智慧工廠的基本架構和發展路徑報告人：葛云澄某著名企業某著名企業中國中國某某著名企業內容提要智慧工廠概念和具體實現的發展脈絡智慧工廠的基本架構智慧工廠繼承和有待發展的主要技術小結智慧工廠概念和具體實現的發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字化工廠應該如何完整而精確的描述。2006年，美國ARC總結了以制造為中心的數字制造、以設計為中心的數字制造和以管理為中心的數字制造，并考慮了原材料和能源供應和產品的銷售供應，提出用工程技術、生產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，利用適當的軟件就能夠完整表達圍繞產品設計、技術支持，生產制造以及原材料供應、銷售和市場相關的所有環節的活動CPM工廠描述的三個維度：工程、生產、供應鏈

CMM協調制造管理企業外經營C客戶s供貨商s企業內

ERP供應鏈

PLM/

客戶

管理

S

關系

PLM/

管理

D

物流

自動化

生產ARC提出：用工程、生產制造、供應鏈三個維度

描述數字化工廠的模型中國某某著名企業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據的支持，還能夠實時下達指令指導這些活動，并且為實現全面的優化，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字化工廠或者叫智慧工廠。換一種表達方式，我們可以把數字化工廠看做是實現了產品的數字化設計、產品的數字化制造、經營業務過程和制造過程的數字化管理，以及綜合集成優化的過程。不過，如何在現有技術的基礎上發展智慧工廠，為了實現數字化智慧工廠還需要開發哪些技術，ARC并沒有明確的說法。信息物理系統CPS信息物理系統（Cyber

Physical

System，CPS），也有人稱為信息物理融合系統，最早是美國科學家相當于物聯網的一種表述。它與物聯網相比，最顯著的特點是強調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：設計挑戰》中指出：信息物理系統是計算和物理過程的整合集成。嵌入式計算機和網絡對物理過程進行監測和控制，通常系統具有物理過程影響計算、計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，由一個嵌入在物體中的計算和通信的內核，以及物理環境中的結構所監測和控制。（Karl

Henrik

Johansson，2011）德國的專家和立國和制造強國的理念，把CPS運用于生產制造，提出了CPPS，即信息物理生產系統。以CPPS為模型構建智慧工廠，或者數字化工廠。2012年德國政府制定和大力推行Industry4.0，而且強調Industry4.0的特征是工業自動化和信息的緊密結合，它建立在物理信息系統CPS的基礎之上。這就為智慧工廠的實現指明了一條具有現實可行性的途徑。于是，為數眾多的德國與制造相關的企業，從跨國的超大型企業（Siemens、SAP等）到各類的自動化產品的中小企業，都在考慮和醞釀如何應對這一發展的大趨勢。CPS在生產過程的實現構成了智慧工廠Industry4.0建立在CPS基礎上建立在CPS基礎上的Industry4.0中國某某著名企業

邊界消失

全球規劃，分散制造依據實情擴展生產能力

協同利用

全球化工具

智慧工廠

知識存貯

了解歷史/當前狀態

與所處環境能進行通信

知悉達到其目標的方法

智慧產品

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邁向智慧工廠

掌控了然于胸

生產優化

操作運行條件和產品狀

態完全透明

虛擬制造

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

避免差錯中國某某著名企業智慧工廠的基本架構智慧工廠的基本架構在生產自動化中的CPS應該是什么樣的，CPS理念運用于生產制造還有哪些議題需要明確，智慧工廠立足于哪些現有技術基礎，還有哪些技術需要如何發展和充實，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。中國某某著名企業物聯網和服務網是智慧工廠的信息技術基礎中國某某著名企業在典型的工廠控制系統和管理系統信息集成的三層架構的基礎上，充分利用正在迅速發展的物聯網技術和服務網技術。與生產計劃、物流、能源和經營相關的ERP、SCR、CRM等，和產品設計、技術相關的PLM處在最上層，與服務網緊緊相連。與制造生產設備和生產線控制、調度、排產等相關的PCS、MES功能通過CPS物理信息系統實現。這一層與工業物聯網緊緊相連。

