科技自動(dòng)化聯(lián)盟在2012年8月定義了“智慧工廠1.0”的理念框架。所謂的智慧工廠是由工程技術(shù)、生產(chǎn)制造和供應(yīng)鏈這三個(gè)維度來清晰描述工廠的全部活動(dòng)。說起智慧工廠，不得不提起一種與它密切關(guān)聯(lián)的智能系統(tǒng)——信息物理系統(tǒng)CPS。從自動(dòng)化技術(shù)的觀點(diǎn)看，CPS是一種過程系統(tǒng)，是計(jì)算和物理過程的整合集成，也有人稱為信息物理融合系統(tǒng)，是嵌入式計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)和控制物理過程，通常系統(tǒng)具有物理過程影響計(jì)算，計(jì)算也影響物理過程的反饋通路。
智慧工廠的基本架構(gòu)
整個(gè)的物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)網(wǎng)是未來智慧工廠的一個(gè)基本架構(gòu)，是信息技術(shù)的基礎(chǔ)。包括軟件、管理的技術(shù)，包括整個(gè)生產(chǎn)線相關(guān)的控制系統(tǒng)，以及產(chǎn)品制造的技術(shù)等。當(dāng)前，在典型的工廠控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)信息集成的三層架構(gòu)的基礎(chǔ)上，充分利用正在迅速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和服務(wù)網(wǎng)技術(shù)。
處在最上層的是與生產(chǎn)計(jì)劃、物流、能源和經(jīng)營相關(guān)的ERP、SCR、CRM等，以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)相關(guān)的PLM，與服務(wù)網(wǎng)緊緊相連；而與制造生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線控制、調(diào)度、排產(chǎn)等相關(guān)的PCS、MES功能通過CPS物理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，這一層與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)緊緊相連。從制成品形成和產(chǎn)品生命周期服務(wù)的維度，智慧工廠還需要和具有智慧的原材料供應(yīng)，以及智慧產(chǎn)品的售后服務(wù)這些環(huán)節(jié)構(gòu)成實(shí)時(shí)互聯(lián)互通的信息交換；而具有智慧的原材料供應(yīng)和智慧產(chǎn)品的售后服務(wù)，具有充分利用服務(wù)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的功能。
從CPS走向智慧工廠的圖像
智能制造裝備是由許多智能部件和其它相關(guān)基本部件構(gòu)成，是由各種智能部件、裝置到智能系統(tǒng)，一直到數(shù)字化車間和數(shù)字化企業(yè)，是數(shù)字化工廠的基石。
目前，我國政府只能夠?qū)Ω叨说闹圃鞓I(yè)和一些關(guān)系國際名稱的最基本的智能部件來做。除此之外，日常需要還有很大的市場(chǎng)，比如家電，各種生活制品。因此，應(yīng)讓市場(chǎng)去發(fā)展，瞄準(zhǔn)市場(chǎng)急需，來惠澤智慧工廠。
一個(gè)智慧工廠是由許多智能制造裝備構(gòu)成（包括控制和信息系統(tǒng)），也就是若干個(gè)智慧枝節(jié)和裝備，若干個(gè)智慧裝備是由各種智能的部件構(gòu)成，智能的聚合力越往上越高，這就是從CPS走向智慧工廠的一種描述。
