工业物联网：智能制造的演进之路

工业物联网：当前的自动化系统，并以新系统取而代之。其潜力在于工业物联网能够将现有的自动化系统这种覆盖整个企业价值链，可助力企业实现更佳业务控制的联结应如何实现？本白皮书就此进行了分析，并收集了相关专家关于工业物联施耐德电气2工业物联网（IIoT）往往会被描述成一场以意义深远的方式改变行联网标准的创建与成熟需要时间，工业物联网的潜能可能需要另一个十五年才能得以充分发终端用户和机器制造商可以最大限度地利用现有在技术与人员方面的投资。在部署工业物联网解决方案的时候，采取“升级再利用”的策略比“淘汰换新”能够工业物联网的出现给负责工业企业运营的利益相关者带来了希望也有困惑。早期对于工业物联当然，涉及范围极广的大量应用确实是阻碍人们了解工业物联网潜力的挑战之一。例如，智能企业控制方面，我们会看到既能实现大规模定制又可以最小批量生产的自主型机器与设备。在高业绩并增加设备的正常运行时间。新一代“增强型”工人将能够充分利用包括移动终端和增强现实在内的尖端技术。随着获取跨部门信息变得更加容易，他们的工作被简化，生产系统却能够创造出更大的利润。这些变化中有一部分会在中短期内变成现实，另外一些则是随着新的国际工业物联网标准的创建，以及最终用户和OEM厂商不断为其旧系统添加功能而逐步实现。在全球范围内，人们对于工业物联网的认知是一致的，即智能联接的资产（物）应作为更大型系统或构成智能制造企业的众多系统中的一部分来运行。这些“物”的智能化功能各不相同，覆盖了从基础的传感器与执行机构，到控制、优化乃至全面自动化运营的各个层面。智能制造企业由拥有更高级别智能核心的智慧机器、智慧工厂与智慧运营组成。这些被连接的系统依托于开放、标准的互联网技术以及可以确保设备与信息被安全访问的云技术。这使用户能够利用新的高级分析工具对“大数据”进行处理，并通过移动技术加以利用，以创造更大的商尽管工业物联网的长期影响还难以预测，但以下三种操作场景将是智能制造崭露头角的领域：.智能企业控制——工业物联网技术能够实现智能互联机器及智能互联制造设备与更广泛企业的紧密集成。这将促使制造业变得更加灵活高效，从而提升盈利能力。智能企工业物联网：智能制造企业的演进施耐德电气3利于改善业务控制。业控制被视作一个中长期趋势，但其实施十分复杂，需要创建全新的标准以支持信息.资产性能管理——无线传感器的低成本部署、方便的云连接（包括广域网）和数据分析可显著提高资产性能。这些工具支持从现场轻松收集数据，并实时将其转变为可操业务的熟练工人出现较大缺口，而年轻一代的接班人员更习惯于以指尖触控的方式获得各种信息。在工业物联网时代，这些信息将通过他们熟悉的方式实时提供。也因此，相比以机器为中心，未来的工厂将会更多的以人为中心。的工业物联网相关。因为这二者是特定技术，并不适用于所有制造企业，所以并未在本白皮书新一代工业物联网能够为用户带来的最具潜力的收益之一就是打破企业内部系统间的壁垒（信息孤岛）。这些技术有助于生产系统和企业资源计划（ERP）系统、产品生命周期管理体运营的方式能够为企业带来高达26.1%的效率提升。“升级再利用”工业物联网：智能制造企业的演进施耐德电气4“整体企业控制将通略实现。”面提升资产效能。1麦肯锡公司（McKinsey&Company）工业4.0-如何看待制造领域数字化智能制造企业并不意味着用全新的系统替代现有的自动化系统。相反，它意味着当前的自动化系统与企业、生命周期和价值链系统的连接。这令整个制造企业得到优化，并且能够显著加强更紧密的融合不仅会让企业变得更为高效，同时更高的灵活性和更快地应对市场环境变动的能力可以带来更高的盈利能力。