智慧工廠的基本結(jié)構(gòu)和發(fā)展路徑ppt課件

1、智慧工廠的根本架構(gòu)和開展途徑報(bào)告人：葛云澄遼寧山合信通科技大連翊源科技2021年1月16日中國中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)內(nèi)容提要智慧工廠概念和詳細(xì)實(shí)現(xiàn)的開展脈絡(luò)智慧工廠的根本架構(gòu)智慧工廠承繼和有待開展的主要技術(shù)小結(jié)智慧工廠概念和詳細(xì)實(shí)現(xiàn)的開展用三個(gè)維度表達(dá)的智慧工廠多年來工程技術(shù)界不斷在探求數(shù)字化工廠應(yīng)該如何完好而準(zhǔn)確的描畫。2006年，美國ARC總結(jié)了以制造為中心的數(shù)字制造、以設(shè)計(jì)為中心的數(shù)字制造和以管理為中心的數(shù)字制造，并思索了原資料和能源供應(yīng)和產(chǎn)品的銷售供應(yīng)，提出用工程技術(shù)、消費(fèi)制造和供應(yīng)鏈這三個(gè)維度來描畫工廠的全部活動(dòng)。經(jīng)過建立描畫這三個(gè)維度的信息模型，利用適當(dāng)?shù)能浖涂梢酝旰帽磉_(dá)圍繞產(chǎn)品設(shè)計(jì)、

2、技術(shù)支持，消費(fèi)制造以及原資料供應(yīng)、銷售和市場相關(guān)的一切環(huán)節(jié)的活動(dòng)CPM工廠描畫的三個(gè)維度：工程、消費(fèi)、供應(yīng)鏈CMM協(xié)調(diào)制造管理企業(yè)外運(yùn)營C客戶s供貨商s企業(yè)內(nèi)ERP供應(yīng)鏈 PLM/ 客戶管理 S 關(guān)系PLM/ 管理D物流自動(dòng)化消費(fèi)ARC提出：用工程、消費(fèi)制造、供應(yīng)鏈三個(gè)維度描畫數(shù)字化工廠的模型中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)智慧工廠的全面描畫假設(shè)這些描畫和表達(dá)可以得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的支持，還可以實(shí)時(shí)下達(dá)指令指導(dǎo)這些活動(dòng)，并且為實(shí)現(xiàn)全面的優(yōu)化，能在這三個(gè)維度之間進(jìn)展交互，可以一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(dá)方式，我們可以把數(shù)字化工廠看做是實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的數(shù)字化制造、運(yùn)營業(yè)務(wù)過

3、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(shù)的根底上開展智慧工廠，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智慧工廠還需求開發(fā)哪些技術(shù)，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交融系統(tǒng)，最早是美國科學(xué)家相當(dāng)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(diǎn)是強(qiáng)調(diào)物理過程與信息間的反響。2021年美國加利福利亞大學(xué)的Lee.E在其技術(shù)報(bào)告中指出：信息物理系統(tǒng)是計(jì)算和物理過程的整合集成。嵌入式計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)對物理過程進(jìn)展監(jiān)測和控制，通常系統(tǒng)具有物理過程影響計(jì)算、計(jì)算也影響物理過程的反響回路。從自動(dòng)化技術(shù)的觀念看，CPS是一種

4、工程系統(tǒng)，由一個(gè)嵌入在物體中的計(jì)算和通訊的內(nèi)核，以及物理環(huán)境中的構(gòu)造所監(jiān)測和控制。Karl Henrik Johansson，2021德國的專家和教授基于制造立國和制造強(qiáng)國的理念，把CPS運(yùn)用于生產(chǎn)制造，提出了CPPS，即信息物理消費(fèi)系統(tǒng)。以CPPS為模型構(gòu)建智慧工廠，或者數(shù)字化工廠。2021年德國政府制定和大力推行Industry4.0，而且強(qiáng)調(diào)Industry4.0的特征是工業(yè)自動(dòng)化和信息的嚴(yán)密結(jié)合，它建立在物理信息系統(tǒng)CPS的根底之上。這就為智慧工廠的實(shí)現(xiàn)指明了一條具有現(xiàn)實(shí)可行性的途徑。于是，為數(shù)眾多的德國與制造相關(guān)的企業(yè)，從跨國的超大型企業(yè)Siemens、SAP等到各類的自動(dòng)化產(chǎn)品的中

