面向工業(yè)智能化時(shí)代的新一代工業(yè)控制體系架構(gòu)白皮書

面向工業(yè)智能化時(shí)代的

新一代工業(yè)控制體系架構(gòu)

白皮書

目錄

01前言01

02工業(yè)發(fā)展演進(jìn)的四個(gè)時(shí)代02

工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代的工業(yè)控制體系架構(gòu)03

033.1.ISA-95工業(yè)生產(chǎn)體系架構(gòu)03

3.2.工業(yè)控制系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇04

3.2.1.自動(dòng)化時(shí)代面臨的挑戰(zhàn)

3.2.2.智能化時(shí)代的機(jī)遇

工業(yè)智能化時(shí)代的新一代工業(yè)控制體系架構(gòu)09

044.1.工業(yè)智能化時(shí)代的愿景目標(biāo)09

4.2.工業(yè)智能化時(shí)代的OICT融合的生產(chǎn)體系架構(gòu)10

4.3.工業(yè)智能化時(shí)代的新一代工業(yè)控制體系架構(gòu)11

4.3.1.開放化的工控架構(gòu)

4.3.2.網(wǎng)聯(lián)化的工控架構(gòu)

4.3.3.協(xié)作化的工控架構(gòu)

4.3.4.智能化的工控架構(gòu)

05未來展望17

06參考文獻(xiàn)19

前言

前言

當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃興起，新一代的信息技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合形成了新興業(yè)態(tài)和應(yīng)用模式，在

網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造、大規(guī)模個(gè)性化定制、遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)等場(chǎng)景上涌現(xiàn)出各種各樣的解決方案，比如：圍繞制造業(yè)供應(yīng)鏈協(xié)同、

企業(yè)的柔性制造、重大裝備遠(yuǎn)程運(yùn)維、生產(chǎn)過程的節(jié)能減排等。

作為工業(yè)4.0的核心，工業(yè)領(lǐng)域的智能化變革卻面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面，在企業(yè)內(nèi)，生產(chǎn)運(yùn)營仍然存在諸多問題，例

如：1、如何進(jìn)一步將AI技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等應(yīng)用到生產(chǎn)過程中，從而大幅度地提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)和建設(shè)成本；2、

如何應(yīng)對(duì)老齡化，確保老一代工人所掌握的控制、運(yùn)營和維護(hù)方面的知識(shí)得以傳承，以及如何適應(yīng)新一代工人知識(shí)結(jié)構(gòu)體

系變化；3、如何快速響應(yīng)外部環(huán)境變化，實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)制造；4、如何擺脫傳統(tǒng)控制器廠家的制約，保障生產(chǎn)者的

Know-how知識(shí)產(chǎn)權(quán)得以保護(hù)。另一方面，針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的智能化改造，1、如何打通信息孤島，實(shí)現(xiàn)不同廠家專有系統(tǒng)

之間的互聯(lián)、互通、互操作；2、如何將智能融入到工業(yè)生產(chǎn)的過程控制中，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率質(zhì)的提升。這些問題仍處于探

索當(dāng)中。

工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的管理者們希望新的技術(shù)能夠幫助他們應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)工業(yè)控制架構(gòu)也需要與時(shí)俱進(jìn)，擁抱AI、大

數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，面向工業(yè)智能時(shí)代建立新的工業(yè)控制體系架構(gòu)，充分發(fā)揮新一代信息技術(shù)的賦能效應(yīng)，提升

制造業(yè)高端化、智能化、綠色化發(fā)展水平，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)和發(fā)展。

01

工業(yè)發(fā)展演進(jìn)的四個(gè)時(shí)代

工業(yè)發(fā)展演進(jìn)的四個(gè)時(shí)代

隨著蒸汽機(jī)的發(fā)明，工業(yè)生產(chǎn)從手工作坊進(jìn)入了機(jī)器規(guī)?；a(chǎn)的階段，工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展也經(jīng)歷了4個(gè)階段：

18世紀(jì)末20世紀(jì)初20世紀(jì)70年代現(xiàn)在

2018年，“燈塔工廠”

載止2020共54家

1959年第一個(gè)可編程

邏輯控制器PLC第四次工業(yè)革命

第三次工業(yè)革命系統(tǒng)基于信息物理融合

1870年前一條生產(chǎn)線用電子和IT技術(shù)實(shí)現(xiàn)

美國辛辛那提屠宰場(chǎng)

制造流程的進(jìn)一步自

第二次工業(yè)革命

1784年第一臺(tái)紡織機(jī)動(dòng)化

隨著基于勞動(dòng)分工的、

第一次工業(yè)革命

電力驅(qū)動(dòng)的大規(guī)模生產(chǎn)

隨著蒸汽驅(qū)動(dòng)的機(jī)械

的出現(xiàn)

制造設(shè)備的出現(xiàn)

工業(yè)機(jī)械化機(jī)器工業(yè)電氣化流水工業(yè)自動(dòng)化無人/工業(yè)智能化數(shù)字?jǐn)伾?/p>

制造生產(chǎn)線批量生產(chǎn)少人化生產(chǎn)智能生產(chǎn)

第一階段：工業(yè)機(jī)械化時(shí)代。18世紀(jì)60年代，資本主義國家基本上完成了農(nóng)業(yè)革命，對(duì)工業(yè)用品的需求日益擴(kuò)大，傳

