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2014年1月16日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。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建立在建立在CPS基基础础上上建立在建立在CPS基基础础上的上的Industry4.0中国移动通信集团有限公司边边界消失界消失全球全球规规划，分散制造划，分散制造依据依据实实情情扩扩展生展生产产能力能力协协同利用同利用全球化工具全球化工具智慧工厂智慧工厂知知识识存存贮贮了解了解历历史史/当前状当前状态态与所与所处环处环境能境能进进行通信行通信知悉达到其目知悉达到其目标标的方法的方法智慧智慧产产品品社会性机械社会性机械设备设备知知识识共享共享缺陷缺陷补偿补偿或故障或故障维护维护负负荷平衡荷平衡灵活的自适灵活的自适应应利用信息物理系利用信息物理系统统迈迈向智慧工厂向智慧工厂掌控了然于胸掌控了然于胸生生产优产优化化操作运行条件和操作运行条件和产产品状品状态态完全透明完全透明虚虚拟拟制造制造增增强强型操作者型操作者减少限制减少限制远远程可程可视视化和化和远远程操作程操作掌握全面知掌握全面知识识避免差避免差错错中国移动通信集团有限公司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。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企业管理系统的多代理方法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。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中国移动通信集团有限公司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中国移动通信集团有限公司用标准的中间件OPC-UA将现有网络进行垂直集成用标准化中间件OPC-UA实现垂直集成中国移动通信集团有限公司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。中国移动通信集团有限公司智慧工厂系统的信息安全问题外部通信外部通信基基础结础结构构远远程程业务业务伙伙伴和客伴和客户户远远程操程操作工具作工具HMI企企业业局域网局域网控制系控制系统统局域网局域网仪仪表安全系表安全系统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中国移动通信集团有限公司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中国移动通信集团有限公司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）中国移动通信集团有限公司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行与要求特性等效的服务搜索服务实体中国移动通信集团有限公司语义技术和对所处环境能感知的自动化尚待解决的问题语义服务发现：语义发现时，对于明确的描述有哪些必要的服务特性？对所处环境能感知的自动化和动态协调：基于现有标准和概念的系统架构有关动态协调过程链的质量和弹性评价判据中国移动通信集团有限公司简短小结智慧工厂的概念已十分明晰，它由工程技术、生产制造和供应链这三个维度来清晰描述工厂的全部活动。把物理信息系统CPS的概念运用于生产制造，构成CPPS，即信息物理生产系统。以CPPS为模型构建智慧工厂是一条现实可行的发展路径。智慧工厂是工业自动化技术和IT技术深度融合的产物，工业物联网和工业服务网是智慧工厂的信息技术基础。工业自动化中的ERP-MES-PCS三层架构、以PLM为中心的工厂产品设计技术和售后服务、以SCR、CRM等为中心的原材料供应物流和制成品的销售物流，在智慧工厂中继续发挥作用，但又面临许多新的发展要求。在德国似乎已形成以下共识：物理信息生产系统CPPS引导迈向智慧工厂，将触发德国政府倡导的IndustrialRevolution4.0。工业自动化技术是这场第四次工业革命的主力技术，不过它必须迅速按IT技术所要求的那样，进一步加速开放的步伐。工业自动化技术应该将其研究的重点，从在各个分隔的研究领域（例如分布式系统、工业通信技术等）进行局部和递增式的改进，转变到按构建智慧工厂所要求的科学技术和工程技术来发展，例如：开放式系统，以表达物理设备和物理系统的智慧计算和智慧集成，等等。简短小结