當(dāng)今天談到的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，世界各地的許多工廠和過(guò)程控制設(shè)施都集中在網(wǎng)絡(luò)升級(jí)到可管理的以太網(wǎng)。隨著工業(yè)設(shè)備的長(zhǎng)壽命使用，現(xiàn)役很多老設(shè)備仍使用傳統(tǒng)的工業(yè)協(xié)議。事實(shí)上，我們的很多業(yè)務(wù)都涉及到幫助企業(yè)升級(jí)為結(jié)構(gòu)化、可靠和易于維護(hù)的工業(yè)以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。

　　給出這樣的現(xiàn)實(shí)是有益的，從目前的挑戰(zhàn)來(lái)看也只有一步之遙，并可以展望未來(lái)的工廠。5-20年后的工業(yè)生產(chǎn)看起來(lái)將是什么樣?我們需要了解工廠往什么方向走才能指導(dǎo)我們今天的決定。我們的工廠如何使用下一代通信系統(tǒng)和全新的概念進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)?如何適應(yīng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)?

　　讓我們來(lái)看看智能工廠是什么，它的通信系統(tǒng)有什么特點(diǎn)。

　　未來(lái)的智能工廠會(huì)比目前使用的系統(tǒng)更智能、更靈活和更動(dòng)態(tài)。

　　定義智能工廠

　　術(shù)語(yǔ)“智能制造”，“智能工廠”和“未來(lái)工廠”，所有這些都描述了一種工業(yè)生產(chǎn)在未來(lái)的愿景。

　　在這一愿景中，智能工廠將更加智能、靈活和動(dòng)態(tài)。

　　制造工藝的組織將不同，會(huì)與整個(gè)生產(chǎn)鏈協(xié)同-- 從供應(yīng)商到物流到產(chǎn)品的生命周期管理-- 跨越企業(yè)的各個(gè)部門(mén)緊密相連。

　　各個(gè)生產(chǎn)步驟將實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。影響的過(guò)程將包括：

　　● 工廠和生產(chǎn)規(guī)劃;

　　● 產(chǎn)品開(kāi)發(fā);

　　● 物流;

　　● 企業(yè)資源規(guī)劃(ERP);

　　● 制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES);

　　● 控制技術(shù);

　　● 現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)傳感器和執(zhí)行器。

　　在智能工廠里，機(jī)器和設(shè)備將具有提升的自我優(yōu)化和自主決策的能力。這與今天運(yùn)行固定程序操作的情況形成了鮮明的對(duì)比。

　　圖1：未來(lái)的智能工廠基于第四次工業(yè)革命–工業(yè)4.0以及以使用網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)(CPS)為中心。

　　未來(lái)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案的主要特點(diǎn)

　　要做到這一點(diǎn)，工廠的未來(lái)結(jié)構(gòu)將有很大的改變：一種結(jié)合智能化生產(chǎn)技術(shù)的相互連接，具有最新的高性能信息和通信技術(shù)。

　　這將提供數(shù)字化集成工程和跨越整個(gè)價(jià)值鏈的橫向集成，以及垂直集成和跨越所有生產(chǎn)等級(jí)的連接。

　　高性能、可靠的通信技術(shù)將超越目前使用的情況。這一技術(shù)將有可能：

　　● 以實(shí)時(shí)和最小延遲傳輸大量的數(shù)據(jù);

　　● 用一種非常可靠的方式和用最高標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)安全，連接大量的各種設(shè)備;

　　● 利用越來(lái)越多的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，無(wú)論在工廠內(nèi)還是在遠(yuǎn)程連接;

　　● 以能量高效的方式運(yùn)行系統(tǒng)。

　　是不是聽(tīng)起來(lái)很美好?你現(xiàn)在可能感覺(jué)似乎不現(xiàn)實(shí)，但我們希望，一旦我們改進(jìn)了智能工廠的通信組件，你就可以看到：它是可以實(shí)現(xiàn)的。

