面向工业智能化时代的新一代工业控制体系架构白皮书

面向工业智能化时代的新一代工业控制体系架构 白皮书 目录 01前言01 02工业发展演进的四个时代02 03 工业自动化时代的工业控制体系架构03 3.1.ISA-95工业生产体系架构03 3.2.工业控制系统面临的挑战与机遇04 3.2.1.自动化时代面临的挑战 3.2.2.智能化时代的机遇 04 工业智能化时代的新一代工业控制体系架构09 4.1.工业智能化时代的愿景目标09 4.2.工业智能化时代的OICT融合的生产体系架构10 4.3.工业智能化时代的新一代工业控制体系架构11 4.3.1.开放化的工控架构 4.3.2.网联化的工控架构 4.3.3.协作化的工控架构 4.3.4.智能化的工控架构 05未来展望17 06参考文献19 前言 前言 当前，新一轮科技革命和产业变革蓬勃兴起，新一代的信息技术与工业经济深度融合形成了新兴业态和应用模式，在网络协同制造、大规模个性化定制、远程运维服务等场景上涌现出各种各样的解决方案，比如：围绕制造业供应链协同、企业的柔性制造、重大装备远程运维、生产过程的节能减排等。 作为工业4.0的核心，工业领域的智能化变革却面临诸多挑战。一方面，在企业内，生产运营仍然存在诸多问题，例如：1、如何进一步将AI技术、大数据技术等应用到生产过程中，从而大幅度地提高生产效率、降低生产和建设成本；2、如何应对老龄化，确保老一代工人所掌握的控制、运营和维护方面的知识得以传承，以及如何适应新一代工人知识结构体系变化；3、如何快速响应外部环境变化，实现柔性化生产制造；4、如何摆脱传统控制器厂家的制约，保障生产者的Know-how知识产权得以保护。另一方面，针对生产现场的智能化改造，1、如何打通信息孤岛，实现不同厂家专有系统之间的互联、互通、互操作；2、如何将智能融入到工业生产的过程控制中，实现生产效率质的提升。这些问题仍处于探索当中。 工业生产企业的管理者们希望新的技术能够帮助他们应对这些挑战，传统工业控制架构也需要与时俱进，拥抱AI、大数据分析、物联网等新技术，面向工业智能时代建立新的工业控制体系架构，充分发挥新一代信息技术的赋能效应，提升制造业高端化、智能化、绿色化发展水平，实现企业的业务增长和发展。 01 工业发展演进的四个时代 随着蒸汽机的发明，工业生产从手工作坊进入了机器规模化生产的阶段，工业生产的发展也经历了4个阶段： 18世纪末 20世纪初 20世纪70年代 现在 1784年第一台纺织机 第一次工业革命随着蒸汽驱动的机械制造设备的出现 1870年前一条生产线美国辛辛那提屠宰场 第二次工业革命随着基于劳动分工的、电力驱动的大规模生产 的出现 1959年第一个可编程逻辑控制器PLC 第三次工业革命用电子和IT技术实现制造流程的进一步自动化 2018年，“灯塔工厂”载止2020共54家 工业智能化数字挛生、智能生产 工业自动化无人/少人化生产 工业电气化流水线批量生产 工业机械化机器制造生产 第四次工业革命 系统基于信息物理融合 第一阶段：工业机械化时代。18世纪60年代，资本主义国家基本上完成了农业革命，对工业用品的需求日益扩大，传统手工业生产已经不能满足市场需求。1784年，随着第一台蒸汽驱动的纺织机出现，标志着工业革命的开始，工业生产正式进入机械化时代。 第二阶段：工业电气化时代。19世纪后半期至20世纪初，在劳动分工的基础上，采用电力驱动的制造装备迅速普及，让工业生产以流水线的方式实现产品的规模化批量生产，称为第二次工业革命。 第三阶段：工业自动化时代。自20世纪70年代一直到现在，电子与信息技术的广泛应用，使得制造过程不断实现自动化，通过自动化的产线、装备实现按计划的、规模化的产品生产，这是第三次工业革命。 第四阶段：工业智能化时代。以智能制造为主导的第四次工业革命，融合了更多的信息技术（IT）、人工智能 （AI），和大数据技术（BigData）。