從制成品形成和產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，以及智慧產品的售后服務這些環節構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品的售后服務，具有充分利用服務網和物聯網的功能。物聯網和服務網是智慧工廠的信息技術基礎智能制造智能部件產品智能化—智能裝備物聯網和

服務網現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數字化車間數字化企業衛星及應用

智能制造產業

智能制造與智能裝備制造業

裝備制造業

高端裝備制造業中國某某著名企業智慧工廠是由能制造裝備構成（當然還包括控制和信息系統）智能制造裝備是由能部件和其它相關基本部件構成從CPS走向智慧工廠的一種圖像中國某某著名企業在我們所處的現實世界，數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、生產制造和供應鏈的數字化實現還沒有發展到十分成熟的程度，更不曾廣泛的推廣應用。因此立足現實，數字化工廠就可以理解為：在生產制造的維度發展基于制造智能的自動化生產線或成套裝置在這樣堅實的生產基礎設施的基礎上，將它們納入企業業務運營系統（ERP）和制造執行系統（MES）的管轄之下同時，在工程技術的維度上，建立和完善CAD、CAPP、CAM基礎上的PDM和PLM，然后延伸到產品售后的技術支持和服務。智能制造是數字化工廠的基石智慧工廠繼承和有待發展的主要技術生產自動化中的CPS需要關注的主題自適應和自主控制基于部件的自動化ponent-based

automation）軟件安裝階段組態（deployment

time

configuration）通信和分散的功能性對分層通信結構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線中部件能實現其任務依據環境的影響，過程參數和過程結構能進行動態自適應人員因素的集成增強操作人員的能力人在系統中的作用是協調者、優化者和指導者智慧工廠需要繼承和發展的主要技術智慧工廠是從現有的各種工業自動化技術的基礎上吸收IT技術逐漸發展的。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場總線將傳感器、變送器和執行器連接空間分布對象的數據采集集中式的PLC轉向算法和數據處理部件集成結構簡化PLC在網絡系統中的集成例如ProfiNet的CBAIEC

61499在嵌入式系統中以分布式軟件的方式開發控制智能在分布式系統中完成系統功能的執行IEC

61499是IEC

61131-3在分布式系統中的實現構想分布式自動化可借鑒SoA和代理系統面向服務的架構SoASoA是IT行業常用的一種經營管理

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

集成和調用服務均與平臺和實

現無關

具有服務發現功能代理系統（agent

system）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

功能中國某某著名企業企業管理系統的多代理方法中國某某著名企業數據采集

建模/深入了解信息管理決策支持影響/

控制任務級別中國某某著名企業分布式智能的范例影響程度物聯網組織間組織內操作邊界內個別設備、產品等面向服務的控制結構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制化，也便于修改中國某某著名企業在應用上IEC

61499并不是一種完全獨立的標準，為實現分布式工業過程測控系統至少還需要：通信協議

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：工業通信的國際標準有現場總線和工業以太網。標準編程語言

用IEC

61131-3國際編程語言標準編制的功能塊（其內含有算法）。在應用中它們二者相互補充，才能構成完整的功能塊類型。IEC

61499和IEC

61131-3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IEC

61499的系統模型

通信網絡中國某某著名企業

一組互連的設備（儀表、部件等）彼此之間通過一個或多個網絡通信，這些網絡并不限于一種網絡（如工業以太網、現場總線），也可構成多級網絡的方式（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行，控制運算由另一個設備執行，輸出變換由第3個設備完成。IEC

61499的系統模型應用程序模型功能塊X功能塊Y功能塊Z數據流

IEC

61499的應用程序模型在IEC

61499中，應用程序由功能塊網絡組成，其節點是功能塊或子應用程序及其參數，其分支是數據連接和事件連接。

事件流中國某某著名企業

與集中系統不同的是，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，分散系統的程序執行不再按掃描方式，或是按多任務多進程的方式進行，它要求在指定數據傳輸與控制算法之間的關系時具有明確的顯性機制。應用程序的運行調度按以下3種方式：事件產生功能塊互連以周期和/或優先級的調度信息確定的時序及順序要求進行。IEC