控制的概念将从物理参数的实时控制扩展至整体业务的适时控智能企业控制的范例包括：大规模定制和最小批量生产；缩小产品召回可能；在制造过程的早期发现缺陷产品，并修改产品设计以消除根源问题；基于天气预报修改生产计划；基于原材料现价调整生产计划/配方。类似能效管理和预测性维护的资产性能管理应用在工业领域不属于新概念，但却因执行成本较高而未能广泛应用。物理连接（传感器布线成本）和逻辑连接（与现有系统整合）的成本居高不下。目前，无线IP连接和基于云的架构可以克服这些成本障碍。此外，化，且低成本的传感器正在不断涌现；因此，新一代工业物联网系统也将为资产性能领域带来ERPERP生产运营管理关键性任务的实控制传感器/执行机构（LPWAN）工业物联网–下一代系统“云技术支持非关键性任务的应用程序”以基于状态的监控/预测性维护为例。目前，一方面对无需维护的设备进行维护导致浪费大量工业物联网：智能制造企业的演进施耐德电气5增强型操作者的生产效率提高，因为他们可在合适的时间获得适当的信息。致力于大幅降低此类解决方案的执行成本。增强型操作者信息（分析和增强现实）访问将转变操作者的工作方式。便携式无线终端将扩展其功能和技离散/混合/连续传感器/执行机构产品生命周期管理供应链管理当前，操作者只能获得来自自动化系统的信息。将来，增强型操作者将能够从所有必要的企业在制造业中广泛普及新一代工业物联网系统之前，需克服多个阻碍因素。其中包括工业物联网标准化标准是使得智能互联产品、机器和资产能够以透明方式相互作用的必要条件。这不只是包括简单的通信协议，而且包含有助于智能设备发现彼此并实现互操作的标准语义和机制的创建。该“经认证的工业安全“经认证的工业安全关重要。”工业物联网的落地加速了对于工业控制系统网络安全的需求。工业物联网的复杂性意味着网络安全必须贯彻于组成自动化系统的组件中。经认证的工业安全标准的普及对于工业物联网的推进必不可少，因为它不仅能够确保独立资产安全，而且还能确保更大型系统及由多个系统组成的系统的安全。这些认证所起到的作用类似于安全认证领域的认证。符合认证意味着系统的所有元件都将成为重要的安全组成因素。这些元件由经过安全认证的团队以可靠的方式进行整合，并作为安全系统由接受过安全培训的操作工业物联网：智能制造企业的演进施耐德电气6者操作。安全认证的关键在于一致性和可实施性。纵观全球，IEC62443安全标准系列涵盖所有素，包括产品开发、产品功能、系统功能、交付和操作。需要注意的是，尽管当下的一些独立设计和操作基于工业物联网的系统所需的技能与运行传统的自动化系统所需的技能略有不同一面是工业物联网系统将利用日常生活中常见的技术，而新一代年轻操作者对于这些新方法的适应不会有任何问题。自动化供应商的主要挑战是如何设计和供应诊断/调试工具，以便能够快速识别问题的根本原因。此举将确保出现故障或已经崩溃的系统能够快速得到修复。网络安全设计和操作工业物联网系统将需要大量新技能。/控制信息驱动型架构在智能制造企业中,增强型操作者执行智能企业控制和资产性能系统的管理，自动化供应商将工业物联网：智能制造企业的演进施耐德电气7架构“工业物联网时代，以往庞大的单一数据源多层级管理方法和架构将无法再保持可行性。”需要在所有自动化层级部署工业物联网。这将有助于与下一代工业物联网系统轻松整合。此外，借助日益强大的嵌入式电子产品，互联智能将向下迁移至更低的自动化层级，例如控制级化层级将演进发展为更加扁平化并由信息驱动的架构。