智慧工廠的基本結(jié)構(gòu)和發(fā)展路徑.ppt

1、智慧工廠的基本架構(gòu)和發(fā)展路徑,報告人： 2014年1月16日,內(nèi)容提要,智慧工廠概念和具體實現(xiàn)的發(fā)展脈絡 智慧工廠的基本架構(gòu),智慧工廠繼承和有待發(fā)展的主要技術 小結(jié),智慧工廠概念和具體實現(xiàn)的發(fā)展,用三個維度表達的智慧工廠,多年來工程技術界一直在探索數(shù)字化工廠應該如何完整而精確的描述。 2006年，美國ARC總結(jié)了以制造為中心的數(shù)字制造、以設計為中心的數(shù) 字制造和以管理為中心的數(shù)字制造，并考慮了原材料和能源供應和產(chǎn)品 的銷售供應，提出用工程技術、生產(chǎn)制造和供應鏈這三個維度來描述工 廠的全部活動。,通過建立描述這三個維度的信息模型，利用適當?shù)能浖湍軌蛲暾磉_ 圍繞產(chǎn)品設計、技術支持，生產(chǎn)制造以及

2、原材料供應、銷售和市場相關 的所有環(huán)節(jié)的活動,CPM,工廠描述的三個維度：工程、生產(chǎn)、供應鏈,CMM 協(xié)調(diào)制造管理,企業(yè)外,經(jīng)營,C客戶s,供貨商s,企業(yè)內(nèi),ERP 供應鏈 PLM/ 客戶 管理 S 關系 PLM/ 管理 D 物流 自動化,生產(chǎn) ARC提出：用工程、生產(chǎn)制造、供應鏈三個維度 描述數(shù)字化工廠的模型,智慧工廠的全面描述,如果這些描述和表達能夠得到實時數(shù)據(jù)的支持，還能夠?qū)崟r下達指令指 導這些活動，并且為實現(xiàn)全面的優(yōu)化，能在這三個維度之間進行交互， 可以肯定地說這就是我們理想的數(shù)字化工廠或者叫智慧工廠。,換一種表達方式，我們可以把數(shù)字化工廠看做是實現(xiàn)了產(chǎn)品的數(shù)字化設 計、產(chǎn)品的數(shù)字化制

3、造、經(jīng)營業(yè)務過程和制造過程的數(shù)字化管理，以及 綜合集成優(yōu)化的過程。,不過，如何在現(xiàn)有技術的基礎上發(fā)展智慧工廠，為了實現(xiàn)數(shù)字化智慧工 廠還需要開發(fā)哪些技術，ARC并沒有明確的說法。,信息物理系統(tǒng)CPS,信息物理系統(tǒng)（CyberPhysicalSystem，CPS），也有人稱為信息 物理融合系統(tǒng)，最早是美國科學家相當于物聯(lián)網(wǎng)的一種表述。它與物 聯(lián)網(wǎng)相比，最顯著的特點是強調(diào)物理過程與信息間的反饋。,2008年美國加利福利亞大學的Lee.E在其技術報告信息物理系統(tǒng)： 設計挑戰(zhàn)中指出：信息物理系統(tǒng)是計算和物理過程的整合集成。嵌 入式計算機和網(wǎng)絡對物理過程進行監(jiān)測和控制，通常系統(tǒng)具有物理過 程影響計算、計

4、算也影響物理過程的反饋回路。,從自動化技術的觀點看，CPS是一種工程系統(tǒng)，由一個嵌入在物體中 的計算和通信的內(nèi)核，以及物理環(huán)境中的結(jié)構(gòu)所監(jiān)測和控制。,（Karl Henrik Johansson，2011）,德國的專家和教授基于制造立國和制造強國的理念，把CPS運用于生 產(chǎn)制造，提出了CPPS，即信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)。以CPPS為模型構(gòu)建智 慧工廠，或者數(shù)字化工廠。,2012年德國政府制定和大力推行Industry4.0，而且強調(diào),Industry4.0的特征是工業(yè)自動化和信息的緊密結(jié)合，它建立在物理信 息系統(tǒng)CPS的基礎之上。這就為智慧工廠的實現(xiàn)指明了一條具有現(xiàn)實 可行性的途徑。,于是，為數(shù)眾多

