智能制造体系架构分析与工业互联网应用

导读

对德国工业4.0、中国制造2025等国内外智能制造的主要概念与发展趋势进行分析，并对智能制造的典型应用场景、主要需求及体系架构进行分析，结合物联网、云计算和大数据等技术，提出面向智能制造的工业互联网整体架构与关键技术、工业智能网络、工业数据采集与数据开放等应用技术。

1、智能制造

1.1智能制造国内外发展趋势

(1)德国工业4.0与美国工业互联网

工业4.0已上升为德国的国家战略。工业4.0的目标是通过充分利用信息通信技术和网络空间虚拟系统、信息物理系统相结合的手段，推动制造业向智能化转型，将实体物理世界与虚拟网络世界融合、产品全生命周期、全制造流程数字化以及基于信息通信技术的模块集成，形成一种高度灵活、个性化、数字化的产品与服务新生产模式。

美国的互联网以及ICT巨头与传统制造业领导厂商携手推出“工业互联网”概念，GE、思科、IBM、AT&T、英特尔等80多家企业成立了工业互联网联盟（IIC）。“工业互联网”希望借助网络和数据的力量提升整个工业的价值创造能力，工业互联网旨在通过制定通用标准，打破技术壁垒，利用互联网激活传统工业过程，更好地促进物理世界和数字世界的融合。

2016年3月，工业4.0平台和工业互联网联盟双方代表开始探讨合作事宜。双方就各自推出的参考架构RAMI4.0和IIRA的互补性达成共识，形成了初始映射图，以显示两种模型元素之间的直接关系；制定了未来确保互操作性的一个清晰路线图，其他还包括：在IIC试验台和工业4.0试验设施方面的合作，以及工业互联网中标准化、架构和业务成果方面的合作。

(2)中国制造2025

我国将工业互联网定位于国家战略高度。2015年国务院和工业和信息化部先后出台了《中国制造2025》、《国务院关于积极推进“互联网＋”行动的指导意见》、《工业和信息化部关于贯彻落实<国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见>的行动计划（2015-2018年）》等一系列指导性文件，部署全面推进实施制造强国战略，2016年政府工作报告中进一步提出要深入推进“中国制造+互联网”。

《中国制造2025》明确提出通过政府引导、整合资源，实施国家制造业创新中心建设、智能制造、工业强基、绿色制造、高端装备创新5项重大工程，实现长期制约制造业发展的关键共性技术突破，提升我国制造业的整体竞争力。

1.2智慧工厂概念模型

智慧工厂概念首先由美国ARC顾问集团提出，智慧工厂实现了数字化产品设计、数字化产品制造、数字化管理生产过程和业务流程，以及综合集成优化的过程，可以用工程技术、生产制造、供应链三个维度描述智慧工厂模型。智慧工厂模型如图1所示。

 

信息物理系统（Cyber Physical System，CPS）是智慧工厂的核心，它深度融合了3C（计算、通信和控制）能力，在对物理设施深度感知的基础上，构建安全、可靠、高效、实时的工程系统。通过计算进程和物理进程实时相互反馈循环，实现信息世界和物理世界的完全融合，从而改变人类构建工程物理系统的方式。 

1.3智能制造体系框架

智能制造体系由复杂的系统组成，其复杂性一方面来自智能机器的计算机理，另一方面则来自智能制造网络的形态。工业4.0给出的一种智能制造体系框架如图2所示，主要由信息物理系统、物联网、服务互联网、智慧工厂等组成。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。

 

● 与制造生产设备和生产线控制、调度、排产等相关的MES（制造执行系统）、PCS（过程控制系统）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。

● 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。

● 从制成品形成和产品生命周期服务的维度，智慧工厂还需要和智慧产品的原材料供应、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。

