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隨著智能制造提升為國家發(fā)展戰(zhàn)略，對于智能制造的研究變得越來越深入。其中對于ICT技術(shù)發(fā)展在智能制造中所起到作用的研究，大體來說比較宏觀。我們認(rèn)為信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是智能制造能真正得以實現(xiàn)的關(guān)鍵。智能制造的服務(wù)模式改變必然產(chǎn)生信息模式的改變，這種改變要從兩個方面來看：一個是智能制造參考模型中涉及的信息服務(wù)模式的變化，還有信息數(shù)據(jù)本身在傳遞方式上的變化。這就對信息服務(wù)提供商提出了一個問題，需要構(gòu)建一個什么樣的網(wǎng)絡(luò)和信息服務(wù)模式才能滿足智能制造的需要？。 本文從三個最主要組織提出的智能制造模型出發(fā)，分析他們的共同點，從而提出一個面向智能制造的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)架構(gòu)。 德國電工電子與信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(DKE)于2014年發(fā)布了第一版德國工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化路線圖，對德國的工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行頂層設(shè)計，并于2015年公布了工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型。工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型(RAMI 4.0)提出了從四個側(cè)面來設(shè)計智能工廠， 即生產(chǎn)制造流程、生產(chǎn)制造設(shè)備、管理軟件和工程工藝（生產(chǎn)工藝、制造工藝、產(chǎn)品開發(fā)工藝及流程工藝）。 同時RAMI4.0又將這四個側(cè)面歸納為三個維度， 即產(chǎn)業(yè)制造鏈、產(chǎn)品周期鏈和企業(yè)管理鏈，形成一個三維的工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型。 圖1.RAM4.0參考架構(gòu)模型 中國也在2015年由工業(yè)和信息化部、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會聯(lián)合發(fā)布了《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2015年版）》（以下簡稱“建設(shè)指南”），并在建設(shè)中提出了智能制造系統(tǒng)架構(gòu)，通過生命周期、系統(tǒng)層級和智能功能三個維度構(gòu)建完成，主要解決智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)和框架的建模研究。如圖2所示。 圖2中國智能制造系統(tǒng)架構(gòu) 2016年2月份，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST發(fā)表了《智能制造系統(tǒng)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)體系》的報告。這份報告總結(jié)了未來美國智能制造系統(tǒng)將依賴的標(biāo)準(zhǔn)體系。這些集成的標(biāo)準(zhǔn)橫跨產(chǎn)品、生產(chǎn)系統(tǒng)和商業(yè)（業(yè)務(wù)）這三項主要制造生命周期維度，并給出了智能制造生態(tài)體系模型。 圖3 NIST提出的智能制造生態(tài)系統(tǒng) 從這三個模型的維度和信息交換過程來看，制造金字塔是智能制造生態(tài)系統(tǒng)的核心，產(chǎn)品生命周期、生產(chǎn)周期和商業(yè)周期都在這里聚集和交互。在智能自主操作和智能機(jī)器的行為里面，自我意識、推理和規(guī)劃、自我糾錯是關(guān)鍵。這些行為帶來的信息必須能夠在金字塔內(nèi)部上下流動。 在下圖的制造業(yè)金字塔中，美國標(biāo)準(zhǔn)院推薦了一種常用的參考模型（ISA-95）用于開發(fā)自動化企業(yè)和控制系統(tǒng)之間的接口，參考模型的國際標(biāo)準(zhǔn)為ISO/IEC 62264。它為信息交換提供了標(biāo)準(zhǔn)，減少了 MES- ERP 集成的費用，與產(chǎn)品的生命周期管理協(xié)同工作。由于可以提供生產(chǎn)能力和狀態(tài)，提高了生產(chǎn)制造的靈活性，提供了一套信息集成的架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)模型。 在標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上的智慧制造系統(tǒng)的集成，使得系統(tǒng)能能存取現(xiàn)場和工廠的數(shù)據(jù)，進(jìn)行快速的決策，優(yōu)化生產(chǎn)的產(chǎn)出和質(zhì)量-精準(zhǔn)的測度能源和材料的使用，改善工廠層的安全狀況和提升制造的可持續(xù)能力。 圖4 制造金子塔模型體系 智能制造本質(zhì)上是一種面向服務(wù)的制造模式，這就使得原有的基于金字塔分層的傳統(tǒng)自動化控制模式向去中心的方式發(fā)展，才能適應(yīng)分布式服務(wù)的特點。 被廣泛認(rèn)可的CPS賽博物理系統(tǒng)，給出了一個基于分布式的新制造服務(wù)范式，這也稱為賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng) (CPPS)，將會重新構(gòu)造適合智能制造的服務(wù)方式。如圖5 CPS是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合計算、通信和控制能力的可控可信可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過計算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實現(xiàn)深度融合和實時交互來增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式檢測或者控制一個物理實體。 由于各種智能設(shè)備的引入，設(shè)備可以相互連接從而形成一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。