械控制》、《垃圾处理设备控制》、《单片机》、《工厂电气控制设备》、《PLC控制技术》、《电工与电子技术》、《设备电气控制技术》、《焊接电工》、《液压与气压传动》、《电气控制与自动化系统》、《变频器》、《触摸屏》、《CNC系统简介》、《步进电机》、《数控机床进给传动链组件》、《伺服驱动器》、《数控机床维修》等课程的理论教学和实践教学。

目录

第一章　工业发展概述 1
第一节　工业1.0 的发展过程及其影响 1
第二节　工业2.0 的发展过程及其影响 4
第三节　工业3.0 的发展过程及其影响 7
第四节　工业4.0 的发展过程及其影响 10

第二章　工业4.0 的应用软件 16
第一节　TIA Portal 软件 16
第二节　西门子MES 系统 133

第三章　工业4.0 的硬件系统 148
第一节　西门子计算机集成自动智能系统概述 148
第二节　AGV 150
第三节　机器人视觉 156
第四节　工业机器人 174
第五节　RFID 系统、传输线体及仓储 184
第六节　数控机床及总控单元 188

第四章　工业4.0 应用实例 194
第一节　智能工厂的设计 194
第二节　智能工厂的安装与调试 204
参考文献 216

精彩书摘

八、比较成熟的工业4.0模式的智能工厂
（一）智能工厂的基本组成
比较成熟的工业4.0智能工厂的基本组成如图4-12所示。

图4-12 比较成熟的工业4.0智能工厂的基本组成
（二）智能工厂的基本理念
比较成熟的工业4.0智能工厂的基本理念如图4-13所示。

图4-13 比较成熟的工业4.0智能工厂的基本理念
1.智能计划排产
通过集成，从ERP(Enterprise Resource Planning即企业资源计划，是制造业系统和资源计划软件)等上游系统读取主生产计划后，利用APS(Advanced Planning and Scheduling即高级计划与排程，是企业管理软件之一)进行自动排产，按交货期、精益生产、生产周期、最优库存、同一装夹优先、已投产订单优先等多种高级排产算法，自动生成的生产计划可准确到每一道工序、每一台设备、每一分钟，并使交货期最短、生产效率最高、生产最均衡化，这是对整个生产过程进行科学的源头与基础。
2.智能生产过程协同
为避免贵重的生产设备因操作工忙于找刀、找料、检验等辅助工作而造成设备有效利用率低的情况，企业要从生产准备过程上，实现物料、刀具、工装、工艺等的并行协同准备，实现车间级的协同制造，可明显提升机床的有效利用率。
随着3D模型的普及，在生产过程中实现以3D模型为载体的信息共享，将CATIA、PRO/E、NX等多种数据格式的3D图形、工艺直接下发到现场，做到生产过程的无纸化，也可明显减少图纸转化与看图的时间，提升工人的劳动效率。
3.智能的设备互联互通
如图4-14所示，通过信息化与生产设备等物理实体的深度融合，实现智能制造的生产模式。对企业来讲，将那些贵重的数控设备、机器人、自动化生产线等数字化设备，通过机床联网、数据采集、大数据分析、可视化展现、智能决策等功能，实现数字化生产设备的分布式网络化通讯、程序集中管理、设备状态的实时监控等。

