生产制造

智慧工厂的基本架构和发展路径

智慧工厂的三个维度

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以及产品的销售供应,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。

但是,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。

CPS在生产过程的实现构成了智慧工厂

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。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。

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。

智慧工厂的基本架构

物联网和服务网是智慧工厂的信息技术基础。智慧工厂的建立必须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;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看,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。

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。

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,数字化工厂就可以理解为:在生产制造的维度里发展基于智能制造的自动化生产线或成套装置;在此基础上,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。

智慧工厂继承和有待发展的主要技术

目前,生产自动化中的CPS需要关注自适应和自主控制、通信和分散的功能性、能感知环境关系的自动化,以及人员因素的集成等主题。

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。需要继承和进一步发展的技术方法门类有:分布式自动化、开放的通信、语义可互操作性。

分布式自动化

分布式自动化可借鉴SoA和代理系统。面向服务的架构SoA是IT行业常用的一种经营管理的建模方法;是为了使应用乐天堂娱乐可进行复用服务所采用的一种封装。其集成和调用服务均与平台和实现无关,并且具有服务发现功能。代理系统(agent system)是在研究分布式人工智能时引入的概念,其特点如下:可将清晰定义的子任务分配给予代理;在解决复杂任务时具有自组织功能。

除此之外,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,如工业通信的国际标准有现场总线和工业以太网;标准编程语言用IEC 61131-3国际编程语言标准编制的功能块(其内含有算法);在应用中它们二者相互补充,才能构成完整的功能块类型。

开放的通信架构——自动化和IT网络

在自动化领域,IT网络主要应用在运动控制和安全系统(满足硬实时要求的分布式系统)、工厂自动化(无硬实时要求,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(在大量网络节点(>2000)情况下仍能透明传输)。

随着移动互联网的发展,用无线网络来扩展有线网络成为一种发展方向。而无线通信的实时性成为至今难以逾越的瓶颈,同时,无线也并非100%可靠。

开发无线自动化解决方案的关键问题在于:应该如何来设计无线自动化的解决方案,才能增强无线技术潜在的可移动性和替代有线所带来的利益。就目前发展趋势来看,混合网络是未来一种发展趋势,即通过无线网段来扩展有线网络。

语义互操作性

面向服务的架构SoA是一种不受限于具体技术的体系结构。在SoA中,迫切要求服务提供者与服务需求者之间进行有效的通信,而无需考虑信息结构、与业务相关的人为因素和其它文件的异构(即非同一性)。这种要求称为语义的可互操作性。通常认为技术方法是服务的要求者与提供者之间进行有效协调和集成的最大障碍,实际上,语义的互操作性才是根源性的问题。产品将其生产过程的抽象描述存贮在它的存贮器中,这样就可以用预先动作的方式协调每一个制造环节。

总之,物理信息生产系统CPPS引导迈向智慧工厂,将触发德国政府倡导的Industrial Revolution4.0。工业自动化技术是这场第四次工业革命的主力技术,但它必须迅速按IT技术所要求的,进一步加速开放的步伐。此外,工业自动化技术应该将其研究的重点,从在各个分隔的研究领域(例如分布式系统、工业通信技术等)进行局部和递增式的改进,逐渐转变到按构建智慧工厂所要求的科学技术和工程技术来发展。例如开放式系统,以表达物设备和物理系统的智慧计算和智慧集成等。

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