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    工業4.0、中國制造2025等智能制造的主要概念與發展趨勢分析?
    來源: | 作者:李倩 工業IOT | 發布時間: 2019-05-10 | 2559 次瀏覽 | 分享到:
    對德國工業4.0、中國制造2025等國內外智能制造的主要概念與發展趨勢進行分析,并對智能制造的典型應用場景、主要需求及體系架構進行分析,結合物聯網、云計算和大數據等技術,提出面向智能制造的工業互聯網整體架構與關鍵技術、工業智能網絡、工業數據采集與數據開放等應用技術。
    工業4.0、中國制造2025等智能制造的主要概念與發展趨勢分析

    對德國工業4.0、中國制造2025等國內外智能制造的主要概念與發展趨勢進行分析,并對智能制造的典型應用場景、主要需求及體系架構進行分析,結合物聯網、云計算和大數據等技術,提出面向智能制造的工業互聯網整體架構與關鍵技術、工業智能網絡、工業數據采集與數據開放等應用技術。

    1、智能制造

    1.1智能制造國內外發展趨勢

    (1)德國工業4.0與美國工業互聯網

    工業4.0已上升為德國的國家戰略。工業4.0的目標是通過充分利用信息通信技術和網絡空間虛擬系統、信息物理系統相結合的手段,推動制造業向智能化轉型,將實體物理世界與虛擬網絡世界融合、產品全生命周期、全制造流程數字化以及基于信息通信技術的模塊集成,形成一種高度靈活、個性化、數字化的產品與服務新生產模式。

    美國的互聯網以及ICT巨頭與傳統制造業領導廠商攜手推出“工業互聯網”概念,GE、思科、IBM、AT&T、英特爾等80多家企業成立了工業互聯網聯盟(IIC)。“工業互聯網”希望借助網絡和數據的力量提升整個工業的價值創造能力,工業互聯網旨在通過制定通用標準,打破技術壁壘,利用互聯網激活傳統工業過程,更好地促進物理世界和數字世界的融合。

    2016年3月,工業4.0平臺和工業互聯網聯盟雙方代表開始探討合作事宜。雙方就各自推出的參考架構RAMI4.0和IIRA的互補性達成共識,形成了初始映射圖,以顯示兩種模型元素之間的直接關系;制定了未來確保互操作性的一個清晰路線圖,其他還包括:在IIC試驗臺和工業4.0試驗設施方面的合作,以及工業互聯網中標準化、架構和業務成果方面的合作。

    (2)中國制造2025

    我國將工業互聯網定位于國家戰略高度。2015年國務院和工業和信息化部先后出臺了《中國制造2025》、《國務院關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》、《工業和信息化部關于貫徹落實<國務院關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見>的行動計劃(2015-2018年)》等一系列指導性文件,部署全面推進實施制造強國戰略,2016年政府工作報告中進一步提出要深入推進“中國制造+互聯網”。

    《中國制造2025》明確提出通過政府引導、整合資源,實施國家制造業創新中心建設、智能制造、工業強基、綠色制造、高端裝備創新5項重大工程,實現長期制約制造業發展的關鍵共性技術突破,提升我國制造業的整體競爭力。

    1.2智慧工廠概念模型

    智慧工廠概念首先由美國ARC顧問集團提出,智慧工廠實現了數字化產品設計、數字化產品制造、數字化管理生產過程和業務流程,以及綜合集成優化的過程,可以用工程技術、生產制造、供應鏈三個維度描述智慧工廠模型。智慧工廠模型如圖1所示。

    信息物理系統(Cyber Physical System,CPS)是智慧工廠的核心,它深度融合了3C(計算、通信和控制)能力,在對物理設施深度感知的基礎上,構建安全、可靠、高效、實時的工程系統。通過計算進程和物理進程實時相互反饋循環,實現信息世界和物理世界的完全融合,從而改變人類構建工程物理系統的方式。 

    1.3智能制造體系框架

    智能制造體系由復雜的系統組成,其復雜性一方面來自智能機器的計算機理,另一方面則來自智能制造網絡的形態。工業4.0給出的一種智能制造體系框架如圖2所示,主要由信息物理系統、物聯網、服務互聯網、智慧工廠等組成。物聯網和服務網是智慧工廠的信息技術基礎,在典型的工廠控制系統和管理系統信息集成的三層架構的基礎上,充分利用正在迅速發展的物聯網技術和服務網技術。