　　未來(lái)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　今天的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)包括多個(gè)明顯分開(kāi)的層級(jí)，通常表示為一個(gè)金字塔：

　　● 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的執(zhí)行器和傳感器;

　　● 控制級(jí)的控制設(shè)備、I / O模塊和操作員終端;

　　● 過(guò)程管理級(jí)，有用于工程、監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集(SCADA)和MES系統(tǒng)的計(jì)算機(jī);

　　● 企業(yè)級(jí)，有業(yè)務(wù)流程和ERP系統(tǒng)，通常是位于IT數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器。

　　每個(gè)級(jí)別有相對(duì)良好的結(jié)構(gòu)，并且各個(gè)設(shè)備可以清楚地映射到一個(gè)級(jí)別。

　　圖2：在未來(lái)工廠，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)仍然非常明顯，但其他級(jí)別會(huì)遷移到服務(wù)器群或者云中。

　　隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。現(xiàn)場(chǎng)級(jí)仍然是一個(gè)分開(kāi)專(zhuān)用的級(jí)，和現(xiàn)在的情況一樣，但上面的設(shè)備將嵌入越來(lái)越多的智能。作為網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的部分，他們會(huì)自動(dòng)完成許多程序。現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的數(shù)量也將顯著增加。

　　現(xiàn)場(chǎng)級(jí)上面所有的功能將有可能轉(zhuǎn)移到服務(wù)器集群、數(shù)據(jù)中心或者“云”。虛擬化，特定功能和處理硬件的分離，這已經(jīng)在IT世界中實(shí)現(xiàn)了，今后也將成為工廠中的普遍做法。

　　這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：減少了各種裝置，更容易管理，更好地利用資源，并明顯節(jié)約成本。

　　這種方法現(xiàn)在還沒(méi)有在自動(dòng)化中采用，因?yàn)樯婕暗叫阅堋⑿枰拇_定性、可靠性，以及缺乏從服務(wù)器到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的快速、低延遲的通信。然而，這些問(wèn)題將在新的和今后推出的系統(tǒng)中得到解決。

　　網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的例子

　　由于工業(yè)4.0建立在網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)上，讓我們花一點(diǎn)時(shí)間來(lái)看看他們。

　　一個(gè)網(wǎng)站描述他們?yōu)椋?/span>

　　“... ..計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理過(guò)程的集成。嵌入式計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和控制的物理過(guò)程，具有反饋回路，物理過(guò)程影響計(jì)算，反之亦然。”

　　今天這樣系統(tǒng)的一個(gè)例子是麻省理工學(xué)院(MIT)的卡特爾(CarTel)項(xiàng)目，出租車(chē)隊(duì)實(shí)時(shí)收集波士頓地區(qū)的路況信息。該信息結(jié)合歷史數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算一天中特定時(shí)間的最快路線(xiàn)。

　　你熟悉的另一個(gè)例子可能是智能電網(wǎng)。它的一種定義，基于美國(guó)能源部的工作，就是：

　　“使用信息和通信技術(shù)，以自動(dòng)的方式來(lái)收集和作用于信息的現(xiàn)代化電網(wǎng)......以提高電力生產(chǎn)和輸配的效率、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性。”

　　最后，討論一個(gè)工廠為不斷變化系統(tǒng)的例子，當(dāng)車(chē)輛裝配線(xiàn)不運(yùn)行時(shí)，能量消耗應(yīng)減少。今天，許多生產(chǎn)線(xiàn)在休息時(shí)間和周末繼續(xù)運(yùn)行。考慮激光焊接技術(shù)，在周末保持上電狀態(tài)，因此它在周一可以迅速恢復(fù)。這種做法消耗了組裝線(xiàn)總能源消耗的12%。

　　在工業(yè)4.0和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)中，在短期生產(chǎn)中斷和在電源長(zhǎng)時(shí)間掉電時(shí)，機(jī)器人將進(jìn)入待機(jī)模式。速度控制電機(jī)，將會(huì)廣泛減少運(yùn)行機(jī)器所需的能源。這種變化將顯著減少能源消耗，并會(huì)考慮前面的內(nèi)容作為智能工廠設(shè)計(jì)實(shí)踐的一部分。

