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周杰:物聯(lián)網(wǎng)時代,自動化金字塔會被替代嗎?

http://m.007sbw.cn 2020-07-13 11:46 《中華工控網(wǎng)》原創(chuàng)

普渡模型(Purdue Model)是1992年由普渡大學(xué)計算機(jī)集成制造聯(lián)盟提出的系統(tǒng)架構(gòu),在該架構(gòu)模型的基礎(chǔ)上誕生了ISA-95標(biāo)準(zhǔn),從車間到企業(yè)的信息流向出發(fā),ISA-95標(biāo)準(zhǔn)把集成制造分成了若干層次,并在生產(chǎn)領(lǐng)域和企業(yè)管理領(lǐng)域之間引入防火墻等內(nèi)置安全管理機(jī)制。

在該模型和標(biāo)準(zhǔn)中,工業(yè)自動化形成了金字塔結(jié)構(gòu),這一結(jié)構(gòu)迅速獲得廣泛認(rèn)可并展現(xiàn)了長久的生命力,在一些新的架構(gòu)模型中,無論是德國的工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型(RAMI 4.0)還是我國的智能制造系統(tǒng)架構(gòu)(IMSA),在系統(tǒng)層級維度大體沿用了ISA-95標(biāo)準(zhǔn),只是在最頂層增加了企業(yè)協(xié)同(互聯(lián)世界),在最底層引入了產(chǎn)品(智能產(chǎn)品)。

👇 ISA-95和自動化金字塔 👇

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從自動化金字塔模型提出至今,在摩爾定律(集成電路上集成的晶體管數(shù)量每18個月翻一番)和尼爾森定律(高端用戶的網(wǎng)絡(luò)帶寬能力每24個月翻一番)的指引下,計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了快速的發(fā)展:

在1993年,Intel發(fā)布了初代的奔騰處理器,單核心60 MHz,集成了310萬個晶體管;在2019年AMD發(fā)布的Ryzen 9處理器則包含12核心3.8 GHz,集成約100億個晶體管。在90年代初,光纖入戶還只是夢想,移動通信還處于2G+功能機(jī)時代;在如今,我們已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)光纖入戶并正在逐漸普及以高帶寬(1G bps峰值吞吐率)/低時延(0.5~1ms時延)/大連接(1000K/平方公里連接數(shù))為特點(diǎn)的5G網(wǎng)絡(luò)。

計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為工業(yè)自動化的發(fā)展提供了基礎(chǔ),在某些局部的領(lǐng)域改變了一些傳統(tǒng)的認(rèn)知,比如在90年代末到20年代初,受制于當(dāng)時的控制器算力和內(nèi)存大小,如果要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制和第三方現(xiàn)場總線等功能,需要使用者在PLC CPU模塊的基礎(chǔ)上額外購買運(yùn)動控制模塊和總線通信模塊。在如今,集成邏輯控制/運(yùn)動控制/通信管理/安全等功能的多合一控制器(軟件定義的控制/軟件定義的網(wǎng)絡(luò))已經(jīng)漸成主流。但是從系統(tǒng)信息流向的角度出發(fā),1992年提出的普渡模型幾乎沒有變化,仍然是廣大制造業(yè)人心中的圣經(jīng)。

這一模型是否解決了制造過程的所有痛點(diǎn)呢?答案應(yīng)該是否定的。

以筆者10年左右參與的一個項(xiàng)目-某食品包裝工廠的自動化車間系統(tǒng)為例,我們參照模型架構(gòu)并在架構(gòu)的每一層引入了當(dāng)時比較新的技術(shù),比如:

👉在設(shè)備層的薄膜分切機(jī)控制中采用了邏輯/運(yùn)動控制一體的控制器和PLCopen MFB,并在物料搬運(yùn)環(huán)節(jié)引入了AGV、機(jī)器人等自動化設(shè)備;

👉在OT和IT系統(tǒng)之間使用了基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線和OPC技術(shù);

👉在IT系統(tǒng)的部署中采用了虛擬化技術(shù)并打通了各子系統(tǒng)之間的信息孤島。

整體系統(tǒng)投入運(yùn)行后實(shí)現(xiàn)了當(dāng)初設(shè)計的生產(chǎn)效率/生產(chǎn)質(zhì)量/生產(chǎn)柔性等方面的指標(biāo),但是碰到了一個從當(dāng)時的條件看無法解決的問題:設(shè)備層使用的伺服電機(jī)在高速運(yùn)動下會發(fā)生磁鐵脫落的現(xiàn)象從而造成設(shè)備的意外停機(jī),關(guān)鍵設(shè)備的停機(jī)會導(dǎo)致產(chǎn)線停機(jī),即便不考慮備件電機(jī)從廠家運(yùn)輸?shù)绞褂矛F(xiàn)場的時間,在現(xiàn)場拆卸并更換電機(jī)也是一件以小時計數(shù)的工作,換言之,在該系統(tǒng)架構(gòu)下可以實(shí)現(xiàn)自動化(減勞)和精益化(降費(fèi)),無法實(shí)現(xiàn)無憂化。