由于未来最终构架形式尚不明朗，目前所采用的技术和架构必须能够灵活地适应变化，并且能够与传统系统融为一体。以往的基于单一数据源而逐级累积，从而形成的庞大繁复的管理方式和架构将无法再适应未来要求。生产运营管理嵌入式硬件/软件，适用智能互联产品生产运营管理连接至任何终端点标准语义模式分布式控制智能互联机器智能互联资产这种架构由两个截然不同的层面组成。两个层面中的信息流将借助基于行业标准语言和发现机制变得透明化。这两层的具体说明如下：1.其一是用于实时确定性控制的实时层。该层通常被称为“雾层”或“边缘层”。采用“基于IP的时间敏感”来描述这一层是为了强调一个基本的事实，即该层所含的技组成实时控制层（传感器、执行机构和控制器）的OT明地与第二层的IT业务系统相连。那些相同的设度、压力和声传感器的控制阀为例,它们能够自主操作，利用企业的设定值，确定其自身的预防性维护，并及时向维护部门通知自身状态。2.其二是云企业层。在这一层，企业系统（ERP、MOM、PLM、SCM、CRM等）与包含资产管理和能源管理在内的新一代功能之间，以及与支持云技术的时间敏感型系统之前文使用的术语“云”泛指技术，而非指基础设施中的物理位置。有诸多理由认为，在工业自动工业物联网：智能制造企业的演进施耐德电气8集中式控制与分布式控制工业物联网的到来也无法平息这一长期以来的争论。一方面，经济实惠的嵌入式电子产品在现同样催生了更加集中化的架构。这种架构中，所有传感器和动作开关都与安全的本地数据中心中部署的高度冗余且功能强大的多核处理器相连接。现今，应用的编程往往以某个特定硬件为目标，例如PLC。展望未来，应用将独立于底层自动化硬件进行编程，而且该系统将通过透明化方式将该应用分配到硬件，以自动配置所有的通信机制。这种方法将使得用户能够选择高度集中或高度分布的架构，抑或基于其特定需求和问题现场的分配式智能将使得智能互联机器能够以标准格式发布重要信息。智能信息中介系统将以透明化方式向有需要的系统和应用提供此类信息。此方法将克服当前企业面临的一大挑战：信联网的自动化架构网络中智能互联设备的数量将呈现指数级增长。这些设备将通过实时控制型工业物联网/以太TorresolEnergyGemasolar太阳能发电站便是拥有庞大数量互联设备的一个实例4000台施耐德电气PLC/变频器通过以太网连接，用于控制太阳能反射镜位移。大量联网设备不仅对网络管理和性能，也对如何管理分布式系统及其应用软件的整体配置提出了诸多挑战。在现有的传统自动化技术的基础上布置如此庞大的互联系统是一项复杂的工作。将来基于工业物联网的自动化系统需要一种新的方法来简化联网自动化架构的设计、管理和维护。工业物联网：智能制造企业的演进施耐德电气9“提供适用于工业物联网WIFI和Web服务等互联工业物联网通常被认为是一次颠覆我们现在生活面貌的革命。对于消费品、楼宇管理及其他领域确实如此。但对于工业领域，由于工业市场的不同领域各自需求与挑战的不同，工业物联网的推进速度将较为缓慢。技术因素引领工业物联网演进工业物联网现实与虚拟之间的模糊界限。它们将会为更灵活的过程与机器数据获取模式让路——避开刚性自动化架构并采用基于互联网标准、方便用户使用的移动型系统。虽然生成和采集数据是工业物联网的重要一面，但仅此一个方面无法让制造商发挥工业物联网的全部潜能——需考虑的其他组成因素如下：1.适用于工业物联网的智能互联设备将带来“高级传感系统”，可生成信息，并由2.汇总数据、显示信息和连接云以开展高级分析的边缘网关3.进一步分析数据并将其置于情境中以帮助达成商业目标的应用与服务4.