新一代的工业生产，不是以“产品”为中心，而是转变为以“客户”为中心。这需要更加智能化的生产过程，传统的面向单一产品大批量重复生产的自动化无法满足这样的诉求。 工业自动化时代的工业控制体系架构 3.1.ISA-95工业生产体系架构 从工业自动化时代开始，工业控制系统在工业领域得到广泛的应用，为了规范工业生产体系的建设，2005年，ISA发布了一套标准，即ANSI/ISA-95.00.03-2005，企业系统与控制系统集成国际标准（theInternationalStandardfortheIntegrationofEnterpriseandControlSystems），通常称作ISA-95，同时也是IEC62264的国际标准。该标准描述了一个从工厂车间现场连接到企业顶层应用的框架，标准的目标是降低在企业系统和制造系统整合过程中的风险，成本和错误。 ISA-95标准定义了企业商业计划（比如SAP、CRM等）和生产控制系统（SCADA/DCS、HMI/PLC等）之间的集成，它主要包括5个层次（Level0~Level4），每一层代表了从工厂车间到集团计划的不同生产层次。 第4层 业务计划及物流 工厂生产排程，运营管理等等 4-创建基本的工厂日程表-生产，原料使用，传送以 及运输。决定库存水平 时间范围 月，周，天 第3层 MOM制造运营管理 生产派发，具体的生产日程表，可靠性保证,.. 3-工作流程/配方控制来生产所需的最终产品，维护 记录并优化生产过程 时间范围 天，班次，小时，分钟，秒 2-监控，监督控制及百动化的控制生产过程 第2层 批次 控制 连续 控制 离散 控制 时间范围 小时，分钟，秒，亚秒 第1层 1-感知生产过程，操纵生产过程 第0层 0-实际的生产过程 在工业自动化时代，企业生产是以产品为中心，以生产计划指导产线生产，ISA-95的5层架构很好地解决了企业运营所需要的从全局运营到车间生产的集成问题。它囊括了对ERP系统的需求，解决了运营绩效数据的搜集问题，并将这一方案快速地落实到生产的实施上；以及如何访问工厂车间的运营信息来更好地预测财务绩效，原材料水平以及其他资产计划日程。 在ISA-95的工业生产控制体系架构中，信息流都是围绕DCS/PLC展开，这样DCS/PLC就成了整个ISA-95工业控制体系架构中的关键节点，因为它控制了生产现场和上层企业信息系统的数据信息流的流转。 3.2.工业控制系统面临的挑战与机遇 3.2.1.自动化时代面临的挑战 与IT领域技术发展日新月异相比，OT领域技术更新周期较长。然而，近年来在智能制造/工业4.0牵引下，OT技术发展较过去二十年相比在速度、广度和深度上都有着较大的发展，但是面临的挑战也更加尖锐。 3.2.1.1.挑战一：工业通信协议七国八制，产生大量信息孤岛 进入工业自动化时代，西方的一些行业先行者依托自身的行业优势，开发了不同的工业通信协议，并逐渐发展成为一个个烟囱式的生态圈，后来者只能遵从这些协议标准。工业界也曾经试图打破这样的壁垒，但是树大根深，在传统的工控体系架构下，这样的壁垒基本没有被打破的可能。据国际电工委员会（IEC）的统计，目前工业通信协议超过5000种，已经在IEC61158标准组织通过，成为被认可的国际标准就超过30种，很难有统一的标准。 主流工业通信标准EtherCAT、PROFINET、POWERLINK等协议虽然是IEC认可的标准协议，但没有完全开放，仍然对用户形成了一定壁垒。 