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基于未来网络的智能制造信息架构

作者:大唐电信湖南总代理 来源:成都大唐线缆有限公司官网 

随着智能制造提升为国家发展战略,对于智能制造的研究变得越来越深入。其中对于ICT技术发展在智能制造中所起到作用的研究,大体来说比较宏观。我们认为信息产业的发展是智能制造能真正得以实现的关键。智能制造的服务模式改变必然产生信息模式的改变,这种改变要从两个方面来看:一个是智能制造参考模型中涉及的信息服务模式的变化,还有信息数据本身在传递方式上的变化。这就对信息服务提供商提出了一个问题,需要构建一个什么样的网络和信息服务模式才能满足智能制造的需要?本文从三个最主要组织提出的智能制造模型出发,分析他们的共同点,从而提出一个面向智能制造的工业网络服务架构。
德国电工电子与信息技术标准化委员会(DKE)于2014年发布了第一版德国工业4.0标准化路线图,对德国的工业4.0标准化工作进行顶层设计,并于2015年公布了工业4.0参考架构模型。工业4.0参考架构模型(RAMI 4.0)提出了从四个侧面来设计智能工厂, 即生产制造流程、生产制造设备、管理软件和工程工艺(生产工艺、制造工艺、产品开发工艺及流程工艺)。 同时RAMI4.0又将这四个侧面归纳为三个维度, 即产业制造链、产品周期链和企业管理链,形成一个三维的工业4.0参考架构模型。

图1.RAM4.0参考架构模型
中国也在2015年由工业和信息化部、国家标准化管理委员会联合发布了《国家智能制造标准体系建设指南(2015年版)》(以下简称“建设指南”),并在建设中提出了智能制造系统架构,通过生命周期、系统层级和智能功能三个维度构建完成,主要解决智能制造标准体系结构和框架的建模研究。如图2所示。

图2中国智能制造系统架构
2016年2月份,美国国家标准与技术研究院NIST发表了《智能制造系统现行标准体系》的报告。这份报告总结了未来美国智能制造系统将依赖的标准体系。这些集成的标准横跨产品、生产系统和商业(业务)这三项主要制造生命周期维度,并给出了智能制造生态体系模型。


图3 NIST提出的智能制造生态系统

  从这三个模型的维度和信息交换过程来看,制造金字塔是智能制造生态系统的核心,产品生命周期、生产周期和商业周期都在这里聚集和交互。在智能自主操作和智能机器的行为里面,自我意识、推理和规划、自我纠错是关键。这些行为带来的信息必须能够在金字塔内部上下流动。
在下图的制造业金字塔中,美国标准院推荐了一种常用的参考模型(ISA-95)用于开发自动化企业和控制系统之间的接口,参考模型的国际标准为ISO/IEC 62264。它为信息交换提供了标准,减少了 MES- ERP 集成的费用,与产品的生命周期管理协同工作。由于可以提供生产能力和状态,提高了生产制造的灵活性,提供了一套信息集成的架构和标准模型。
在标准化的基础上的智慧制造系统的集成,使得系统能能存取现场和工厂的数据,进行快速的决策,优化生产的产出和质量-精准的测度能源和材料的使用,改善工厂层的安全状况和提升制造的可持续能力。
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图4 制造金子塔模型体系

智能制造本质上是一种面向服务的制造模式,这就使得原有的基于金字塔分层的传统自动化控制模式向去中心的方式发展,才能适应分布式服务的特点。
被广泛认可的CPS赛博物理系统,给出了一个基于分布式的新制造服务范式,这也称为赛博物理生产系统 (CPPS),将会重新构造适合智能制造的服务方式。如图5
CPS是在环境感知的基础上,深度融合计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统,它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能,以安全、可靠、高效和实时的方式检测或者控制一个物理实体。
由于各种智能设备的引入,设备可以相互连接从而形成一个网络服务。每一个层面,都拥有更多的嵌入式智能和响应式控制的预测分析;每一个层面,都可以使用虚拟化控制和工程功能的云计算技术。有了这些能力,使用新的方法来控制跨层级的更广泛的自动化操作就变为了可能。
新的面向服模式最终将智能制造系统转换成一个完全连接和集成的系统,如图5所示。除了在车间级别上对时序和安全要求非常严格的一些制造功能外,所有在这三个维度和制造金字塔内部的制造功能都可以被虚拟化和被托管成服务。这个全新制造式的改变,需要我们打破多年来形成的控制分层的思维模式,而向全连接、分布式的智能制造系统去靠拢。



