智慧工厂的基本架构与发展路径

内容提要智慧工厂概念和具体实现的发展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简短小结智慧工厂概念和具体实现的发展描述智慧工厂的三个维度：工程技术、生产制造、供应链CMM协调制造管理企业外经营C客户s供货商sCPM自动化PLM/D客户关系管理供应链管理ERPPLM/S企业内物流生产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智慧工厂进一步的描述工程技术工厂生产制造订货产品智慧工厂的全方位表达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和的数字化管理，以及综合集成优化的过程。不过，如何在现有技术的基础发展智慧工厂，为了实现数字化智慧工厂还需要开发那些技术，ARC并没有明确的说法。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监测和控制物理过程，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核，以及物理环境中的结构所监测和控制。（KarlHenrikJohansson，2011）信息物理系统（CPS）间的通信CPS在生产过程的实现构成了智慧工厂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。完善的智慧工厂不可能一蹴而就，将是一个渐进发展的过程。最早实现的肯定是基于目前的基础，而又朝着这个方向的初始阶段，这就是本次研讨会的主题—智慧工厂1.0的内容。迈向基于物联网和服务网的智能环境2020年后几乎90%的计算机都是嵌入式的Industry4.0：基于云信息安全网络的智慧工厂流水线Industry4.0从嵌入式系统到虚拟现实系统的演进智慧工厂之外是工业互联网智慧城市之外是智慧地球嵌入式系统物联网智能环境/空间虚拟现实系统网络化嵌入式系统传感器服务阀门服务泵类服务控制服务通信服务Industry4.0与硬件无关、面向服务的工厂系统规划与硬件无关的工厂系统规划服务库Industry4.0从位（Bits）到字节（Bytes），再到语义（Semantics）Bytes由软件工程推动Bits由电气工程推动Bytes语义由语义技术推动共同实体基于知识Industry4.0的一些特征互联网和智能移动设备进入工厂需解决安全和可获得性软件含量不断增加，机械的含量不断减少需要面向软件开发，改变组织结构和流程过去各司其责的工业工程、自动化和IT开始融合跨领域合作、新合作模式、全生命周期的挑战供应商结构/不同软件厂商支持IT集成互操作性和标准化控制数据、信息和功能爆炸的风险辅助功能、基于角色的操作、新GUI、语义搜索自动化的自动化组态和参数化将取代编程智慧工厂的基本架构智慧工厂是物联网和服务网的一部分智慧工厂需要智能电网、智能物流、智能建筑、智能移动设备和智能产品Industry4.0：智慧生产、绿色生产、销地生产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那些议题需要明确，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。物联网和服务网是智慧工厂的信息技术基础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。用互联网技术将物理世界相关的信息进行高效存取和处理环境智能进行预先自治控制环境辅助系统物联网在Industry4.0中起的作用将对象数字化进行泛在感知和计算生产管理和调度执行信息系统的垂直集成在工厂中信息存取的应用潜力横向集成在价值生成网络内的高效信息交换在工厂环境下信息的高效存取和处理产品在整个产品生命周期的数字化工程装备智能制造是数字化工厂的基石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。德国实施工业4.0的一些动向（1）“工业4.0”项目主要面向两大主题：智能工厂重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现。由德国中小企业主攻（菲尼克斯、倍福等）。智能生产主要涉及虚拟3D技术在工业生产过程中的应用（虚拟数字化工厂设计、仿真，机械装置的数字化虚拟设计、仿真）；整个企业的生产物流管理、人机互动；以及产品的生命周期管理等。由德国大型企业主攻（如Siemens、SAP等）。德国实施工业4.0的一些动向（2）工业4.0的实施是一个渐进推进的过程，不可能是一种全面抛弃全部现有设备的突变，可能要延续几十年。