智慧工厂的基本结构和发展路径

智慧工厂的基本架构和发展路径报告人：葛云澄辽宁山合信通科技有限公司大连翊源科技有限公司2014年1月16日中国中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司内容提要智慧工厂概念和具体实现的发展脉络智慧工厂的基本架构智慧工厂继承和有待发展的主要技术小结中国移动通信集团有限公司智慧工厂概念和具体实现的发展中国移动通信集团有限公司用三个维度表达的智慧工厂多年来工程技术界一直在探索数字化工厂应该如何完整而精确的描述。2006年，美国ARC总结了以制造为中心的数字制造、以设计为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造，并考虑了原材料和能源供应和产品的销售供应，提出用工程技术、生产制造和供应链这三个维度来描述工厂的全部活动。通过建立描述这三个维度的信息模型，利用适当的软件就能够完整表达围绕产品设计、技术支持，生产制造以及原材料供应、销售和市场相关的所有环节的活动中国移动通信集团有限公司CPM工厂描述的三个维度：工程、生产、供应链CMM协调制造管理企业外经营C客户s供货商s企业内ERP供应链PLM/客户管理S关系PLM/管理D物流自动化生产ARC提出：用工程、生产制造、供应链三个维度描述数字化工厂的模型中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司智慧工厂的全面描述如果这些描述和表达能够得到实时数据的支持，还能够实时下达指令指导这些活动，并且为实现全面的优化，能在这三个维度之间进行交互，可以肯定地说这就是我们理想的数字化工厂或者叫智慧工厂。换一种表达方式，我们可以把数字化工厂看做是实现了产品的数字化设计、产品的数字化制造、经营业务过程和制造过程的数字化管理，以及综合集成优化的过程。不过，如何在现有技术的基础上发展智慧工厂，为了实现数字化智慧工厂还需要开发哪些技术，ARC并没有明确的说法。中国移动通信集团有限公司信息物理系统CPS信息物理系统（CyberPhysicalSystem，CPS），也有人称为信息物理融合系统，最早是美国科学家相当于物联网的一种表述。它与物联网相比，最显著的特点是强调物理过程与信息间的反馈。2008年美国加利福利亚大学的Lee.E在其技术报告《信息物理系统：设计挑战》中指出：信息物理系统是计算和物理过程的整合集成。嵌入式计算机和网络对物理过程进行监测和控制，通常系统具有物理过程影响计算、计算也影响物理过程的反馈回路。从自动化技术的观点看，CPS是一种工程系统，由一个嵌入在物体中的计算和通信的内核，以及物理环境中的结构所监测和控制。（KarlHenrikJohansson，2011）中国移动通信集团有限公司德国的专家和教授基于制造立国和制造强国的理念，把CPS运用于生产制造，提出了CPPS，即信息物理生产系统。以CPPS为模型构建智慧工厂，或者数字化工厂。2012年德国政府制定和大力推行Industry4.0，而且强调Industry4.0的特征是工业自动化和信息的紧密结合，它建立在物理信息系统CPS的基础之上。这就为智慧工厂的实现指明了一条具有现实可行性的途径。于是，为数众多的德国与制造相关的企业，从跨国的超大型企业（Siemens、SAP等）到各类的自动化产品的中小企业，都在考虑和酝酿如何应对这一发展的大趋势。CPS在生产过程的实现构成了智慧工厂中国移动通信集团有限公司Industry4.0建立在CPS基础上建立在CPS基础上的Industry4.0中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司边界消失全球规划，分散制造依据实情扩展生产能力协同利用全球化工具智慧工厂知识存贮了解历史/当前状态与所处环境能进行通信知悉达到其目标的方法智慧产品社会性机械设备知识共享缺陷补偿或故障维护负荷平衡灵活的自适应利用信息物理系统迈向智慧工厂掌控了然于胸生产优化操作运行条件和产品状态完全透明虚拟制造增强型操作者减少限制远程可视化和远程操作掌握全面知识避免差错中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司智慧工厂的基本架构中国移动通信集团有限公司智慧工厂的基本架构在生产自动化中的CPS应该是什么样的，CPS理念运用于生产制造还有哪些议题需要明确，智慧工厂立足于哪些现有技术基础，还有哪些技术需要如何发展和充实，下面我们会做一些初步探索和讨论。