智慧工厂的基本架构和发展路径

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。
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。
（Karl Henrik Johansson，2011）
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。
信息物理系统CPS
信息物理系统（Cyber Physical System，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。
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
工厂描述的三个维度：工程、生产、供应链
经营 企业内
CMM
协调制造管理
ERP
供应链 管理
PLM/ S
客户 关C系客户s
企业外
供货商s
PLM/
管理
D CPM 物流
智慧工厂的基本架构和发展路径
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。
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
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。
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
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
பைடு நூலகம்灵活的自适应
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。
建立在CPS基础上的Industry4.0
Industry4.0建立在CPS基础上
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
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
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
智能制造与智能装备
制造业
装备制造业 高端装备制造业
现代航空 装备
卫星及应用 产业
智能制造 装备
先进轨道 交通装备
海洋工程 装备
物联网和 服务网
智能制造
产品智能化 —智能装备
智能部件 智能装置
智能系统
数字化 车间
数字化 企业
从CPS走向智慧工厂的一种图像
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
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。
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。
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-based automation） 软件安装阶段组态（deployment time configuration） 通信和分散的功能性