_集散控制与现场总线

工业4.0时代的工业控制网络

王彤

（哈尔滨工业大学（威海）信息与电气工程学院 威海 264200）

摘 要：德国自2013年正式提出“工业4.0”战略以来，加紧将信息通信技术应用到工业生产中，建立信息物理系统（CPS），通过智能工厂和智能生产，对工业产品制造、物流管理等各个环节进行智能化全程控制，以促进工业生产的智能化、数字化、网络化和服务化发展，并催生出新型商业模式和生产方式。目前，中国工业存在要素成本上升迅速、产能过剩矛盾突出、国际产业链低端锁定等诸多难题，有必要借鉴德国工业4.0战略的基本思路和实施机制，借助于正在迅速发展的新产业革命的技术成果，加快推进工业生产制造方式、产业组织和商业模式等方面的创新，加快促进工业生产的全面转型升级。 关键词：德国工业4.0；工业控制网络；智能工厂；前景发展；中国工业的发展升级 中图分类号：TP391 文献标识码：A 国家标准学科分类代码：

Industrial control network developing in the age of industrial 4.0

Wangtong

（Academy of electronic information and electrical engineering, Harbin Institute of Technology , Weihai 264200，China）

Abstract： Since 2013，Germany officially has proposed the \

communication technology to industrial production, the establishment of information system (CPS), through intelligent plant and intelligent production, manufacturing, logistics management and other aspects of intelligent full control, to promote manufacturing intelligent, digital, network and service development, and spawned a new business model and production mode. Mechanism, with the rapid development of the new industrial revolution of technological achievements, accelerates industrial production and manufacturing, industrial organization and business model and other aspects of innovation, and the transformation and upgrading of industrial production.

Key words：medical optics; photoacoustic imaging method; compressed sensing; multi-angle observation; measurement matrix;

reconstruction algorithm

1 引言

什么是“工业4.0”？

由以电子信息技术为核心的的第三次工业革命发展而来的第四次工业革命理念“工业4.0”，是德国联邦教研部及联邦经济技术部2013年汉诺威工业博览会上提出的新概念。“工业4.0”是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。第三次工业革命将工业模拟化发展成为成熟的工业自动化，而第四次工业革命-“工业4.0”将会把工业自动化带向工业智能化的发展，其前后对比如图1所示。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络虚拟技术---信息物理系统相结合的手段，将工业向智能化转型，以“智能工厂”和 “智能生产”实现工业设计、生产、运营及服务的全方位系统整合。

“工业4.0”包括将虚拟网络-实体物理系统技术一体化应用于工业生产过程中使用物联网和服务技术。这将对价值创造、商业模式、下游服务和工作组织产生影响。“工业4.0”将是一种新的工业生产方式，一种新的工业生产模式，它将提供一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务。它的提出是多种理念的综合，它的创造是建立在这些理论的基础上并对之进一步地创新，是对以往柔性制造系统FMS，计算机集成制造系统CIMS、敏捷制造、精益生产等的部分理念的继承，但在系统实践上做出了不同的改进。和以往生产方式相比，这样在后续的流水线上，用户的个性化需求定制生产选项变可直接应用起来，用户能够直接参与到生产当中去。

在了解“工业4.0”的基本概念后我们能够归纳出“工业4.0”是在工业自动化的基础上，引进物联网和服务网的概念，使在实验室里的人、工件和机器之间能够互相交流。工业控制系统通过先进的控制策略与

收稿日期：2015年10月20日；收到修改稿日期：年-月-日

服务软件，将这里的硬件设备进行集成，实现了人、加工件与机器的只能通讯与协同工作。这就让我们需要以强大的工业控制网络作为技术支撑，实现工业生产线上的高度自动化、智能化、一体化。而工业控制网络优点众多，它具有实现互连设备间、系统间的信息传递与沟通的互操作性；具有可以与世界任何地方遵守同标准的其他设备连接的系统开放性；工业控制网络还可以与红外线、电力线、同轴电缆等很多设备合作，这使得它可以适应不同的现场环境；还有一个明显的特点就是通信实时性，能提供相对应的实时通信，具有时间管理功能。工业网络具有很高的公开性，对于通信协议的要求也很高。它的运作主要是把现成的设备之间的信息可以自由交流，这样就更容易完成控制系统的任务，完成速度更快。

目前，中国工业存在要素成本上升迅速、产能过剩矛盾突出、国际产业链低端锁定等诸多难题，有必要借鉴德国工业4.0战略的基本思路和实施机制，借助于正在迅速发展的新产业革命的技术成果，加快推进制造业生产制造方式、产业组织和商业模式等方面的创新，加快促进制造业的全面转型升级。加紧将信息通信技术应用到工业生产中，建立信息物理系统， 通过智能工厂和智能生产，对工业产品制造、物流管理等各个环节进行智能化全程控制，以促进制造业的智能化、数字化、网络化和服务化发展，并催生出新型商业模式和生产方式。