所以，原来曾经定下的时间节点为2020年，现在似乎已改成2020年至2030年。在进行实质性工程技术革命和改造的过程，首先是参与者转变观念，跳出原有领域的框框，进行跨技术领域的思考，在理念上发生改变之后，结合实际情况予以实施。智慧工厂需要继承和有待发展的主要技术智慧工厂急需开发的关键技术(1)渗透在生产制造和管理各个环节中的IT技术及其集成物联网工业实践技术分布式云计算的工业实现基于Web2.0的工业互联网技术物理信息融合系统的工业实践……垂直集成和横向集成的工业通信技术基于互联、互操作的设备集成工业以太网整合技术机器与机器之间的通信（M2M）基于OPCUA的垂直集成语义互操作性的实现技术……智慧工厂急需开发的关键技术(2)软件技术面向分布式自动化的各类高效可靠的模块化软件开发平台应用分于布式自动化中的SOA和多智能体系统的软件技术……机电功能模块的设计、开发和最佳实践下一代工业辅助系统技术基于增强实境技术的先进工业辅助系统机器人和操作员协同……标准化技术生产自动化中的CPS需要关注的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自组织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、优化者和指导者分布式自动化分布式自动化用现场总线和工业以太网将传感器、变送器和执行器连接对空间分布对象进行数据采集集中式的PLC转向算法和数据处理，而不是数据采集部件集成结构简化PLC在网络系统中的集成如ProfiNet的CBA（Components-basedAutomation）IEC61499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分布式自动化可借鉴S0A和智能体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智能体系统（agentsystem）这是在研究分布式人工智能是引入的概念可将清晰定义的子任务分配给予某个智能体不同智能体间的通信十分要紧在解决复杂任务时具有自组织功能企业管理系统的多智能体方法组织内操作边界内各别设备、产品等数据采集建模/深入了解信息管理决策支持影响/控制物联网分布式智能的范例影响程度组织间任务级别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，化最少事间完成集成过程控制的程序易于客制化，也便于修改垂直集成和横向集成的工业通信技术制造过程与管理过程完美融合开放的通信架构—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）情况下仍能透明传工厂级控制级现场级运动控制工厂自动化过程自动化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和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Ad-hoc通信现场设备的Ad-hoc组态架构方面网络之间的通信量最小化开放的标准和接口语义数据的描述部件方面分散型智能部件的开发就地决策处理基于模型和语义的描述自主控制和自供电源开发无线自动化解决方案的关键问题主要问题：应该如何来设计无线自动化的解决方案，才能增强无线技术潜在的可移动性和替代有线所带来的利益关于垂直集成的可互操作的含义在上下不同层次实现可互操作是困难的，譬如ERP层面（L4）内是语义可互操作，检测和执行层面内（L1）是信号的可互操作。垂直集成意味着：在企业管理层的软件和自动化设备之间建立数据连接要使信号能提升为具有显性含义如何掌控不同长度和不同周期的数据包语义互操作语义互操作是指计算机系统传输明确的共享数据的能力。要让信息系统之间能够进行用机器计算的逻辑、推理、知识发现和数据联合，其前提是实现语义互操作。面向服务的架构SOA是一种不受限于具体技术的体系结构。在SoA中，迫切要求服务提供者与服务需求者之间进行有效的通信，而无需考虑信息结构、与业务相关的人为因素和其它文件的异构（即非同一性）。这种要求称为语义的可互操作性。通常认为技术方法是服务的要求者与提供者之间进行有效协调和集成的最大障碍，实际上语义的互操作性才是根源性的问题。用标准化中间件OPC-UA实现垂直集成用标准的中间件OPC-UA将现有网络进行垂直集成关于数据和功能集成的开放性垂直集成要让在工厂产生的所有信息都能随机存取的集成但是，作为决策基础的动态编译却要求所考虑技术系统的知识于是产生了下面面的问题：哪些是一般工厂信息模型所必要的基本单元？而它们恰恰是能显性的表达可提供使用的知识。下一代工业辅助系统技术为Industry4.0的CPPS配备的下一代工业辅