计算机集成与制造技术(从计算机集成制造到工业40)

第一次工业革命：18世纪60年代，蒸汽机的发明推动了工业进步。工作机和动力机使工业化成为可能。

这次工业革命引发了一次人口爆炸：一方面，由于交通运输系统（轮船、铁路）的改善，人们得到了衣物和粮食供给；另一方面，基本生活物质生产率也得到了显著提高，如农业领域。

第二次工业革命：19世纪70年代，标志是电力的广泛应用。最具代表性的是电动机和内燃机。尤其是电气驱动系统使分散式驱动成为可能，即工作机不再由中央动力机驱动，而是分散式驱动。此外，石油作为化工原料及交通系统的新燃料——尤其是汽车的燃料，变得越来越重要。第二次工业革命是一次生产技术和产业结构推动的变革。

第三次工业革命：20世纪60年代，信息技术和通信技术的巨大进步实现了生产过程的自动化。生产过程越来越合理化，不同种类的单件小批量生产逐渐成为可能。

从“经济奇迹”（20世纪60年代，被两次世界大战终结的德国，工业化进程继续发展，成为“经济奇迹”）到20世纪80年代的过渡期，社会的基本需求都已得到满足，市场基本处于饱和状态。同时，卖方市场也逐渐向买方市场转型。因此，不再仅仅是生产，生产出来的产品也要销售出去。客户变得越来越不同，他们的需求变得更加个性化，并越来越注重产品的质量和差异性。

第四次工业革命，是一个新的工业化时代开始：对象、机器与设备将智能化。它们借助物联网以自然的方式与人类通信，有足够的潜力重新定义自动化生产。这样的变化不仅提升了速度，而且变得更加高效与智能，而在未来几年中，这样的变革将会彻底改变产品的研发，生产与分配的方式。

通过客户、制造商和供应商的数字网络连接，全新的工作流程得以建立。

不幸的是，工业4.0既不是一种产品也不是一个流程。首先，与其说它是一个项目，不如说它是在制造工业中的一种提议，一种需求。这种需求意味着要将当今通信技术：新型智能化制造设备以及制造系统不断融合发展。

工业革命的阶段：

1、前三次以技术为驱动的工业革命

自18世纪初机械工程开始商业化以来，一直都是制造业科技发展的推动者。这样发展过程并不是以线性的方式进行的，而是分为几个技术发展的阶段，也就是今天所说的工业革命。

2、从CAD和NC、CIM到工业4.0

随着20世纪50年代末数控技术的发明，特别是1969年发明的SPS控制系统（PLC）、使机械工程领域发生了巨大的变化。

在20世纪70年代，过程控制计算机首次在工厂控制层面提供了就软件的解决方案，而首次机器间互联在1968年的美国就已经开始。基于此，首个在工业中投入使用的DNC系统在20世纪70年代中期被制造出来。然而，这样的系统仍然受到计算机、网络所需巨大成本的影响，同时也低估了软件开发。后来，在1976年发起了一项由BMBF资助的大型项目。该项目的合作者，亚琛的WZL、Julich核研究中心和工业伙伴Dietz（过程计算机）、VFW（如今的空客公司）共同研发出了基于首个高性能网络的适用于工业的DNC系统，命名位CAMAC。由此开启了一个新的时代，一个最终产生工业4.0模式的时代。

CIM时代在1985年前后到来。该缩写代表了计算机集成制造。该概念描述了一个网络化工厂的愿景，而不是具体的实现。相应的技术尚未成熟，因此CIM实现仍需要10年的时间。

根据AWF（经济生产委员会）的定义，CIM描述了与制造相关的所有领域的电子数据处理的应用，它包括CAD\CAP\CAM\CAQ和PPS之间的信息技术交互。目的是实现产品生产的技术和组织功能的整合。

这就需要在电子数据处理系统中共享所有数据，也称为数据库。

3、精益生产——组织的革命

相比工业革命，精益生产不是一种技术上的成就，而是形式上的改变。精益生产的原则是生产过程的方向与客户的一致，同时避免浪费。与传统生产相比，精益生产的目标是最大限度地利用资源，并将加快订单处理时间作为考虑的核心，为了实现这一点，将通过各种方法不断地，持续地避免浪费。