統(tǒng)手工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)需求。1784年，隨著第一臺(tái)蒸汽驅(qū)動(dòng)的紡織機(jī)出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)革命的開始，工業(yè)生產(chǎn)正

式進(jìn)入機(jī)械化時(shí)代。

第二階段：工業(yè)電氣化時(shí)代。19世紀(jì)后半期至20世紀(jì)初，在勞動(dòng)分工的基礎(chǔ)上，采用電力驅(qū)動(dòng)的制造裝備迅速普及，

讓工業(yè)生產(chǎn)以流水線的方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)模化批量生產(chǎn)，稱為第二次工業(yè)革命。

第三階段：工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代。自20世紀(jì)70年代一直到現(xiàn)在，電子與信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得制造過程不斷實(shí)現(xiàn)自動(dòng)

化，通過自動(dòng)化的產(chǎn)線、裝備實(shí)現(xiàn)按計(jì)劃的、規(guī)模化的產(chǎn)品生產(chǎn)，這是第三次工業(yè)革命。

第四階段：工業(yè)智能化時(shí)代。以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，融合了更多的信息技術(shù)（IT）、人工智能

（AI），和大數(shù)據(jù)技術(shù)（BigData）。新一代的工業(yè)生產(chǎn)，不是以“產(chǎn)品”為中心，而是轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴翱蛻簟睘橹行?。這需

要更加智能化的生產(chǎn)過程，傳統(tǒng)的面向單一產(chǎn)品大批量重復(fù)生產(chǎn)的自動(dòng)化無法滿足這樣的訴求。

02

工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代的工業(yè)控制體系架構(gòu)

工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代的工業(yè)控制

體系架構(gòu)

3.1.ISA-95工業(yè)生產(chǎn)體系架構(gòu)

從工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代開始，工業(yè)控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，為了規(guī)范工業(yè)生產(chǎn)體系的建設(shè)，2005年，ISA

發(fā)布了一套標(biāo)準(zhǔn)，即ANSI/ISA-95.00.03-2005，企業(yè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)集成國際標(biāo)準(zhǔn)（theInternationalStandardfor

theIntegrationofEnterpriseandControlSystems），通常稱作ISA-95，同時(shí)也是IEC62264的國際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)

描述了一個(gè)從工廠車間現(xiàn)場(chǎng)連接到企業(yè)頂層應(yīng)用的框架，標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是降低在企業(yè)系統(tǒng)和制造系統(tǒng)整合過程中的風(fēng)險(xiǎn)，成

本和錯(cuò)誤。

ISA-95標(biāo)準(zhǔn)定義了企業(yè)商業(yè)計(jì)劃（比如SAP、CRM等）和生產(chǎn)控制系統(tǒng)（SCADA/DCS、HMI/PLC等）之間的集

成，它主要包括5個(gè)層次（Level0~Level4），每一層代表了從工廠車間到集團(tuán)計(jì)劃的不同生產(chǎn)層次。

4-創(chuàng)建基本的工廠日程表-生產(chǎn)，原料使用，傳送以

業(yè)務(wù)計(jì)劃及物流及運(yùn)輸。決定庫存水平

第4層工廠生產(chǎn)排程，運(yùn)營管理

等等時(shí)間范圍

月，周，天

3-工作流程/配方控制來生產(chǎn)所需的最終產(chǎn)品，維護(hù)

MOM制造運(yùn)營管理記錄并優(yōu)化生產(chǎn)過程

第3層生產(chǎn)派發(fā)，具體的生產(chǎn)日

程表，可靠性保證,..時(shí)間范圍

天，班次，小時(shí)，分鐘，秒

2-監(jiān)控，監(jiān)督控制及百動(dòng)化的控制生產(chǎn)過程

第2層時(shí)間范圍

小時(shí)，分鐘，秒，亞秒

批次連續(xù)離散

控制控制控制

第1層1-感知生產(chǎn)過程，操縱生產(chǎn)過程

第0層0-實(shí)際的生產(chǎn)過程

03

工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代的工業(yè)控制體系架構(gòu)

在工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代，企業(yè)生產(chǎn)是以產(chǎn)品為中心，以生產(chǎn)計(jì)劃指導(dǎo)產(chǎn)線生產(chǎn)，ISA-95的5層架構(gòu)很好地解決了企業(yè)運(yùn)營

所需要的從全局運(yùn)營到車間生產(chǎn)的集成問題。它囊括了對(duì)ERP系統(tǒng)的需求，解決了運(yùn)營績(jī)效數(shù)據(jù)的搜集問題，并將這一方

案快速地落實(shí)到生產(chǎn)的實(shí)施上；以及如何訪問工廠車間的運(yùn)營信息來更好地預(yù)測(cè)財(cái)務(wù)績(jī)效，原材料水平以及其他資產(chǎn)計(jì)劃

日程。

在ISA-95的工業(yè)生產(chǎn)控制體系架構(gòu)中，信息流都是圍繞DCS/PLC展開，這樣DCS/PLC就成了整個(gè)ISA-95工業(yè)控

制體系架構(gòu)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，因?yàn)樗刂屏松a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和上層企業(yè)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息流的流轉(zhuǎn)。

3.2.工業(yè)控制系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

3.2.1.自動(dòng)化時(shí)代面臨的挑戰(zhàn)

與IT領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展日新月異相比，OT領(lǐng)域技術(shù)更新周期較長(zhǎng)。然而，近年來在智能制造/工業(yè)4.0牽引下，OT技術(shù)發(fā)