图4-14 智能的设备互联互通
4.智能生产资源管理
通过对生产资源(物料、刀具、量具、夹具等)进行出入库、查询、盘点、报损、并行准备、切削专家库、统计分析等功能，有效地避免因生产资源的积压与短缺，实现库存的精益化管理，可最大程度地减少因生产资源不足带来的生产延误，也可避免因生产资源的积压造成生产辅助成本的居高不下。
5.智能质量过程管控
通过工业互联网对生产现场设备的基本状态、制造过程参数、工艺过程数据等进行实时采集、监测、动态预警、过程记录和分析，从而实现对加工过程实时的、动态的、严格的工艺控制，对生产过程中的质量问题进行及时的处理，分析出规律，减少质量问题的再次发生，为技术人员与管理人员进行工艺改进提供科学、量化的参考数据，在以后的生产过程中，减少不好的参数，确保最优的生产参数，从而保证产品的一致性与稳定性。
6.智能决策支持
在整个生产过程中，系统运行着大量的生产数据以及设备的实时数据，这些数据都是企业宝贵的财富。对这些数据进行深入的挖掘与分析，系统自动生成各种直观的统计、分析报表，如计划制订情况、计划执行情况、质量情况、库存情况、设备情况等，可为相关人员决策提供帮助。这种基于大数据分析的决策支持，可以很好地帮助企业实现数字化、网络化、智能化的高效生产模式。
（三）智能工厂的基本特征
1.系统具有自主能力
可采集与理解外界及自身的资讯，并以之分析判及规划自身行为
2.整体可视技术的实践
结合讯号处理、推理预测、仿真及多媒体技术，将实境扩增展示现实生活中的设计与制造过程。
3.协调、重组及扩充特性
系统中各组承担为可依据工作任务，自行组成最佳系统结构。
4.自我学习及维护能力
透过系统自我学习功能，在制造过程中落实资料库补充、更新，及自动执行故障诊断，并具备对故障排除与维护，或通知对的系统执行的能力。
5.人机共存的系统
人机之间具备互相协调合作关系，各自在不同层次之间相辅相成。
（四）智能工厂的基本功能模块
1.智能仓储
自动备料，自动上料。
2.智能车间
自动生产，组装，包装。
3.智能品质管控
自动品质管控。
4.集成其他系统
与ERP,MES系统集成。
5.追溯管理
对材料，生产环节，品质管控等各个环节的追溯。
九、MES的选择流程
首先是确定MES需求，然后是选择合格供应商，在此企业需要进行决策的是:是走正规的招标流程，还是小范田的供应商进行系统演示，进行竞争性谈判，这两种方式各有利弊。但无论如何，建议企业在选择供应商的时候.要从从企业实力及发展前景、产品技术实现、项目实施管理能力、售后的服务能力、咨询顾问的实施能力及典型客户的情况等角度等进行综合考察，并且一定要明确“先技术，后商务”的步骤进行。
一般招标流程如图4-15所示。

前言/序言

自2009 年起，美国就着力调整经济发展战略，先后出台了《美国复苏和再投资法案》《重振美国制造业框架》《美国制造业促进法案》《先进制造伙伴计划》《先进制造业国家战略计划》和《制造创新国家网络》等法案和政策，他们希望通过实施再工业化战略，重振制造业，从而抢占世界制造业高端，并在此基础上维持美国世界超级大国的地位。德国政府也紧随着推出工业4.0 战略，它的推出，宣告着人类工业革命将迈入工业4.0 时代。这些政策措施的纷纷出台，疑将会进一步促进和提升制造业的发展，进一步朝着智能制造的时代迈进。
为此，我国国务院于2015 年5 月8 日正式发布了《中国制造2025》，指出未来十年我国工业的“五大重点工程”和“十大发展领域”，并为此专门成立了“国家制造强国领导小组”，2017 年习总书记访问德国时正式提出：“中国制造2025”将与德国“工业4.0”战略对接，至此，工业4.0 成为中国乃至全世界共同瞩目的概念。
随着“中国制造2025”战略的实施，中国企业将深入开展同德国“工业4.0”技术的对接合作，从而进一步提升我国企业的国际竞争力，为此，我们必须深入了解“工业4.0”技术。本书简单介绍了世界工业革命的历史，以及“工业4.0”技术的发展过程及其对世界和我国的影响；然后，从软件到硬件、从设备到技术、从专业到学科，全面介绍了工业4.0 的应用软件和硬件系统；最后，以智能工厂的设计、安装和调试为例，综合介绍了如何应用工业4.0 技术的具体实例。
本书在编写中力图体现以下特色：
1.紧扣我国工业现状，面向产业结构调整，紧扣《中国制造2025》纲要，适合企业需求，解决企业转型升级的关键技术。
2.本书从工业4.0 的应用角度，详细介绍了工业4.0 的应用软件和硬件系统，通过实例讲解了工业4.0 的具体应用方法，内容实用，是我国从事相关政策研究人员、企业管理者的必读书籍。
3.本书用简明易懂的语言，阐述了工业4.0 技术，便于职业教育培训和应用型大学相关专业教学使用。
由于工业4.0 软件技术在我国刚刚开始应用，尚有许多未知的新技术，加之编者学识和水平有限，书中如有不妥之处，敬请读者批评指正。
编著者
2018年1月