首先我们来看智慧工厂的基本架构。中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司物联网和服务网是智慧工厂的信息技术基础中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司在典型的工厂控制系统和管理系统信息集成的三层架构的基础上，充分利用正在迅速发展的物联网技术和服务网技术。与生产计划、物流、能源和经营相关的ERP、SCR、CRM等，和产品设计、技术相关的PLM处在最上层，与服务网紧紧相连。与制造生产设备和生产线控制、调度、排产等相关的PCS、MES功能通过CPS物理信息系统实现。这一层与工业物联网紧紧相连。从制成品形成和产品生命周期服务的维度，智慧工厂还需要和具有智慧的原材料供应，以及智慧产品的售后服务这些环节构成实时互连互通的信息交换。而具有智慧的原材料供应和智慧产品的售后服务，具有充分利用服务网和物联网的功能。物联网和服务网是智慧工厂的信息技术基础中国移动通信集团有限公司智能制造智能部件产品智能化—智能装备物联网和服务网现代航空装备装备先进轨道交通装备海洋工程装备智能装置智能系统数字化车间数字化企业卫星及应用智能制造产业智能制造与智能装备制造业装备制造业高端装备制造业中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司智慧工厂是由许多智能制造装备构成（当然还包括控制和信息系统）智能制造装备是由许多智能部件和其它相关基本部件构成从CPS走向智慧工厂的一种图像中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司在我们所处的现实世界，数字化智慧工厂实际上还正在分别沿着上述的三个维度独立的开展，这是因为工程技术、生产制造和供应链的数字化实现还没有发展到十分成熟的程度，更不曾广泛的推广应用。因此立足现实，数字化工厂就可以理解为：在生产制造的维度发展基于制造智能的自动化生产线或成套装置在这样坚实的生产基础设施的基础上，将它们纳入企业业务运营系统（ERP）和制造执行系统（MES）的管辖之下同时，在工程技术的维度上，建立和完善CAD、CAPP、CAM基础上的PDM和PLM，然后延伸到产品售后的技术支持和服务。智能制造是数字化工厂的基石中国移动通信集团有限公司智慧工厂继承和有待发展的主要技术中国移动通信集团有限公司生产自动化中的CPS需要关注的主题自适应和自主控制基于部件的自动化（component-basedautomation）软件安装阶段组态（deploymenttimeconfiguration）通信和分散的功能性对分层通信结构没有强烈依赖水平集成和垂直集成基于IP的无线和有界有线的adhoc通信能感知环境关系的自动化部件工作运行与所在位置无关在整条生产线中部件能实现其任务依据环境的影响，过程参数和过程结构能进行动态自适应人员因素的集成增强操作人员的能力人在系统中的作用是协调者、优化者和指导者中国移动通信集团有限公司智慧工厂需要继承和发展的主要技术智慧工厂是从现有的各种工业自动化技术的基础上吸收IT技术逐渐发展的。下面我们讨论有哪些技术方法门类是需要继承和进一步发展的。主要有：分布式自动化开放的通信语义可互操作性中国移动通信集团有限公司分布式自动化用现场总线将传感器、变送器和执行器连接空间分布对象的数据采集集中式的PLC转向算法和数据处理部件集成结构简化PLC在网络系统中的集成例如ProfiNet的CBAIEC61499在嵌入式系统中以分布式软件的方式开发控制智能在分布式系统中完成系统功能的执行IEC61499是IEC61131-3在分布式系统中的实现构想中国移动通信集团有限公司分布式自动化可借鉴SoA和代理系统面向服务的架构SoASoA是IT行业常用的一种经营管理的建模方法。