展較過去二十年相比在速度、廣度和深度上都有著較大的發(fā)展，但是面臨的挑戰(zhàn)也更加尖銳。

.挑戰(zhàn)一：工業(yè)通信協(xié)議七國八制，產(chǎn)生大量信息孤島

進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代，西方的一些行業(yè)先行者依托自身的行業(yè)優(yōu)勢(shì)，開發(fā)了不同的工業(yè)通信協(xié)議，并逐漸發(fā)展成為一

個(gè)個(gè)煙囪式的生態(tài)圈，后來者只能遵從這些協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)界也曾經(jīng)試圖打破這樣的壁壘，但是樹大根深，在傳統(tǒng)的工控

體系架構(gòu)下，這樣的壁壘基本沒有被打破的可能。據(jù)國際電工委員會(huì)（IEC）的統(tǒng)計(jì)，目前工業(yè)通信協(xié)議超過5000種，已

經(jīng)在IEC61158標(biāo)準(zhǔn)組織通過，成為被認(rèn)可的國際標(biāo)準(zhǔn)就超過30種，很難有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

主流工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)EtherCAT、PROFINET、POWERLINK等協(xié)議雖然是IEC認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，但沒有完全開放，

仍然對(duì)用戶形成了一定壁壘。

七國八制，煙囪林立

1980s工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線2000s工業(yè)以太網(wǎng)1)

PROFIBUS總線西門子等1987年推出ProfiNet西門子2001年推出

Modbus總線施耐德1979年推出ModbusTCP/IP由Modbus演進(jìn)而來(1996)

CC-Link總線三菱電機(jī)1996年推出CC-LinkIE三菱電機(jī)等2008年推出ODVA與

INTERBUS總線2)

菲尼克斯1984年推出Ethernet/IPCNI兩大工業(yè)組織推出(2000)

CAN總線

BOSCH公司1986年推出Powerlink貝加萊公司2001年推出

DeviceNet

AllenBradlev1994年推出EtherCATBeckoff公司2003年推出

實(shí)現(xiàn)雙向串行、多點(diǎn)連接，但存在帶寬低、距離短、抗千擾能擁有低成本、高效通信及靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽U(kuò)展能力，但鏈路

力較差等問題層和應(yīng)用層采用技術(shù)不同，互聯(lián)互通性差

30+總線協(xié)議兼容性不足，互聯(lián)互通性差的問題一直存在

04

工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代的工業(yè)控制體系架構(gòu)

90年代末，隨著以太網(wǎng)技術(shù)日趨成熟，傳統(tǒng)的這些通信協(xié)議提供者通過在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)上修改MAC層或在

MAC層之上增加一些特定協(xié)議機(jī)制（如時(shí)間調(diào)度、通信優(yōu)先級(jí)、時(shí)鐘同步等），以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用所需的實(shí)時(shí)性和確定

性通信要求。傳統(tǒng)的工業(yè)總線升級(jí)到工業(yè)以太網(wǎng)，但工業(yè)通信生態(tài)的壁壘依舊如故。

.挑戰(zhàn)二：PLC亟需加快升級(jí)

自從進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代以來，近半個(gè)世紀(jì)，PLC控制器不管是PLC的硬件架構(gòu)還是軟件體系，都沒有發(fā)生本質(zhì)的變

化。但是從ISA-95的5層架構(gòu)體系的角度看，這個(gè)世界也發(fā)生了巨大的變化，工業(yè)領(lǐng)域也正在變革之中。

縱向控制

L5BI/BO

信息集成

算力擴(kuò)張L4ERP算力擴(kuò)張

L3生產(chǎn)管理層（MES）

產(chǎn)品全生命周期

技術(shù)集成

L2過程控制層（PCS）

瓶頸制約L1設(shè)備控制層（PLC）瓶頸制約

數(shù)據(jù)膨脹L0設(shè)備層數(shù)據(jù)膨脹

橫向過程工藝技術(shù)集成

在金字塔的頂部，企業(yè)資源層、生產(chǎn)管理層，隨著云計(jì)算、云平臺(tái)的發(fā)展，傳統(tǒng)的OA系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)，包括MES系

統(tǒng)開始逐漸云化，不再以垂直的煙囪體系存在，而是立足于大數(shù)據(jù)湖，基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)做分析，生產(chǎn)計(jì)劃制定等。智能制

造的發(fā)展，正在驅(qū)動(dòng)上層的算力擴(kuò)張。

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)摩爾定律的發(fā)展，芯片、存儲(chǔ)器等技術(shù)得到了飛速的進(jìn)步；芯片集成度越來越高，功能越來越強(qiáng)

大，存儲(chǔ)器的容量也越來越大，但是功耗越來越小。這些技術(shù)的進(jìn)步都給裝備/終端的智能化帶來了可能，并且事實(shí)上也出

現(xiàn)了很多融合機(jī)器視覺、融合AI能力的裝備/終端。數(shù)字孿生在生產(chǎn)線精益運(yùn)營方面的應(yīng)用，帶來工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)量的快速膨

脹。

隨著智能化應(yīng)用場(chǎng)景越來越豐富，對(duì)于通信、控制都提出了更多的需求，算力、數(shù)據(jù)已經(jīng)成為新的工業(yè)控制體系架構(gòu)

