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解读“工业4.0 ”智能工厂体系架构

发布时间:2017-05-09
关键字:工业4.0 智能工厂 
进入21世纪以来,信息与通信技术取得了突破性进展。为了将控制技术融入互联网,2006年美国国家基金会(NSF)科学家Helen Gill提出了信息物理融合系统(Cyber-Physical System,简称CPS)的概念,将互联网技术的发展推向了一个新的高度。信息物理融合系统是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统,是计算进程和物理进程的统一体。CPS包含了无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程,使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。智能的网络世界与物理世界融合产生的CPS亦称“工业物联网”。
    进入21世纪以来,信息与通信技术取得了突破性进展。为了将控制技术融入互联网,2006年美国国家基金会(NSF)科学家Helen Gill提出了信息物理融合系统(Cyber-Physical System,简称CPS)的概念,将互联网技术的发展推向了一个新的高度。信息物理融合系统是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统,是计算进程和物理进程的统一体。CPS包含了无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程,使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。智能的网络世界与物理世界融合产生的CPS亦称“工业物联网”。
 
    德国是高度工业化的并以制造业为导向的出口型经济技术强国。为了确保制造业世界领先地位,从实际国情出发,德国于2012年首先将CPS技术创新地应用于制造工业,提出了基于信息物理融合系统的第四次工业革命战略计划“工业4.0”。由于CPS信息物理融合系统进入制造和物流的技术集成,以及在工业流程中使用物联网及其服务,从而产生了创新的工厂系统——智能工厂(SmartFactory )。在“工业4.0”时代,每个工厂企业都将建立“数字企业平台”,通过开放接口将虚拟环境与基础架构融为一体,从而构成信息物理融合系统(CPS), 生产自动化系统将升级为信息物理融合生产系统(CPPS)。智能工厂系统完全不同于传统的工厂自动化系统,智能工厂采用面向服务的体系架构,具体体系架构如图1所示 。从图中可以看出,对应于传统自动化系统的现场级使用物联网技术;对应于控制级采用CPPS信息物理融合生产系统;同时,对应的监控管理级连接到安全可靠和可信的云网络主干网,采用服务互联网提供的服务。
 
    基于嵌入式Internet技术、无线有组织的M2M通信网络
 
    机器对机器通信(Machine-to-Machine,简称M2M)是基于特定终端行业,以公共无线网络为接入手段,为客户提供机器到机器的通信解决方案,满足客户对生产过程监控、指挥调度、远程数据采集和测量、远程诊断等方面的信息化需求。M2M不是简单的数据在机器和机器之间的传输,它是机器之间的一种智能化、交互式通信,即使人们没有实时发信号,机器也会根据既定程序主动进行通信,并根据所得到的数据智能化地做出选择,对相关设备发出正确的指令。工业控制需要实现智能化、远程化和实时化,随着无线宽带的突破,具有高数据传输速率、低占空比、IP网络支持、以及泛在移动性的M2M通信提供了更佳的承载基础。
 
    CPPS信息物理融合生产系统
 
    由于工业控制的可靠性要求非常高,所以生产流程控制采用靠近工厂机器设备的CPPS系统。按照Edward A. Lee教授的定义:CPS是计算过程和物理过程的集成系统,利用嵌入式计算机和网络对物理过程进行监测和控制,并通过反馈环实现计算过程和物理过程的相互影响。CPPS系统是一种网络型嵌入式系统,它将打破在PC机时代建立的传统自动化系统的体系架构,从而全面实现分布式智能。
 
    安全可靠和可信的云网络
 
    智能工厂的IT设施建立在云计算网络基础上,云计算的本质是一种基于互联网的服务模式,它类似于远程数据中心。控制室可以理解为私有云,考虑到控制的可靠性要求非常高,为CPPS信息物理融合生产系统提供服务的Apps平台建立在工厂企业的私有云上。但是一些营运和生产管理,例如PLM、SCM、CRM、QMS、ERP,以及MES的一些功能可以通过云计算网络提供服务,从而降低创建和优化基础架构的成本、提升生产管理的智能化水平、高效的跨地域协同、以及提高快速响应市场需求的能力等。
 
    基于CPS的高级工厂辅助系统
 
    由西门子公司、菲尼克斯电气公司,以及SAP公司等23家公司组成的“智能工厂创新联盟”十分重视将各种无线技术、平板电脑、智能手机、移动通信技术、新型人机互动技术,以及室内精确定位等很多IT领域成熟的最新技术,创新地引入新一代工厂系统,制成高级工厂辅助系统。这些高级工厂辅助系统可以大大提高生产效率和维护效率,降低管理成本,同时应对社会老龄化等带来的问题。利用这些高级工厂辅助系统还可以支持、帮助和培训新一代工作人员。
 
    最新技术提高资源利用率
 
    智能工厂由集中控制的生产架构层级转向分散型自组织的生产方式。分散型生产流程提供一种更为有效的使用资源的方法。由M2M通信构成的分布式网络化系统,在考虑资源哪些相关参数应由管理者、组件单元和单个产品规范设置时,会根据总体情况做出决定。资源浪费成为一个单元的故障,基于详细的记录(包括判断准则),该资源浪费情况能够迅速地被诊断。这就使得材料和能源的效益达到最佳化,达到节能减排、绿色环保的目的。
 
    当前,我国装备制造业与世界先进水平相比存在较大差距,产业的效率和效益较低,单位产值的能耗居高不下,人均水平差距巨大,创新能力薄弱。长期以来,高投入、高消耗、高污染的生产模式已无法延续。为了提升竞争力,保持可持续发展,实现从“中国制造”向“中国创造”转型升级,就必须采用CPS信息物理融合系统、物联网与服务网技术,向智能、绿色和高效的智能工厂转型升级。新一代智能工厂系统要求传统的工业自动化技术必须向新一代信息与通信技术开放。自动化技术应该转换它的研究聚焦点,从在各个独立的学科(如分散系统或通信)开展渐近的局部改善性研究,走向整体系统功能的再工程化研究。我们正处在由PC技术向工业物联网技术的重大转型期,我们应该借鉴德国提出的新工业革命理念、目标和制定的路线图,打破传统理念,坚持进行持续地技术转型,重视将工业互联网领域成熟的最新技术引入装备制造业领域,勇于创新,加快我国装备制造业转型升级。