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1704013010 图3-3 信息系统和物理过程深度融合构成的CPS系统
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1704013012 一般地说,CPS由两个主要的功能性部分组成:
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1704013014 1)能确保从物理过程采集实时的数据,并能确保由信息控制空间(Cyber Space)将信息反馈给物理过程的先进的连接能力。
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1704013016 2)构成信息控制空间的智能数据管理、分析和计算的能力。
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1704013018 但这种抽象的要求如何在制造系统中实现呢?这需要按照顺序工作流程的方式建立一种分层架构,以确保原始采集的数据经过逐层分析一直到建立最终值,并反馈到物理过程。美国辛辛那提大学李杰教授提出的基于工业4.0制造系统的CPS架构[2](简称5C架构)如图3-4所示。
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1704013020 5C架构由智能连接层(smart connection level)、数据-信息转换层(data-to-information conversion level)、信息控制层(cyber level)、认知知识层(Cognition Level)和组态层(Configuration Level)自下而上组成。每层的属性分别如下,智能连接层:即插即用,无限制的通信,传感器网络;数据-信息转换层:部件的机械健康状态智能分析,多维数据相关的智能分析,性能及性能变差预测;信息控制层:部件和机械的双重模型,变化识别和存储的时间,数据挖掘中的相似群集;认知知识层:集成仿真和集成综合,远程可视化,协调性诊断和决策;组态层:恢复正常状态的自组态,考虑变化的自调整,针对扰动的自优化。
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1704013025 图3-4 基于工业4.0制造系统的CPS架构(5C架构)
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1704013027 生产自动化中的CPS需要关注的主题是:自适应和自主控制,基于部件的自动化(component-based automation),软件安装阶段组态(deployment time configuration),通信和分散的功能性对分层通信结构没有强烈依赖;横向集成和垂直集成,基于IP的无线自组织adhoc通信和有界的有线自组织adhoc通信,能感知环境关系的自动化;部件工作运行与所在位置无关,在整条生产线中,部件能自主实现其功能和任务,依据环境的影响能进行过程参数和过程结构的动态自适应;人员因素的集成,增强操作人员的能力,人在系统中的作用是协调者、优化者和指导者。
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1704013033 智慧工厂:中国制造业探索实践 3.4 使能技术
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1704013036 3.4.1 概述
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1704013038 智慧工厂是在积累了许多年的工业装备技术、工业生产工艺技术、工业生产和供应的管理技术、工业自动化技术(为了方便,美国技术界正在用OT,即operation technologies来表达这一系列技术的总合)之后,和IT技术全方位深度融合发展起来的。
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1704013040 什么是智慧工厂的使能技术呢?为了尽量解释清楚,应该将这一技术细化为:
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1704013042 (1)在建设智慧工厂中,已经可以用的使能技术(enabled technologies)
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1704013044 1)立即就可使用的技术,例如PLCopen开发的运动控制规范、IEC 61131-3的XML Scheme、IEC 61131-3的OPC UA信息模型及Server功能块规范和Client功能块规范。
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1704013046 2)基本可用,但还需要进行适应性的开发或标准化,例如MES、SDN(Software Definition Networking)、工业物联网。
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1704013048 (2)还在开发中的使能技术(enabling technologies)
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1704013050 1)需要总体规划和顶层设计且涉及面极广的使能技术,例如标准化,横向集成、端对端集成、纵向集成。
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1704013052 2)需要按行业进行集成整合的使能技术,例如语义可互操作性。
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1704013054 从智慧化工厂急需开发的关键技术来看,又可以列举如下:渗透在各个生产制造和管理环节中的IT技术及其集成(包括工业物联网实践技术,分布式云计算的工业实现,基于Web2.0的工业互联网技术,物理信息融合系统的工业实践……);垂直集成和横向集成的工业通信技术(包括基于互联互操作的设备集成工业以太网整合技术,机器与机器之间的通信(M2M),基于OPC UA的垂直集成语义互操作性的实现技术等);软件技术(包括面向分布式自动化的各类高效可靠的模块化软件开发平台,应用分布式自动化中的SOA和多智能体系统的软件技术等);机电功能模块的设计、开发和最佳实践;下一代工业辅助系统技术(包括基于增强实境技术的先进工业辅助系统,机器人和操作员协同等);标准化技术。
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