下信息流轉(zhuǎn)的核心，現(xiàn)行ISA-95架構(gòu)中的PLC控制層近半個(gè)世紀(jì)的架構(gòu)，已經(jīng)難以滿足“算力下得來，數(shù)據(jù)上得去”的

需求。

.挑戰(zhàn)三：工業(yè)控制體系的自主可控

工信部發(fā)布《“十四五”軟件和信息技術(shù)服務(wù)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，明確指出要大力發(fā)展PLC產(chǎn)業(yè)，加快在重點(diǎn)行業(yè)的集成

應(yīng)用。據(jù)立鼎產(chǎn)業(yè)研究網(wǎng)的數(shù)據(jù)，2022年我國PLC市場(chǎng)規(guī)模超過166億[20]。但是國產(chǎn)品牌的PLC在國內(nèi)PLC市場(chǎng)份額

所占比例很小，一直沒有形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。

05

工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代的工業(yè)控制體系架構(gòu)

2022年我國PLC市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)格局

其他9.9%

松下2.0%

無錫信捷2.8%

施耐德3.6%

臺(tái)達(dá)4.6%

西門子

匯川5.5%47.3%

羅克韋爾6.0%

歐姆龍

三菱6.2%12.0%

目前我國PLC自主可控還有非常重要的一環(huán)有待突破：以PLC工控開發(fā)軟件和工業(yè)通信協(xié)議為核心的工控軟件體系。

傳統(tǒng)歐美的工控廠家利用了工業(yè)化起步早的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)領(lǐng)域形成了封閉的生態(tài)圈，比如：西門子的PROFIBUS/-

PROFINET、羅克韋爾的EtherNet/IP、施耐德的Modbus等等。這些協(xié)議雖然是IEC認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，但沒有完全開

放，仍然對(duì)用戶形成了一定壁壘。

工控護(hù)城河體系

ERP

MES

IEC61131-3EtherCAT

CodesysSCADAProfiNet

/HMI

工控開發(fā)軟件PLCs工業(yè)以太協(xié)議

Field

在工控開發(fā)軟件方面，德國的Codesys占據(jù)了市場(chǎng)的主流份額，國內(nèi)很多工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的企業(yè)還未能實(shí)現(xiàn)工控開發(fā)

軟件的完全自主可控。

3.2.2.智能化時(shí)代的機(jī)遇

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)發(fā)展也進(jìn)入一個(gè)新賽道。中國是制造業(yè)大國，越來越多的企業(yè)開始重視

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字化、智能化改造，期望在時(shí)代變革的時(shí)候，能夠持續(xù)提升生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)自身的商業(yè)訴求。

.機(jī)遇一：工業(yè)生產(chǎn)者希望能持續(xù)提升數(shù)字化轉(zhuǎn)型收益

工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型應(yīng)該包括兩個(gè)方面，一方面要從運(yùn)營層面打通橫向的數(shù)據(jù)流，結(jié)構(gòu)化地提升運(yùn)營效率，提升服務(wù)體

驗(yàn)；另一方面要從生產(chǎn)層面打通縱向數(shù)據(jù)流，使能生產(chǎn)流程的智能化，讓數(shù)據(jù)服務(wù)于生產(chǎn)過程，提升生產(chǎn)效率。

06

工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代的工業(yè)控制體系架構(gòu)

近年來很多生產(chǎn)企業(yè)建立了自己的數(shù)字化平臺(tái)，這些平臺(tái)打通了產(chǎn)業(yè)的上下游，打通了企業(yè)的內(nèi)部、外部的運(yùn)營節(jié)

點(diǎn)，對(duì)提升企業(yè)的服務(wù)體驗(yàn)和運(yùn)營效率發(fā)揮了重大的作用。

但是這些工作對(duì)生產(chǎn)車間的本身涉及不多，工控架構(gòu)也仍然是基于ISA-95的傳統(tǒng)架構(gòu)，雖然打通了上面的二層

（ERP&MES）企業(yè)功能層面的數(shù)據(jù)流，但處于下面三層的控制功能層面卻沒有變化，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的瓶頸仍然存在，

雖然在運(yùn)營效率上有所提升，但是生產(chǎn)效率改變不明顯。

信息化服務(wù)體驗(yàn)&運(yùn)營效率

（數(shù)字平臺(tái)）（結(jié)構(gòu)化提升效率）

智能化生產(chǎn)效率

（工業(yè)自動(dòng)化）（突破現(xiàn)有瓶頸）

根據(jù)《2020中國制造業(yè)痛點(diǎn)分析報(bào)告》，我國工業(yè)企業(yè)設(shè)備數(shù)字化率只有50%，其中設(shè)備聯(lián)網(wǎng)率僅為23.0%。有超

過半數(shù)的企業(yè)認(rèn)為自身的工業(yè)設(shè)備終端的連接率低，數(shù)字化程度低。可見我國的大部分企業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)智能化方面的準(zhǔn)備

度還非常不足。其背后的原因就是傳統(tǒng)的控制體系架構(gòu)無法滿足未來智能工廠的海量數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、處理的需求，人工智能、

大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)難以引入到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

.機(jī)遇二：制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展對(duì)工業(yè)數(shù)字化/智能化的訴求

智能化為制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了技術(shù)路徑，推進(jìn)制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)路徑再造、競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)換，釋放更

多效率和品質(zhì)提升空間。制造業(yè)的發(fā)展方式正在發(fā)生轉(zhuǎn)變，發(fā)揮大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的作用，加速推廣智能制造模