使得合作伙伴能够在通用平台上进行开发的开放协作环境提供适用于工业物联网的智能互联设备意味着将包括WIFI和Web服务等在内的互技术从初始就嵌入在设备中。例如，变频器对于工业过程必不可少，通过提供电机使用相关的信息发挥作用，而传感器和继电器等其他设备提供设备生命周期相关的信息。嵌入式数字服务对于支持过程优化同样至关重要。例如，搭载内置Web技术标准、以太网连接、智能芯片和资产管理或能源管理功能的新系列Alti可提供附加语境信息，包括实时事件、报警、趋势和历史数据。边缘网关汇总收集自不同来源的数据，并在合适的时间向适合的人员提供实时业务信息。这是互联网领域与过程（物）之间的关键接口。它还能促进独立于控制系统的增性能和连接性，可满足工业物联网平台的关键需求。数字应用和服务对于希望获得工业物联网有望带来的经营绩效增益的最终用户至为关键。简单的数据收集必须扩展至涵盖提供相关且宝贵业务信息的分析。此类应用和服务的一些案例包括安装优化、资产管理和保护、视情监控、增强现实应用和设备综合基于开放的协作环境构建的平台将有助于选定的合作伙伴能够开发特定应用，以扩大工业物联网：智能制造企业的演进施耐德电气10产品阵容和业务范围，并助力兑现工业物联网的承诺。一致的治理和过程开发环境将有助于工业物联网平台轻松集成。测量与“简单的复杂”艺术文/现场设备部副总裁MatthewCarrara和现场设备部高级项目经理MichaelDavis工业物联网的技术能力将为重新部署工业过程基本组成要素提供机会，包括测量、控制和连接。虽然这三大基本组成要素迭代相互依赖以保持平衡，但所有这些都先由测量开始，这也是过程优化和改进的催化剂。工业物联网不仅依赖于工业过程的这一传统的基础部分，同时还将进一步深化并期望获得更多。未来测量所利用的技术能够大幅缩小尺寸和降低成本，增加计算存储和功率，以及消除接线连接（无论是电力还是通信）。这些变化将大幅增加测量的应用。借助成本极低且能够与实时和预测性数据相连接的传感器，利益相关者将通过采用大规模测量设备用于控制和过程优化而实现我们可以把工业物联网比作一个生命体，在生命体中感应功能是分子层面进行的，工业物联网传感器也将逐渐向单一性能任务发展。在生命系统中，每个生物传感器都是“测量设备市场规模将呈需要显微镜才能观察到的细胞中，类似或不同的生物传感器可能有数千个。由此类推，将来的工业物联网传感元件的体积将同样微小，由极少数独特的组件构成，同时应商能够利用简单的无线嵌入大量的智能数据控制，并只向控制计算物理系统（又称智能互联设备）传送相关如今的过程传感器虽然标榜“智慧”或“智能”，尽管技术进步已让嵌入的智能化不断增加，但最终生成的感应器依然非常庞大且昂贵，因此限制了大规模部署。传感设备的市场采购受限的原因不是信息诉求太少，而是因为高昂的部署成本（传感器及布线安装成本）。测量设备市场规模将会出现爆发式增长，从而使得供应商能够利用简单的无线传感器真正提供工业物联网所具备的能力。通过推动基础组件(测量）的简化、推动控制层面的差异化分析，并利用无线连接和云架构使他们实现互联，将会为工业自动化与控制模式带来方向性转变——一种可定义想要充分利用工业物联网的机遇，需要完全扭转公司文化、思维、架构、策略和投资方向。随着大量的工业物联网技术已可供使用以及简化传感器目前正处于设计审核中，智能演进之旅已启程。工业物联网：智能制造企业的演进施耐德电气11智能机器概念由多个关键的促成因素（技术角度）和推动因素（最终用户和市场角度）构成。二者的结合将催生安全、保险、自我认知、灵活且能够满足最终用户和消费者需求的机器。