“工业4.0”概念引进，使工业控制网络运用成熟后，人类将会迎来以信息物理系统(CPS)为基础，打通所有生产环节的数据壁垒，工业控制网络掌控一切。旨在提升工业生产的智能化水平，建立具有适应性、 资源敁率及人因工程学的智慧工厂。技术基础是网络实体系统及物联网在“工业4.0”概念下工业控制网络的生产线是更加灵活和柔性的，在产品生产过程中支持在线客户化定制生产，生产工艺与混流排序等都可以根据客户需求实时 变化，是一个高度融合个性化生产与服务的工业产品制造新模式。

本文将对在“工业4.0”大环境下为何要将工业控制网络充分运用进一步地系统化分析概括，在“工业4.0”的四大主题即智能工厂、智能生产、智能物流、智能服务之下，其中的智能工厂的建立是未来智能基础设施的关键组成部分，重点在于智能化生产系统及过程以及网络化分布生产设施的实现。本文也将从“工业4.0”的行业现状到中国工业向工业4.0的转型进行简单的叙述。得出完善的技术创新平台和统一的工业制造业标准以及建立起有本国工业特色的工业控制网络，充分发挥人力资源潜力等值得中国借鉴的结论未来中国会将智能化、数字化和服务化作为工业发展的

基本方向。

图1 两次工业革命的对比

Fig. 1 the contrast of the industrial revolution

2 将工业4.0运用到工业控制网络 长期以来，德国在工业化发展过程中十分重视控制

技术和控制系统的研发及应用，同时强调高度专业化管理在复杂工业生产系统和控制网络中的应用，这是德国工业在世界上颇具竞争力的一个重要原因。沃道里斯等指出，在新一轮产业革命和信息技术得到迅速发展及广泛应用的新条件下，德国积极将先进适用的信息技术应用于机械和装备制造业，在嵌入式系统和自动化工程领域获得了显著成效。伴随着新一代信息网络技术和数字化、智能化技术的发展及应用，德国基于其工业的独特优势和发展基础，提出了“4.0”这一新的制造 业发展战略，以求实现制造业新的转型升级和国际竞争力不断提升，继续保持德国作为世界制造业强国的地位。

那么我们如何将“工业4.0”的概念运用投入到中国工业化生产中去呢？

所谓工业“4.0”是指以全方位的网络化、智能化、绿色化代表的新工业革命，是继机械化、电气化、信息化之后第四次工业革命；在中国，不同的领域的学者们有对此各有见解。李杰认为德国4.0战略包含“5C”结构，分别是正在积极做试点的网络化，由数据到信息化的转变，虚拟网 络化管理，问题识别和决策和装备重组，它们共同构成德国工业4.0战略的基本内容；徐莉认为，德国工业4.0主要具有三个层次：一是垂直一体化，通过物联网、信息物理系统，把设备和生产系统及业务系统打开；二是网络技术的全程化应用，将网络技术应用到产品的全部生命周期中，包括设计、生产、运营及服务等各个环节；三是实现互联网经济和合作伙伴的“全维度”融合，企业要同供应商、客户及合作伙伴实现融合。

综合相关内容，本文认为，德国工业4.0主要包含以下几方面的涵义。首先，它是第三次工业革命的重要

组成部分。信息技术的广泛应用作为第三次工业革命的核心内容，使得工业生产进一步趋向智能化、个性化、数字化，而德 国工业4.0的关键技术是信息通信技术（ICT），包括联网设备自动协调技术M2M（machine to machine）、企业资源计划、产品生命周期管理与供应链管理的大数据联动系统等。德国工业4.0在很大程度上是信息技术在工业上的更深层次的应用，是第三次工业革命的重要组成部分。其次，德国工业4.0战略的核心是构建信息物理系统(CPS)。信息物理系统包括智能机器、存储系统和生产设施等，它们自动交换信息、 触发动作和控制，从入厂物流到生产、销售、出厂物流和服务等各个环节，实现数字化和端到端集成,要实现这一系统的建立，就不得不依赖于工业控制网络，构建集网络、计算和物理环境于一体的多维复杂系统，通过三者有机融合与深度协作，实现制造工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。由此从根本上改善了工业制造过程，这样不仅可整合制造过程以灵活配置资源，还可提供更加差异化管理以不断拓展机会。再次，德国工业4.0的两大主题是“智能工厂”和“智能生产”。前者主要涉及智能化生产系统、过程以及网络化分布式生产设施的实现。

在这里我们以德国西门子工业4.0战略为例。如图二所示，在提出的工业4.0战略中，西门子利用工业控制网络的互联性，将生产线的各个环节连接在一起形成网络化分布式生产设施，构建起了一个智能化的工厂。实现互连设备间、系统间的信息传递与沟通的互操作，系统开放并遵守同标准的其它设备连接，工业控制网络的实时通信性使得工厂具备时间管理功能。