式，深化技術(shù)工藝流程再造，提高生產(chǎn)制造精益化柔性化水平，加快產(chǎn)品功能迭代升級(jí)。

07

工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代的工業(yè)控制體系架構(gòu)

中國寶武集團(tuán)提出以“四個(gè)一律”推進(jìn)智慧制造，即“制造環(huán)節(jié)操作室一律集中并搬離現(xiàn)場(chǎng)、人工體力操作崗位一律

機(jī)器人、設(shè)備運(yùn)維一律遠(yuǎn)程、服務(wù)一律上線”。通過推行操作室集中形成一批集控中心優(yōu)秀實(shí)踐，打破傳統(tǒng)工廠管理架

構(gòu)，使高度集約化管理成為可能；通過推進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)少人少人化，加快工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)行車、人工智能等新技術(shù)應(yīng)用，寶武

上海基地全球率先實(shí)現(xiàn)“一鍵煉鋼出鋼”；通過推進(jìn)設(shè)備運(yùn)維一律遠(yuǎn)程，體系聯(lián)動(dòng)開展多基地設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維布局，推動(dòng)公

司設(shè)備管理體系轉(zhuǎn)型升級(jí)；推動(dòng)“服務(wù)一律上線”，推進(jìn)各子公司網(wǎng)上采購和鋼鐵產(chǎn)品網(wǎng)上銷售。人工智能、大數(shù)據(jù)、云

計(jì)算、區(qū)塊鏈、5G、仿真、AR等技術(shù)大量應(yīng)用于智能工廠。

.機(jī)遇三：以客戶為中心而產(chǎn)生的柔性制造需求

柔性制造的需求較為廣泛，其核心是以消費(fèi)者需求為導(dǎo)向的定制化生產(chǎn)，這種以需定產(chǎn)的方式和傳統(tǒng)大規(guī)模量產(chǎn)的生

產(chǎn)模式不同。傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)是以產(chǎn)品為中心，根據(jù)市場(chǎng)預(yù)測(cè)來制定生產(chǎn)計(jì)劃，并按照既定的生產(chǎn)計(jì)劃來生產(chǎn)，其生產(chǎn)方

式較為單一，現(xiàn)有的工業(yè)自動(dòng)化能很好滿足這種需求。而隨著社會(huì)的發(fā)展，客戶的需求日益多樣化，客戶更多地需要個(gè)性

化的產(chǎn)品。

工業(yè)3.0工業(yè)4.0

物料/工具

單一種類的大規(guī)模生產(chǎn)多個(gè)種類的大規(guī)模生產(chǎn)

語義分析/

理念：知識(shí)存儲(chǔ)理念：

中央控制器

以產(chǎn)品為中心，以低成本贏得市場(chǎng)以顧客為中心，以快速響應(yīng)贏得市場(chǎng)

成本領(lǐng)先戰(zhàn)略：通過降成本、提高不靈活有彈性差異化戰(zhàn)略：通過快速反應(yīng)、提供

生產(chǎn)效率獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)以低價(jià)格開1.流水線工藝1.單元化工藝個(gè)性化的產(chǎn)品獲取競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)以多樣

發(fā)、生產(chǎn)、銷售、交付產(chǎn)品和服務(wù)2.按順序操作2.自律操作化和定制化開發(fā)、生產(chǎn)、銷售、交

根據(jù)市場(chǎng)預(yù)測(cè)安排生產(chǎn)，推動(dòng)式生付顧客買得起的產(chǎn)品和服務(wù)根據(jù)客

3.中央集中控制3.分散控制

產(chǎn)方式通過穩(wěn)定性和控制力取得高戶定制定點(diǎn)安排生產(chǎn)，拉動(dòng)式生產(chǎn)

4.有線通信4.無線通信

效率方式通過靈活性和快速響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)

5.無法實(shí)時(shí)監(jiān)控位置信息5.實(shí)時(shí)追蹤位置信息

多樣化和定制化

柔性制造考驗(yàn)的是生產(chǎn)線和供應(yīng)鏈的反應(yīng)速度。比如在電子商務(wù)領(lǐng)域興起的“C2B”“C2P2B”等模式體現(xiàn)的正是

柔性制造。在柔性制造中，生產(chǎn)的指令完全是由消費(fèi)者觸發(fā)，其價(jià)值鏈展現(xiàn)為“人—財(cái)—產(chǎn)—物—銷”這種完全定向的具

有明確個(gè)性特征的活動(dòng)。在這個(gè)過程中不僅對(duì)傳統(tǒng)的供應(yīng)鏈體系提出了重大的挑戰(zhàn)，也對(duì)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的架構(gòu)體系提出了

新的要求。

某汽車生產(chǎn)企業(yè)對(duì)未來工業(yè)產(chǎn)線形態(tài)的思考認(rèn)為，未來生產(chǎn)線上的機(jī)器人與現(xiàn)場(chǎng)控制都應(yīng)該以資源池形態(tài)存在，每個(gè)

工作單元都應(yīng)該是全局可配置、可編排的。所以企業(yè)的生產(chǎn)者認(rèn)為未來生產(chǎn)線的控制與計(jì)算功能應(yīng)該是基于云來定義的，

他們目標(biāo)是把產(chǎn)線上95%的控制與計(jì)算功能遷移到園區(qū)私有云，實(shí)現(xiàn)工業(yè)軟件和生產(chǎn)裝備硬件解耦。通過產(chǎn)線的控制解耦