5、小企業(yè)，都在思索和醞釀如何應(yīng)對這一開展的大趨勢。CPS在消費(fèi)過程的實(shí)現(xiàn)構(gòu)成了智慧工廠Industry4.0建立在CPS根底上建立在CPS根底上的Industry4.0中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)邊境消逝全球規(guī)劃，分散制造根據(jù)實(shí)情擴(kuò)展消費(fèi)才干協(xié)同利用全球化工具智慧工廠知識存貯了解歷史/當(dāng)前形狀與所處環(huán)境能進(jìn)展通訊知悉到達(dá)其目的的方法智慧產(chǎn)品社會(huì)性機(jī)械設(shè)備知識共享缺陷補(bǔ)償或缺點(diǎn)維護(hù)負(fù)荷平衡靈敏的自順應(yīng)利用信息物理系統(tǒng)邁向智慧工廠掌控了然于胸消費(fèi)優(yōu)化操作運(yùn)轉(zhuǎn)條件和產(chǎn)品狀態(tài)完全透明虛擬制造加強(qiáng)型操作者減少限制遠(yuǎn)程可視化和遠(yuǎn)程操作掌握全面知識防止過失中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)智慧工廠的根本架構(gòu)智慧工廠的根本架構(gòu)在消費(fèi)自動(dòng)化中

6、的CPS應(yīng)該是什么樣的，CPS理念運(yùn)用于消費(fèi)制造還有哪些議題需求明確，智慧工廠立足于哪些現(xiàn)有技術(shù)根底，還有哪些技術(shù)需求如何開展和充實(shí)，下面我們會(huì)做一些初步探求和討論。首先我們來看智慧工廠的根本架構(gòu)。中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)物聯(lián)網(wǎng)和效力網(wǎng)是智慧工廠的信息技術(shù)根底中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)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)的根底上，充分利用正在迅速開展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和效力網(wǎng)技術(shù)。與消費(fèi)方案、物流、能源和運(yùn)營相關(guān)的ERP、SCR、CRM等，和產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)相關(guān)的PLM處在最上層，與效力網(wǎng)緊緊相連。與制造消費(fèi)設(shè)備和消費(fèi)線控制、調(diào)度、排產(chǎn)等相關(guān)的PCS、MES功能經(jīng)過CPS物理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。這一層與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

7、緊緊相連。從制廢品構(gòu)成和產(chǎn)品生命周期效力的維度，智慧工廠還需求和具有智慧的原資料供應(yīng)，以及智慧產(chǎn)品的售后效力這些環(huán)節(jié)構(gòu)成實(shí)時(shí)互連互通的信息交換。而具有智慧的原資料供應(yīng)和智慧產(chǎn)品的售后效力，具有充分利用效力網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的功能。物聯(lián)網(wǎng)和效力網(wǎng)是智慧工廠的信息技術(shù)根底智能制造智能部件產(chǎn)品智能化智能配備物聯(lián)網(wǎng)和效力網(wǎng)現(xiàn)代航空配備配備先進(jìn)軌道交通配備海洋工程配備智能安裝智能系統(tǒng)數(shù)字化車間數(shù)字化企業(yè)衛(wèi)星及運(yùn)用 智能制造產(chǎn)業(yè)智能制造與智能配備制造業(yè)配備制造業(yè)高端配備制造業(yè)中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)智慧工廠是由許多智能制造配備構(gòu)成當(dāng)然還包括控制和信息系統(tǒng)智能制造配備是由許多智能部件和其它相關(guān)根本部件構(gòu)成從CPS走向智慧工

