数字智慧方案中国某著名企业智慧工厂的基本结构和技术体系

智慧工厂的基本架构和发展路径智慧工厂需要稳定的无线流量、可靠的安全策略、可视化集中管控、某著名企业APP运维，去支持物联网扩展，实时监测、自动调控办公室、湿度、光照等环境因素，助力企业打造舒适的智慧办公环境，能方便及时地掌握诸如网络拓扑结构、网络性能统计、网络故障等信息；可以实现某著名企业管理整个厂区网络，随时随地网络运维。统一管理全区的无线AP、楼层交换机、IoT传感器等，实现万物互联；中心控制器集无线AC、身份认证、大数据收集分析、上网行为管理和审计、无线有线运维、物联网平台于一体；员工办公、访客网络和无线生产实现三网安全隔离，确保网络安全性；无线生产网采用同频组网技术，接入无线扫码枪、无线摄像头、某著名企业叉车、AGV无人搬运车等，不允终端接入，保证生产网络的正常运行；员工办公和访客某著名企业终端使用不同的SSID，员工通过账号密码接入无线网络，PDA等办公某著名企业终端使用PSK+MAC地址白名单接入网络，保证只允任的终端接入智慧工厂概念和具体实现的发展在企业销售链实施智能物流、智能安防等应用。在仓储、调度、跟踪监控和产品追溯等环节实现对物品、集装箱、车辆和人员的全程状态监测和智能调度，构建高效率、低成本和安全的现代物流体系。利用物联网技术建设企业内的智能安防系统，构建智能化、全方位、立体安防体系和高效的智能楼宇管理系统。加入星球获取更多更全的数智化解决方案CPM工厂描述的三个维度：工程、生产、供应链

CMM协调制造管理企业外经营C客户s供货商s企业内

ERP供应链

PLM/

客户

管理

S

关系

PLM/

管理

D

物流

自动化

生产ARC提出：用工程、生产制造、供应链三个维度

描述数字化工厂的模型中国某某著名企业产品定位：项目为构建基于云计算、大数据、某著名企业互联网等最新信息技术和某著名企业防爆智能终端技术的、软硬件相结合的智能化安全管理云系统。产品功能：实现生产状态和安全信息的实时数据采集、远程通讯、事故建模、风险分析、智能推演、预报预警、应急处置辅助决策等功能，为政府安全监管、企业安全生产管理以及事故应急处置服务。智慧工厂的全面描述如果这些描述和表达能够得到实时数据的支持，还能够实时下达指令指导这些活动，并且为实现全面的优化，能在这三个维度之间进行交互，可以肯定地说这就是我们理想的数字化工厂或者叫智慧工厂。换一种表达方式，我们可以把数字化工厂看做是实现了产品的数字化设计、产品的数字化制造、经营业务过程和制造过程的数字化管理，以及综合集成优化的过程。不过，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。横向集成：一级供应商、二级供应商，以及销售商信息的无缝对接。企业之间通过价值链以及信息网络所实现的一种资源整合，为实现各企业间的无缝合作，提供实时产品与服务，推动企业间研产供销、经营管理与生产控制、业务与财务全流程的无缝衔接和综合集成，实现产品开发、生产制造、经营管理等在不同的企业间的信息共享和业务协同。信息物理系统CPS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。2008年美国加利福利亚大学的Lee.E在其技术报告《信息物理系统：设计挑战》中指出：信息物理系统是计算和物理过程的整合集成。嵌入式计算机和网络对物理过程进行监测和控制，通常系统具有物理过程影响计算、计算也影响物理过程的反馈回路。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。（Karl

Henrik

Johansson，2011）端到端集成：一个新理念，是围绕产品全生命周期的价值链创造，通过价值链上不同企业资源的整合，实现从产品设计、生产制造、物流配送、使用维护的产品全生命周期的管理和服务，它以产品价值链创造集成供应商（一级、二级、三级……）、制造商（研发、设计、加工、配送）、分销商（一级、二级、三级……）以及客户信息流、物流和资金流，在为客户提供更有价值的产品和服务的同时，重构产业链各环节的价值体系。德国的专家和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。CPS在生产过程的实现构成了智慧工厂Industry4.0建立在CPS基础上建立在CPS基础上的Industry4.0中国某某著名企业