在如今所處的現(xiàn)實(shí)世界，數(shù)字化智慧工廠實(shí)際上正在分別沿著上述的三個(gè)維度獨(dú)立的開展，因?yàn)楣こ碳夹g(shù)、生產(chǎn)制造和供應(yīng)鏈的數(shù)字化，現(xiàn)實(shí)還沒有發(fā)展到十分成熟的程度，更不善廣泛的推廣應(yīng)用。因此，立足現(xiàn)實(shí)，首先應(yīng)把智能制造做好。數(shù)字化工廠是在生產(chǎn)制造的維度發(fā)展基于制造智能的自動(dòng)化生產(chǎn)線或成套裝置。在這樣堅(jiān)實(shí)的生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上，將它們納入企業(yè)業(yè)務(wù)運(yùn)營系統(tǒng)（ERP）和制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的管轄之下；同時(shí)，在工程技術(shù)的維度上，建立和完善CAD、CAPP、CAM基礎(chǔ)上的PDM核PLM，然后延伸到產(chǎn)品售后的技術(shù)支持和服務(wù)。
生產(chǎn)自動(dòng)化中的CPS需要關(guān)注的三大主題
一個(gè)是自適應(yīng)和自主控制。包括基于部件的自動(dòng)化（component —based automation）和軟件安裝階段組態(tài)（deployment time configuration）。所謂自主控制就是設(shè)備在某個(gè)環(huán)境下，可由自己控制，是自制的。組態(tài)分三個(gè)階段�，F(xiàn)在用的所有都是離線組態(tài)，將來的CPS所要解決的問題是測(cè)試部件在不同的地方，在提前未知的情況下，把不同物理位置的東西在安裝的過程中間，進(jìn)行組態(tài)。
第二是通信和分散的功能性。這其實(shí)就涉及到水平的集成和垂直的集成。而所謂分散的控制，不是分層的控制，對(duì)分層通信結(jié)構(gòu)沒有強(qiáng)烈依賴。通信也會(huì)隨著分散越來越扁平化，不是一層一層的通信。它應(yīng)該有一個(gè)基于無線和有線（有界的）的一種adhoc通信，可以自由組織，一些節(jié)點(diǎn)在不同的地方，遇到不同的環(huán)境，可能要通過這種多套的、自組織的網(wǎng)絡(luò)來完成。
第三個(gè)方面是能感知環(huán)境關(guān)系的自動(dòng)化。這就是部件的工作運(yùn)行與所在的位置沒有關(guān)系�？赡芤罁�(jù)環(huán)境、天氣的影響，過程參數(shù)和過程結(jié)構(gòu)能進(jìn)行動(dòng)態(tài)自適應(yīng)，能夠自己解決這個(gè)問題，然后和其他部件一起，在整條生產(chǎn)線中部件能實(shí)現(xiàn)其任務(wù)，完成一個(gè)總的功能性要求。另外，關(guān)于人員因素的集成是要以人為中心的制造，增強(qiáng)操作人員的能力。因?yàn)槿嗽谡麄�(gè)智慧工廠里起到協(xié)調(diào)、指導(dǎo)、管理的作用。
智慧工廠需要集成和發(fā)展的主要技術(shù)
智慧工廠是從現(xiàn)有的各種工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)上吸收IT技術(shù)逐漸發(fā)展的。完成這些需要注意分布式自動(dòng)化、開放的通信和語義可互操作性三個(gè)方面。
分布式自動(dòng)化是用現(xiàn)場(chǎng)總線將傳感器、變送器和執(zhí)行器鏈接、空間分布對(duì)象的數(shù)據(jù)采集、集中式的PLC轉(zhuǎn)向算法和數(shù)據(jù)處理。它的特性是在基本服務(wù)中對(duì)機(jī)電一體化功能進(jìn)行功能性封裝、清晰定義的服務(wù)接口（如WSDL）、標(biāo)準(zhǔn)化的通信接口（如SOAP、DPWS），為自動(dòng)化部件提供可互操作性、便于集成，花最少時(shí)間完成集成、過程控制的程序，易于控制，也便于修改。將來不是所有的功能都在一個(gè)集中的系統(tǒng)完成，而可能是有許多的功能，通過智慧體完成各種各樣的協(xié)調(diào)，是一個(gè)很好的方法，這對(duì)于CPS 智慧工廠非常重要。
開放式通信架構(gòu)， 不管是運(yùn)動(dòng)控制、工廠自動(dòng)化或者是過程自動(dòng)化，將來都要追求一種界面，在通信的時(shí)候?qū)τ布䴖]有依賴，所有不同通信的規(guī)約，甚至在一種總線下運(yùn)行。這樣才是一個(gè)開放性程序，能把各種技術(shù)融合起來，這種理念對(duì)將來真正實(shí)現(xiàn)智慧工廠有很好的作用。
關(guān)于垂直集成和水平集成的互操作問題。垂直集成意味著在企業(yè)管理層的軟件和自動(dòng)化設(shè)備之間建立數(shù)據(jù)連接，要使信號(hào)能提升為具有顯性含義。垂直集成是要讓在工廠生產(chǎn)的所有信息都能隨機(jī)存取的集成，可以用OPC、UA，有了OPC可以從基礎(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)通到ERP上，這一點(diǎn)是可行的技術(shù)，可以有開發(fā)平臺(tái)。
