智慧工厂的基本架构和发展路径

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,中国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,智慧工厂概念和具体实现的发展,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,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,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。,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）,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,Industry4.0建立在CPS基础上,建立在CPS基础上的Industry4.0,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,智慧工厂的基本架构,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。,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。,物联网和服务网是智慧工厂的信息技术基础,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,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,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,智慧工厂继承和有待发展的,主要技术,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,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,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CBA,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,企业管理系统的多代理方法,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,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,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,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,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,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,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,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,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。,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,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,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）内是语义互操作，检测和执行层面内（L1）是信号的互操作。,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,用标准的,中间件,OPC-UA将现有网,络进行,垂直集成,用标准化中间件OPC-UA实现垂直集成,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考虑技术系统的知识,于是产生了下面的问题：,哪些是一般工厂信息模型所必要的基本单元？而它们恰恰能显性地表达可供使用的知识。,智慧工厂系统的信息安全问题,外部通信基础结构,远程业务伙伴和客户,远程操作工具,HMI,企业局域网控制系统局域网,仪表安全系统,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。它是对信息系统之间能够进行可用机器计算的逻辑、推理、知识发现和数据联合的要求。,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。,应用举例：产品作为一个自动化部件,产品将其生产过程的抽象描述存贮在它的存贮器中，这样就可以用预先动作的方式协调每一个制造环节,在产品存贮器中执行抽象描述过程（1）,主要问题：怎样调用已被描述的功能？没有服务贮存库的语义方法,服务名、服务参数和地址必须从产品存贮器内调出,例如：调用制动器服务,地址：192.168.178.30:10221服务名：/StopperSevice操作状态：抱死参数：无,缺点：地址、端口、服务名、操作状态、和参数限制了灵活性；与制造厂的交互协调实际上不可能执行,有服务贮存的语义方法,服务名用来从服务贮存库寻找WSDL服务定义例如：,请求“StopperSevice”服务,返回WSDL服务定义,从WSDL文件读出主地址，可能的操作状态、参数名等由人选择合适的操作和参数进行服务调用,缺点：,WSDL单纯是接口的语义定义；操作含义不是正式描述；,实际上不可能与供货商进行自动协调交互,在产品存贮器中执行抽象描述过程（2）,生产过程的语义服务发现主要任务：合适功能性的搜索、定位、选择和协调语义方法定义一个服务实体例如,用包括,设备信息,功能性信息,所处环境信息,来定义一种服务用语义技术进行服务发现进行直接满足服务描述要求的服务搜索进