5、的德國與制造相關的企業(yè)，從跨國的超大型企業(yè)（ Siemens、SAP等）到各類的自動化產(chǎn)品的中小企業(yè)，都在考慮和醞 釀如何應對這一發(fā)展的大趨勢。,CPS在生產(chǎn)過程的實現(xiàn)構(gòu)成了智慧工廠,Industry4.0建立在CPS基礎上,建立在CPS基礎上的Industry4.0,邊界消失 全球規(guī)劃，分散制造 依據(jù)實情擴展生產(chǎn)能力 協(xié)同利用 全球化工具 智慧工廠,知識存貯 了解歷史/當前狀態(tài) 與所處環(huán)境能進行通信 知悉達到其目標的方法 智慧產(chǎn)品 社會性機械設備 知識共享 缺陷補償或故障維護 負荷平衡 靈活的自適應,利用信息物理系統(tǒng) 邁向智慧工廠 掌控了然于胸 生產(chǎn)優(yōu)化 操作運行條件和產(chǎn)品狀 態(tài)完全透明 虛

6、擬制造 增強型操作者 減少限制 遠程可視化和遠程操作 掌握全面知識 避免差錯,智慧工廠的基本架構(gòu),智慧工廠的基本架構(gòu),在生產(chǎn)自動化中的CPS應該是什么樣的，CPS理念運用于生產(chǎn)制造還 有哪些議題需要明確，智慧工廠立足于哪些現(xiàn)有技術基礎，還有哪些 技術需要如何發(fā)展和充實，下面我們會做一些初步探索和討論。 首先我們來看智慧工廠的基本架構(gòu)。,物聯(lián)網(wǎng)和服務網(wǎng)是智慧工廠的信息技術基礎,在典型的工廠控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)信息集成的三層架構(gòu)的基礎上，充分 利用正在迅速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術和服務網(wǎng)技術。,與生產(chǎn)計劃、物流、能源和經(jīng)營相關的ERP、SCR、CRM等，和產(chǎn)品,設計、技術相關的PLM處在最上層，與服務網(wǎng)緊緊

7、相連。,與制造生產(chǎn)設備和生產(chǎn)線控制、調(diào)度、排產(chǎn)等相關的PCS、MES功能,通過CPS物理信息系統(tǒng)實現(xiàn)。這一層與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)緊緊相連。,從制成品形成和產(chǎn)品生命周期服務的維度，智慧工廠還需要和具有智 慧的原材料供應，以及智慧產(chǎn)品的售后服務這些環(huán)節(jié)構(gòu)成實時互連互通 的信息交換。,而具有智慧的原材料供應和智慧產(chǎn)品的售后服務，具有充分利用服務,網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的功能。,物聯(lián)網(wǎng)和服務網(wǎng)是智慧工廠的信息技術基礎,智能制造,智能部件,產(chǎn)品智能化 智能裝備,物聯(lián)網(wǎng)和 服務網(wǎng),現(xiàn)代航空,裝備,裝備,先進軌道,交通裝備,海洋工程,裝備,智能裝置,智能系統(tǒng),數(shù)字化 車間,數(shù)字化 企業(yè),衛(wèi)星及應用 智能制造,產(chǎn)業(yè),智能制造與智

8、能裝備 制造業(yè) 裝備制造業(yè) 高端裝備制造業(yè),智慧工廠是由許多智能制造裝備構(gòu)成（當然還包括控制和信息系統(tǒng)） 智能制造裝備是由許多智能部件和其它相關基本部件構(gòu)成,從CPS走向智慧工廠的一種圖像,在我們所處的現(xiàn)實世界，數(shù)字化智慧工廠實際上還正在分別沿著上述的 三個維度獨立的開展，這是因為工程技術、生產(chǎn)制造和供應鏈的數(shù)字化 實現(xiàn)還沒有發(fā)展到十分成熟的程度，更不曾廣泛的推廣應用。 因此立足現(xiàn)實，數(shù)字化工廠就可以理解為：,在生產(chǎn)制造的維度發(fā)展基于制造智能的自動化生產(chǎn)線或成套裝置 在這樣堅實的生產(chǎn)基礎設施的基礎上，將它們納入企業(yè)業(yè)務運營系統(tǒng) （ERP）和制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的管轄之下,同時，在工程技術的維

