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工业万物互联的底层技术

工业万物互联的底层技术

作者: zhang_402d | 来源:发表于2022-11-27 19:55 被阅读0次

在每一种新技术诞生之前,都必须定义及内涵和概念,这就是所谓的:命名赋予力量,概念廓清其边界。从福特的流水线建立开始,人类的工业大生产便开启将设计图纸、工业文件、生产物料、车间流水线工人等串联起来的生产概念。那么万物互联如何与工业相结合呢,

将“物”纳入智能互联,借助运营技术(OT)和信息与通信技术(ICT)的深度协作及融合,触发生产及商业模式创新,对整个价值链带来长远深刻的影响。边缘计算,或许正在变得跟工业互联网一样,成为影响未来工业格局的重要推手。

在工业领域,边缘应用场景包括能源分析、物流规划、工艺优化分析等。就生产任务分配而言,需根据生产订单为生产进行最优的设备排产排程,这是APS或者广义MES的基本任务单元,需要大量计算。这些计算是靠具体MES厂商的软件平台,还是“边缘计算”平台——基于Web技术构建的分析平台,在未来并不会存在太大差别。从某种意义上讲,MES系统本身是一种传统的架构,而其核心既可以在专用的软件系统,也可以存在于云、雾或者边缘侧。

这就是工业万物互联的场景:自动化厂商提供“采集”,包括数据源的作用,这是利用自动化已经在分布式I/O采集、总线互联,以及控制机器所产生的机器生产、状态、质量等原生“信息”。ICT厂商则提供“传输”,实现工业连接。因为在如何提供数据的传输、存储、计算方面,ICT厂商有其传统优势,包括成本、云平台等方面。传统工业企业的业务经验和知识,则为分析软件(独立的或者企业内部)厂商提供“分析”的依据。对这些业务过程的理解,仍然是必不可少的。产业链的协同,终极目标,仍然是解决“质量、成本、交付”的核心问题。

工业互联网是解决以上困局的唯一出路,工业互联的本质就是打通数据信息采集、数据传输的协议统一化,并使用传统经验进行数据分析和判读处理的解决方案。

工业互联网平台包括边缘、平台(工业PaaS)、应用三大核心层级。可以认为,工业互联网平台是工业云平台的延伸发展,其本质是在传统云平台的基础上叠加物联网、大数据、人工智能等新兴技术,构建更精准、实时、高效的数据采集体系,建设包括存储、集成、访问、分析、管理功能的使能平台,实现工业技术、经验、知识模型化、软件化、复用化,以工业应用程序(APP)的形式为制造企业各类创新应用,最终形成资源富集、多方参与、合作共赢、协同演进的制造业生态。

工业互联网平台功能架构分为三层:

第一层是边缘,通过大范围、深层次的数据采集,以及异构数据的协议转换与边缘处理,构建工业互联网平台的数据基础。

第二层是平台,基于通用PaaS叠加大数据处理、工业数据分析、工业微服务等创新功能,构建可扩展的开放式云操作系统。

第三层是应用,形成满足不同行业、不同场景的工业SaaS和工业APP,形成工业互联网平台的最终价值。

在第一层,将采用智能材料包括“智能纤维”“智能蒙皮”“智能涂料”“智能玻璃”“智能皮肤”等具体材料实现万物互联的“入口”、构建智能设备的材料、实现智能制造的物质基础。并通过智能材料获取相关的数据后,并在靠近物或数据源头的网络边缘侧,融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台,就近提供边缘智能服务,满足行业数字化在敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求的边缘计算处理后,获取可以连接物理世界和数字世界的桥梁,打通智能资产、智能网关、智能系统和智能服务之间的通道。边缘计算处于物理实体和工业连接之间,或处于物理实体的顶端。云端计算仍然可以访问边缘计算的历史数据。

在第二层,采用不同信息模型,构建信息传输协议OPC UA,改协议包括了传输协议(支持TCP二进制、Web Service的传输机制)、元信息模型的规则。OPC UA服务集提供连接、属性管理、安全通信服务、浏览等多种与传输通信相关的服务子集。在基础的信息模型中,OPC UA提供了标准的Web服务来访问地址空间里对象的框架,并确保信息传输的安全性。

事实上,无论工业4.0、智能制造还是工业互联网IIoT,信息模型才是关键。例如:针对边缘计算的策略规划,我们需要明确生产线上的数据有什么样的关系?信息应该以什么方式来组织、读取、进行应用操作、显示。为了达到这些目标,必须建立有效的信息模型,这也是OICT融合的关键。在实现互联互通后,如何构建信息模型,与生产流程、分析与优化的应用结合,OPC UA提供了统一的、标准的数据互联接口,这就是IIC的工业物联网参考架构IIRA与工业4.0的RAMI4.0、“中国制造2025”所定义的数字化车间等将OPC UA定义为标准的原因。OPC UA的基础信息模型为访问者提供了访问与操作的标准,是关于数据格式、语义的标准。

在第三层,采用利用三维技术更好地形成AR内容。利用三维设计软件快速形成AR/VR需要的简化模型,就可以使用户的3D CAD模型实现增强现实的体验。系统会生成“标识码”,有了它,任何人都可以利用AR/VR应用程序以沉浸在真实世界中的方式查看模型。AR/VR技术和企业级系统的结合。通过与物联网平台和传统的PLM/SLM等系统进行整合,从而在AR/VR的APP中可以更好地利用三维模型、PLM系统中的BOM和产品信息、SLM系统中的交互式维修手册等。并通过机器人操作系统ROS将无人服务、物流机器人、飞行器及自动驾驶等终端运行起来。

通过工业万物互联的平台,将信息采集、信息传输、终端控制等操作,实现了工业万物互联,并可以通过智能制造与软件定义方式,将所有的过程是并行、并发的,各个环节高度互动和协同,设备是具有状态感知、实时分析、自主决策、精准执行和学习提升特征的智能设备,组织是灵活动态、可以随时重组的组织单元,数据是可以高速、有序、自动流动的数据流,产品是充分满足客户需求的定制化产品。

第一次、第二次工业革命时代,是“零件定义机器”的时代。各个机器零件一旦做出来,就是固定的形态。用这些固定形态的金属零件装配出来的机器,功能是极度刚性的,难以修改和调整。在数字化高度发达的今天,已经迈入了“软件定义机器”的时代,承载了软件的嵌入式系统已经无所不在,软件已经成为机器中的重要一员,成为机器中的“思想者”、“统治者”。通过软件定义制造,是把人类一代一代积累下来的精炼的工业知识,形成数字化的软件,以软件的“赋能和赋智”来不断优化物理世界中的制造资源配置的过程。从而实现“以人为本、智造先行”的理念,将数字化工厂从大到小、自上而下开始拆分,从工厂、到车间、到产线、到生产岛、到单机设备的规划布局;使用自下而上的方式实施,单机设备、单元岛,智造单元、智造生产线、数字化工厂,逐渐嵌套式、单元化处理,这正是体现了智能制造的柔性,充分发挥数字化、网络化的特点。

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