PLC、DCS、MES等助陣智能制造為主導(dǎo)的“第四次工業(yè)革命”
2016-12-5 來(lái)源：轉(zhuǎn)載 作者：-
“工業(yè)4.0”被看作是以智能制造為主導(dǎo)的“第四次工業(yè)革命”。它的理念源自信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的融合，通過(guò)信息物理系統(tǒng)(CPS)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期中各制造單元間相互獨(dú)立地自動(dòng)交換信息、觸發(fā)動(dòng)作和實(shí)現(xiàn)控制，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。目標(biāo)是建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)人、產(chǎn)品與機(jī)器之間的互動(dòng)。“工業(yè)4.0”時(shí)代將改變整個(gè)生產(chǎn)技術(shù)的使用，整個(gè)系統(tǒng)將更加智能，聯(lián)網(wǎng)更加緊密，不同組件之間可以相互溝通，工作更快、做出反應(yīng)也更加迅速。
數(shù)字化時(shí)代需要智能數(shù)據(jù)
隨著信息物理融合系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的重要因素。世界各地間的連接正變得日益緊密，數(shù)以十億計(jì)的智能設(shè)備和機(jī)器產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，在虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界之間搭起了橋梁。全球的制造業(yè)企業(yè)都在努力轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化企業(yè)，使產(chǎn)品更加智能，使生產(chǎn)產(chǎn)品的機(jī)器更加智能。不久的未來(lái)，生產(chǎn)過(guò)程中的每一步都將在虛擬世界被設(shè)計(jì)、仿真以及優(yōu)化，為真實(shí)的物理世界包括物料、產(chǎn)品、工廠等建立起一個(gè)高度仿真的數(shù)字化“雙胞胎”。其中，我們不僅需要“大數(shù)據(jù)”，更需要“智能數(shù)據(jù)”。
然而，正如和利時(shí)集團(tuán)技術(shù)總監(jiān)朱毅明所言，工業(yè)制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型面臨的挑戰(zhàn)在于數(shù)字化技術(shù)引起的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式和生產(chǎn)管理體系的變革，不能簡(jiǎn)單地以物理存在的工廠為藍(lán)本構(gòu)建數(shù)字化雙胞胎。
盡管目前中國(guó)工業(yè)制造企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)迫在眉睫，但大部分企業(yè)，尤其是中小型企業(yè)的技術(shù)力量有限，資金普遍緊張，在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中困難重重。機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所副總工程師謝兵兵表示，采用標(biāo)準(zhǔn)的、安全可靠的、低成本的ICT技術(shù)和產(chǎn)品，構(gòu)建CPS，特別是CPSS(信息物理生產(chǎn)系統(tǒng))，提高生產(chǎn)制造的質(zhì)量、效益和柔性，提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，是企業(yè)共同的期盼。
邊緣計(jì)算——CPS的核心
據(jù)IDC(互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2020年將有超過(guò)500億的終端與設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。未來(lái)超過(guò)50%的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)分析、處理與儲(chǔ)存。面對(duì)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)，我們需要全面物聯(lián)海量的傳感數(shù)據(jù)；將OT(OperationTechnology)與ICT(InformationandCommunicationTechnology)融合，形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分布式智能控制；應(yīng)用具有高實(shí)時(shí)性；與物理系統(tǒng)的交互具備高安全性。而邊緣計(jì)算正是充分利用物端的嵌入式計(jì)算能力，以分布式信息處理的方式實(shí)現(xiàn)物端的智能和自治，并與云計(jì)算結(jié)合，通過(guò)云端的交互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的智能化。在智能互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，面向分布式的感知、決策與控制的通信與計(jì)算將迎來(lái)革命性的發(fā)展機(jī)遇。
