1、智能制造体系架构分析与工业互联网应用 导读导读 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、智能制造 1.1 智能制造国内外发展趋势智能制造国内外发展趋势 (1)德国工业德国工业 4.0 与美国工业互联网与美国工业互联网 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
2、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
3、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的行动计划（2015-2018 年）等一系 列指导性文
4、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
5、 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。
6、 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
7、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、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智能制造应用场景分析 (1)广域应用场景广域应用场景 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
8、 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
9、需求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
10、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
11、化应用升级需求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
12、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、智能制造整体解决方案 3.1 工业互联网整体架构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
13、，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
14、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)工业工业 PON 方案方案 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
15、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 园区网络方案园区网络方案 LTE 园区网络方案是一种 LIPA（Local IP Access
16、，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 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
17、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 工业云平台提供高品质的网络和云资源、 IDC 数据中心资
18、 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、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。