這種問題可以在物聯(lián)網(wǎng)中得到較好的解決,物聯(lián)網(wǎng)概念起源于1995年比爾蓋茨在《未來之路》一書中提及的物互聯(lián),在2005年國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布的同盟報告中,物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍有了較大的拓展,連接互聯(lián)網(wǎng)的物不僅包括電腦、手機(jī)、家用電器消費(fèi)品,也包括電網(wǎng)、供水系統(tǒng)、油氣管道、機(jī)械設(shè)備等工業(yè)品。如下圖所示,通過在電機(jī)上安裝無電池傳感器(能量來自溫差和光照)采集電機(jī)的振動和溫度信號,并通過無線網(wǎng)絡(luò)把傳感器信號傳遞到部署在車間的邊緣計算控制器中,在對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行統(tǒng)計特征提取/設(shè)備健康狀態(tài)評估和故障預(yù)測,并將該信息和預(yù)測結(jié)果傳輸給MES等生產(chǎn)管理系統(tǒng),從而避免因?yàn)樵O(shè)備意外停機(jī)對產(chǎn)線造成的沖擊。

👇電機(jī)健康狀態(tài)監(jiān)控/故障預(yù)測案例和IoT架構(gòu)模型👇

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IoT架構(gòu)模型的不同層次,充分利用了如下新技術(shù)特性:

• IoT設(shè)備:低成本、低功耗、高集成、小型化傳感器的出現(xiàn)和成熟;視覺傳感器自適應(yīng)能力的提高和成本的下降;RFID標(biāo)簽等類似技術(shù)在產(chǎn)品生命周期管理中的廣泛應(yīng)用。

• IoT網(wǎng)絡(luò) :支持資源受限設(shè)備和輕量化通信協(xié)議;支持海量設(shè)備連接(IPv6);低功耗無線連接(Zigbee,Bluetooth LE,LoRa……);適用于工業(yè)場景的確定性網(wǎng)絡(luò)(TSN)。

• IoT管理和應(yīng)用 :云計算/邊緣計算和虛擬化;分析技術(shù)3.0(分析技術(shù)1.0:結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)中心,分析技術(shù)2.0:結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)中心,分析技術(shù) 3.0:結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)-網(wǎng)絡(luò)邊緣和數(shù)據(jù)中心)。

在傳統(tǒng)的自動化金字塔架構(gòu)中,把第一層的傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶罡邔舆M(jìn)行分析和處理是不可能的,如果回顧這一模型提出的時代背景,即上世紀(jì)90年代初,則很容易理解在當(dāng)時的技術(shù)條件下為什么會誕生這種信息逐層流動和處理的金字塔架構(gòu)。隨著時代的變遷和技術(shù)的發(fā)展,在IoT架構(gòu)中弱化了數(shù)據(jù)來源所在的層次,數(shù)據(jù)既可以來自于各種傳感器(比如溫度傳感器、振動傳感器)、智能元器件(比如變頻器、閥門),也可以來自設(shè)備控制器(比如PLC、CNC),車間控制系統(tǒng)(比如SCADA、RMS),或者企業(yè)管理運(yùn)營系統(tǒng)(比如ERP,SCM)。與此同時,借助邊緣計算,在IoT架構(gòu)中強(qiáng)化了對數(shù)據(jù),包括環(huán)境數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)計數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、運(yùn)營數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析并從中總結(jié)提煉對生產(chǎn)過程有用的各種洞察的重要性。

這種自動化金字塔架構(gòu)會被替代嗎?以離散制造為例,根據(jù)上下游產(chǎn)品特點(diǎn),我們可以把某一產(chǎn)品拆分成若干產(chǎn)品單元,然后把產(chǎn)品單元的生產(chǎn)制造過程拆分成若干工藝單元,每一個工藝單元的實(shí)現(xiàn)由各種機(jī)械設(shè)備完成,比如生產(chǎn)設(shè)備、測試設(shè)備等,工藝單元和工藝單元之間的物料轉(zhuǎn)運(yùn)由各種自動化設(shè)備完成,比如機(jī)器人、AGV等,無論是機(jī)械還是設(shè)備,從物聯(lián)網(wǎng)的視角看來都屬于執(zhí)行機(jī)構(gòu),而從工業(yè)自動化的視角而言,我們都可以簡化成人機(jī)界面<->控制器<->驅(qū)動器的三層結(jié)構(gòu),包含以IO控制、運(yùn)動控制和安全控制為代表的三類控制,傳感器用于測量生產(chǎn)過程的各種狀態(tài)并作為車間控制系統(tǒng)閉環(huán)控制的輸入信號。生產(chǎn)制造過程即是價值創(chuàng)造過程,而針對這種生產(chǎn)制造過程二種不同視角下的對比如下圖所示,在可預(yù)見的將來,這二種模型會在發(fā)展中不斷融合,在保留穩(wěn)定、可靠和安全特性的同時,實(shí)現(xiàn)更具感知和智能的生產(chǎn)制造。

👇離散行業(yè)制造過程和系統(tǒng)模型👇

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作者簡介

周杰,浙江大學(xué)控制系研究生畢業(yè)后在工業(yè)自動化/工業(yè)機(jī)器人/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)有十多年工作經(jīng)驗(yàn),目前從事智能制造研發(fā)項(xiàng)目管理相關(guān)的工作。

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