邊緣計(jì)算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的開放平臺(tái)，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。換言之，邊緣計(jì)算接近于工業(yè)上的分布式自律的概念，在基于互聯(lián)網(wǎng)的異構(gòu)分布式計(jì)算環(huán)境下，集中與分散相結(jié)合，既有效利用互聯(lián)網(wǎng)的資源，又保證了用戶系統(tǒng)的自律性、安全性和健壯性。
眾所周知，“工業(yè)4.0”的核心是CPS，謝兵兵的觀點(diǎn)認(rèn)為，融合了網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的邊緣計(jì)算，顯然又是CPS的核心。因此，邊緣計(jì)算被看作“工業(yè)4.0”核心之核心、關(guān)鍵之關(guān)鍵一點(diǎn)也不為過(guò)。通過(guò)邊緣計(jì)算的資源和能力，可實(shí)實(shí)在在地將虛擬空間(C)和物理實(shí)體(P)緊密融合在一起。在工業(yè)制造領(lǐng)域，要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、智能化轉(zhuǎn)型，離不開物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算，更離不開邊緣計(jì)算。
邊緣計(jì)算與工業(yè)控制系統(tǒng)有密切的關(guān)系，具備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接口的工業(yè)控制系統(tǒng)本質(zhì)上就是一種邊緣計(jì)算設(shè)備，解決工業(yè)控制高實(shí)時(shí)性要求與互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量的不確定性的矛盾。過(guò)去，我們已經(jīng)對(duì)云計(jì)算非常熟悉，而邊緣計(jì)算更像是云計(jì)算的補(bǔ)充和發(fā)展，兩者相互之間無(wú)法替代。
邊緣計(jì)算與云計(jì)算互相協(xié)同，共同使能行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。云計(jì)算聚焦非實(shí)時(shí)、長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析，能夠在周期性維護(hù)、業(yè)務(wù)決策支撐等領(lǐng)域發(fā)揮特長(zhǎng)。邊緣計(jì)算聚焦實(shí)時(shí)、短周期數(shù)據(jù)的分析，能更好地支撐本地業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)智能化處理與執(zhí)行。此外，兩者還存在緊密的互動(dòng)協(xié)同關(guān)系。邊緣計(jì)算既靠近執(zhí)行單元，更是云端所需高價(jià)值數(shù)據(jù)的采集單元，可以更好地支撐云端應(yīng)用的大數(shù)據(jù)分析;反之，云計(jì)算通過(guò)大數(shù)據(jù)分析優(yōu)化輸出的業(yè)務(wù)規(guī)則也可以下發(fā)到邊緣側(cè)，邊緣計(jì)算基于新的業(yè)務(wù)規(guī)則進(jìn)行業(yè)務(wù)執(zhí)行的優(yōu)化處理。
未來(lái)，在大部分的應(yīng)用場(chǎng)景，邊緣計(jì)算和云計(jì)算將同時(shí)出現(xiàn)，相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)，相得益彰，聯(lián)手解決大數(shù)據(jù)時(shí)代的計(jì)算問題。
推動(dòng)智能制造的實(shí)現(xiàn)
邊緣計(jì)算行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景豐富，產(chǎn)業(yè)價(jià)值突出。一方面支撐行業(yè)商業(yè)模式創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品向服務(wù)的價(jià)值延伸；另一方面支撐實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和服務(wù)的定制化與智能化。預(yù)測(cè)性維護(hù)、能效管理、智能制造是比較典型的行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。
也許有人會(huì)認(rèn)為邊緣計(jì)算是一個(gè)全新的概念，但事實(shí)上，對(duì)于從事工業(yè)自動(dòng)化工作的人而言并不陌生。比如，在目前普遍采用的基于PLC、DCS、工控機(jī)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)中，位于底層、嵌于設(shè)備中的計(jì)算資源，或多或少都是邊緣計(jì)算的資源。只是目前這些資源比較紛雜、獨(dú)立、低效，未能充分實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互通、互操作，未能充分標(biāo)準(zhǔn)化和平臺(tái)化。當(dāng)然，這也就難以滿足現(xiàn)代應(yīng)用場(chǎng)景在實(shí)時(shí)、安全、大容量、高速度、自適應(yīng)計(jì)算和通訊等方面對(duì)它的要求。
中國(guó)鋼研冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院混合流程工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張?jiān)瀑F舉例談到，目前規(guī)模以上冶金企業(yè)，其信息化已經(jīng)做得頗具成效，但缺少的恰恰是末端的智能。冶金方面的數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)完整性和一致性的問題，俗稱“臟”數(shù)據(jù)。解決不好這方面的問題，會(huì)給能源管理和智能管理環(huán)節(jié)造成困難。再者，冶金的物流跟蹤是典型的CPS，其間，物理與化學(xué)形態(tài)經(jīng)常發(fā)生改變，控制過(guò)程有一定難度。邊緣計(jì)算在其中發(fā)揮著重要作用，幫助實(shí)物聯(lián)網(wǎng)，成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有效補(bǔ)充。