边界消失

全球规划，分散制造依据实情扩展生产能力

协同利用

全球化工具

智慧工厂

知识存贮

了解历史/当前状态

与所处环境能进行通信

知悉达到其目标的方法

智慧产品

社会性机械设备

知识共享缺陷补偿或故障维护

负荷平衡

灵活的自适应利用信息物理系统迈向智慧工厂

掌控了然于胸

生产优化

操作运行条件和产品状

态完全透明

虚拟制造

增强型操作者

减少限制

远程可视化和远程操作

掌握全面知识

避免差错中国某某著名企业智慧工厂的基本架构智慧工厂的基本架构在生产自动化中的CPS应该是什么样的，CPS理念运用于生产制造还有哪些议题需要明确，智慧工厂立足于哪些现有技术基础，还有哪些技术需要如何发展和充实，下面我们会做一些初步探索和讨论。首先我们来看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，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。物联网和服务网是智慧工厂的信息技术基础智能制造智能部件产品智能化—智能装备物联网和

服务网现代航空装备装备先进轨道交通装备海洋工程装备智能装置智能系统数字化车间数字化企业卫星及应用

智能制造产业

智能制造与智能装备制造业

装备制造业

高端装备制造业智慧工厂是由能制造装备构成（当然还包括控制和信息系统）智能制造装备是由能部件和其它相关基本部件构成从CPS走向智慧工厂的一种图像中国某某著名企业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。因此立足现实，数字化工厂就可以理解为：在生产制造的维度发展基于制造智能的自动化生产线或成套装置在这样坚实的生产基础设施的基础上，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。智能制造是数字化工厂的基石智慧工厂继承和有待发展的主要技术生产自动化中的CPS需要关注的主题自适应和自主控制基于部件的自动化ponent-based

automation）软件安装阶段组态（deployment

time

configuration）通信和分散的功能性对分层通信结构没有强烈依赖水平集成和垂直集成基于IP的无线和有界有线的adhoc通信能感知环境关系的自动化部件工作运行与所在位置无关在整条生产线中部件能实现其任务依据环境的影响，过程参数和过程结构能进行动态自适应人员因素的集成增强操作人员的能力人在系统中的作用是协调者、优化者和指导者智慧工厂需要继承和发展的主要技术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。下面我们讨论有哪些技术方法门类是需要继承和进一步发展的。主要有：分布式自动化开放的通信语义可互操作性分布式自动化用现场总线将传感器、变送器和执行器连接空间分布对象的数据采集集中式的PLC转向算法和数据处理部件集成结构简化PLC在网络系统中的集成例如ProfiNet的CBAIEC

61499在嵌入式系统中以分布式软件的方式开发控制智能在分布式系统中完成系统功能的执行IEC

61499是IEC

61131-3在分布式系统中的实现构想分布式自动化可借鉴SoA和代理系统面向服务的架构SoASoA是IT行业常用的一种经营管理

的建模方法。

为了使应用软件可进行复用服

务所采用的一种封装

集成和调用服务均与平台和实

现无关

具有服务发现功能代理系统（agent

system）这是在研究分布式人工智能时引入

的概念

可将清晰定义的子任分配给予

代理

不同代理间的通信十分要紧

在解决复杂任务时具有自组织

功能中国某某著名企业企业管理系统的多代理方法中国某某著名企业数据采集

建模/深入了解信息管理决策支持影响/

控制任务级别中国某某著名企业分布式智能的范例影响程度物联网组织间组织内操作边界内个别设备、产品等面向服务的控制结构特性在基本服务中对机电一体化功能进行功能性封装清晰定义的服务接口（如WSDL）标准化的通信接口（如SOAP、DPWS）应用所带来的利益为自动化部件提供可互操作性便于集成，花最少时间完成集成过程控制的程序制化，也便于修改中国某某著名企业在应用上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。IEC

61499和IEC

61131-3的关系设备4设备1设备2设备3应用程序A

应用程序B

被控过程IEC

61499的系统模型

通信网络中国某某著名企业

一组互连的设备（仪表、部件等）彼此之间通过一个或多个网络通信，这些网络并不限于一种网络（如工业以太网、现场总线），也可构成多级网络的方式（如Profibus和ProfiNet、H1和HSE、

DeviceNet

和ControlNet）进行通信。

应用程序可常驻在一个设备中（如应用程序C），也可常驻在多个设备中（如应用程序A和B）。例如，一个应用程序可以包括一个或多个控制回路，其中输入采样由一个设备执行，控制运算由另一个设备执行，输出变换由第3个设备完成。IEC

61499的系统模型应用程序模型功能块X功能块Y功能块Z数据流

IEC

61499的应用程序模型在IEC

61499中，应用程序由功能块网络组成，其节点是功能块或子应用程序及其参数，其分支是数据连接和事件连接。

事件流中国某某著名企业

与集中系统不同的是，这种由若干个可能分散在多个设备中的功能块互连而成的应用程序模型，分散系统的程序执行不再按扫描方式，或是按多任务多进程的方式进行，它要求在指定数据传输与控制算法之间的关系时具有明确的显性机制。应用程序的运行调度按以下3种方式：事件产生功能块互连以周期和/或优先级的调度信息确定的时序及顺序要求进行。IEC