七国八制，烟囱林立 1980s 工业现场总线 2000s 工业以太网1) PROFIBUS总线 Modbus总线 CC-Link总线INTERBUS总线 西门子等1987年推出 施耐德1979年推出 三菱电机1996年推出 菲尼克斯1984年推出 CAN总线 BOSCH公司1986年推出 ProfiNet ModbusTCP/IPCC-LinkIEEthernet/IPPowerlinkEtherCAT 西门子2001年推出 由Modbus演进而来(1996) 三菱电机等2008年推出ODVA与 CNI2)两大工业组织推出(2000) 贝加莱公司2001年推出 DeviceNet AllenBradlev1994年推出 Beckoff公司2003年推出 实现双向串行、多点连接，但存在带宽低、距离短、抗千扰能 力较差等问题 拥有低成本、高效通信及灵活的网络拓扑扩展能力，但链路 层和应用层采用技术不同，互联互通性差 30+ 总线协议 兼容性不足，互联互通性差的问题一直存在 90年代末，随着以太网技术日趋成熟，传统的这些通信协议提供者通过在IEEE802.3标准以太网上修改MAC层或在MAC层之上增加一些特定协议机制（如时间调度、通信优先级、时钟同步等），以满足工业现场应用所需的实时性和确定性通信要求。传统的工业总线升级到工业以太网，但工业通信生态的壁垒依旧如故。 3.2.1.2.挑战二：PLC亟需加快升级 自从进入工业自动化时代以来，近半个世纪，PLC控制器不管是PLC的硬件架构还是软件体系，都没有发生本质的变化。但是从ISA-95的5层架构体系的角度看，这个世界也发生了巨大的变化，工业领域也正在变革之中。 纵向控制 信息集成 L5BI/BO 算力扩张 L4 ERP 算力扩张 L3生产管理层（MES） 产品全生命周期 技术集成 L2 过程控制层（PCS） 瓶颈制约 L1 设备控制层（PLC） 瓶颈制约 数据膨胀 L0 设备层 数据膨胀 横向过程工艺技术集成 在金字塔的顶部，企业资源层、生产管理层，随着云计算、云平台的发展，传统的OA系统、ERP系统，包括MES系统开始逐渐云化，不再以垂直的烟囱体系存在，而是立足于大数据湖，基于统一的数据做分析，生产计划制定等。智能制造的发展，正在驱动上层的算力扩张。 在生产现场，根据摩尔定律的发展，芯片、存储器等技术得到了飞速的进步；芯片集成度越来越高，功能越来越强大，存储器的容量也越来越大，但是功耗越来越小。这些技术的进步都给装备/终端的智能化带来了可能，并且事实上也出现了很多融合机器视觉、融合AI能力的装备/终端。数字孪生在生产线精益运营方面的应用，带来工业现场数据量的快速膨胀。 随着智能化应用场景越来越丰富，对于通信、控制都提出了更多的需求，算力、数据已经成为新的工业控制体系架构下信息流转的核心，现行ISA-95架构中的PLC控制层近半个世纪的架构，已经难以满足“算力下得来，数据上得去”的需求。 3.2.1.3.挑战三：工业控制体系的自主可控 工信部发布《“十四五”软件和信息技术服务业发展规划》，明确指出要大力发展PLC产业，加快在重点行业的集成应用。据立鼎产业研究网的数据，2022年我国PLC市场规模超过166亿[20]。但是国产品牌的PLC在国内PLC市场份额所占比例很小，一直没有形成产业化规模。 2022年我国PLC市场的竞争格局 其他9.9% 松下2.0% 无锡信捷2.8% 施耐德3.6% 台达4.6% 汇川5.5% 西门子47.3% 罗克韦尔6.0% 三菱6.2% 欧姆龙12.0% 目前我国PLC自主可控还有非常重要的一环有待突破：以PLC工控开发软件和工业通信协议为核心的工控软件体系。传统欧美的工控厂家利用了工业化起步早的优势，在工业领域形成了封闭的生态圈，比如：西门子的PROFIBUS/-PROFINET、罗克韦尔的EtherNet/IP、施耐德的Modbus等等。这些协议虽然是IEC认可的标准协议，但没有完全开放，仍然对用户形成了一定壁垒。 ERP IEC61131-3 Codesys SCADA /HMI EtherCAT ProfiNet 工控开发软件 PLCs 工业以太协议 Field MES 工控护城河体系 在工控开发软件方面，德国的Codesys占据了市场的主流份额，国内很多工业自动化领域的企业还未能实现工控开发软件的完全自主可控。 3.2.2.智能化时代的机遇 随着物联