實(shí)現(xiàn)在不更新終端及生產(chǎn)設(shè)備的情況下的靈活創(chuàng)新，他們稱之為“BrownInnovation”。

08

工業(yè)智能化時(shí)代的新一代工業(yè)控制體系架構(gòu)

工業(yè)智能化時(shí)代的新一代

工業(yè)控制體系架構(gòu)

4.1.工業(yè)智能化時(shí)代的愿景目標(biāo)

智能技術(shù)業(yè)智能化變革的重要推手，而智能離不開大數(shù)據(jù)的支撐，李培根院士指出工業(yè)4.0的核心理念是CPS

（CyberPhysicalSystems）系統(tǒng)，本質(zhì)就是數(shù)字孿生，強(qiáng)調(diào)數(shù)字世界與物理世界的深度融合。

工業(yè)4.0的核心理念乃CPS(cyber-physicalsystems，數(shù)字物理系統(tǒng)，賽博物理系統(tǒng))，強(qiáng)調(diào)數(shù)字世界

與物理世界的深度融合。

智能物聯(lián)大數(shù)

AI仿真CPS

感知網(wǎng)據(jù)

設(shè)備工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

數(shù)字孿生

網(wǎng)聯(lián)化IP化

李培根院士認(rèn)為，數(shù)字孿生系統(tǒng)是多種新一代技術(shù)的融合，包括智能感知技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、AI技術(shù)，

也包括數(shù)據(jù)建模，以及模型仿真技術(shù)等，其核心是基于大數(shù)據(jù)的智能化技術(shù)。[12]

數(shù)字孿生不僅驅(qū)動(dòng)了數(shù)字世界和物理世界的變革，也驅(qū)動(dòng)著工業(yè)生產(chǎn)的控制體系架構(gòu)不斷演進(jìn)。數(shù)字孿生是物理世界

和數(shù)字世界的融合，在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)之上，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)物理世界的建模、數(shù)據(jù)分析、預(yù)測(cè)、生產(chǎn)決

策，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的“全自動(dòng)駕駛”。

DigitalTwin(數(shù)字孿生)：工業(yè)4.0的智慧之道

智能階段分類分類描述

通過Sensors實(shí)時(shí)數(shù)字世界統(tǒng)一匯聚

L1自動(dòng)化以PLC控制為標(biāo)志的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化

采集物理世界數(shù)據(jù)來自物理世界的數(shù)

并傳遞給數(shù)字世界據(jù)，構(gòu)建物理世界可視化：數(shù)字孿生的初級(jí)階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)

生產(chǎn)全過程的數(shù)字化監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)

L2過程監(jiān)控

的Digital-Twin備/裝備的全聯(lián)網(wǎng)，消除信息化孤島。

物理世界啟動(dòng)分析器對(duì)可分析：過程數(shù)據(jù)在預(yù)設(shè)模型下，做推

數(shù)據(jù)采集L3支持決策理，實(shí)現(xiàn)人工低級(jí)數(shù)據(jù)分析工作的解放。

工作流程Digital-Twin進(jìn)行數(shù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以提供經(jīng)營者做輔助決策

據(jù)分析、建模

可預(yù)測(cè)：AI的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)

L4輔助決策習(xí)，尋找過程最優(yōu)解，向經(jīng)營者推薦方

控制器進(jìn)行操作

根據(jù)分析結(jié)果洞察、識(shí)別案，供經(jīng)營者選擇。

優(yōu)化改進(jìn)，閉環(huán)物理世界的待改進(jìn)點(diǎn)并反

L5自主決策全自動(dòng)：生產(chǎn)過程全自動(dòng)駕駛，自動(dòng)選

改進(jìn)點(diǎn)物理世界虛擬世界饋給物理世界的控制器擇，自調(diào)整

來源：德勤《Industry4.0andthedigitaltwin》

09

工業(yè)智能化時(shí)代的新一代工業(yè)控制體系架構(gòu)

如果我們把工業(yè)自動(dòng)化作為智能化的起點(diǎn)，那么工業(yè)智能化的發(fā)展可以分為四個(gè)階段：

可視化：數(shù)字孿生的初級(jí)階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)全過程的數(shù)字化監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備/裝備的全聯(lián)網(wǎng)，消除信息化孤島。

可分析：數(shù)據(jù)分析正在從人工分析走向基于預(yù)設(shè)模型的數(shù)據(jù)推理，數(shù)據(jù)分析越來越高效，為運(yùn)營優(yōu)化決策提供至關(guān)重

要的支撐作用。

可預(yù)測(cè)：通過AI應(yīng)用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)，尋找過程最優(yōu)解，并向經(jīng)營者推薦方案，供經(jīng)營者選擇。

全自動(dòng)：實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的“全自動(dòng)駕駛”，具備自適應(yīng)、自優(yōu)化、自決策等功能。

數(shù)據(jù)的采集和流轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的關(guān)鍵能力，所以生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)聯(lián)化和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的連接能力是數(shù)字孿生系統(tǒng)中的關(guān)

鍵因素。

4.2.工業(yè)智能化時(shí)代的OICT融合的生產(chǎn)體系架構(gòu)

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)與工業(yè)領(lǐng)域的深度融合，ISA-95的生產(chǎn)體系架構(gòu)也在發(fā)生變化?；贗SA-95