2、智能制造应用场景和需求分析

制造行业的生产流程和产业链都很复杂，以下重点分析智能制造技术典型应用场景、智能制造网络通信特点和需求、智能制造信息化应用升级需求等。

2.1智能制造应用场景分析

(1)广域应用场景

主要指跨域的多工厂之间的网络通信和应用，典型应用场景包括多工厂之间的广域网络访问和通信、协同设计、供应链协作、与客户互动、多厂间物流等。

(2)工厂级应用场景

主要指工厂的生产管理和办公管理应用，典型应用场景包括企业OA、ERP、CRM、MES等应用系统，以及移动办公/管理应用、安全管理应用（视频监控和巡检等）、节能管理、集群通信、厂区内智能物料配送和运输等。

(3)现场级应用场景

主要指生产线现场的生产过程管理、现场监控和控制等，包括智能工厂生产过程的数据采集及分析，实现生产过程、设备、资源监控的可操作和可视化；要能支持采集不同现场设备数据的要求，支持将生产数据及设备故障信息显示在监控站的屏幕上，实现生产过程的动态监控与管理；实现智能设备、机器人和生产线、用户全流程互联对话，实现人机、机机互联下的高品质、高效、柔性自动化生产等。

2.2智能制造网络通信特点和需求

智能制造网络通信必须适应恶劣的工业现场环境，具有较强的抗干扰能力、实时通信等特点，为紧要任务提供最低限度的性能保证服务，确保整个工业控制系统的性能。

制造企业传统基础网络部署模式为以太局域网+Wi-Fi覆盖，存在一些局限性。

● 带宽不足，成为智能制造的瓶颈。随着联网在线设备的骤增、数据采集率的提升、承载业务的多样化，对网络带宽提出了很高的要求。

●  灵活部署能力不足，组网灵活性差，抗干扰性差。

● Wi-Fi网络存在缺乏统一管理平台、网络覆盖不全

面、网络信号不稳定、安全性不能得到保障等不足。智能制造要求将企业的生产过程控制、运行、管理、办公统一控制与管理，办公网络和生产网络既安全逻辑隔离又有机融合互联，对工厂的网络通信提出了新要求。

弹性叠加业务：快速业务多样性，如视频类、上网、专线等。

带宽弹性扩容：多种高带宽接入能力，动态调整。多层次开放：灵活应对接入方式、接入地点、接入终端多变性。

有线、无线一体化的调度通信功能：支持工业控制网络的多种通信接口（如RS232、RS485、CAN总线等）。

具有良好的响应实时性：工业控制网络不仅要求传输速度快，而且要求响应快，即响应实时性要好，一般为ms至0.1s级别。

容错性要求：在网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路。

2.3智能制造信息化应用升级需求

智能制造除了现有的办公管理和生产经营管理的办公

OA、ERP、SCR、CRM等信息化应用需求外，还提出了生产现场管理、过程可视化、客户互动、个性化定制等很多新的信息化应用需求。

生产过程可视化管理需求：支持智能生产管理的精益管理、可视化管理、实时管理、柔性生产等需求。

移动应用需求：支持移动办公和移动管理应用，实现管理人员在生产一线现场办公/管理（使用平板电脑和智能手机等移动终端）。

工业云需求：支持远程协同设计、远程供应链协作、客户互动等应用场景，并能够支持IT系统云化功能。

工业大数据需求：通过采集现有工厂设计、工艺、制造、管理、监测、物流等环节的数据，实现生产的智能管理与决策分析后市场服务需求：制造行业整体上需要拓展后市场服务作为新业务增长点，如产品远程诊断和维护、客户360°交互、向电子商务转型等。

3、智能制造整体解决方案

3.1工业互联网整体架构

基于云计算、物联网、互联网等技术构建工业互联网整体架构，实现生产设备、智能产品、生产和物流系统、IT系统、生产和服务人员、供应链/合作伙伴及客户之间的有机互联，以及网络协同（协同设计、协同制造、供应链协同等）和工业数据采集、数据分析、数据开放等功能。工业互联网整体架构如图3所示。

 

工业智能网络：一是，工业通信网络，将企业生产过程控制、运行、管理作为一个整体进行控制与管理，促进信息化和工业化深度融合；二是，LTE园区网，实现园区内4G无线接入业务数据本地分流，园区外通过VPN完成企业数据分离；三是，物联网，实现智能设备和智能产品的数据采集、远程监控服务。