語義互操作是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)傳輸明確的共享數(shù)據(jù)能力，它是對(duì)信息系統(tǒng)之間能夠進(jìn)行可用機(jī)器計(jì)算的邏輯、推理、知識(shí)發(fā)展和數(shù)據(jù)聯(lián)合的要求。一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和另外一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，不僅僅交換數(shù)據(jù)，而是交換定義非常明確而且可以共享的數(shù)據(jù)，這樣在任意一個(gè)系統(tǒng)里，不會(huì)發(fā)生歧義，這是將來要實(shí)現(xiàn)智慧工廠的重要方法。
面向服務(wù)的架構(gòu)SOA是一種不受限與具體技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)，在SOA中，迫切要求服務(wù)提供者與服務(wù)需求者之間進(jìn)行有效的通信，而無需考慮信息結(jié)構(gòu)、與業(yè)務(wù)相關(guān)的人為因素和其它文件的異構(gòu)（即非同一性），這種要求稱為語義的可互操作性。通常認(rèn)為技術(shù)方法是服務(wù)的要求者與提供者之間進(jìn)行有效協(xié)調(diào)和集成的最大障礙，實(shí)際上語義的互操作性才是根源性的問題。
物理信息生產(chǎn)系統(tǒng)CPPS引導(dǎo)邁向智慧工廠
把物理信息系統(tǒng)CPS的概念運(yùn)用于生產(chǎn)制造，構(gòu)成CPPS，即信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)。以CPPS為模型構(gòu)建智慧工廠是一條實(shí)現(xiàn)可行的發(fā)展路徑。在發(fā)展路徑的時(shí)候，所有都是建立在自動(dòng)化的技術(shù)基礎(chǔ)之上，包括軟硬件技術(shù)。這個(gè)技術(shù)并不是一個(gè)孤立的技術(shù)。
智慧工廠是工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)和IT技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)服務(wù)網(wǎng)是智慧工廠的信息技術(shù)基礎(chǔ)。工業(yè)自動(dòng)化中的ERP—MES—PCS三層級(jí)架構(gòu)、以PLM為中心的工廠產(chǎn)品設(shè)計(jì)和售后服務(wù)，以SCR、CRM等為中心的原材料供應(yīng)物流和制成品的銷售物流，在智慧工廠中繼續(xù)發(fā)揮作用，但又面臨許多新的發(fā)展要求。
在德國，已經(jīng)由物理信息生產(chǎn)系統(tǒng)CPPS引導(dǎo)邁向智慧工廠，將觸發(fā)德國政府倡導(dǎo)的Industrial Revooltin4.0。
工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)是這場(chǎng)第四次工業(yè)革命的主力技術(shù)，不過它必須遁溯IT技術(shù)所要求的那樣，進(jìn)一步加快開放的步伐。工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)該將其研究的重點(diǎn)，從在各個(gè)分割的研究領(lǐng)域（例如分布式系統(tǒng)、工業(yè)通信技術(shù)等）進(jìn)行局部的和遞增式的改進(jìn)，改變到按構(gòu)建智慧工廠所要求的科學(xué)技術(shù)和工程技術(shù)，積極推動(dòng)中國制造業(yè)走向“數(shù)字智造”的先鋒。
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本文標(biāo)題：智慧工廠：從電氣化到智慧化
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