　　工廠局域網(wǎng)的通信

　　這篇文章的下一個(gè)內(nèi)容將著眼于為實(shí)現(xiàn)未來(lái)工廠愿景，提出生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)的要求和解決方案。

　　你怎么看待智能廠?愿景是否能夠?qū)崿F(xiàn)?這是正確的愿景嗎?我們想這個(gè)問(wèn)題的回答應(yīng)該是見(jiàn)仁見(jiàn)智的。

　　今年早些時(shí)候，我們發(fā)表了對(duì)于未來(lái)智能工廠的第一篇文章。它描述了制造業(yè)的愿景，系統(tǒng)更加智能、靈活和動(dòng)態(tài)。在未來(lái)，機(jī)械和設(shè)備將具有改進(jìn)的自我優(yōu)化和自主決策能力。這與今天運(yùn)行固定程序的操作情況具有明顯的差別。

　　工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也將發(fā)生變化。仍會(huì)有一個(gè)帶執(zhí)行器和傳感器的分開(kāi)專(zhuān)用現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，上面的很多功能可能會(huì)移動(dòng)到位于服務(wù)器集或者“云”的高性能服務(wù)器中。

　　“網(wǎng)絡(luò)物理”系統(tǒng)是非常重要的，具有反饋回路，物理過(guò)程影響著運(yùn)營(yíng)程序，反之亦然。網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的一個(gè)例子是智能電網(wǎng)，其目的是通過(guò)收集數(shù)千個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并使用軟件管理工具作用于它們，以改善電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和效率。

　　現(xiàn)在讓我們來(lái)考慮制造業(yè)局域網(wǎng)(LAN)和通信系統(tǒng)。它需要如何改變才能實(shí)現(xiàn)智能工廠的愿景?

　　未來(lái)的智能工廠將比目前使用的系統(tǒng)更智能、靈活和動(dòng)態(tài)。

　　圖片來(lái)源：。

　　大數(shù)量的連接設(shè)備使用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

　　在未來(lái)的智能工廠網(wǎng)絡(luò)中，連接設(shè)備的數(shù)量將明顯高于今天。這是因?yàn)閷?duì)相關(guān)的過(guò)程，有必要收集盡可能多的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。據(jù)估計(jì)，連接設(shè)備的數(shù)量將增加一倍或兩倍。

　　我們面臨的挑戰(zhàn)是：以簡(jiǎn)單、高性?xún)r(jià)比的方式，在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)連接大量的設(shè)備。當(dāng)然，仍然需要滿(mǎn)足對(duì)性能和可靠性的要求。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的使用將會(huì)顯著減少，讓位于以太網(wǎng)一致和統(tǒng)一的通信。所有的通信將基于IP協(xié)議族，以太網(wǎng)將是底層的通信協(xié)議，而不管連接是有線(xiàn)還是無(wú)線(xiàn)的。

　　星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞氖褂脮?huì)增加

　　作為今天的最佳實(shí)踐，具有大數(shù)量設(shè)備的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是分層的，這樣可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的管理和運(yùn)營(yíng)。現(xiàn)場(chǎng)級(jí)應(yīng)分段成可管理的通信小區(qū)，例如按照生產(chǎn)單元，或按照其它邏輯的或物理的單元。與今天的差別是在小區(qū)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將顯著高于現(xiàn)在。

　　該網(wǎng)絡(luò)會(huì)仍然使用星型、線(xiàn)型或環(huán)形拓?fù)洌蚧旌稀Ｐ切瓮負(fù)涞氖褂脮?huì)增加，因?yàn)樗鼈兙哂心承﹥?yōu)勢(shì)-- 例如更低的延遲和更高的可靠性-- 相比于其它拓?fù)洹?/span>