61499的应用程序模型实例名数据输入事件流数据流事件流数据流事件输入事件输出

执行控制

（隐含）

类型名

算法（隐含）数据（隐含）

数据输出资源能力:

调度,通信，

映射,过程映射显性事件接口IEC

61499为满足这个要求，IEC

61499增加了一个显性事件接口，以执行IEC

61131-3功能块的控制算法的控制功能。中国某某著名企业开放的通信架构—自动化和IT网络自动化领域的主要应用运动控制和安全系统

硬实时要求

挑战—开发满足硬实时要求的分布式系统工厂自动化

通常无硬实时要求

挑战—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

通常不会在大范围内有苛刻的时间要求挑战—在大量网络节点（>2000）情况下仍能透明传输工厂级控制级现场级工厂自动

化运动控制过程自动

化中国某某著名企业用无线网络来扩展有线网络无线网络技术面临的的挑战

无线和混合网络与传统的自动化

网络显著不同

无线绝非100%可靠，如何解决？

无线通信的实时性成为至今难以

逾越的瓶颈无线网络的机会

使系统和用户具有可某著名企业性

多跳、自组织Ad-hoc通信

现场设备的Ad-hoc组态中国某某著名企业架构方面

网络之间的通信量最小化

开放的标准和接口

语义数据的描述部件方面

分散型智能部件的开发

就地决策处理

基于模型和语义的描述

自主控制和自供电源

开发无线自动化解决方案的关键问题主要问题：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某著名企业性和替代有线所带来的利益中国某某著名企业关于垂直集成的互操作的含义

在上下不同层次实现可互操作是困难的，譬如ERP层面（L4）内是语义互操作，检测和执行层面内（L1）是信号的互操作。垂直集成意味着：在企业管理层的软件和自动化设备之间建立数据连接要使信号能提升为具有显性含义如何掌控不同长度和不同周期的数据包中国某某著名企业用标准的中间件OPC-UA将现有网络进行垂直集成用标准化中间件OPC-UA实现垂直集成中国某某著名企业关于数据和功能集成的开放性垂直集成要让在工厂产生的所有信息都能随机存取的集成但是，作为决策基础的动态编译却要求考虑技术系统的知识于是产生了下面的问题：哪些是一般工厂信息模型所必要的基本单元？而它们恰恰能显性地表达可供使用的知识。中国某某著名企业智慧工厂系统的信息安全问题外部通信基础结构远程业务伙

伴和客户远程操作工具HMI

企业局域网控制系统局域网语义互操作语义互操作是指计算机系统传输明确的共享数据的能力。它是对信息系统之间能够进行可用机器计算的逻辑、推理、知识发现和数据联合的要求。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。应用举例：产品作为一个自动化部件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中国某某著名企业在产品存贮器中执行抽象描述过程（1）主要问题：怎样调用已被描述的功能？没有服务贮存库的语义方法服务名、服务参数和地址必须从产品存贮器内调出例如：调用制动器服务178.30:10221服务名：/StopperSevice操作状态：抱死参数：无缺点：①地址、端口、服务名、操作状态、和参数限制了灵活性；

②与制造厂的交互协调实际上不可能执行中国某某著名企业按标准的、统一的和简单的结构化方式编制和布置各种建筑物(或建筑群)内各种系统的通信线路，包括网络系统、电话系统、监控系统、电源系统和照明系统等。因此，综合布线系统是一种标准通用的信息传输系统。综合布线是智慧工厂建设基础设施,是将所有语音、数据等系统进行统一的规划设计的结构化布线方式，用来支持语音、视频、数据、图文、多媒体等综合应用。有服务贮存的语义方法服务名用来从服务贮存库寻找WSDL服务定义例如：①请求“StopperSevice”服务返回WSDL服务定义②从WSDL文件读出主地址，可能的操作状态、参数名等③由人选择合适的操作和参数进行服务调用缺点：①WSDL单纯是接口的语义定义；②操作含义不是正式描述；③实际上不可能与供货商进行自动协调交互在产品存贮器中执行抽象描述过程（2）中国某某著名企业建设基于物联网的能源管控平台，利用传感器网络、短距离无线通信等在内的物联网技术实时在线监测和控制能耗设施，并能根据实时的能耗信息，实现优化控制和集约化生产。

生产过程的语义服务发现

主要任务：合适功能性的搜索、定位、选择和协调语义方法定义一个服务实体

—>

例如用包括设备信息功能性信息所处环境信息

来定义一种服务用语义技术进行服务发现

进行直接满足服务描述要