8、廠的一種圖像中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)在我們所處的現(xiàn)實(shí)世界，數(shù)字化智慧工廠實(shí)踐上還正在分別沿著上述的三個(gè)維度獨(dú)立的開展，這是由于工程技術(shù)、消費(fèi)制造和供應(yīng)鏈的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)還沒有開展到非常成熟的程度，更不曾廣泛的推行運(yùn)用。因此立足現(xiàn)實(shí)，數(shù)字化工廠就可以了解為：在消費(fèi)制造的維度開展基于制造智能的自動(dòng)化消費(fèi)線或成套安裝在這樣堅(jiān)實(shí)的消費(fèi)根底設(shè)備的根底上，將它們納入企業(yè)業(yè)務(wù)運(yùn)營系統(tǒng)ERP和制造執(zhí)行系統(tǒng)MES的管轄之下同時(shí)，在工程技術(shù)的維度上，建立和完善CAD、CAPP、CAM根底上的PDM和PLM，然后延伸到產(chǎn)品售后的技術(shù)支持和效力。智能制造是數(shù)字化工廠的基石智慧工廠承繼和有待開展的主要技術(shù)消費(fèi)自動(dòng)化中的CPS需求關(guān)

9、注的主題自順應(yīng)和自主控制基于部件的自動(dòng)化component-basedautomation軟件安裝階段組態(tài)deploymenttimeconfiguration通訊和分散的功能性對分層通訊構(gòu)造沒有劇烈依賴程度集成和垂直集成基于IP的無線和有界有線的adhoc通訊能感知環(huán)境關(guān)系的自動(dòng)化部件任務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)與所在位置無關(guān)在整條消費(fèi)線中部件能實(shí)現(xiàn)其義務(wù)根據(jù)環(huán)境的影響，過程參數(shù)和過程構(gòu)造能進(jìn)展動(dòng)態(tài)自順應(yīng)人員要素的集成加強(qiáng)操作人員的才干人在系統(tǒng)中的作用是協(xié)調(diào)者、優(yōu)化者和指點(diǎn)者智慧工廠需求承繼和開展的主要技術(shù)智慧工廠是從現(xiàn)有的各種工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的根底上吸收IT技術(shù)逐漸開展的。下面我們討論有哪些技術(shù)方法門類是需求承

10、繼和進(jìn)一步開展的。主要有：分布式自動(dòng)化開放的通訊語義可互操作性分布式自動(dòng)化用現(xiàn)場總線將傳感器、變送器和執(zhí)行器銜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)處置部件集成構(gòu)造簡化PLC在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的集成例如ProfiNet的CBAIEC61499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IEC61499是IEC61131-3在分布式系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)想象分布式自動(dòng)化可自創(chuàng)SoA和代理系統(tǒng)面向效力的架構(gòu)SoASoA是IT行業(yè)常用的一種運(yùn)營管理的建模方法。為了使運(yùn)用軟件可進(jìn)展復(fù)用服務(wù)所采用的一種封裝集成和調(diào)用效力均與平臺和實(shí)現(xiàn)無關(guān)具有效力發(fā)現(xiàn)功能代理系統(tǒng)agents

11、ystem這是在研討分布式人工智能時(shí)引入的概念可將明晰定義的子任分配給予代理不同代理間的通訊非常要緊在處理復(fù)雜義務(wù)時(shí)具有自組織功能中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)企業(yè)管理系統(tǒng)的多代理方法中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)數(shù)據(jù)采集建模/深化了解信息管理決策支持影響/控制義務(wù)級別中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)分布式智能的范例影響程度物聯(lián)網(wǎng)組織間組織內(nèi)操作邊境內(nèi)個(gè)別設(shè)備、產(chǎn)品等面向效力的控制構(gòu)造特性在根本效力中對機(jī)電一體化功能進(jìn)展功能性封裝明晰定義的效力接口如WSDL規(guī)范化的通訊接口如SOAP、DPWS運(yùn)用所帶來的利益為自動(dòng)化部件提供可互操作性便于集成，花最少時(shí)間完成集成過程控制的程序易于客制化，也便于修正中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)在運(yùn)用上IEC61499