9、度上，建立和完善CAD、CAPP、CAM基礎 上的PDM和PLM，然后延伸到產(chǎn)品售后的技術支持和服務。,智能制造是數(shù)字化工廠的基石,智慧工廠繼承和有待發(fā)展的,主要技術,生產(chǎn)自動化中的CPS需要關注的主題,自適應和自主控制,基于部件的自動化（component-basedautomation） 軟件安裝階段組態(tài)（deploymenttimeconfiguration） 通信和分散的功能性,對分層通信結(jié)構(gòu)沒有強烈依賴 水平集成和垂直集成,基于IP的無線和有界有線的adhoc通信 能感知環(huán)境關系的自動化,部件工作運行與所在位置無關,在整條生產(chǎn)線中部件能實現(xiàn)其任務,依據(jù)環(huán)境的影響，過程參數(shù)和過程結(jié)構(gòu)能

10、進行動態(tài)自適應 人員因素的集成,增強操作人員的能力,人在系統(tǒng)中的作用是協(xié)調(diào)者、優(yōu)化者和指導者,智慧工廠需要繼承和發(fā)展的主要技術,智慧工廠是從現(xiàn)有的各種工業(yè)自動化技術的基礎上吸收IT技術逐漸發(fā)展 的。下面我們討論有哪些技術方法門類是需要繼承和進一步發(fā)展的。主 要有：,分布式自動化 開放的通信,語義可互操作性,分布式自動化,用現(xiàn)場總線將傳感器、變送器和執(zhí)行器連接,空間分布對象的數(shù)據(jù)采集,集中式的PLC轉(zhuǎn)向算法和數(shù)據(jù)處理,部件集成結(jié)構(gòu),簡化PLC在網(wǎng)絡系統(tǒng)中的集成 例如ProfiNet的CBA,IEC61499,在嵌入式系統(tǒng)中以分布式軟件的方式開發(fā)控制智能 在分布式系統(tǒng)中完成系統(tǒng)功能的執(zhí)行,IEC6

11、1499是IEC61131-3在分布式系統(tǒng)中的實現(xiàn)構(gòu)想,分布式自動化可借鑒SoA和代理系統(tǒng),面向服務的架構(gòu)SoA SoA是IT行業(yè)常用的一種經(jīng)營管理 的建模方法。 為了使應用軟件可進行復用服 務所采用的一種封裝 集成和調(diào)用服務均與平臺和實 現(xiàn)無關 具有服務發(fā)現(xiàn)功能,代理系統(tǒng)（agentsystem） 這是在研究分布式人工智能時引入 的概念 可將清晰定義的子任分配給予 代理 不同代理間的通信十分要緊 在解決復雜任務時具有自組織 功能,企業(yè)管理系統(tǒng)的多代理方法,數(shù)據(jù) 采集,建模/ 深入了解,信息 管理,決策 支持,影響/ 控制,任務 級別,分布式智能的范例,影響程度,物聯(lián)網(wǎng),組織間,組織內(nèi),操作邊

12、界內(nèi),個別設備、 產(chǎn)品等,面向服務的控制結(jié)構(gòu),特性,在基本服務中對機電一體化功能進行功能 性封裝,清晰定義的服務接口（如WSDL）,標準化的通信接口（如SOAP、DPWS）,應用所帶來的利益,為自動化部件提供可互操作性 便于集成，花最少時間完成集成,過程控制的程序易于客制化，也便于修改,在應用上IEC61499并不是一種完全獨立的標準，為實現(xiàn)分布式工業(yè)過程 測控系統(tǒng)至少還需要：,通信協(xié)議 定義標準的通信功能塊及其標準開放性通信的映射服務。如：,工業(yè)通信的國際標準有現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)。,標準編程語言 用IEC61131-3國際編程語言標準編制的功能塊（其內(nèi),含有算法）。,在應用中它們二者相互補