互联设备的集成、自动化组件和过程的采用，以及可获取实时生产数据都将帮助最终用户迁移至更智能的机器。由于具备降低成本、减少停机、提升质量和产量等生产优势，并可以提升竞争力，智能化机器的推动力将会加速，并扩展至智能机器的主要特征包括以下方面：.自我意识——智能机器能识别与设定参数的任何偏差，并报告给机器操作者。处于开发最前沿的机器将使用带有嵌入式智能的传感器来分配并自动操作工厂级决策。.即插即用——任何新的智能机器均需要与多个原始设备供应商提供的现有设备或机器兼容；最终用户希望得到能够短时间内完成安装的设备。必须易于与系.安全与网络安全——借助融入其基础设计的安全，智能机器将提高操作者的安.互联互通——智能机器将直接连接更广泛的（基于IP的）网络。这有助于数据共享和生产规划，能力远超传统的独立式机械和自动化系统。智能机器将弥合IT/OT之间的界限，提供可用于大量管理环境（例如库存控制、操作调度、维护、能源管理和产品更换等）的可用生产数据。支持智能机器普及的主要趋势包括采用移动终端来管理核心业务职能，以及能够利用.移动终端——在工业中获得快速发展的移动技术（参见图6）现在能够释放需以远程诊断问题和提供指导。这不仅可以节省成本，还可加快解决方案部署。工业物联网：智能制造企业的演进施耐德电气12收入（百万美收入（百万美测（由HIS提供）控制与可视化控制与可视化（蓝色）工作流程管理（灰色）维护（深蓝）系统集成（绿色）工业物联网：智能制造企业的演进施耐德电气13.数据管理——随着传感器及其他联网组件添加到机器中，将会随之生成海量的数据来支持实时决策。智能机器必须达到一定的智能水平，以分散方式快速获取数据。因为如果将所有数据一股脑发送至中央控制器进行分析，很快就会造成延迟，而且这样的结构无法进行扩展。让传感器、组件和机械智能化，只共享符合某个范围的预定义参数的数据，有助于改善数据管理。减少共享到更大范围网络/社区的数据量可加速决策，并减少数据积压（在这种情况下，可能控制和数据记录仪表过去的15年里，受管制行业的质量要求已开始发生变化，并影响仪表设计和应用方向。数字数据需以安全格式收集，而且精度规格的发展要求更高水平的可重复过程控制。这影响了航空航天和汽车工业、医药和生物科技行业（由美国食品药品监督管理），早期的记录设备以及将Web服务器与以太网相整合的更高级的设备，可在整个络的任何PC上查看仪表屏幕。此外，记录仪表添加了安全功能，审查跟踪功能。这些智能记录器经过演进发展成为微型生产力工作站，使得热电偶使用、校准测试和机器维护相关的主要信息可直接在设备上进行安排。质量标准规定，在控制设备与记录仪表之间建立直接通信链路，用于消除由传统的重传方法造成的错误。基于以太网的ModbusTCP被用于设备间通信，以将控制数据准确多年来，仪表制造商一直采用面板安装式仪表DIN标准，其中控制器、箱式机械设备采用标准的面板安装尺寸。自设备推出该标准以来，融合的多环控制、安全数据记录、集成以太网和内置Web服务器现在被视为第一批工业物联网微型工作此类智能设备的当前发展成果将有助于在受管制和非管制行业中广泛应用。此类解决方案为生产高级计算（包括综合设备效率）和安全的互联网数据链接提供具有成本效可控硅整流器（SCR）功率控制器（或晶匣管）的开发旨在提供精确的电气开关方工业物联网：智能制造企业的演进施耐德电气14法，以控制电源电路。此外，它们还用于克服机械接触器的局限性和生命周期问题，目前，可控硅整流器技术用于为托管电力需求带来隔离控制器，并为之提供系统方案。