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发表于 2016/11/7 11:53:31

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标签: 智能工厂

未来的智能工厂

  当今天谈到的工业网络,世界各地的许多工厂和过程控制设施都集中在网络升级到可管理的以太网。随着工业设备的长寿命使用,现役很多老设备仍使用传统的工业协议。事实上,我们的很多业务都涉及到帮助企业升级为结构化、可靠和易于维护的工业以太网基础设施。
  给出这样的现实是有益的,从目前的挑战来看也只有一步之遥,并可以展望未来的工厂。5-20年后的工业生产看起来将是什么样?我们需要了解工厂往什么方向走才能指导我们今天的决定。我们的工厂如何使用下一代通信系统和全新的概念进行竞争?如何适应工业物联网?
  让我们来看看智能工厂是什么,它的通信系统有什么特点。


  未来的智能工厂会比目前使用的系统更智能、更灵活和更动态。


  定义智能工厂
  术语“智能制造”,“智能工厂”和“未来工厂”,所有这些都描述了一种工业生产在未来的愿景。
  在这一愿景中,智能工厂将更加智能、灵活和动态。
  制造工艺的组织将不同,会与整个生产链协同 -- 从供应商到物流到产品的生命周期管理 -- 跨越企业的各个部门紧密相连。
  各个生产步骤将实现无缝连接。影响的过程将包括:
  ●工厂和生产规划;
  ●产品开发;
  ●物流;
  ●企业资源规划(ERP);
  ●制造执行系统(MES);
  ●控制技术;
  ?现场的各个传感器和执行器。
  在智能工厂里,机器和设备将具有提升的自我优化和自主决策的能力。这与今天运行固定程序操作的情况形成了鲜明的对比。


  图1:未来的智能工厂基于第四次工业革命 – 工业4.0以及以使用网络物理系统(CPS)为中心。


  未来工业网络解决方案的主要特点
  要做到这一点,工厂的未来结构将有很大的改变:一种结合智能化生产技术的相互连接,具有最新的高性能信息和通信技术。
  这将提供数字化集成工程和跨越整个价值链的横向集成,以及垂直集成和跨越所有生产等级的连接。
  高性能、可靠的通信技术将超越目前使用的情况。这一技术将有可能:
  ●以实时和最小延迟传输大量的数据;
  ●用一种非常可靠的方式和用最高标准的数据安全,连接大量的各种设备;
  ●利用越来越多的无线技术,无论在工厂内还是在远程连接;
  ●以能量高效的方式运行系统。
  是不是听起来很美好?你现在可能感觉似乎不现实,但我们希望,一旦我们改进了智能工厂的通信组件,你就可以看到:它是可以实现的。
  未来工业自动化系统的结构
  今天的工业自动化系统包括多个明显分开的层级,通常表示为一个金字塔:
  ●现场级的执行器和传感器;
  ●控制级的控制设备、I / O模块和操作员终端;
  ●过程管理级,有用于工程、监视控制和数据采集(SCADA)和MES系统的计算机;
  ●企业级,有业务流程和ERP系统,通常是位于IT数据中心的服务器。
  每个级别有相对良好的结构,并且各个设备可以清楚地映射到一个级别。 


  图2:在未来工厂,现场级仍然非常明显,但其他级别会迁移到服务器群或者云中。


  随着工业4.0的发展,系统结构会发生变化。现场级仍然是一个分开专用的级,和现在的情况一样,但上面的设备将嵌入越来越多的智能。作为网络物理系统的部分,他们会自动完成许多程序。现场级设备的数量也将显著增加。
  现场级上面所有的功能将有可能转移到服务器集群、数据中心或者“云”。虚拟化,特定功能和处理硬件的分离,这已经在IT世界中实现了,今后也将成为工厂中的普遍做法。
  这种结构的优点是:减少了各种装置,更容易管理,更好地利用资源,并明显节约成本。
  这种方法现在还没有在自动化中采用,因为涉及到性能、需要的确定性、可靠性,以及缺乏从服务器到现场级的快速、低延迟的通信。然而,这些问题将在新的和今后推出的系统中得到解决。
  网络物理系统的例子
  由于工业4.0建立在网络物理系统上,让我们花一点时间来看看他们。
  一个网站描述他们为:
  “... ..计算、网络和物理过程的集成。嵌入式计算机和网络监视和控制的物理过程,具有反馈回路,物理过程影响计算,反之亦然。”
  今天这样系统的一个例子是麻省理工学院(MIT)的卡特尔(CarTel)项目,出租车队实时收集波士顿地区的路况信息。该信息结合历史数据来计算一天中特定时间的最快路线。
  你熟悉的另一个例子可能是智能电网。它的一种定义,基于美国能源部的工作,就是:
  “使用信息和通信技术,以自动的方式来收集和作用于信息的现代化电网......以提高电力生产和输配的效率、可靠性、经济性和可持续性。”
  最后,讨论一个工厂为不断变化系统的例子,当车辆装配线不运行时,能量消耗应减少。今天,许多生产线在休息时间和周末继续运行。考虑激光焊接技术,在周末保持上电状态,因此它在周一可以迅速恢复。这种做法消耗了组装线总能源消耗的12%。
  在工业4.0和网络物理系统中,在短期生产中断和在电源长时间掉电时,机器人将进入待机模式。速度控制电机,将会广泛减少运行机器所需的能源。这种变化将显著减少能源消耗,并会考虑前面的内容作为智能工厂设计实践的一部分。
  工厂局域网的通信
  这篇文章的下一个内容将着眼于为实现未来工厂愿景,提出生产现场局域网的要求和解决方案。
  你怎么看待智能厂?愿景是否能够实现?这是正确的愿景吗?我们想这个问题的回答应该是见仁见智的。
  今年早些时候,我们发表了对于未来智能工厂的第一篇文章。它描述了制造业的愿景,系统更加智能、灵活和动态。在未来,机械和设备将具有改进的自我优化和自主决策能力。这与今天运行固定程序的操作情况具有明显的差别。
  工业自动化系统的结构也将发生变化。仍会有一个带执行器和传感器的分开专用现场级,但从长远来看,上面的很多功能可能会移动到位于服务器集或者“云”的高性能服务器中。
  “网络物理”系统是非常重要的,具有反馈回路,物理过程影响着运营程序,反之亦然。网络物理系统的一个例子是智能电网,其目的是通过收集数千个数据点,并使用软件管理工具作用于它们,以改善电网系统的可靠性和效率。
  现在让我们来考虑制造业局域网(LAN)和通信系统。它需要如何改变才能实现智能工厂的愿景? 
  未来的智能工厂将比目前使用的系统更智能、灵活和动态。


