边缘计算在智能制造中的解决方案

边缘计算在智能制造中的解决方案报告提要从智能制造的发展认识边缘计算12新一代自主可重构工业控制系统关键技术工业4.0产线TestBed34行业典型案例客户供应链物流销售技术支持售后服务产品设计工业现场制造过程ERPDCSMES价值链横向集成生命周期数字化端到端集成大规模生产高度个性化产品智能工厂：信息物理融合的网络化控制缩短从设计到生产的周期数字工厂：产品全生命周期管理PLM未来制造业新型生态系统虚拟工厂：网络协同制造智能制造生产 纵向制造 集成智能制造的纵向集成由”分层、分域”到”跨层、跨域”深度优化传统方式：将一个复杂问题分为相对简单的不同层次，逐层解决问题2未来方式：信息手段丰富、计算能提提升使得跨层次、跨领域进行更深层次的优化成为可能。工业自动化技术体系的变革当前自动化系统：分层架构、信息孤岛未来自动化系统：物联网+云计算+大数据分析IT/OT融合：边缘计算的价值体现信息空间的知识自动化处理、减少人的干预工业自动化技术体系的变革报告提要从智能制造的发展认识边缘计算12新一代自主可重构工业控制系统关键技术工业4.0产线TestBed34行业典型案例新一代自主可重构工业控制系统技术架构工位工位工位工位工位工位虚拟设备模型虚拟设备模型虚拟设备模型虚拟设备模型虚拟设备模型设备层网络层语义层服务层服务资源组合生成工艺过程泛在化感知全互联制造网络语义化信息集成服务化制造应用新一代自主可重构工业控制系统技术架构工位工位工位工位工位工位虚拟设备模型虚拟设备模型虚拟设备模型虚拟设备模型虚拟设备模型设备层网络层语义层服务层服务资源组合生成工艺过程泛在化感知全互联制造网络语义化信息集成服务化制造应用泛在化感知设备、生产过程的泛在化感知；实现传感器、控制器、执行器互联通信的WSN技术；工业应用的挑战：抗干扰、高实时、低功耗面向工业应用的WSN技术WirelessHARTISA100.11aWIA-PAWIA-FAWIA-PA面向流程工业泛在感知的低速、低功耗无线传感器网络技术在802.15.4

物理层基础上，实现自适应跳频、多跳高实时传输技术、高精度同步技术，使得数据传输可靠性99%以上，网络功耗微安级。2011年11月，IEC/TC65投票通过，成为IEC国际标准。泛在化感知的新技术方向WIA-PA产品通用装置WIA-PA无线温度变送器WIA-PA无线压力变送器WIA-PA无线差压流量变送器WIA-PA无线阀位传感器WIA-PA无线U型压力计WIA-PA无线智能网关WIA-PA无线路由器专用装置WIA-PA无线适配器WIA-PA无线水表适配器WIA-PA无线IO适配器WIA-PA无线振动变送器WIA-PA无线示功仪WIA-PA油水井远程控制器WIA-PA无线RTU模块WIA-PA防爆手持器WIA-PA无线温度变送器WIA-PA无线压力变送器 WIA-PA无线差压流量变送器WIA-PA无线适配器WIA-PA无线阀位传感器WIA-PA无线U型压力计WIA-PA无线IO适配器 WIA-PA无线手持器WIA-PA无线水表适配器 WIA-PA无线振动变送器 油水井远程控制器WIA-PA无线示功仪无线RTU模块WIA-PA应用概况领域客户名项目名规模效果石油辽河油田油井远程计量与优化控制系统1500点稳定运行1年以上，地面系统运行费用降低30%以上，节能15%以上新疆油田油井远程计量与优化控制系统500点经受恶劣气候考验，稳定运行1年以上，实现远程计量吉林油田远程数据采集系统100点远程计量传输成功率＞99%胜利油田油井远程计量与优化控制系统50点采用防盗设计，完成油井数据远程计量炼化抚顺石化设备监控与能源管理系统300点安装时间由3个月缩短到半个月，施工调试费降低80%。为企业带来经济效益近千万元。安庆石化能源计量与优化系统50点改变能源外供计量粗狂管理模式，实现管理精细化，节省人工成本兰州石化能源计量系统10点解决外供油料结算差异问题，建设损失400万元电力沈阳供电局用电信息采集系统440点提升抄表成功率至99%，节约电量计量损失朝阳电网公司变电站远程在线监测系统120点设备维护周期从2年调整到3年，主变的大修周期从5年调到9年，每年可以节省的检修费用百万元冶金鞍钢冷轧厂退火炉温度监测系统406点实现轴温的连续在线监测，提升工艺WIA-FA面向离散加工，传感器、控制器、执行器之间互联通信的高速无线网络技术在802.11