架構(gòu)的企業(yè)管理功能系統(tǒng)軟件（ERP、MES等）呈現(xiàn)出從原來的單機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)向云化架構(gòu)演變趨勢(shì)，目前部分大型企業(yè)

已經(jīng)構(gòu)建了企業(yè)的工業(yè)云平臺(tái)，將ERP、MES等應(yīng)用向云端遷移，并且依托云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)開發(fā)出更為豐富的智

能化應(yīng)用。

邊緣計(jì)算已經(jīng)成為重要的技術(shù)趨勢(shì)。在智能制造時(shí)代，繼續(xù)構(gòu)建一個(gè)個(gè)垂直的煙囪體系已經(jīng)不合時(shí)宜，融合智能的邊

緣網(wǎng)關(guān)成為未來的發(fā)展方向。而邊緣網(wǎng)關(guān)對(duì)于傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代的工控架構(gòu)同樣適用。隨著計(jì)算技術(shù)的高速發(fā)

展，采用軟硬件解耦的架構(gòu)，PLC功能軟件化，部署在通用計(jì)算架構(gòu)上應(yīng)用的落地場(chǎng)景越發(fā)廣泛。IA咨詢公司報(bào)告顯示，

工控設(shè)備行業(yè)“SoftPLC”新架構(gòu)的技術(shù)準(zhǔn)備度已經(jīng)相當(dāng)高，預(yù)計(jì)2025年市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)到4.5億美元。但是當(dāng)前SoftPLC

的主要應(yīng)用區(qū)域在歐美市場(chǎng)，中國市場(chǎng)對(duì)SoftPLC的應(yīng)用仍處于探索起步階段，未來拓展?jié)摿颓熬拜^好。從供應(yīng)商角度

看，CodeSys占據(jù)了SoftPLC市場(chǎng)的首位。[7]

全球軟PLC市場(chǎng)規(guī)模(百萬美元）2019年全球軟PLC市場(chǎng)份額

Codesys

450歷史447.7

400預(yù)測(cè)

17%

350349.8ABB

(B&R自動(dòng)化)

300286.713%

250245.045%其他

216.89%

195.4

200177.6西門子

9%

1507%

施耐德

100

(nxt控制)

50羅克韋爾

(ISaGRAF)

0

2019202020212022202320242025其他包括IBHSottec、邏輯、Copadata、重要系統(tǒng)、SoftPLC.

10

工業(yè)智能化時(shí)代的新一代工業(yè)控制體系架構(gòu)

同樣在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)側(cè)，裝備的數(shù)字化、終端的智能化將得到廣泛的應(yīng)用?；趥鞲衅鳌?zhí)行器和無線通信模塊的相關(guān)技術(shù)研

發(fā)進(jìn)展十分迅速，如IEEE802.15.4、低功耗Wi-Fi、電力載波通信等。技術(shù)的快速成熟降低了數(shù)據(jù)收集、處理、存儲(chǔ)等硬件應(yīng)

用成本。在軟件系統(tǒng)方面，小型化、輕量級(jí)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、IP協(xié)議棧已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的低占用，它們只需要幾Kbyte的

存儲(chǔ)器，可有效降低系統(tǒng)能耗。

隨著智能機(jī)器的發(fā)展和智能分析的集中，工業(yè)生產(chǎn)體系架構(gòu)進(jìn)一步扁平化，傳統(tǒng)的垂直體系逐步向水平架構(gòu)轉(zhuǎn)變，從

傳統(tǒng)的ISA-95的五層金字塔架構(gòu)演變成為以“計(jì)算”為中心的云/邊/端三層體系架構(gòu)。

ISA95五層體系三層體系

企業(yè)1企業(yè)2企業(yè)3

產(chǎn)業(yè)鏈

網(wǎng)工業(yè)軟件與APP安

L4研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)控制、工藝優(yōu)

化、智能質(zhì)檢、業(yè)務(wù)管理

CAXPLMERPSCML4工業(yè)工

軟件云工

業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)業(yè)

企業(yè)

L3互IaaS、PaaS、數(shù)據(jù)治理、AI模互

聯(lián)型、機(jī)理模型聯(lián)

MESL3

網(wǎng)網(wǎng)

網(wǎng)安

L2

絡(luò)全

廠商A廠商B廠商CL2工業(yè)自邊工業(yè)控制與感知

動(dòng)化傳感、數(shù)采、工控、視覺、本地策

SCADASCADASCADA

確定性網(wǎng)略閉環(huán)

L1絡(luò)、低時(shí)

工廠監(jiān)測(cè)、

延網(wǎng)絡(luò)、

DCS/PLCDCS/PLCDCS/PLCL1防護(hù)、

高可靠網(wǎng)

管理、

絡(luò)、多業(yè)

工業(yè)裝備工業(yè)裝備工業(yè)裝備工業(yè)裝端工業(yè)數(shù)字化裝備服務(wù)

L0L0備務(wù)網(wǎng)絡(luò)通用、專用裝備，儀器儀表

在新的生產(chǎn)體系架構(gòu)下，L3/L4的軟件系統(tǒng)都將云化，變成基于工業(yè)云平臺(tái)的工業(yè)軟件APP。未來依托云平臺(tái)，可能

會(huì)衍生出更多的、更為豐富的工業(yè)應(yīng)用，包括研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)控制、工藝優(yōu)化、智能質(zhì)檢、企業(yè)管理等。SCADA系統(tǒng)也