图书简介：《工业4.0技术及应用》 图书名称：工业4.0技术及应用 简介： 本书旨在深入剖析“工业4.0”这一全球制造业转型浪潮的核心技术体系、关键应用场景及其对传统产业生态的颠覆性影响。在信息物理系统（CPS）的驱动下，未来的智能工厂不再是孤立的生产单元，而是高度互联、自适应、自我优化的复杂智能体。本书将从理论基础到前沿实践，系统梳理支撑这一转型的关键技术集群，并结合大量的行业案例，阐释如何将这些技术有效地部署到实际生产制造流程中，实现效率的飞跃、柔性的增强以及可持续发展的目标。 第一部分：工业4.0的时代背景与核心理念 工业革命的历史脉络清晰地勾勒出人类生产力提升的轨迹。从蒸汽机的首次应用到电力驱动的大规模流水线，再到信息技术（IT）与运营技术（OT）的融合，每一次飞跃都伴随着生产组织方式的根本性变革。工业4.0，作为第四次工业革命的标志，其核心在于“智能化”和“互联化”。 本部分首先界定了工业4.0的基本内涵，它不仅仅是简单的自动化升级，而是构建一个由机器、产品、系统和人共同组成的、实时的、动态的、端到端的集成化生产网络——即“智能制造系统”（Smart Manufacturing System）。我们将探讨其背后的驱动力，包括全球供应链的复杂性增加、个性化定制需求的爆发、资源约束日益紧张以及快速技术迭代带来的竞争压力。 此外，书中详细阐述了工业4.0的九大关键设计原则，例如：互操作性（Interoperability）、虚拟化（Virtualization）、去中心化决策（Decentralization）、实时性（Real-time Capability）以及服务导向（Service Orientation）等。理解这些原则是掌握未来工厂运营逻辑的基础。 第二部分：支撑工业4.0的核心技术体系 工业4.0的实现依赖于一系列前沿技术的协同作用。本书将对这些关键技术栈进行详尽的拆解和分析： 1. 工业物联网（IIoT）与边缘计算： IIoT是连接物理世界和数字世界的桥梁。本书将深入分析传感器、执行器、智能终端等设备如何通过先进的通信协议（如5G、TSN时间敏感网络）实现海量、低延迟的数据采集与传输。重点讨论边缘计算（Edge Computing）的角色，它如何将数据处理能力推向数据源头，以满足高可靠性、低延迟的实时控制需求，从而减轻云计算中心的负担，并保障关键操作的即时响应。 2. 信息物理系统（CPS）与数字孪生（Digital Twin）： CPS是工业4.0的基石。本书详细阐述了CPS的架构，包括感知层、网络层、计算层和应用层，以及它们如何通过反馈回路实现对物理实体的精确映射与控制。尤为重要的是，我们对数字孪生技术进行了专题研究。数字孪生不仅是物理资产的静态三维模型，而是包含实时运行数据、历史数据和预测模型的动态虚拟实体。读者将学习如何利用数字孪生进行产品全生命周期管理（PLM）、工艺模拟优化以及故障预警。 3. 大数据分析与人工智能（AI）： 海量生产数据只有经过有效的分析才能转化为价值。本章聚焦于工业大数据处理的特点，如数据的异构性、高维度和时间敏感性。随后，深入探讨AI技术在制造业中的具体应用，包括：基于机器学习的预测性维护（PdM）、质量缺陷的视觉检测（利用深度学习）、生产排程的优化算法，以及自主决策系统的构建。 4. 增材制造（3D打印）与柔性生产： 增材制造不再是简单的原型制作工具，它正成为小批量、高复杂度和定制化产品的关键制造手段。