物理层基础上，实现频域轮询、动态信道调度、聚合Ack技术，使得百点规模的数据传输时延低于10ms，可靠性99.99%以上。2014年9月26日，IEC/TC65投票通过，作为IEC可公开提供的技术规范发布。泛在化感知的新技术方向NB-IoTNB-IoT为窄带物联网

(NarrowBand

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Internet

of

Things)，是物联网技术的一种，具有低成本、低功耗、广覆盖等特点，定位于运营商级、基于授权频谱的低速率物联网市场。市场研究公司Machina预测，NB-IoT未来将覆盖25%的物联网连接。NB-IoT已经于2016年6月成为3GPP正式标准，是NB-CIoT和NB-LTE两种标准的融合，平衡了各方利益华为、沃达丰、高通等公司支持NB-CIoT；爱立信、中兴、三星、英特尔、MTK等公司支持NB-LTE。泛在化感知的新技术方向新一代自主可重构工业控制系统技术架构工位工位工位工位工位工位虚拟设备模型虚拟设备模型虚拟设备模型虚拟设备模型虚拟设备模型设备层网络层语义层服务层服务资源组合生成工艺过程泛在化感知全互联制造网络语义化信息集成服务化制造应用全互联制造网络基于Internet的TCP/IP架构实现对工厂管理网络、控制网络、传感网络进行全面互联，并与Internet集成，实现无缝信息传输。实现工厂全覆盖，管理和控制业务混流传输，并提供安全可靠保障的组网与传输技术；工业应用的挑战：异构网络互联、高安全、管理流控制流混合传输、控制业务毫秒级时延IEEE802.1Time-SensitiveNetworking基于以太网实现管理业务与控制业务的混流传输，保障控制业务流的同步低时延通信；对802.11的MAC机制进行改进，借鉴Profinet的全网调度方法，通过对传输任务截止期的精细化调度保障传输时延；提出了802.1Qbu帧优先级和802.1Qbv传输调度两个标准补充，已经通过项目授权（PAR），正在技术研究阶段。全互联制造网络的新技术方向ISA100.15WirelessBackhaulNetwork基于远距离宽带无线技术实现现场传感网与工厂骨干控制网的互联，支撑现场感知数据回传到控制中心；设计了回程网络的标准接口和管理架构，研发了多种无线网络共享频谱下的共存技术；2013年8月巴西油田Rio

de

Janeiro开展了面向油井远程测量的回程网络现场验证，70余家企业参与。全互联制造网络的新技术方向工业软件定义网络（SDN）技术基于SDN技术实现工厂管理业务与控制业务的混流传输；针对工厂管理业务和控制业务特征，设计了基于流交换的处理核心和基于SDN的协同调度机制，形成了混流传输模式下的确定性传输保障技术体系；已研制出工业SDN交换机原型。现有：应用无关的包交换，难以保障管理、控制混合数据流的QoS工业SDN：面向服务的流交换全互联制造网络的新技术方向SDN协议扩充基于Openflow的工业SDN协议扩充当前的Openflow协议的meter表是用于限流的简单协议，缺少对工业级实时保障的支撑；对Openflow协议提出修正草案，对meter表进行扩充，支持对每个流的优先级、带宽预留、截止期优化等QoS策略；与华为、信通院合作，推动ONF基金会成立Openflow