    ● 與制造生產設備和生產線控制、調度、排產等相關的MES(制造執行系統)、PCS(過程控制系統)功能,通過CPS物理信息系統實現,這一層與工業物聯網緊緊相連。

    ● 與生產計劃、物流、能源和經營相關的ERP、SCR、CRM等,和產品設計技術相關的PLM處在最上層,與服務網緊緊相連。

    ● 從制成品形成和產品生命周期服務的維度,智慧工廠還需要和智慧產品的原材料供應、智慧產品的售后服務這些環節構成實時互聯互通的信息交換。

    ● 而具有智慧的原材料供應和智慧產品的售后服務,具有充分利用服務網和物聯網的功能。

    2、智能制造應用場景和需求分析

    制造行業的生產流程和產業鏈都很復雜,以下重點分析智能制造技術典型應用場景、智能制造網絡通信特點和需求、智能制造信息化應用升級需求等。

    2.1智能制造應用場景分析

    (1)廣域應用場景

    主要指跨域的多工廠之間的網絡通信和應用,典型應用場景包括多工廠之間的廣域網絡訪問和通信、協同設計、供應鏈協作、與客戶互動、多廠間物流等。

    (2)工廠級應用場景

    主要指工廠的生產管理和辦公管理應用,典型應用場景包括企業OA、ERP、CRM、MES等應用系統,以及移動辦公/管理應用、安全管理應用(視頻監控和巡檢等)、節能管理、集群通信、廠區內智能物料配送和運輸等。

    (3)現場級應用場景

    主要指生產線現場的生產過程管理、現場監控和控制等,包括智能工廠生產過程的數據采集及分析,實現生產過程、設備、資源監控的可操作和可視化;要能支持采集不同現場設備數據的要求,支持將生產數據及設備故障信息顯示在監控站的屏幕上,實現生產過程的動態監控與管理;實現智能設備、機器人和生產線、用戶全流程互聯對話,實現人機、機機互聯下的高品質、高效、柔性自動化生產等。

    2.2智能制造網絡通信特點和需求

    智能制造網絡通信必須適應惡劣的工業現場環境,具有較強的抗干擾能力、實時通信等特點,為緊要任務提供最低限度的性能保證服務,確保整個工業控制系統的性能。

    制造企業傳統基礎網絡部署模式為以太局域網+Wi-Fi覆蓋,存在一些局限性。

    ● 帶寬不足,成為智能制造的瓶頸。隨著聯網在線設備的驟增、數據采集率的提升、承載業務的多樣化,對網絡帶寬提出了很高的要求。

    ●  靈活部署能力不足,組網靈活性差,抗干擾性差。

    ● Wi-Fi網絡存在缺乏統一管理平臺、網絡覆蓋不全

    面、網絡信號不穩定、安全性不能得到保障等不足。智能制造要求將企業的生產過程控制、運行、管理、辦公統一控制與管理,辦公網絡和生產網絡既安全邏輯隔離又有機融合互聯,對工廠的網絡通信提出了新要求。

    彈性疊加業務:快速業務多樣性,如視頻類、上網、專線等。

    帶寬彈性擴容:多種高帶寬接入能力,動態調整。多層次開放:靈活應對接入方式、接入地點、接入終端多變性。

    有線、無線一體化的調度通信功能:支持工業控制網絡的多種通信接口(如RS232、RS485、CAN總線等)。

    具有良好的響應實時性:工業控制網絡不僅要求傳輸速度快,而且要求響應快,即響應實時性要好,一般為ms至0.1s級別。

    容錯性要求:在網絡局部鏈路出現故障的情況下,能在很短的時間內重新建立新的網絡鏈路。

    2.3智能制造信息化應用升級需求

    智能制造除了現有的辦公管理和生產經營管理的辦公

    OA、ERP、SCR、CRM等信息化應用需求外,還提出了生產現場管理、過程可視化、客戶互動、個性化定制等很多新的信息化應用需求。

    生產過程可視化管理需求:支持智能生產管理的精益管理、可視化管理、實時管理、柔性生產等需求。

    移動應用需求:支持移動辦公和移動管理應用,實現管理人員在生產一線現場辦公/管理(使用平板電腦和智能手機等移動終端)。

    工業云需求:支持遠程協同設計、遠程供應鏈協作、客戶互動等應用場景,并能夠支持IT系統云化功能。

    工業大數據需求:通過采集現有工廠設計、工藝、制造、管理、監測、物流等環節的數據,實現生產的智能管理與決策分析后市場服務需求:制造行業整體上需要拓展后市場服務作為新業務增長點,如產品遠程診斷和維護、客戶360°交互、向電子商務轉型等。

    3、智能制造整體解決方案

    3.1工業互聯網整體架構

    基于云計算、物聯網、互聯網等技術構建工業互聯網整體架構,實現生產設備、智能產品、生產和物流系統、IT系統、生產和服務人員、供應鏈/合作伙伴及客戶之間的有機互聯,以及網絡協同(協同設計、協同制造、供應鏈協同等)和工業數據采集、數據分析、數據開放等功能。工業互聯網整體架構如圖3所示。

    工業智能網絡:一是,工業通信網絡,將企業生產過程控制、運行、管理作為一個整體進行控制與管理,促進信息化和工業化深度融合;二是,LTE園區網,實現園區內4G無線接入業務數據本地分流,園區外通過VPN完成企業數據分離;三是,物聯網,實現智能設備和智能產品的數據采集、遠程監控服務。