每一個層面，都擁有更多的嵌入式智能和響應(yīng)式控制的預(yù)測分析；每一個層面，都可以使用虛擬化控制和工程功能的云計算技術(shù)。有了這些能力，使用新的方法來控制跨層級的更廣泛的自動化操作就變?yōu)榱丝赡堋?/p> 新的面向服模式最終將智能制造系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成一個完全連接和集成的系統(tǒng)，如圖5所示。除了在車間級別上對時序和安全要求非常嚴(yán)格的一些制造功能外，所有在這三個維度和制造金字塔內(nèi)部的制造功能都可以被虛擬化和被托管成服務(wù)。這個全新制造式的改變，需要我們打破多年來形成的控制分層的思維模式，而向全連接、分布式的智能制造系統(tǒng)去靠攏。 圖5分布式服務(wù)解體自動化層級結(jié)構(gòu) 而用于信息傳遞的傳統(tǒng)化工業(yè)網(wǎng)絡(luò)面臨著同樣的問題，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由于歷史條件的限制存在著諸多局限性，它定義了很多相互難以兼容的技術(shù)和通信協(xié)議。這些協(xié)議之間難以兼容，所以使得傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)缺乏擴(kuò)展能力。 另外，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本上是多級的分層系統(tǒng)，采用以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成樹形結(jié)構(gòu)，面對今天企業(yè)對信息的處理和存儲的動態(tài)需求，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就完全不適應(yīng)了。 要實現(xiàn)工業(yè)4.0、智慧工廠和智能制造系統(tǒng)，必須建立在一類包括實時控制和及時監(jiān)控在內(nèi)的、強(qiáng)有力的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和規(guī)范的基礎(chǔ)上。這類聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和規(guī)范可以在一定程度上繼承原有的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和規(guī)范，但更重要的是一定要突破原有技術(shù)規(guī)范的局限和明顯不足滿足實現(xiàn)工業(yè)4.0、智慧工廠和智能制造系統(tǒng)的架構(gòu)和思維。 業(yè)內(nèi)專家的討論認(rèn)為新網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)必須具備以下特點
烽火通信針對以上傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的諸多問題和智能制造的需求，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)結(jié)合云數(shù)據(jù)中心提出了一種面向服務(wù)的工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖6。 圖6烽火面向智能制造的工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 這個架構(gòu)可以分為四個層面：應(yīng)用層，控制層，網(wǎng)絡(luò)層和設(shè)備層。另外還包括云中心。 應(yīng)用層：由MOM平臺和滿足不同工業(yè)需求的應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成，比如是ERP,CRM,PLM,SCM，CPI,DFSCM,CCX,FMS等。上層應(yīng)用平臺通過網(wǎng)絡(luò)控制器的北向接口，向工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)請求服務(wù)中所需要的各種參數(shù)、變量、狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并通過北向接口調(diào)用底層設(shè)備的服務(wù)庫文件，調(diào)用提供這些服務(wù)的工業(yè)設(shè)備，通過用戶編程以及工業(yè)生產(chǎn)的需求，形成一套完整的工作流程。 控制層：由SDN網(wǎng)絡(luò)控制器構(gòu)成，控制器獲取到工作流程后，根據(jù)工作流程的需求，通過網(wǎng)絡(luò)控制器的南向接口，在軟件定義工業(yè)交換機(jī)中設(shè)置相應(yīng)的流表項，完成對于網(wǎng)絡(luò)的管理和控制。傳統(tǒng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中關(guān)于路由、轉(zhuǎn)發(fā)、流量控制、負(fù)載均 衡、網(wǎng)絡(luò)安全等一系列需要在交換機(jī)或者終端位置 處理的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，都可以在網(wǎng)絡(luò)控制器中由軟件定義的方式完成，并且能夠?qū)崟r修改，以軟件定義工 業(yè)交換機(jī)中流表的體現(xiàn)形式，隨時根據(jù)生產(chǎn)計劃需求的不同進(jìn)行調(diào)整和配置。
網(wǎng)絡(luò)層：包括構(gòu)成工業(yè)以太網(wǎng)的SDN網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和二三層交換網(wǎng)絡(luò),這些交換機(jī)可根據(jù)用途的不同，提供滿足各種工業(yè)信息的交換能力，同時向上提供基于Openflow的南向接口。 設(shè)備層：包括工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的傳感器，智能終端等，直接通過統(tǒng)一的接口（如OPC UA），依照工業(yè)以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，比如CIP,Profinets等，連接到工業(yè)控制系統(tǒng)中。 云中心：包括寬帶聯(lián)網(wǎng)的虛擬資源池和云平臺，提供對各層設(shè)施的虛擬化和大數(shù)據(jù)平臺能力，實現(xiàn)對底層生產(chǎn)設(shè)施和上層應(yīng)用軟件的云化支撐，形成面向服務(wù)的工業(yè)云，和智能制造流程結(jié)合構(gòu)建CPS系統(tǒng)。 |
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