13、充，才能構(gòu)成完整的功能塊類型。,IEC61499和IEC61131-3的關系,設備4,設備1,設備2,設備3,應用程序A 應用程序B 被控過程,IEC61499的系統(tǒng)模型 通信網(wǎng)絡,一組互連的設備（儀表、部件等）彼此之間通過一個或多個網(wǎng)絡通信，這些網(wǎng) 絡并不限于一種網(wǎng)絡（如工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線），也可構(gòu)成多級網(wǎng)絡的方式 （如Profibus和ProfiNet、H1和HSE、 DeviceNet和ControlNet）進行通 信。,應用程序可常駐在一個設備中（如應用程序C），也可常駐在多個設備中（如 應用程序A和B）。例如，一個應用程序可以包括一個或多個控制回路，其中輸 入采樣由一個設備執(zhí)行，控

14、制運算由另一個設備執(zhí)行，輸出變換由第3個設備完 成。,IEC61499的系統(tǒng)模型,應 用 程 序 模 型,功能塊X,功能塊Y,功能塊Z,數(shù)據(jù)流,IEC61499的應用程序模型 在IEC61499中，應用程序由功能塊網(wǎng)絡組成，其節(jié)點是功能塊或子應用 程序及其參數(shù)，其分支是數(shù)據(jù)連接和事件連接。 事件流,與集中系統(tǒng)不同的是，這種由若干個可能分散在多個設備中的功能塊互連 而成的應用程序模型，分散系統(tǒng)的程序執(zhí)行不再按掃描方式，或是按多任務 多進程的方式進行，它要求在指定數(shù)據(jù)傳輸與控制算法之間的關系時具有明 確的顯性機制。,應用程序的運行調(diào)度按以下3種方式：,事件產(chǎn)生,功能塊互連,以周期和/或優(yōu)先級的調(diào)度

15、信息確定的時序及順序要求進行。,IEC61499的應用程序模型,實例名,數(shù)據(jù)輸入,事件流 數(shù)據(jù)流,事件流 數(shù)據(jù)流,事件輸入,事件輸出,執(zhí)行控制 （隱含） 類型名 算法（隱含） 內(nèi)部數(shù)據(jù)（隱含）,數(shù)據(jù)輸出 資源能力:調(diào)度,通信， 映射,過程映射,顯 性 事 件 接 口,IEC61499,為滿足這個要求，IEC61499增 加了一個顯性事件接口，以執(zhí)行 IEC61131-3功能塊的控制算法 的控制功能。,開放的通信架構(gòu)自動化和IT網(wǎng)絡,自動化領域的主要應用 運動控制和安全系統(tǒng) 硬實時要求 挑戰(zhàn)開發(fā)滿足硬實時要求的分布式系統(tǒng) 工廠自動化 通常無硬實時要求 挑戰(zhàn)在一種總線系統(tǒng)中妥善解決異構(gòu)數(shù)據(jù) 傳輸

16、批量控制和連續(xù)流程控制 通常不會在大范圍內(nèi)有苛刻的時間要求,挑戰(zhàn)在大量網(wǎng)絡節(jié)點（2000）情況下仍 能透明傳輸,工 廠 級 控 制 級 現(xiàn) 場 級,工廠 自動 化,運動 控制,過程 自動 化,用無線網(wǎng)絡來擴展有線網(wǎng)絡,無線網(wǎng)絡技術面臨的的挑戰(zhàn) 無線和混合網(wǎng)絡與傳統(tǒng)的自動化 網(wǎng)絡顯著不同 無線絕非100%可靠，如何解決？ 無線通信的實時性成為至今難以 逾越的瓶頸,無線網(wǎng)絡的機會 使系統(tǒng)和用戶具有可移動性 多跳、自組織Ad-hoc通信 現(xiàn)場設備的Ad-hoc組態(tài),架構(gòu)方面 網(wǎng)絡之間的通信量最小化 開放的標準和接口 語義數(shù)據(jù)的描述,部件方面 分散型智能部件的開發(fā) 就地決策處理 基于模型和語義的描述

