智慧工厂的基本结构和发展路径

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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
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分布式自动化
用现场总线将传感器、变送器和执行器连接
标准编程语言 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。
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IEC 61499的系统模型
通信网络
设备1
设备2
设备3 应用程序A
设备4
应用程序B
被控过程
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IEC 61499的系统模型
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
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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。 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。
全球化工具
虚拟制造
智慧工厂
智慧产品
增强型操作者
社会性机械设备
减少限制 远程可视化和远程操作 掌握全面知识 避免差错
知识共享 缺陷补偿或故障维护 负荷平衡 灵活的自适应
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智慧工厂的基本架构
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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。
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IEC 61499和IEC 61131-3的关系
在应用上IEC 61499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： 用IEC 61131-3国际编程语言标准编制的功能块（其内
工业通信的国际标准有现场总线和工业以太网。
智慧工厂继承和有待发展的 主要技术
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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 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
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。
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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
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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
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智慧工厂概念和具体实现的发展
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。
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为满足这个要求，IEC 61499增 加了一个显性事件接口，以执行 IEC 61131-3功能块的控制算法 的控制功能。
事件输入
实例名
事件输出
IEC 61499 显 性 事 件 接 口
事件流
执行控制 （隐含）
事件流
应 用 程 序 模 型
功能块X
功能块Y
功能块Z
数据流
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IEC 61499的应用程序模型
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：
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企业管理系统的多代理方法
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分布式智能的范例
影响程度
组织间 组织内 物联网
ຫໍສະໝຸດ Baidu
操作边界内
个别设备、 产品等 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
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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。
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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
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从CPS走向智慧工厂的一种图像
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 简化PLC在网络系统中的集成 例如ProfiNet的CBA 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 IEC 61499是IEC 61131-3在分布式系统中的实现构想
部件集成结构
IEC 61499
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工厂描述的三个维度：工程、生产、供应链
经营 企业内
协调制造管理
CMM
ERP 供应链 PLM/ 客户 企业外 C客户s 管理 S 关系 供货商s PLM/ 管理 D CPM 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
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分布式自动化可借鉴SoA和代理系统
面向服务的架构SoA SoA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（agent system） 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
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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
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建立在CPS基础上的Industry4.0
Industry4.0建立在CPS基础上
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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
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。
类型名
事件流
数据流
算法（隐含） 内部数据（隐含）
数据流
数据输入
数据输出 资源能力: 调度,通信， 映射,过程映射
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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
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。
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IEC 61499的应用程序模型
在IEC 61499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。
工 厂 级 控 制 级
现 场 级 运动 控制 工厂 自动 化 过程 自动 化
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用无线网络来扩展有线网络
无线网络的机会 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 使系统和用户具有可移动性 网络显著不同 多跳、自组织Ad-hoc通信 无线绝非100%可靠，如何解决？ 现场设备的Ad-hoc组态 无线通信的实时性成为至今难以 逾越的瓶颈
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
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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：
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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。 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）
首先我们来看智慧工厂的基本架构。
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物联网和服务网是智慧工厂的信息技术基础
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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。