可能進(jìn)一步裂變，一部分向上融合到數(shù)字孿生的可視化系統(tǒng)，一部分在邊緣融合邊緣算力，及數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)過程的全局

優(yōu)化等能力，形成工業(yè)控制邊緣層。而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的裝備、終端等，隨著芯片技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展，逐漸向智能化的終端

演進(jìn)。

4.3.工業(yè)智能化時(shí)代的新一代工業(yè)控制體系架構(gòu)

在ISA-95的架構(gòu)中，制造與生產(chǎn)企業(yè)的控制系統(tǒng)大多采用專用的、封閉的體系結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成系統(tǒng)的硬件按照各自的

標(biāo)準(zhǔn)量身定制，且局限于專用的生態(tài)環(huán)境，編程軟件與控制器等硬件設(shè)備是“綁定”的，不同供應(yīng)商的產(chǎn)品互不兼容。無

論是DCS，PLC還是FCS，雖具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、產(chǎn)品批量大等優(yōu)點(diǎn)，但相對(duì)日新月異的生產(chǎn)要求，也逐漸暴露

出其固有的缺點(diǎn)。在很多情況下，當(dāng)用戶要想進(jìn)行功能上的擴(kuò)展或變化時(shí)，都必須求助于系統(tǒng)提供商；但是由于控制系統(tǒng)

具有專有性，不能有效滿足用戶的個(gè)性化需求。再者，由于采用了專用的控制系統(tǒng)，如制造廠家想在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)化為另一

種控制系統(tǒng)也將變得極為困難。諸如此類，無形中不僅增加了制造企業(yè)的成本，也成為控制系統(tǒng)升級(jí)換代的“瓶頸”。

在新的工業(yè)生產(chǎn)的三層體系架構(gòu)中，傳統(tǒng)的ISA-95工業(yè)控制功能部分發(fā)生了新的變化。新一代工控體系架構(gòu)是以“計(jì)

算”為核心、為“數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)”服務(wù)的。。從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的海量數(shù)據(jù)的采集，到工業(yè)邊緣層的數(shù)據(jù)預(yù)處理，多維數(shù)據(jù)信息融合，到云端數(shù)

11

工業(yè)智能化時(shí)代的新一代工業(yè)控制體系架構(gòu)

據(jù)的智能化應(yīng)用，數(shù)據(jù)的無縫流轉(zhuǎn)將成為整體系統(tǒng)架構(gòu)的顯性特征。

AS-IS：孤立封閉系統(tǒng)、層級(jí)多、協(xié)議多TO-BE：開放分布式系統(tǒng)

實(shí)時(shí)性控制非實(shí)時(shí)性控制大數(shù)據(jù)中心（工廠數(shù)據(jù)中心)

基本制造動(dòng)作控制大數(shù)據(jù)分析和微調(diào)優(yōu)化

L4ERP

數(shù)據(jù)分析應(yīng)用數(shù)字孿生

云（實(shí)現(xiàn)原先ERP、MES、設(shè)備監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、軟件

工具鏈、組態(tài)開發(fā)軟件等各類功能）

L3MES云底座

新業(yè)務(wù)需求

SCADA等監(jiān)測(cè)控制

L2智能邊緣系統(tǒng)控制應(yīng)用數(shù)據(jù)采集AI控制優(yōu)化

管理層(準(zhǔn)實(shí)時(shí)過程優(yōu)化容器容器容器

、協(xié)同；數(shù)據(jù)分析邊

、預(yù)測(cè)、)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）

L1DCS/PLC

基于通用IP協(xié)議的

工業(yè)工業(yè)

工業(yè)IT/OT融合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)無縫流轉(zhuǎn)

總線以太七國八制以太網(wǎng)

L0傳感器執(zhí)行器智能傳感器端智能傳感器智能執(zhí)行器數(shù)字化裝備

新一代工控體系的目標(biāo)架構(gòu)致力于解決工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代的遺留問題，同時(shí)為工業(yè)智能化奠定基礎(chǔ)架構(gòu)，為此，它具備

以下幾個(gè)特征：

開放化：工控體系要從傳統(tǒng)的封閉態(tài)走向開放態(tài)，突破現(xiàn)有的七國八制的工業(yè)協(xié)議“壁壘”。開放化要求工業(yè)領(lǐng)域必

須能夠基于一套開放、開源的工業(yè)通信協(xié)議，讓所有的產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)加入到開放開源的生態(tài)中，大家共享生態(tài)開放

的紅利。

網(wǎng)聯(lián)化：傳統(tǒng)OT的孤島系統(tǒng)，在IT/OT融合的狀態(tài)下將不復(fù)存在，任何脫離整個(gè)架構(gòu)體系的信息孤島都無法獨(dú)立存

在，因?yàn)闃I(yè)務(wù)層面的數(shù)據(jù)是統(tǒng)一的，是不允許存在孤立的數(shù)據(jù)孤島。網(wǎng)聯(lián)化對(duì)面向工業(yè)智能化的先進(jìn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)提出了

訴求。

協(xié)作化：傳統(tǒng)的單元自動(dòng)化控制系統(tǒng)向全流程、多工序協(xié)同優(yōu)化控制系統(tǒng)發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)高效的個(gè)性化定制、全局的實(shí)

時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化。依托于新工控架構(gòu)，在通用的硬件計(jì)算平臺(tái)之上，工業(yè)生產(chǎn)的企業(yè)單位可以根據(jù)