12、并不是一種完全獨(dú)立的規(guī)范，為實(shí)現(xiàn)分布式工業(yè)過程測控系統(tǒng)至少還需求：通訊協(xié)議 定義規(guī)范的通訊功能塊及其規(guī)范開放性通訊的映射效力。如：工業(yè)通訊的國際規(guī)范有現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)。規(guī)范編程言語 用IEC61131-3國際編程言語規(guī)范編制的功能塊其內(nèi)含有算法。在運(yùn)用中它們二者相互補(bǔ)充，才干構(gòu)成完好的功能塊類型。IEC61499和IEC61131-3的關(guān)系設(shè)備4設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備3運(yùn)用程序A 運(yùn)用程序B被控過程IEC61499的系統(tǒng)模型 通訊網(wǎng)絡(luò)中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)一組互連的設(shè)備儀表、部件等彼此之間經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊，這些網(wǎng)絡(luò)并不限于一種網(wǎng)絡(luò)如工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線，也可構(gòu)成多級網(wǎng)絡(luò)的方式如Profibus和

13、ProfiNet、H1和HSE、 DeviceNet和ControlNet進(jìn)展通信。運(yùn)用程序可常駐在一個(gè)設(shè)備中如運(yùn)用程序C，也可常駐在多個(gè)設(shè)備中如運(yùn)用程序A和B。例如，一個(gè)運(yùn)用程序可以包括一個(gè)或多個(gè)控制回路，其中輸入采樣由一個(gè)設(shè)備執(zhí)行，控制運(yùn)算由另一個(gè)設(shè)備執(zhí)行，輸出變換由第3個(gè)設(shè)備完成。IEC61499的系統(tǒng)模型應(yīng)用程序模型功能塊X功能塊Y功能塊Z數(shù)據(jù)流IEC61499的運(yùn)用程序模型在IEC61499中，運(yùn)用程序由功能塊網(wǎng)絡(luò)組成，其節(jié)點(diǎn)是功能塊或子運(yùn)用程序及其參數(shù)，其分支是數(shù)據(jù)銜接和事件銜接。事件流中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)與集中系統(tǒng)不同的是，這種由假設(shè)干個(gè)能夠分散在多個(gè)設(shè)備中的功能塊互連而成的運(yùn)用程序

14、模型，分散系統(tǒng)的程序執(zhí)行不再按掃描方式，或是按多義務(wù)多進(jìn)程的方式進(jìn)展，它要求在指定數(shù)據(jù)傳輸與控制算法之間的關(guān)系時(shí)具有明確的顯性機(jī)制。運(yùn)用程序的運(yùn)轉(zhuǎn)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)度信息確定的時(shí)序及順序要求進(jìn)展。IEC61499的運(yùn)用程序模型實(shí)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)輸出資源才干:調(diào)度,通訊，映射,過程映射顯性事件接口IEC61499為滿足這個(gè)要求，IEC61499增加了一個(gè)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。中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)開放的通訊架構(gòu)自動(dòng)化和IT網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化領(lǐng)域

15、的主要運(yùn)用運(yùn)動(dòng)控制和平安系統(tǒng)硬實(shí)時(shí)要求挑戰(zhàn)開發(fā)滿足硬實(shí)時(shí)要求的分布式系統(tǒng)工廠自動(dòng)化通常無硬實(shí)時(shí)要求挑戰(zhàn)在一種總線系統(tǒng)中妥善處理異構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸批量控制和延續(xù)流程控制通常不會(huì)在大范圍內(nèi)有苛刻的時(shí)間要求挑戰(zhàn)在大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)2000情況下仍能透明傳輸工廠級控制級現(xiàn)場級工廠自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制過程自動(dòng)化中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)用無線網(wǎng)絡(luò)來擴(kuò)展有線網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)面臨的的挑戰(zhàn)無線和混合網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)顯著不同無線絕非100%可靠，如何處理？無線通訊的實(shí)時(shí)性成為至今難以跨越的瓶頸無線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)機(jī)使系統(tǒng)和用戶具有可挪動(dòng)性多跳、自組織Ad-hoc通訊現(xiàn)場設(shè)備的Ad-hoc組態(tài)中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)架構(gòu)方面網(wǎng)絡(luò)之間的通訊量最小化開放