作為邊緣計(jì)算的具體表現(xiàn)形式，工業(yè)CPS在底層通過(guò)工業(yè)服務(wù)適配器，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備封裝成web服務(wù)；在基礎(chǔ)設(shè)施層，通過(guò)工業(yè)無(wú)線和工業(yè)SDN網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以扁平互聯(lián)的方式聯(lián)接到工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)中；在數(shù)據(jù)平臺(tái)中，根據(jù)產(chǎn)線的工藝和工序模型，通過(guò)服務(wù)組合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理和組合，并與MES等系統(tǒng)對(duì)接。工業(yè)CPS系統(tǒng)能夠支撐生產(chǎn)計(jì)劃靈活適應(yīng)產(chǎn)線資源的變化，舊的制造設(shè)備快速替換與新設(shè)備上線。
顯而易見，通過(guò)引入邊緣計(jì)算，能夠?yàn)橹圃鞓I(yè)提供：設(shè)備靈活替換；生產(chǎn)計(jì)劃靈活調(diào)整；新工藝/新型號(hào)快速部署。進(jìn)一步推動(dòng)智能制造的實(shí)現(xiàn)。
聯(lián)盟引領(lǐng)邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展
邊緣計(jì)算作為新興產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景廣闊，產(chǎn)業(yè)同時(shí)橫跨OT、IT、CT多個(gè)領(lǐng)域，且涉及網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接、數(shù)據(jù)聚合、芯片、傳感、行業(yè)應(yīng)用多個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈角色。為了全面促進(jìn)產(chǎn)業(yè)深度協(xié)同，加速邊緣計(jì)算在各行業(yè)的數(shù)字化創(chuàng)新和行業(yè)應(yīng)用落地，華為技術(shù)有限公司、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、中國(guó)信息通信研究院、英特爾公司、ARM和軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))有限公司作為創(chuàng)始成員，聯(lián)合倡議發(fā)起邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，致力于推動(dòng)“政產(chǎn)學(xué)研用”各方產(chǎn)業(yè)資源合作，引領(lǐng)邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。
據(jù)了解，聯(lián)盟的短期目標(biāo)是制定技術(shù)架構(gòu)，在確保方案安全可靠的前提下，推進(jìn)水平解耦和平臺(tái)化，并構(gòu)建測(cè)試床，產(chǎn)業(yè)和商業(yè)示范，促進(jìn)方案的可復(fù)制性，推動(dòng)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。其長(zhǎng)期目標(biāo)是打造開放生態(tài)平臺(tái)，立足國(guó)內(nèi)，面向全球，通過(guò)新的生態(tài)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈的整合與合作，為最終用戶提供更有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。
全球的數(shù)字化革命正在引領(lǐng)新一輪產(chǎn)業(yè)變革，行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的浪潮正孕育興起。這一波浪潮的顯著特點(diǎn)是將“物”納入智能互聯(lián)，借助OT與ICT的深度協(xié)作與融合，大幅提升行業(yè)自動(dòng)化水平，滿足用戶個(gè)性化的產(chǎn)品與服務(wù)需求，推動(dòng)從產(chǎn)品向服務(wù)運(yùn)營(yíng)全生命周期轉(zhuǎn)型，觸發(fā)產(chǎn)品服務(wù)及商業(yè)模式創(chuàng)新，并對(duì)價(jià)值鏈、供應(yīng)鏈及生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)長(zhǎng)遠(yuǎn)深刻的影響。未來(lái)，我們將生活在一個(gè)萬(wàn)物感知、萬(wàn)物互聯(lián)、萬(wàn)物智能的智慧型社會(huì)。邊緣計(jì)算將成為智能互聯(lián)的使能技術(shù)，在“工業(yè)4.0”時(shí)代，為行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型插上智慧的翅膀，完美呈現(xiàn)智能制造世界。
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