一系列可控硅整流器设备将以每秒可能多次的方式随机点火。如果多个机组同时点火，负载需求量将会增加。通过利用整个以太网主干的上电次序来启用自动负载平衡和卸载技术，可排列点火模式顺序并降低极限峰值负载需求。这些智能互联设备可用于单个或多区域设备，也可用于多设备小区。以太网主干通信考虑了在电力公司与工厂车间之间自动操作链接的未来可能性，从而使得双方能够从高效的电力需求调度中仪表间通信已在过去十年间成为工业物联网发展的一个特征。我们认识到，为了能够增加自动化项目的特有价值，需在设备、操作者及供应与交付链之间建立连接。工作流程类型应用将在这一领域打头阵。以下为部分例子：.将监管IP融入工作流程解决方案的生产应用在机器与决策者之间实时提供连接。这确保监管要求能够始终得到遵守，并在出现任何标准违规时发出自动警.在乳制品应用领域，利用云技术和监管参数连接至其远程供应链，从而获取从.校准应用有助于轻松完成常规的设备校准检查。这是需要受管制行业的一项关键要求。借助将校准记录进行云存储的在线服务，就能够实现这一点。输入信息包括通过扫描仪表标签二维码用移动设备进入系统并访问安全文件的链接通过智能互联资产推动过程控制行业的商业价值文/过程自动化工业解决方案高级总监DonCla“这些技术所创造的环境，能够消除很多传统技术对自动化系统的约自动化系统和技术的存在旨在以安全和对环境负责的方式提高工业运营和业务的价值。新的自动化趋势应从两个层面进行评估——技术层面和功能层面。技术层面涉及自动化平台技术和拓扑的技术改进影响。功能层面涉及可通过自动化平台提供的增量功能，用于提高运营和业务价值。工业物联网运动在这两个层面均带来重大转变，其中净影响为工业企业从自动化衍生的价值显著提高。当前与工业物联网相关的热情处于初级阶段。有许多技术在工业领域获得较高的接受度，包括互联互通、联网、大小数据分析、云计算、雾计算、无线通信、网络物理系统和边缘计算等。从单独角度来看，这些技术各具前途。但是，从组合角度出发，它工业物联网：智能制造企业的演进施耐德电气15们可提供史无前例的机会。总的来说，这些技术所创造的环境能够消除很多传统技术旧技术在成本、速度和大小等方面的限制，导致自动化架构和拓扑结构往往受技术所限。其结果是开发了两种不同的工业运营拓扑结构——自动化系统拓扑结构和工业运营拓扑结构。这还导致工业运营的复杂性增加，因为相关人员必须了解两种拓扑结构才能高效地操作设备。借助工业物联网提供的更高水平的敏捷性，自动化系统拓扑结构可完美适合工业拓扑因其与工业运营的内在吻合性，这些新的自动化系统拓扑结构将被称之为自然拓扑。这种吻合性产生的预期结果将是自动化系统适用于工业运营中的每个资产和资产组，业。这将带来简易的环境，并将统一的智能互联资产控制系统整合到智能工业企业控制系统中。在这样一个系统里，每个资产和资产组的运营都将受到控制，以获得最佳的业务结果。功能层方面，自动化系统的最初开发目的是实时控制过程。迄今为止，大多数执行的实时过程控制均专注于如何提升过程或机器的效率，而非着眼整体运营。虽然提升效率十分重要，但它并不是实时控制应在工业运营中适用的唯一范畴。随着工业业务在过去十年间不断地加速，按照人力事务性计划管理工业资产已被证明是不够的。过去基于每日、每周或每月计划管理的重要的工业变量（例如盈利性、安全风险、环境风险、可靠性和安防风险）现已开始向实时控制过渡。因此，我们已经不能再保持相同的管理方式。为这些重要的商业要素提供支持则需要实时控制。为能够对过程运营产生积极的影响，需要足够快地做出会受人工或自动、反馈或预测性控制