61499的應用程序模型實例名數據輸入事件流數據流事件流數據流事件輸入事件輸出

執行控制

（隱含）

類型名

算法（隱含）數據（隱含）

數據輸出資源能力:

調度,通信，

映射,過程映射顯性事件接口IEC

61499為滿足這個要求，IEC

61499增加了一個顯性事件接口，以執行IEC

61131-3功能塊的控制算法的控制功能。中國某某著名企業開放的通信架構—自動化和IT網絡自動化領域的主要應用運動控制和安全系統

硬實時要求

挑戰—開發滿足硬實時要求的分布式系統工廠自動化

通常無硬實時要求

挑戰—在一種總線系統中妥善解決異構數據

傳輸批量控制和連續流程控制

通常不會在大范圍內有苛刻的時間要求挑戰—在大量網絡節點（>2000）情況下仍能透明傳輸工廠級控制級現場級工廠自動

化運動控制過程自動

化中國某某著名企業用無線網絡來擴展有線網絡無線網絡技術面臨的的挑戰

無線和混合網絡與傳統的自動化

網絡顯著不同

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

逾越的瓶頸無線網絡的機會

使系統和用戶具有可某著名企業性

多跳、自組織Ad-hoc通信

現場設備的Ad-hoc組態中國某某著名企業架構方面

網絡之間的通信量最小化

開放的標準和接口

語義數據的描述部件方面

分散型智能部件的開發

就地決策處理

基于模型和語義的描述

自主控制和自供電源

開發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某著名企業性和替代有線所帶來的利益中國某某著名企業關于垂直集成的互操作的含義

在上下不同層次實現可互操作是困難的，譬如ERP層面（L4）內是語義互操作，檢測和執行層面內（L1）是信號的互操作。垂直集成意味著：在企業管理層的軟件和自動化設備之間建立數據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據包中國某某著名企業用標準的中間件OPC-UA將現有網絡進行垂直集成用標準化中間件OPC-UA實現垂直集成中國某某著名企業關于數據和功能集成的開放性垂直集成要讓在工廠產生的所有信息都能隨機存取的集成但是，作為決策基礎的動態編譯卻要求考慮技術系統的知識于是產生了下面的問題：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。中國某某著名企業智慧工廠系統的信息安全問題外部通信基礎結構遠程業務伙

伴和客戶遠程操作工具HMI

企業局域網控制系統局域網語義互操作語義互操作是指計算機系統傳輸明確的共享數據的能力。它是對信息系統之間能夠進行可用機器計算的邏輯、推理、知識發現和數據聯合的要求。面向服務的架構SoA是一種不受限于具體技術的體系結構。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，而無需考慮信息結構、與業務相關的人為因素和其它文件的異構（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調和集成的最大障礙，實際上語義的互操作性才是根源性的問題。應用舉例：產品作為一個自動化部件產品將其生產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調每一個制造環節中國某某著名企業在產品存貯器中執行抽象描述過程（1）主要問題：怎樣調用已被描述的功能？沒有服務貯存庫的語義方法服務名、服務參數和地址必須從產品存貯器內調出例如：調用制動器服務178.30:10221服務名：/StopperSevice操作狀態：抱死參數：無缺點：①地址、端口、服務名、操作狀態、和參數限制了靈活性；

②與制造廠的交互協調實際上不可能執行中國某某著名企業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：①請求“StopperSevice”服務返回WSDL服務定義②從WSDL文件讀出主地址，可能的操作狀態、參數名等③由人選擇合適的操作和參數進行服務調用缺點：①WSDL單純是接口的語義定義；②操作含義不是正式描述；③實際上不可能與供貨商進行自動協調交互在產品存貯器中執行抽象描述過程（2）中國某某著名企業

生產過程的語義服務發現

主要任務：合適功能性的搜索、定位、選擇和協調語義方法定義一個服務實體

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例如用包括設備