4、工业4.0：数字化革命

市场的不可预测性和波动性日益增加，以及产品种类增多尔其生产数量减少，这让也起不断面临新的挑战，这也是第三次工业革命中固有的自动化理念无法应对的。此外，全球增值网络还需要沿着整体价值链进行信息交流，并且加强相互合作。对于提高生产率，并且能够同时提供灵活性和可变的价值链来说，将涉及价值创造的所有参与人员与系统紧密地链接是必不可少的。

通过对传感器和执行器周围的物理系统进行拓展，加上具有数据处理和独立通信功能的嵌入式软件，创建了所谓的信息物理系统（CPS），它成为链接数字和物理世界的桥梁。

由于全球经济因素是通过对市场需求的反应而产生的，故也被称为市场拉动。但也允许新技术在技术影响下能够产生新的商业模式，这也被称为技术推动。

全球经济影响的因素

生产企业必须面对目前市场的大趋势。这是由于产品生命周期的缩短，个性化产品种类的增加，以及由此带来的固有产品种类的生产数量减少所造成的。

为了应对不断变化的客户需求，企业开发了基于互联网的新的商业模式和产品，推动了信息物理系统的传播。

1、从产品到服务的需求

越来越多的大公司、大型制造商和复杂商品制造商，关注混合式功能捆绑的新业务模式。采用这种方式，可以降低生产线的规划和组织成本或提高其可用性。

2、已饱和的市场需要在现有产品中找到新的客户利益

市场普及率很高的产品，却只有很低的增长率。以至于市场份额仍只能在竞争对手的压力下得到，这就导致价格战。

3、从大规模定制到自由定制产品

饱和市场引发的另一个影响是用户需求不断提高，而工业正在通过扩大个性化的可能性来应对，由此产生了由数量到种类增长的过渡，这导致了同类产品数量的减少。

根据产品种类管理的概念，特别是大规模定制原则，工厂和设备的投资成本变得越来越高，这样做的目的是在为客户提供具有外部的高度化差异产品的同时，还保证其内部的差异很小。

由于大众定制的传统产品通常只能配置预定义的选项，因此近年来，用户的个性化趋势越来越强。从而对产品生产开发的影响越来越多。从产品的设计到生产设备的连续数字链变得不可或缺。

4、额外的客户使用需求使网络化工厂的高投资有足够盈利

信息物理系统在生产中需要很高的初始投资。一方面，与传统物理系统相比，它需要更高的配置价格。另一方面，信息物理系统的运行需要稳定的互联网连接以及辅助系统，以确保CPS与企业自身的规划和控制系统的IT连接。

特别是企业对企业（B2B）领域的CPS制造商必须向客户证明这些初始投资是合理的。客户投资的总成本是较低的。此时，单一功能通常是不够的，需要将更多的功能集成到CPS组件中，或者将附加服务作为产品服务系统。

技术影响因素（IK技术推动）

除市场因素外，新技术的发展也为企业提供了强有力的动力。这些动力将用于新的商业模式。从而增加市场份额或开拓新市场。

1、全球数据可用性

相比于工业3.0，信息物理系统与因特网的连接不会像工业3.0一样局限于单个企业或单个企业的网络。相反，它可以在任何时间与任何具有网络连接的地方访问相应的系统。这不仅能让在世界另一端出差的生产经理对其工厂的现状一目了然，还能在全球企业网络中实现新的全球规划和控制。

2、传感器价格下降

安装在智能手机和其他智能设置中的传感器越来越多，由于规模效应导致了传感器价格的下降。

如：2007年，第一代iphone产品推出的时，用在上面的传感器价格是7美元，而8年后，仅50美分。

对于工业应用，传感器的价格同样低廉，因此制造领域中的传感器数量及其记录的数据正在稳步增加。

3、电子元件代替机械元件

执行器等电子元件价格的下降，同样影响了复杂功能部件的设计。由于电子元件的材料价值较低，且其简单的批量生产使成本更低、重量更轻、更耐损耗，因此机械元件和继电器正越来越多地被它们所取代。此外，点在元件的使用减少了越来越低装配工作。传感器、执行器和其他电子元件的组合，使得在许多情况下可以执行与机械元件相同的功能。

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