书中分析了不同增材制造技术（如SLM、EBM、DLP）在工业级应用中的材料局限性与突破点。同时，探讨增材制造如何与柔性装配线结合，实现大规模个性化定制（Mass Customization）。 5. 工业机器人与人机协作（Cobots）： 新一代工业机器人具有更高的灵活性、更强的感知能力和更易于编程的特性。本书重点介绍了协作机器人（Cobots）在保障安全的前提下与工人并肩作业的场景，以及如何利用先进的运动规划算法实现复杂任务的自动化。 6. 工业网络安全（Cybersecurity）： 随着OT网络与IT网络的深度融合，安全风险呈指数级增长。本书系统梳理了针对工业控制系统（ICS）和SCADA系统的威胁模型，并介绍了零信任架构（Zero Trust Architecture）、加密通信、安全审计以及安全韧性（Resilience）设计在未来工厂中的必要性。 第三部分：工业4.0的关键应用领域与实施路径 技术只有落地才能产生效益。本部分关注技术在具体工业场景中的集成应用。 1. 智能供应链与物流： 探讨如何利用区块链技术确保供应链数据的透明度和可追溯性。研究如何通过实时需求预测和动态库存管理系统，构建对市场变化快速响应的敏捷供应链。 2. 智能工厂的运营优化： 详细介绍了如何构建一套集成MES（制造执行系统）、ERP（企业资源规划）和WMS（仓库管理系统）的整体化信息架构。重点分析了通过实时数据分析实现能耗优化、设备综合效率（OEE）提升的具体案例。 3. 产品全生命周期管理（PLM）的数字化转型： 从概念设计、仿真验证、生产制造到售后服务的全流程数字化打通。介绍如何利用云平台承载设计数据，并确保设计意图（Design Intent）在生产制造环节中的精确传递。 4. 实施路线图与挑战： 本书最后一部分提供了企业迈向工业4.0的实用路线图，涵盖了从“数字化成熟度评估”到“试点项目选择”、“技术栈集成”和“组织能力建设”的渐进步骤。同时也客观分析了当前企业在数据孤岛、人才短缺、前期投资回报周期长以及标准不统一等方面面临的现实挑战，并提供相应的应对策略。 总结： 《工业4.0技术及应用》不仅是一本技术手册，更是一份面向未来的战略指南。它以严谨的学术态度和丰富的工程实践经验，为企业决策者、技术工程师、研究人员以及相关专业的学生，提供了全面、深入、可操作的工业智能化转型知识体系。通过阅读本书，读者将能够清晰把握未来智能制造的发展趋势，并具备将先进技术转化为实际生产力的能力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的编写方式简直是为我这样的初学者量身定做的。我之前尝试过阅读一些关于工业4.0的资料，但常常因为技术术语太多、理论过于抽象而望而却步。然而，《工业4.0技术及应用》却以一种非常友好的方式引导读者进入这个复杂的世界。它从最基础的“为什么需要工业4.0”讲起，分析了当前制造业面临的挑战，例如成本上升、效率瓶颈、定制化需求激增等，然后自然而然地引出工业4.0作为解决方案的核心价值。书中对各项关键技术，如数字孪生、边缘计算、云计算、网络安全等，都进行了生动形象的解释，并辅以大量的图示和流程图，使得原本枯燥的技术原理变得易于理解。我尤其喜欢的是，它不仅仅是罗列技术，更侧重于阐述这些技术如何协同工作，共同构建一个高度自动化、智能化、柔性化的生产体系。对我而言，这本书更像是一本“工业4.0入门指南”，让我能够快速建立起对这个领域的整体框架认知，不再感到迷茫。

