智能工厂与装备制造业转型升级

5 智能工厂的体系架构

　　由于CPS 信息物理融合系统进入制造和物流的技术集成,以及在工业流程中使用物联网及其服务,从而产生了创新的工厂系统———智能工厂。完全不同于传统的工厂自动化系统,智能工厂采用面向服务的体系架构,具体体系架构如图5 所示。

图5　智能工厂体系架构图

　　从图5 可以看出,对应于传统自动化系统的现场级,使用物联网技术;对应于控制级,采用CPPS 信息物理融合生产系统;对应的监控管理级连接到安全可靠和可信的云网络主干网,采用服务互联网提供的服务。

　　各部分的功能简述如下。

　　① 基于嵌入式Internet 技术、无线自组织的机器对机器通信(machine-to-machine,M2M):M2M 通信是基于特定终端行业,以公共无线网络为接入手段,为客户提供机器到机器的通信解决方案,满足客户对生产过程监控、指挥调度、远程数据采集和测量以及远程诊断等方面的信息化需求。M2M 不是简单的数据在机器和机器之间的传输,它是机器之间的一种智能化、交互式通信,即使人们没有实时发送信号,机器也会根据既定程序主动进行通信,并根据所得到的数据智能化地做出选择,对相关设备发出正确的指令。工业控制需要实现智能化、远程化和实时化。随着无线宽带的突破,具有高数据传输速率、低占空比、IP 网络支持以及泛在移动性的M2M 通信能够提供更佳的承载基础。

　　② CPPS 信息物理融合生产系统:由于工业控制的可靠性要求非常高,所以生产流程控制采用靠近工厂机器设备的CPPS 系统。按照Edward A. Lee 教授的定义:“CPS 是计算过程和物理过程的集成系统,利用嵌入式计算机和网络对物理过程进行监测和控制,并通过反馈环实现计算过程和物理过程的相互影响”。CPPS 系统是一种网络型嵌入式系统,它将打破在PC 机时代建立的传统自动化系统的体系架构,从而全面实现分布式智能。

　　③ 安全可靠和可信的云网络:智能工厂的IT 设施建立在云计算网络基础上,云计算的本质是一种基于互联网的服务模式,它类似于远程数据中心。控制室可以理解为私有云,考虑到控制的可靠性要求非常高,为CPPS 信息物理融合生产系统提供服务的APPs平台建立在工厂企业的私有云上。但是一些营运和生产管理,例如PLM、SCM、CRM、QMS、ERP 以及MES 的一些功能可以通过云计算网络提供服务,从而可以降低创建和优化基础架构的成本;提升生产管理的智能化水平、高效的跨地域协同以及提高快速响应市场需求的能力等。

　　④ 基于CPS 的高级工厂辅助系统:智能工厂创新联盟十分重视将各种无线技术、平板电脑、智能手机以及室内精确定位等很多IT 领域成熟的最新技术创新地引入新一代工厂系统,形成高级工厂辅助系统。2012 年4 月,谷歌公司发布了“谷歌眼镜” 新产品。这是一款可穿戴移动终端产品。“谷歌眼镜”采用了“扩增实境”技术又称增强现实技术,在“实境”现实基础上,将图像、声音和其他感官增强功能实时添加到真实世界的环境中,以虚拟现实将它扩增,把真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到同一个画面或空间,可以使用户充分感知和操控虚拟的立体图像。为此,智能工厂创新联盟专门成立了项目组,经过研究试验,打算将该技术用于工业维护系统,通过头盔式显示器将多种辅助信息显示给用户,包括虚拟仪表的面板、被维修设备的内部结构以及被维修设备零件图等,从而大大提高维护效率。利用这些高级工厂辅助系统,还可以支持、帮助和培训新一代工作人员。

6 结束语

　　当前,我国装备制造业与世界先进水平相比存在较大差距,产业的效率和效益较低,单位产值的能耗居高不下,人均水平差距巨大,创新能力薄弱。长期以来,高投入、高消耗、高污染的生产模式已无法延续。为了提升竞争力,保持可持续发展,实现从“中国制造”向“中国创造”转型升级,就必须采用CPS 信息物理融合系统、物联网与服务网技术,向智能、绿色和高效的智能工厂转型升级。新一代智能工厂系统要求传统的工业自动化技术必须向新一代信息与通信技术开放。自动化技术应该转换它的研究聚焦点,从在各个独立的学科(如分散系统或通信)开展渐近的局部改善性研究,走向整体系统功能的再工程化研究。我们应该借鉴德国提出的新工业革命理念、目标和制定的路线图,打破传统理念,坚持进行持续的技术转型,重视将工业互联网领域成熟的最新技术引入装备制造业领域,勇于创新,加快我国装备制造业转型升级。