解讀“工業4.0 ”智能工廠體系架構
http://m.sharifulalam.com 2014-04-24 16:26 來源：上海工業自動化儀表研究院 繆學勤
進入21世紀以來，信息與通信技術取得了突破性進展。為了將控制技術融入互聯網，2006年美國國家基金會（NSF）科學家Helen Gill提出了信息物理融合系統（Cyber-Physical System,簡稱CPS）的概念，將互聯網技術的發展推向了一個新的高度。信息物理融合系統是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統，是計算進程和物理進程的統一體。CPS包含了無處不在的環境感知、嵌入式計算、網絡通信和網絡控制等系統工程，使物理系統具有計算、通信、精確控制、遠程協作和自治功能。智能的網絡世界與物理世界融合產生的CPS亦稱“工業物聯網”。
德國是高度工業化的并以制造業為導向的出口型經濟技術強國。為了確保制造業世界領先地位，從實際國情出發，德國于2012年首先將CPS技術創新地應用于制造工業，提出了基于信息物理融合系統的第四次工業革命戰略計劃“工業4.0”。由于CPS信息物理融合系統進入制造和物流的技術集成，以及在工業流程中使用物聯網及其服務，從而產生了創新的工廠系統——智能工廠（SmartFactory ）。在“工業4.0”時代，每個工廠企業都將建立“數字企業平臺“，通過開放接口將虛擬環境與基礎架構融為一體，從而構成信息物理融合系統（CPS）, 生產自動化系統將升級為信息物理融合生產系統（CPPS）。智能工廠系統完全不同于傳統的工廠自動化系統，智能工廠采用面向服務的體系架構，具體體系架構如圖1所示 。從圖中可以看出，對應于傳統自動化系統的現場級使用物聯網技術；對應于控制級采用CPPS信息物理融合生產系統；同時，對應的監控管理級連接到安全可靠和可信的云網絡主干網，采用服務互聯網提供的服務。
基于嵌入式Internet技術、無線有組織的M2M通信網絡
機器對機器通信（Machine-to-Machine，簡稱M2M）是基于特定終端行業，以公共無線網絡為接入手段，為客戶提供機器到機器的通信解決方案，滿足客戶對生產過程監控、指揮調度、遠程數據采集和測量、遠程診斷等方面的信息化需求。M2M不是簡單的數據在機器和機器之間的傳輸，它是機器之間的一種智能化、交互式通信，即使人們沒有實時發信號，機器也會根據既定程序主動進行通信，并根據所得到的數據智能化地做出選擇，對相關設備發出正確的指令。工業控制需要實現智能化、遠程化和實時化，隨著無線寬帶的突破，具有高數據傳輸速率、低占空比、IP網絡支持、以及泛在移動性的M2M通信提供了更佳的承載基礎。
CPPS信息物理融合生產系統
由于工業控制的可靠性要求非常高，所以生產流程控制采用靠近工廠機器設備的CPPS系統。按照Edward A. Lee教授的定義：CPS是計算過程和物理過程的集成系統，利用嵌入式計算機和網絡對物理過程進行監測和控制，并通過反饋環實現計算過程和物理過程的相互影響。CPPS系統是一種網絡型嵌入式系統，它將打破在PC機時代建立的傳統自動化系統的體系架構，從而全面實現分布式智能。
安全可靠和可信的云網絡
智能工廠的IT設施建立在云計算網絡基礎上，云計算的本質是一種基于互聯網的服務模式，它類似于遠程數據中心。控制室可以理解為私有云，考慮到控制的可靠性要求非常高，為CPPS信息物理融合生產系統提供服務的Apps平臺建立在工廠企業的私有云上。但是一些營運和生產管理,例如PLM、SCM、CRM、QMS、ERP，以及MES的一些功能可以通過云計算網絡提供服務，從而降低創建和優化基礎架構的成本、提升生產管理的智能化水平、高效的跨地域協同、以及提高快速響應市場需求的能力等。
基于CPS的高級工廠輔助系統
由西門子公司、菲尼克斯電氣公司，以及SAP公司等23家公司組成的“智能工廠創新聯盟”十分重視將各種無線技術、平板電腦、智能手機、移動通信技術、新型人機互動技術，以及室內精確定位等很多IT領域成熟的最新技術，創新地引入新一代工廠系統，制成高級工廠輔助系統。這些高級工廠輔助系統可以大大提高生產效率和維護效率，降低管理成本，同時應對社會老齡化等帶來的問題。利用這些高級工廠輔助系統還可以支持、幫助和培訓新一代工作人員。
最新技術提高資源利用率
智能工廠由集中控制的生產架構層級轉向分散型自組織的生產方式。分散型生產流程提供一種更為有效的使用資源的方法。由M2M通信構成的分布式網絡化系統，在考慮資源哪些相關參數應由管理者、組件單元和單個產品規范設置時，會根據總體情況做出決定。資源浪費成為一個單元的故障，基于詳細的記錄（包括判斷準則），該資源浪費情況能夠迅速地被診斷。這就使得材料和能源的效益達到最佳化，達到節能減排、綠色環保的目的。
當前，我國裝備制造業與世界先進水平相比存在較大差距，產業的效率和效益較低，單位產值的能耗居高不下，人均水平差距巨大，創新能力薄弱。長期以來，高投入、高消耗、高污染的生產模式已無法延續。為了提升競爭力，保持可持續發展，實現從“中國制造”向“中國創造”轉型升級，就必須采用CPS信息物理融合系統、物聯網與服務網技術，向智能、綠色和高效的智能工廠轉型升級。新一代智能工廠系統要求傳統的工業自動化技術必須向新一代信息與通信技術開放。自動化技術應該轉換它的研究聚焦點，從在各個獨立的學科（如分散系統或通信）開展漸近的局部改善性研究，走向整體系統功能的再工程化研究。我們正處在由PC技術向工業物聯網技術的重大轉型期，我們應該借鑒德國提出的新工業革命理念、目標和制定的路線圖，打破傳統理念，堅持進行持續地技術轉型，重視將工業互聯網領域成熟的最新技術引入裝備制造業領域，勇于創新，加快我國裝備制造業轉型升級。
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