为了使应用软件可进行复用服务所采用的一种封装集成和调用服务均与平台和实现无关具有服务发现功能代理系统（agentsystem）这是在研究分布式人工智能时引入的概念可将清晰定义的子任分配给予代理不同代理间的通信十分要紧在解决复杂任务时具有自组织功能中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司企业管理系统的多代理方法中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司数据采集建模/深入了解信息管理决策支持影响/控制任务级别中国移动通信集团有限公司分布式智能的范例影响程度物联网组织间组织内操作边界内个别设备、产品等中国移动通信集团有限公司面向服务的控制结构特性在基本服务中对机电一体化功能进行功能性封装清晰定义的服务接口（如WSDL）标准化的通信接口（如SOAP、DPWS）应用所带来的利益为自动化部件提供可互操作性便于集成，花最少时间完成集成过程控制的程序易于客制化，也便于修改中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司在应用上IEC61499并不是一种完全独立的标准，为实现分布式工业过程测控系统至少还需要：通信协议定义标准的通信功能块及其标准开放性通信的映射服务。如：工业通信的国际标准有现场总线和工业以太网。标准编程语言用IEC61131-3国际编程语言标准编制的功能块（其内含有算法）。在应用中它们二者相互补充，才能构成完整的功能块类型。IEC61499和IEC61131-3的关系中国移动通信集团有限公司设备4设备1设备2设备3应用程序A应用程序B被控过程IEC61499的系统模型通信网络中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司一组互连的设备（仪表、部件等）彼此之间通过一个或多个网络通信，这些网络并不限于一种网络（如工业以太网、现场总线），也可构成多级网络的方式（如Profibus和ProfiNet、H1和HSE、DeviceNet和ControlNet）进行通信。应用程序可常驻在一个设备中（如应用程序C），也可常驻在多个设备中（如应用程序A和B）。例如，一个应用程序可以包括一个或多个控制回路，其中输入采样由一个设备执行，控制运算由另一个设备执行，输出变换由第3个设备完成。IEC61499的系统模型中国移动通信集团有限公司应用程序模型功能块X功能块Y功能块Z数据流IEC61499的应用程序模型在IEC61499中，应用程序由功能块网络组成，其节点是功能块或子应用程序及其参数，其分支是数据连接和事件连接。事件流中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司与集中系统不同的是，这种由若干个可能分散在多个设备中的功能块互连而成的应用程序模型，分散系统的程序执行不再按扫描方式，或是按多任务多进程的方式进行，它要求在指定数据传输与控制算法之间的关系时具有明确的显性机制。应用程序的运行调度按以下3种方式：事件产生功能块互连以周期和/或优先级的调度信息确定的时序及顺序要求进行。IEC61499的应用程序模型中国移动通信集团有限公司实例名数据输入事件流数据流事件流数据流事件输入事件输出执行控制（隐含）类型名算法（隐含）内部数据（隐含）数据输出资源能力:调度,通信，映射,过程映射显性事件接口IEC61499为满足这个要求，IEC61499增加了一个显性事件接口，以执行IEC61131-3功能块的控制算法的控制功能。中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司开放的通信架构—自动化和IT网络自动化领域的主要应用运动控制和安全系统硬实时要求挑战—开发满足硬实时要求的分布式系统工厂自动化通常无硬实时要求挑战—在一种总线系统中妥善解决异构数据传输批量控制和连续流程控制通常不会在大范围内有苛刻的时间要求挑战—在大量网络节点（2000）情况下仍能透明传输工厂级控制级现场级工厂自动化运动控制过程自动化中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司用无线网络来扩展有线网络无线网络技术面临的的挑战无线和混合网络与传统的自动化网络显著不同无线绝非100%可靠，如何解决？无线通信的实时性成为至今难以逾越的瓶颈无线网络的机会使系统和用户具有可移动性多跳、自组织Ad-hoc通信现场设备的Ad-hoc组态中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公