17、自主控制和自供電源,開發(fā)無線自動化解決方案的關鍵問題 主要問題：應該如何來設計無線自動化的解決方案，才能增強無線技術潛在 的可移動性和替代有線所帶來的利益,關于垂直集成的互操作的含義,在上下不同層次實現(xiàn)可互操作是困難的，譬如ERP層面（L4） 內(nèi)是語義互操作，檢測和執(zhí)行層面內(nèi)（L1）是信號的互操作。,垂直集成意味著：,在企業(yè)管理層的軟件和自動化設備之間建立數(shù)據(jù)連接 要使信號能提升為具有顯性含義,如何掌控不同長度和不同周期的數(shù)據(jù)包,用標準的,中間件,OPC-UA 將現(xiàn)有網(wǎng),絡進行,垂直集成,用標準化中間件OPC-UA實現(xiàn)垂直集成,關于數(shù)據(jù)和功能集成的開放性,垂直集成,要讓在工廠產(chǎn)生的所有信息都能

18、隨機存取的集成,但是，作為決策基礎的動態(tài)編譯卻要求考慮技術系統(tǒng)的知識,于是產(chǎn)生了下面的問題：,哪些是一般工廠信息模型所必要 的基本單元？而它們恰恰能顯性 地表達可供使用的知識。,智慧工廠系統(tǒng)的信息安全問題,外部通信 基礎結(jié)構(gòu),遠程業(yè)務伙 伴和客戶,遠程操 作工具,HMI,企業(yè)局域網(wǎng) 控制系統(tǒng)局域網(wǎng),儀表安全系統(tǒng),語義互操作,語義互操作是指計算機系統(tǒng)傳輸明確的共享數(shù)據(jù)的能力。它是對信息系 統(tǒng)之間能夠進行可用機器計算的邏輯、推理、知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)聯(lián)合的要 求。,面向服務的架構(gòu)SoA是一種不受限于具體技術的體系結(jié)構(gòu)。在SoA中， 迫切要求服務提供者與服務需求者之間進行有效的通信，而無需考慮信 息結(jié)構(gòu)、

19、與業(yè)務相關的人為因素和其它文件的異構(gòu)（即非同一性）。這 種要求稱為語義的可互操作性。通常認為技術方法是服務的要求者與提 供者之間進行有效協(xié)調(diào)和集成的最大障礙，實際上語義的互操作性才是 根源性的問題。,應用舉例：產(chǎn)品作為一個自動化部件,產(chǎn)品將其生產(chǎn)過程的抽象描述存貯在它的存貯器中， 這樣就可以用預先動作的方式協(xié)調(diào)每一個制造環(huán)節(jié),在產(chǎn)品存貯器中執(zhí)行抽象描述過程（1）,主要問題：怎樣調(diào)用已被描述的功能？ 沒有服務貯存庫的語義方法,服務名、服務參數(shù)和地址必須從產(chǎn)品存貯 器內(nèi)調(diào)出,例如：調(diào)用制動器服務,地址：192.168.178.30:10221 服務名：/StopperSevice 操作狀態(tài)：抱死

20、參數(shù)：無,缺點：地址、端口、服務名、操作狀態(tài)、 和參數(shù)限制了靈活性； 與制造廠的交互協(xié)調(diào) 實際上不可能執(zhí)行,有服務貯存的語義方法,服務名用來從服務貯存庫尋找WSDL服務定義 例如：,請求“StopperSevice”服務,返回WSDL服務定義,從WSDL文件讀出主地址，可能的操作狀態(tài)、參數(shù)名等 由人選擇合適的操作和參數(shù)進行服務調(diào)用,缺點：,WSDL單純是接口的語義定義； 操作含義不是正式描述；,實際上不可能與供貨商進行自動協(xié)調(diào)交互,在產(chǎn)品存貯器中執(zhí)行抽象描述過程（2）,生產(chǎn)過程的語義服務發(fā)現(xiàn) 主要任務：合適功能性的搜索、定位、選擇和 協(xié)調(diào) 語義方法 定義一個服務實體 例如,用包括,設備信息,功能性信息,所處環(huán)境信息,來定義一種服務 用語義技術進行服務發(fā)現(xiàn) 進行直接滿足服務描