  图片来源:BMWblog.com。


  大数量的连接设备使用工业以太网协议
  在未来的智能工厂网络中,连接设备的数量将明显高于今天。这是因为对相关的过程,有必要收集尽可能多的实时数据。据估计,连接设备的数量将增加一倍或两倍。
  我们面临的挑战是:以简单、高性价比的方式,在现场级连接大量的设备。当然,仍然需要满足对性能和可靠性的要求。
  现场总线的使用将会显著减少,让位于以太网一致和统一的通信。所有的通信将基于IP协议族,以太网将是底层的通信协议,而不管连接是有线还是无线的。
  星型网络拓扑的使用会增加
  作为今天的最佳实践,具有大数量设备的未来网络应该是分层的,这样可以简化网络的管理和运营。现场级应分段成可管理的通信小区,例如按照生产单元,或按照其它逻辑的或物理的单元。与今天的差别是在小区中产生的数据量将显著高于现在。
  该网络会仍然使用星型、线型或环形拓扑,或混合。星形拓扑的使用会增加,因为它们具有某些优势 -- 例如更低的延迟和更高的可靠性 -- 相比于其它拓扑。
  星型拓扑结构的缺点是交换机的故障会断开所有连接的设备。然而,模拟实验清楚地表明:一台容量较大的交换机具有一较高水平的可靠性 -- 更确切地说,就是有一个更高的平均无故障时间(MTBF) -- 相比于一个包括许多级联、小型交换机的系统。这就是为什么今天的数据中心都使用星型拓扑结构的原因。
  也会使用线型或环形,因为某些拓扑结构可能在布线上有优势。此外,使用的结构会越来越复杂,例如扩展的网状网拓扑将增加。由于采用了新协议,这些网络将需要更少的管理力度。 


  未来的智能工厂今天将使用为我们所熟悉的网络拓扑结构,但具有更大的连接设备数量,并产生更大的数据量。


  有线还是无线?
  未来,所有设备都用电缆和电线连接还是将一切用无线连接?在过去的工业应用中,通信几乎完全都基于有线网络。
  然而,近年来无线系统已经得到越来越多地使用。他们已经在非关键的工业应用中经常使用,如配置和监视,外围设备的数据传输和工作人员的移动应用。
  使用无线电的挑战是:它是一种“共享媒体”,即所有的设备共享某个频率范围。如果一个设备正在传输,该通信通道就为忙。无线电通信也很容易出错。其它无线电系统,其他电磁影响或物体可以影响发送,显著恶化质量、带宽和延迟。
  数据包的零星损失是在某些无线电系统的规范,必须由应用程序进行处理。这是以吞吐量和延迟作为代价。虽然这在企业无线部署的环境中是可以接受的(如在办公室和业务部门),而工业无线产品需要从底层进行可靠与性能的设计。
  精心设计的工业无线产品目前采用的技术有:
  ●在危险环境下的增强的静电放电(ESD)保护;
  ●为网络快速重新配置和服务保证的无线网状网技术;
  ●为无线通信的冗余协议,如并行冗余协议(PRP)。
  这些智能技术可以帮助工业无线应用适应无线信道的性能问题,并提供更可靠的系统。
  尽管如此,可靠性要求将会在智能工厂推动通信技术中有线或无线的选择。广泛使用有线通信是可以预期的,但无线连接部署的灵活性将驱动合用工业无线产品越来越多的应用。
  束语
  在文就未来智能工厂中网络系统的通信要求和解决方案提出了一个初步的实现愿景。
  你怎么看待智能工厂?你正采取哪些措施来实现它?期待你的思考和行动。

系统分类: 工业无线   |   用户分类: 工业网络   |   来源: 原创

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