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智慧工厂:从电气化到智慧化

2014/3/18    来源:万方数据    作者:彭瑜      
关键字:电气化  智慧化  智慧工厂  
智慧工厂是工业自动化技术和IT技术深度融合的产物,工业物联网和工业服务网是智慧工厂的信息技术基础。工业自动化中的ERP—MES—PCS三层级架构、以PLM为中心的工厂产品设计和售后服务,以SCR、CRM等为中心的原材料供应物流和制成品的销售物流,在智慧工厂中继续发挥作用,但又面临许多新的发展要求。

    科技自动化联盟在2012年8月定义了“智慧工厂1.0”的理念框架。所谓的智慧工厂是由工程技术、生产制造和供应链这三个维度来清晰描述工厂的全部活动。说起智慧工厂,不得不提起一种与它密切关联的智能系统——信息物理系统CPS。从自动化技术的观点看,CPS是一种过程系统,是计算和物理过程的整合集成,也有人称为信息物理融合系统,是嵌入式计算机和网络监测和控制物理过程,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通路。

智慧工厂的基本架构

    整个的物联网和服务网是未来智慧工厂的一个基本架构,是信息技术的基础。包括软件、管理的技术,包括整个生产线相关的控制系统,以及产品制造的技术等。当前,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。

    处在最上层的是与生产计划、物流、能源和经营相关的ERP、SCR、CRM等,以及产品设计、技术相关的PLM,与服务网紧紧相连;而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联互通的信息交换;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。

从CPS走向智慧工厂的图像

    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,是由各种智能部件、装置到智能系统,一直到数字化车间和数字化企业,是数字化工厂的基石。

    目前,我国政府只能够对高端的制造业和一些关系国际名称的最基本的智能部件来做。除此之外,日常需要还有很大的市场,比如家电,各种生活制品。因此,应让市场去发展,瞄准市场急需,来惠泽智慧工厂。

    一个智慧工厂是由许多智能制造装备构成(包括控制和信息系统),也就是若干个智慧枝节和装备,若干个智慧装备是由各种智能的部件构成,智能的聚合力越往上越高,这就是从CPS走向智慧工厂的一种描述。

    在如今所处的现实世界,数字化智慧工厂实际上正在分别沿着上述的三个维度独立的开展,因为工程技术、生产制造和供应链的数字化,现实还没有发展到十分成熟的程度,更不善广泛的推广应用。因此,立足现实,首先应把智能制造做好。数字化工厂是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核PLM,然后延伸到产品售后的技术支持和服务。

生产自动化中的CPS需要关注的三大主题

    一个是自适应和自主控制。包括基于部件的自动化(component —based automation)和软件安装阶段组态(deployment time configuration)。所谓自主控制就是设备在某个环境下,可由自己控制,是自制的。组态分三个阶段。现在用的所有都是离线组态,将来的CPS所要解决的问题是测试部件在不同的地方,在提前未知的情况下,把不同物理位置的东西在安装的过程中间,进行组态。

    第二是通信和分散的功能性。这其实就涉及到水平的集成和垂直的集成。而所谓分散的控制,不是分层的控制,对分层通信结构没有强烈依赖。通信也会随着分散越来越扁平化,不是一层一层的通信。它应该有一个基于无线和有线(有界的)的一种adhoc通信,可以自由组织,一些节点在不同的地方,遇到不同的环境,可能要通过这种多套的、自组织的网络来完成。

    第三个方面是能感知环境关系的自动化。这就是部件的工作运行与所在的位置没有关系。可能依据环境、天气的影响,过程参数和过程结构能进行动态自适应,能够自己解决这个问题,然后和其他部件一起,在整条生产线中部件能实现其任务,完成一个总的功能性要求。另外,关于人员因素的集成是要以人为中心的制造,增强操作人员的能力。因为人在整个智慧工厂里起到协调、指导、管理的作用。

智慧工厂需要集成和发展的主要技术

    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。完成这些需要注意分布式自动化、开放的通信和语义可互操作性三个方面。

    分布式自动化是用现场总线传感器、变送器和执行器链接、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。它的特性是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),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,易于控制,也便于修改。将来不是所有的功能都在一个集中的系统完成,而可能是有许多的功能,通过智慧体完成各种各样的协调,是一个很好的方法,这对于CPS 智慧工厂非常重要。

    开放式通信架构, 不管是运动控制、工厂自动化或者是过程自动化,将来都要追求一种界面,在通信的时候对硬件没有依赖,所有不同通信的规约,甚至在一种总线下运行。这样才是一个开放性程序,能把各种技术融合起来,这种理念对将来真正实现智慧工厂有很好的作用。

    关于垂直集成和水平集成的互操作问题。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。垂直集成是要让在工厂生产的所有信息都能随机存取的集成,可以用OPC、UA,有了OPC可以从基础的嵌入式系统通到ERP上,这一点是可行的技术,可以有开发平台。

    语义互操作是指计算机系统传输明确的共享数据能力,它是对信息系统之间能够进行可用机器计算的逻辑、推理、知识发展和数据联合的要求。一个计算机系统和另外一个计算机系统进行数据交换时,不仅仅交换数据,而是交换定义非常明确而且可以共享的数据,这样在任意一个系统里,不会发生歧义,这是将来要实现智慧工厂的重要方法。

    面向服务的架构SOA是一种不受限与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。

物理信息生产系统CPPS引导迈向智慧工厂

    把物理信息系统CPS的概念运用于生产制造,构成CPPS,即信息物理生产系统。以CPPS为模型构建智慧工厂是一条实现可行的发展路径。在发展路径的时候,所有都是建立在自动化的技术基础之上,包括软硬件技术。这个技术并不是一个孤立的技术。

    智慧工厂是工业自动化技术和IT技术深度融合的产物,工业物联网和工业服务网是智慧工厂的信息技术基础。工业自动化中的ERP—MES—PCS三层级架构、以PLM为中心的工厂产品设计和售后服务,以SCR、CRM等为中心的原材料供应物流和制成品的销售物流,在智慧工厂中继续发挥作用,但又面临许多新的发展要求。

    在德国,已经由物理信息生产系统CPPS引导迈向智慧工厂,将触发德国政府倡导的Industrial Revooltin4.0。

    工业自动化技术是这场第四次工业革命的主力技术,不过它必须遁溯IT技术所要求的那样,进一步加快开放的步伐。工业自动化技术应该将其研究的重点,从在各个分割的研究领域(例如分布式系统、工业通信技术等)进行局部的和递增式的改进,改变到按构建智慧工厂所要求的科学技术和工程技术,积极推动中国制造业走向“数字智造”的先锋。

责任编辑:卢玉琴
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