　　星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是交換機(jī)的故障會(huì)斷開(kāi)所有連接的設(shè)備。然而，模擬實(shí)驗(yàn)清楚地表明：一臺(tái)容量較大的交換機(jī)具有一較高水平的可靠性-- 更確切地說(shuō)，就是有一個(gè)更高的平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)-- 相比于一個(gè)包括許多級(jí)聯(lián)、小型交換機(jī)的系統(tǒng)。這就是為什么今天的數(shù)據(jù)中心都使用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原因。

　　也會(huì)使用線(xiàn)型或環(huán)形，因?yàn)槟承┩負(fù)浣Y(jié)構(gòu)可能在布線(xiàn)上有優(yōu)勢(shì)。此外，使用的結(jié)構(gòu)會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，例如擴(kuò)展的網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)鋵⒃黾印Ｓ捎诓捎昧诵聟f(xié)議，這些網(wǎng)絡(luò)將需要更少的管理力度。

　　未來(lái)的智能工廠今天將使用為我們所熟悉的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但具有更大的連接設(shè)備數(shù)量，并產(chǎn)生更大的數(shù)據(jù)量。

　　有線(xiàn)還是無(wú)線(xiàn)?

　　未來(lái)，所有設(shè)備都用電纜和電線(xiàn)連接還是將一切用無(wú)線(xiàn)連接?在過(guò)去的工業(yè)應(yīng)用中，通信幾乎完全都基于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

　　然而，近年來(lái)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)已經(jīng)得到越來(lái)越多地使用。他們已經(jīng)在非關(guān)鍵的工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常使用，如配置和監(jiān)視，外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和工作人員的移動(dòng)應(yīng)用。

　　使用無(wú)線(xiàn)電的挑戰(zhàn)是：它是一種“共享媒體”，即所有的設(shè)備共享某個(gè)頻率范圍。如果一個(gè)設(shè)備正在傳輸，該通信通道就為忙。無(wú)線(xiàn)電通信也很容易出錯(cuò)。其它無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)，其他電磁影響或物體可以影響發(fā)送，顯著惡化質(zhì)量、帶寬和延遲。

　　數(shù)據(jù)包的零星損失是在某些無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的規(guī)范，必須由應(yīng)用程序進(jìn)行處理。這是以吞吐量和延遲作為代價(jià)。雖然這在企業(yè)無(wú)線(xiàn)部署的環(huán)境中是可以接受的(如在辦公室和業(yè)務(wù)部門(mén))，而工業(yè)無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品需要從底層進(jìn)行可靠與性能的設(shè)計(jì)。

　　精心設(shè)計(jì)的工業(yè)無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品目前采用的技術(shù)有：

　　● 在危險(xiǎn)環(huán)境下的增強(qiáng)的靜電放電(ESD)保護(hù);

　　● 為網(wǎng)絡(luò)快速重新配置和服務(wù)保證的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù);

　　● 為無(wú)線(xiàn)通信的冗余協(xié)議，如并行冗余協(xié)議(PRP)。

　　這些智能技術(shù)可以幫助工業(yè)無(wú)線(xiàn)應(yīng)用適應(yīng)無(wú)線(xiàn)信道的性能問(wèn)題，并提供更可靠的系統(tǒng)。

　　盡管如此，可靠性要求將會(huì)在智能工廠推動(dòng)通信技術(shù)中有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的選擇。廣泛使用有線(xiàn)通信是可以預(yù)期的，但無(wú)線(xiàn)連接部署的靈活性將驅(qū)動(dòng)合用工業(yè)無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品越來(lái)越多的應(yīng)用。

　　束語(yǔ)

　　在文就未來(lái)智能工廠中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信要求和解決方案提出了一個(gè)初步的實(shí)現(xiàn)愿景。

　　你怎么看待智能工廠?你正采取哪些措施來(lái)實(shí)現(xiàn)它?期待你的思考和行動(dòng)。

（羅克韋爾自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司  華镕）