in

Industry工作组，讨论增加面向工业的协议修正。新一代自主可重构工业控制系统技术架构工位工位工位工位工位工位虚拟设备模型虚拟设备模型虚拟设备模型虚拟设备模型虚拟设备模型设备层网络层语义层服务层服务资源组合生成工艺过程泛在化感知全互联制造网络语义化信息集成服务化制造应用语义化信息集成基于语义化技术，实现工厂ERP、MES、DCS不同层次之间，以及设计、工程、生产、维护、服务不同环节之间的信息集成实现信息的语义化描述、存储、组织与集成技术工业应用的挑战数据海量、多维、异构、时空关联语义化信息集成的新技术方向FDI(FieldDeviceIntegration)统一的跨协议设备集成技术通过对EDDL和FDT/DTM技术的集成与整合，解决工厂范围内智能设备由于供应商不同、信息描述格式不同导致的异构问题，以及进而带来的现场设备全局管理问题进展得到5大自动化基金会和主要供应商认可，正在进行标准征求意见稿工作，开发套件及相关工具正在研发中eCl@ss划分和描述产品与服务类别采用通用的数据模型把不同的系统结合在一起，提出了一套完整的产品描述与分类系统，包括精细的等级分类结构、多语种针对产品和服务的等效定义及目录已形成IEC、ISO国际标准，定义了超过三万个类型的产品与服务、超过五千个的产品属性，具有覆盖品类全面、精细的特点，eCl@ssOWL本体库于2003年开始构建，现可提供语义化支持语义化信息集成的新技术方向为工厂提供自底(现场设备)向上(综合应用)的统一信息语义化描述与集成服务通过构建工业信息统一语义模型、工厂多层次关联关系本体库、攻克工厂信息语义存储与关联检索关键技术完成数字工厂语义管理云平台，缩短工厂各环节信息集成时间、降低集成复杂度，对柔性、智能制造提供支撑目前已初步完成统一语义模型、多层次关联本体库以及信息语义化存储与检索关键技术攻关，形成原型系统数字工厂语义化信息集成平台国家标准数字工厂模型、语义化标识等国标5项国际标准与西门子、罗克韦尔、施耐德等公司联合制定IEC63832DigitalFactory国际标准将项目成果（通用语义模型）应用于工业资产的表达，从模型和工具层次解决了工业跨域资产建模与实现的问题数字工厂语义化信息集成平台新一代自主可重构工业控制系统技术架构工位工位工位工位工位工位虚拟设备模型虚拟设备模型虚拟设备模型虚拟设备模型虚拟设备模型设备层网络层语义层服务层服务资源组合生成工艺过程泛在化感知全互联制造网络语义化信息集成服务化制造应用服务化制造应用以模块化、服务化的模式，实现制造应用的动态自组织实现设备服务封装、注册、查询、管理与组合技术工业应用的挑战嵌入式设备资源受限、服务高并发性、服务实时处理、动态服务组织OPC-UA基于Web

Service框架实现自动化设备数据与操作的封装，提供开放服务。以统一的Web

Service描述，兼容了工业领域原有的数据存取、报警事件、安全约束、历史访问等多种数据交换标准，实现了跨平台、跨应用的不同厂商设备的互操作。OPC

UA标准受到了众多工业设备制造商支持，西门子、Matrikon、Softing等多家厂商提出了软件解决方案，并正在研发硬件连接网关产品。服务化制造应用的新技术方向智能工厂服务合成引擎针对工厂生产中的动态需求，对自动化设备Web服务进行基于场景的自适应组合，形成动态工作流。实现了设备服务建模，动态场景建模，以及综合考虑设备占空比和效用优先原则的设备选择与服务组合机制。技术原型系统已经开发完成。服务化制造应用的新技术方向报告提要从智能制造的发展认识边缘计算12新一代自主可重构工业控制系统关键技术工业4.0产线TestBed34行业典型案例SIA与SAP联合打造示范产线目标：实现订单客制化支持单件生产从企业IT系统到车间控制OT系统的垂直集成解决技术方案以车型、颜色等配置供客户自由选择的定制化模型车的装配过程为例，模拟从消费者下单到制造商生产交付的全过程，展现工业4.0下的智能工厂的理念。传统产线工作模式按照管理层次划分MES系统OPC服务器PLC控制器机器人/机床控制器MES系统OPC 服务器DCOM接口PLC控制器I/O变量机器人/机床 控制器Profinet接口按照业务领域划分计算域网络域控制域计算域：布局、流程、工艺、菜单、工步、事件网络域：拓扑、协议、通讯握手、权限、时序连接控制域：内存地址、变量类型、运动路径、动力源、空间坐标…HMIMES机器人待加工工件 YX出库 打磨控制 入库主PLC 视觉处理系统视觉处理系统从PLC 从PLC 从PLCCNC机器人4ServoAix Z传统模式的弊端动态重组重新设计通讯、逻辑控制。设置406个I/O变量，配置97个逻辑模块。通过断电重启来切换Profinet网络连接拓扑配置105个OPC