    工業大數據采集與數據分析:通過對生產設備和智能產品的數據采集,將生產、產品使用過程中的工藝、物料、制造、管理、服務等全流程數據進行數據分析,實現生產智能管理與決策分析、產品智能服務和維護,及為智能制造企業和應用開發商提供數據開放服務。

    工業云:通過設計協同、制造協同、供應鏈協同、服務協同等,實現產品開發、生產制造、經營管理等在不同企業間的信息共享和業務協同。

    3.2生產智能化網絡技術

    生產智能化網絡主要是指智能工廠車間級工業通信網絡,實現智能工廠內部整套裝備系統、生產線、設施與移動操作終端泛在互聯,車間互聯和信息安全保障。構建智能工廠車間的全周期信息數據鏈,促進機器之間、機器與控制平臺之間的實時連接和智能交互。 

    (1)工業PON方案

    工業PON將企業生產過程的控制、運行、管理作為一個整體進行控制與管理,促進信息化和工業化深度融合,工業PON的特點和優勢如下。

    ● 用于智能車間設備承載:用于車間的各類固定生產設備聯網,有效解決不同接口、不同協議的設備互聯和統一數據采集及控制。

    ● 提升網絡車間生產線已有信息化網絡,輔助設備及業務需要擴充網絡容量,快速改造升級老網絡,節省投資。

    ● 多業務承載能力強:可方便疊加Wi-Fi、微基站,開通企業調度電話、園區LTE網絡。

    ● 多業務應用和安全需要,如“能源管理”、“視頻安防”、“移動辦公”、“移動MES”、“無線AGV”等業務部署,需要對多種應用進行網絡安全隔離(物理及邏輯雙重)。

    ●  工業PON無源設備和扁平結構,具有部署方便、組網靈活、易于擴展和高可靠性等特點。

    (2)LTE 園區網絡方案

    LTE園區網絡方案是一種LIPA(Local IP Access,本地IP接入)技術,即工業園區基站HeNB將數據流量接入(卸載)到工業企業網絡,實現LTE工業園區內與園區外4G無線接入通過移動VPDN完成企業數據分離,LTE園區網絡方案具有以下特點和優勢。

    ●  利用運營商已有FD-LTE/TD-LTE無線頻譜資源。

    ●  廠區內無縫4G無線接入。

    ●  無線上下行帶寬速率不小于10Mbit/s。

    ●  滿足跨域之間的無線專網接入。

    ●  園區內4G業務數據本地分流,確保數據通道及數據自身的安全。

    ●  統一接入管理平臺。

    3.3智能產品運行監控分析技術

    智能產品運行監控分析技術,通過物聯網和車聯網向制造企業提供針對產品(如汽車、工程機械、發動機)的遠程智能服務,包括遠程監控、遠程預警、遠程維護、數據分析等。智能服務拓展到產品的全生命周期管理如圖4所示。產品智能化服務系統包括產品遠程監護與維護平臺、基于大數據挖掘的產品使用分析系統、智能手機APP自助服務系統,實現功能包括以下幾類。

    ●  對各類產品的上百種數據進行采集、存儲。

    ●  及時分析用戶使用典型行為。

    ● 為客戶提供優化解決方案及實時監控產品使用情況的綜合服務。

    產品智能化服務的成功應用可以大大提高工作效率,服務維護成本顯著降低,產品差異化程度提升。

    3.4 工業云平臺

    工業云平臺提供高品質的網絡和云資源、IDC數據中心資源、以及混合云和可信云,為企業客戶搭建安全、靈活的工業協同平臺,提供工業協同服務能力,包括設計協同、制造協同、供應鏈協同、服務協同等。

    工業云平臺的核心是數據在不同企業(及客戶)之間的流轉,要實現橫向集成與價值鏈端到端集成。

    橫向集成是企業之間通過價值鏈以及信息網絡實現的一種資源整合,為實現各企業間的無縫合作提供實時產品與服務,實現產品開發、生產制造、經營管理等在不同的企業間的信息共享和業務協同。

    端到端集成通過價值鏈上不同企業資源的整合,以產品價值鏈創造集成供應商(一級、二級、三級…)、制造商(研發、設計、加工、配送)、分銷商(一級、二級、三級…)以及客戶信息流、物流和資金流,在為客戶提供更有價值的產品和服務的同時,重構產業鏈各環節的價值體系。

    4、結束語

    隨著信息技術的快速發展,智能制造和工業互聯網的技術和應用將會發生新的變化,未來企業不僅要利用工業互聯網資源進行資產的性能管理,而且要利用工業互聯網實現智能制造的云控制。將產業鏈、供應鏈或價值鏈的協同機制建立起來,或將先進的控制技術資源的公共服務體系建立起來,不斷提升智能制造生產體系的創新水平。
                                                                                                                                          文章來源于網絡


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