16、的規(guī)范和接口語義數(shù)據(jù)的描畫部件方面分散型智能部件的開發(fā)就地決策處置基于模型和語義的描畫自主控制和自供電源開發(fā)無線自動(dòng)化處理方案的關(guān)鍵問題主要問題：應(yīng)該如何來設(shè)計(jì)無線自動(dòng)化的處理方案，才干加強(qiáng)無線技術(shù)潛在的可挪動(dòng)性和替代有線所帶來的利益中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)關(guān)于垂直集成的互操作的含義在上下不同層次實(shí)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(dòng)化設(shè)備之間建立數(shù)據(jù)銜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)包中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)用規(guī)范的中間件OPC-UA將現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展垂直集成用規(guī)范化中間件OPC-UA實(shí)現(xiàn)

17、垂直集成中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)關(guān)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)生的一切信息都能隨機(jī)存取的集成但是，作為決策根底的動(dòng)態(tài)編譯卻要求思索技術(shù)系統(tǒng)的知識于是產(chǎn)生了下面的問題：哪些是普通工廠信息模型所必要的根本單元？而它們恰恰能顯性地表達(dá)可供運(yùn)用的知識。中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)智慧工廠系統(tǒng)的信息平安問題外部通訊根底構(gòu)造遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)伙伴和客戶遠(yuǎn)程操作工具HMI企業(yè)局域網(wǎng)控制系統(tǒng)局域網(wǎng)儀表平安系統(tǒng)語義互操作語義互操作是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)傳輸明確的共享數(shù)據(jù)的才干。它是對信息系統(tǒng)之間可以進(jìn)展可用機(jī)器計(jì)算的邏輯、推理、知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)結(jié)合的要求。面向效力的架構(gòu)SoA是一種不受限于詳細(xì)技術(shù)的體系構(gòu)造。在SoA中，迫切要求效力提

18、供者與效力需求者之間進(jìn)展有效的通訊，而無需思索信息構(gòu)造、與業(yè)務(wù)相關(guān)的人為要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。通常以為技術(shù)方法是效力的要求者與提供者之間進(jìn)展有效協(xié)調(diào)和集成的最大妨礙，實(shí)踐上語義的互操作性才是根源性的問題。運(yùn)用舉例：產(chǎn)品作為一個(gè)自動(dòng)化部件產(chǎn)品將其消費(fèi)過程的籠統(tǒng)描畫存貯在它的存貯器中，這樣就可以用預(yù)先動(dòng)作的方式協(xié)調(diào)每一個(gè)制造環(huán)節(jié)中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)在產(chǎn)品存貯器中執(zhí)行籠統(tǒng)描畫過程1主要問題：怎樣調(diào)用已被描畫的功能？沒有效力儲存庫的語義方法效力名、效力參數(shù)和地址必需從產(chǎn)品存貯器內(nèi)調(diào)出例如：調(diào)用制動(dòng)器效力地址：192.168.178.30:10221效力名：/Stop

19、perSevice操作形狀：抱死參數(shù)：無缺陷：地址、端口、效力名、操作形狀、和參數(shù)限制了靈敏性； 與制造廠的交互協(xié)調(diào)實(shí)踐上不能夠執(zhí)行中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)有效力儲存的語義方法效力名用來從效力儲存庫尋覓WSDL效力定義例如：懇求“StopperSevice效力前往WSDL效力定義從WSDL文件讀出主地址，能夠的操作形狀、參數(shù)名等由人選擇適宜的操作和參數(shù)進(jìn)展效力調(diào)用缺陷：WSDL單純是接口的語義定義；操作含義不是正式描畫；實(shí)踐上不能夠與供貨商進(jìn)展自動(dòng)協(xié)調(diào)交互在產(chǎn)品存貯器中執(zhí)行籠統(tǒng)描畫過程2中國挪動(dòng)通訊集團(tuán)消費(fèi)過程的語義效力發(fā)現(xiàn)主要義務(wù)：適宜功能性的搜索、定位、選擇和協(xié)調(diào)語義方法定義一個(gè)效力實(shí)體 例如用包括設(shè)備信息功能性信息所處環(huán)境信息來定義一種效力用語義技術(shù)進(jìn)展效力發(fā)現(xiàn)進(jìn)展直接滿足效力描畫要求的效力搜索進(jìn)展與要求特性等