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013.1. ISA-95工业生产体系架构3.2. 工业控制系统面临的挑战与机遇01020309171903前言02工业发展演进的四个时代05未来展望06参考文献工业自动化时代的工业控制体系架构3.2.1. 自动化时代面临的挑战3.2.2. 智能化时代的机遇4.1. 工业智能化时代的愿景目标 4.2. 工业智能化时代的OICT融合的生产体系架构 4.3. 工业智能化时代的新一代工业控制体系架构091011030404工业智能化时代的新一代工业控制体系架构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 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：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。18世纪末1784年第一台纺织机第一次工业革命20世纪初20世纪70年代现在随着蒸汽驱动的机械制造设备的出现工业机械化机器制造生产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工业电气化流水线批量生产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工业自动化无人/少人化生产2018年，“灯塔工厂”载止2020共54家第四次工业革命系统基于信息物理融合工业智能化数字挛生、智能生产02工业发展演进的四个时代 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（the International Standard for the Integration of Enterprise and Control Systems），通常称作 ISA-95，同时也是 IEC 62264 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。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1- 感知生产过程，操纵生产过程0- 实际的生产过程时间范围小时，分钟，秒，亚秒第0层第1层第2层第3层第4层业务计划及物流工厂生产排程，运营管理等等批次控制连续控制离散控制MOM制造运营管理生产派发，具体的生产日程表，可靠性保证,..03工业自动化时代的工业控制体系架构 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。工业现场总线工业以太网1)1980s2000sPROFIBUS 总线ProfiNetModbusTCP/IPCC-Link IEEthernet/IPPowerlinkEtherCATModbus 总线CAN 总线DeviceNetCC-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BOSCH 公司 1986 年推出Allen Bradlev 1994 年推出西门子 2001 年推出由 Modbus 演进而来 (1996)贝加莱公司 2001 年推出Beckoff 公司 2003 年推出三菱电机等 2008 年推出 ODVA 与CNI2)两大工业组织推出 (2000)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，互联互通性差总线协议30+兼容性不足，互联互通性差的问题一直存在七国八制，烟囱林立04工业自动化时代的工业控制体系架构 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IEEE 802.3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。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。算力扩张纵向控制信息集成产品全生命周期技术集成横向过程工艺技术集成算力扩张数据膨胀瓶颈制约瓶颈制约数据膨胀L5L4L3L2L1L0BI/BOERP生产管理层（MES）过程控制层（PCS）设备控制层（PLC）设备层05工业自动化时代的工业控制体系架构 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。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网、大数据、AI等技术的发展，工业发展也进入一个新赛道。中国是制造业大国，越来越多的企业开始重视工业现场的数字化、智能化改造，期望在时代变革的时候，能够持续提升生产率，实现自身的商业诉求。3.2.2.1. 机遇一：工业生产者希望能持续提升数字化转型收益工业数字化转型应该包括两个方面，一方面要从运营层面打通横向的数据流，结构化地提升运营效率，提升服务体验；另一方面要从生产层面打通纵向数据流，使能生产流程的智能化，让数据服务于生产过程，提升生产效率。三菱 6.2%罗克韦尔 6.0%汇川 5.5%台达 4.6%施耐