评分☆☆☆☆☆

这本书带来的最大启发在于其对“应用”的深度挖掘。我一直认为，技术本身固然重要，但如何将其转化为实际的生产力，才是衡量其价值的关键。而《工业4.0技术及应用》在这方面做得尤为出色。书中列举了形形色色的应用案例，涵盖了从产品设计、生产制造、质量检测到供应链管理、售后服务等各个环节。例如，书中详细介绍了如何利用物联网传感器实时监控设备运行状态，通过大数据分析预测故障并进行预防性维护，从而大大降低了停机时间和维修成本。还讲到了如何通过3D打印技术实现小批量、个性化产品的快速生产，满足了市场多样化的需求。更让我印象深刻的是，它还探讨了工业4.0在提升员工安全和工作环境方面所起到的积极作用，比如通过机器人协作减少人工在高风险环境下的暴露。这些真实世界的应用场景，让我看到了工业4.0的无限可能性，也让我对未来的工厂有了更具象化的想象。

评分☆☆☆☆☆

作为一名长期关注科技发展趋势的技术爱好者，我一直试图寻找一本能够全面梳理工业4.0全貌的书籍。在阅读了《工业4.0技术及应用》之后，我可以说，这本书非常精准地捕捉到了这个时代的核心脉搏。它不仅仅是简单地介绍某项技术，而是着重于探讨这些技术如何整合，如何构建一个相互连接、信息共享、自主决策的智能制造生态系统。书中对于“智能化”和“自动化”的界定，以及它们在不同工业场景下的具体体现，都进行了深刻的剖析。我特别赞赏作者在探讨网络安全和数据隐私等方面的审慎态度，这表明本书的视角是全面且具有前瞻性的。此外，书中对于人才培养和组织变革的讨论，也触及了工业4.0实施过程中绕不开的挑战。总的来说，这本书提供了一个宏观的战略视角，也提供了微观的技术细节，对于理解工业4.0的深层逻辑和发展方向非常有价值。

评分☆☆☆☆☆

这本书真是让我大开眼界！作为一个在传统制造业摸爬滚打了十几年的老兵，我一直对“工业4.0”这个概念感到既熟悉又陌生。熟悉是因为它总是在行业会议、技术论坛上被提及，但陌生则是因为真正能深入浅出解释清楚其内涵和实践路径的书籍实在太少了。这本书的出现，恰好填补了这个空白。它没有空谈理论，而是从技术基石讲起，比如物联网（IoT）如何赋能设备互联互通，大数据分析如何挖掘生产过程中的潜在价值，人工智能（AI）又如何在智能制造中扮演关键角色。更重要的是，作者并非生搬硬套概念，而是结合了大量真实的工业案例，从汽车制造到消费品生产，从流程工业到离散制造，都给出了详实的应用场景和实施思路。读完之后，我才真正理解了数字化转型并非遥不可及，而是可以通过一系列具体的技术手段逐步实现的。这本书让我对“智能工厂”的理解不再停留在科幻电影的层面，而是有了更清晰、更落地的认知，甚至开始思考如何将书中的理念应用到我们自己的车间改造中。

评分☆☆☆☆☆

我一直对那些能够将复杂概念转化为易于理解的语言的作者充满敬意。《工业4.0技术及应用》的作者无疑具备这样的能力。这本书就像一位经验丰富的向导，带领读者穿越工业4.0的迷宫。它没有回避其中的挑战，而是以一种务实的方式，探讨了实施工业4.0可能遇到的技术难题、成本投入以及人才瓶颈。我尤其欣赏书中对于“循序渐进”的强调，它并非要求企业一步到位实现彻底的智能化，而是提供了不同阶段的实现路径和技术选择。书中对于“人机协作”的解读，也让我看到了技术发展并非是要取代人类，而是赋能人类，让他们能够从事更具创造性和价值的工作。读这本书，我感受到的是一种积极的、面向未来的力量，它让我相信，即使是传统行业，也能通过拥抱新技术，焕发新的生机。这本书不仅仅是一本技术手册，更是一本关于制造业未来发展趋势的“启示录”。