图5分布式服务解体自动化层级结构

而用于信息传递的传统化工业网络面临着同样的问题,传统网络结构由于历史条件的限制存在着诸多局限性,它定义了很多相互难以兼容的技术和通信协议。这些协议之间难以兼容,所以使得传统网络结构缺乏扩展能力。
另外,传统的网络结构基本上是多级的分层系统,采用以太网交换机构成树形结构,面对今天企业对信息的处理和存储的动态需求,这种网络结构就完全不适应了。
要实现工业4.0、智慧工厂和智能制造系统,必须建立在一类包括实时控制和及时监控在内的、强有力的联网技术和规范的基础上。这类联网技术和规范可以在一定程度上继承原有的联网技术和规范,但更重要的是一定要突破原有技术规范的局限和明显不足满足实现工业4.0、智慧工厂和智能制造系统的架构和思维。
业内专家的讨论认为新网络机构必须具备以下特点
 流量控制方式必须是动态的
 信息技术必须是“定制化”,按用户要求配置智能
 网络必须具备云服务的能力
 网络需要更高的带宽

烽火通信针对以上传统工业网络的诸多问题和智能制造的需求,基于软件定义网络结合云数据中心提出了一种面向服务的工业信息网络架构,如图6。

图6烽火面向智能制造的工业信息网络架构

这个架构可以分为四个层面:应用层,控制层,网络层和设备层。另外还包括云中心。

应用层:由MOM平台和满足不同工业需求的应用系统构成,比如是ERP,CRM,PLM,SCM,CPI,DFSCM,CCX,FMS等。上层应用平台通过网络控制器的北向接口,向工业控制网络请求服务中所需要的各种参数、变量、状态和数据,并通过北向接口调用底层设备的服务库文件,调用提供这些服务的工业设备,通过用户编程以及工业生产的需求,形成一套完整的工作流程。
控制层:由SDN网络控制器构成,控制器获取到工作流程后,根据工作流程的需求,通过网络控制器的南向接口,在软件定义工业交换机中设置相应的流表项,完成对于网络的管理和控制。传统工业控制网络中关于路由、转发、流量控制、负载均 衡、网络安全等一系列需要在交换机或者终端位置 处理的网络任务,都可以在网络控制器中由软件定义的方式完成,并且能够实时修改,以软件定义工 业交换机中流表的体现形式,随时根据生产计划需求的不同进行调整和配置。
 北向接口抽象层/APIs:将网络和应用与控制、 管理和配置服务的发展解耦。这个抽象层也是工业网络控制平台和应用平台进行网信息交互、底层设备信息数据获取、配置以及服务库文件调用等操作的接口层。
 南向接口抽象层/APIs:通过插件式南向接口协议可以控制OpenFlow设备和传统设备。南向接口抽象层隔离网络控制器的核心功能和底层设备,屏蔽底层设备和协议的差异性。南向接口是从传统设备向 OpenFlow白牌设备迁移的关键。
网络层:包括构成工业以太网的SDN网络交换机和二三层交换网络,这些交换机可根据用途的不同,提供满足各种工业信息的交换能力,同时向上提供基于Openflow的南向接口。
设备层:包括工业生产设备的传感器,智能终端等,直接通过统一的接口(如OPC UA),依照工业以太网传输协议,比如CIP,Profinets等,连接到工业控制系统中。

云中心:包括宽带联网的虚拟资源池和云平台,提供对各层设施的虚拟化和大数据平台能力,实现对底层生产设施和上层应用软件的云化支撑,形成面向服务的工业云,和智能制造流程结合构建CPS系统。

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