变量至少需要两周的变更时间预测性维护实现传感器数据传输需要增加大量PLC配套I/O模块。网络复杂度、控制复杂度大大增加需要3~5天的改造时间CPS系统体系架构新模式车型、颜色等选项自由组合的定制化模型车全自动单件生产生产系统根据订单变化动态调整结构基于预测性维护的生产系统动态调整和快速维修服务价

值实现场景合作研发工业4.0示范产线与德国SAP签署合作协议 乌镇世界互联网大会SIA和SAP联合研发示范产线、打造智能制造解决方案SIA：全无线、自主可重构控制系统SAP：HANA云平台、企业ERP系统央视《新闻联播》12月15日报道：报告提要从智能制造的发展认识边缘计算12新一代自主可重构工业控制系统关键技术工业4.0产线TestBed34行业典型案例智能油田全流程优化管控系统中石油全流程优化、降低开采成本的重大需求提升综合能效发现并控制无效循环–无效注水、无效举升实施系统优化–油藏、油井、管网系统配合减少作业量、减少维护开销实时资产管理当前：人工巡井、制定开采计划和管理优化缺乏实时数据支撑；分析优化周期长，反应慢；难以处理地质、油藏、生产多源数据、多模型、变流程的多学科集成分析、优化。智能油田管控系统，实现跨地质、工程、生产、维修全流程优化油井生产状态实时感知，智能诊断抽油机实时优化控制综合地质、油藏、生产数据的优化智能油田全流程优化管控系统应用效果设备现场安装已在辽河、胜利、新疆、松辽油田推广应用及时准确地诊断出油井发生油杆断脱故障,有效延长检泵周期。生产管理智能化、自动化，减少人工投入40%。产液量计量准确率90%以上，抽油机有效节能30%以上。石化生产过程参数在线监测与优化管控系统安全作业管理设备监测与诊断分析能源计量与优化分析基于SIA-SCADA系统全面感知设备管理能源管理安全管理石化工厂物料、能源计量与过程参数优化需求公用机泵设备工况多维度感知与预测性维护能流计量与可视化监测、能效优化管理基于移动平台的作业现场的闭环管控当前：设备状态、能源计量、作业安全缺乏低成本监测手段：定期检修、数据不准、安全风险高设备、能源、安全管理缺乏智能化管控方法：维护低效、能耗指标高、事故响应慢实现了设备、能源、安全的全面感知，结合生产工艺参数进行多维度优化设备运行状态监测与故障诊断分析能源在线实时计量与优化调控分析移动作业安全监测与闭环管控石化生产过程参数在线监测与优化管控系统应用成果已在抚顺石化、兰州石化、安庆石化、齐鲁石化

、茂名石化、天津石化等大型石化厂进行推广应用及时准确诊断出机泵轴承故障，缩短停机检修周期60%计量准确，减少计量误差达86%移动终端作业，提升现场维护效率达30%现场安装照片离散行业柔性生产管控系统现状：某家电装配线，年产600万台，自动化率超过60%，良品率96%。装配过程为串行生产，工艺分为备料、两器组装、机芯组装、外壳组装、总体检测、包装入库可以通过人工实现混线装配，兼容3个主要型号，人员培训需要3个月，混装切单过程需要10~20分钟工序调整时间工艺缺陷、新型号调整由30人的整改组实施工艺调整，新型号投产则需要试产10~15天，用于人员熟练加工流程离散行业柔性生产管控系统需求离散行业柔性生产管控系统工艺过程解耦的动态优化过程工艺检测工序1装配工序1分装装配工序2装配工序3备料工序1检测工序2总装特点：生产工序松耦合，产线级动态重构，工序分解重排单件化质量检测，工艺质量支持动态调整备料工序2解决方案工位模块化的加工装配工艺备料装配检测分装总装特点：制造单元内工艺重构，生产工序紧耦合批次级抽检，工艺质量无法动态调整离散行业柔性生