图2 西门子工业4.0战略-基于信息物理融合系统的数

字化生产模式

Fig. 2 Siemens industrial 4.0 strategy - based on information fusion physics system model of digital production 在智能工厂中生产的每一件新品，都拥有自己的数据

信息，数据在研收、生产、物流的各环节不断丰富，实时保存在一个数据平台中。基于这一数据基础，ERP、PLM、MES、控制系统以及供应链管理实现信息互联。 工厂采用了西门子PLM(全生命周期管理) 软件，通过虚拟化的产品规划和设计，实现信息无缝互联。工厂采用了西门子PLM(全生命周期管理) 软件，通过虚拟化的产品规划和设计，实现信息无缝互联。利用制造执行系统 SIMATIC IT和全集成自动化解决方案(TIA)， 将产品和生产生命周期进行集成，缩短产品上市旪间。其设计还赋予工厂灵活性，可满足不同产 品的混合生产，并为将来的产能调整做出合理规划。

3 工业4.0之下的工业控制网络的发展前景

3.1 工业4.0国内行业现状

据GE预测未来工业4.0有望影响46%(约$32.3万亿)的全球经济。在中国，据工信部和相关权威机构估计，在未来20年中，中国在工业4.0领域的发展至少可带来$3万亿的GDP增量。在不同国家，如图三，对工业4.0的概念不同但都强调了以互联网为核心的控制网络的建立与传统工业的融合。

图3 不同国家将互联网与各工业品牌的结合 Fig. 3 the combination of the Internet and various industrial

brand in different countries

而随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的工业控制领域正经历着前所未有的变革，向网络化方向发展，如今流行的现场总线控制系统受到诸如图像、语音信号灯大数据量、高速率传输的要求，

催生了以太网与工业控制网络的结合，这股工业控制网络化浪潮将多标准工业控制网络互联、五练技术等多种当今流星技术融合进来，拓宽了工业控制领域的发展空间，带来了新的发展机遇。中国虽已是工业大国，但远不是工业强国，处于产业价值链低端，面临要素成本上涨、产能过剩矛盾突出、市场竞争加剧、环境污染严重、转型升级步伐缓慢等诸多矛盾和难题

。从外部竞争环境看，一场影响深远的新产业革命正在孕育发生之中，新一轮全球产业深刻变革正在加速推进；与此同时，发达国家纷纷实施“再工业化” 战略，重点发展高端共业，以期在未来国际经济竞争中占据有利地位。面对国内外产业发展条件和竞争环境的 变化，借鉴德国工业4.0战略，加快推进中国工业转型升级步伐，显得尤为必要和迫切。

图4 各国在制造业产业链现状

Fig. 4 the present situation of manufacturing industrial chain

3.2 工业4.0背景下中国工业控制网络的未来发展 2015年5月19日，经李克强总理签批，中国国务院印发《中国制造2025》，部署全面推进实施制造强国战略。 这是中国实现制造强国战略首个十年的行动纲领。报告明确，智能制造是未来制造业发展的重点方向。也就是说我们将会推进信息化与工业化深度融合，建立起一个更为强大的工业控制网络，强化工业基础能力，完成中国工业制造由自动化向智能化的过渡。 现如今各大小企业的经营方式随着互联网和其相关技术的出现和发展，已经被改变了很多，它使信息通信环绕在整个社会生活中，并在很大的范围内得以贯穿，世界上有文明的地方就有工业控制网络。在一些领域里，例如办公自动化领域里，办公设备中出现了互联网技术的支持。除此之外，在制造加工工业中，在互联网的基础上，开放式的、透明的商业运作是新技术的发展方向。例如，在汽车组装生产线上，一名工人和一只机器人同坐在车身里就可以完成组装需要的各类操作。生产系统由一些具有社会性的机器运作，与控制网络平台自动连接，寻找能够解决不同问题的专家。专家则掌握着全套维修技术及虚拟工具。机器人自动整合所有信息以不断完善自己的性能。

在未来我们可以预想这样的情景，一条流水线上所生产的产品都可以各不相同，每个加工工件都携带

了电子标签，内置了所有用户定制化的加工任务，可自行与机器人、机床等加工设备进行通讯，完成既定的加工任务，并可智能检测产品质量。这种方式改变了原有大规模的批量生产、大规模有限定制，实现了大规模的个性化定制。

4 结论

目前，中国虽然也建立起相对完整的工业体系，其

工业控制系统网络技术也发展相对较为成熟，但主要产业的产业链不完整，智能化、数字化应用水平偏低。应借鉴德国工业4.0战略的思路，在区域层面，打造具有较强竞争力和影响力的工业产业集群，特别注重对智能产业集群的培育；在产业层面，打造网络型、智能化、数字化生产制造方式与产业运行新模式；在产业链层面，继续强化企业创新和竞争力提升，加快从现有产业链低端向中高端跃升，同时把握全球产业分工和价值链重组的新趋势，扬长补短，深度嵌入，向国际产业链中高端跃升。

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