工业大数据采集与数据分析：通过对生产设备和智能产品的数据采集，将生产、产品使用过程中的工艺、物料、制造、管理、服务等全流程数据进行数据分析，实现生产智能管理与决策分析、产品智能服务和维护，及为智能制造企业和应用开发商提供数据开放服务。

工业云：通过设计协同、制造协同、供应链协同、服务协同等，实现产品开发、生产制造、经营管理等在不同企业间的信息共享和业务协同。

3.2生产智能化网络技术

生产智能化网络主要是指智能工厂车间级工业通信网络，实现智能工厂内部整套装备系统、生产线、设施与移动操作终端泛在互联，车间互联和信息安全保障。构建智能工厂车间的全周期信息数据链，促进机器之间、机器与控制平台之间的实时连接和智能交互。 

(1)工业PON方案

工业PON将企业生产过程的控制、运行、管理作为一个整体进行控制与管理，促进信息化和工业化深度融合，工业PON的特点和优势如下。

● 用于智能车间设备承载：用于车间的各类固定生产设备联网，有效解决不同接口、不同协议的设备互联和统一数据采集及控制。

● 提升网络车间生产线已有信息化网络，辅助设备及业务需要扩充网络容量，快速改造升级老网络，节省投资。

● 多业务承载能力强：可方便叠加Wi-Fi、微基站，开通企业调度电话、园区LTE网络。

● 多业务应用和安全需要，如“能源管理”、“视频安防”、“移动办公”、“移动MES”、“无线AGV”等业务部署，需要对多种应用进行网络安全隔离（物理及逻辑双重）。

●  工业PON无源设备和扁平结构，具有部署方便、组网灵活、易于扩展和高可靠性等特点。

(2)LTE 园区网络方案

LTE园区网络方案是一种LIPA（Local IP Access，本地IP接入）技术，即工业园区基站HeNB将数据流量接入（卸载）到工业企业网络，实现LTE工业园区内与园区外4G无线接入通过移动VPDN完成企业数据分离，LTE园区网络方案具有以下特点和优势。

●  利用运营商已有FD-LTE/TD-LTE无线频谱资源。

●  厂区内无缝4G无线接入。

●  无线上下行带宽速率不小于10Mbit/s。

●  满足跨域之间的无线专网接入。

●  园区内4G业务数据本地分流，确保数据通道及数据自身的安全。

●  统一接入管理平台。

3.3智能产品运行监控分析技术

智能产品运行监控分析技术，通过物联网和车联网向制造企业提供针对产品（如汽车、工程机械、发动机）的远程智能服务，包括远程监控、远程预警、远程维护、数据分析等。智能服务拓展到产品的全生命周期管理如图4所示。产品智能化服务系统包括产品远程监护与维护平台、基于大数据挖掘的产品使用分析系统、智能手机APP自助服务系统，实现功能包括以下几类。

 

●  对各类产品的上百种数据进行采集、存储。

●  及时分析用户使用典型行为。

● 为客户提供优化解决方案及实时监控产品使用情况的综合服务。

产品智能化服务的成功应用可以大大提高工作效率，服务维护成本显著降低，产品差异化程度提升。

3.4 工业云平台

工业云平台提供高品质的网络和云资源、IDC数据中心资源、以及混合云和可信云，为企业客户搭建安全、灵活的工业协同平台，提供工业协同服务能力，包括设计协同、制造协同、供应链协同、服务协同等。

工业云平台的核心是数据在不同企业（及客户）之间的流转，要实现横向集成与价值链端到端集成。

横向集成是企业之间通过价值链以及信息网络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，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。

端到端集成通过价值链上不同企业资源的整合，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。

4、结束语

随着信息技术的快速发展，智能制造和工业互联网的技术和应用将会发生新的变化，未来企业不仅要利用工业互联网资源进行资产的性能管理，而且要利用工业互联网实现智能制造的云控制。将产业链、供应链或价值链的协同机制建立起来，或将先进的控制技术资源的公共服务体系建立起来，不断提升智能制造生产体系的创新水平。