工业物联网：智能制造的演进之路.docx

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1、uf1s0ns工业物联网：智能制造的演进之路文/JohnConway概要工业物联网（I1oT）并不是要摧枯拉朽的摒弃当前的自动化系统，并以新系统取而代之.其潜力在于工业物联网能够将现有的自动化系统与企业计划、排产和产品生命周期系统相联。这种覆盖整个企业价值链，可助力企业实现更佳业务控制的联结应如何实现？本白皮书就此进行了分析，并收集了相关专家关于工业物联网部署的一些观点.简述工业物联网（UoT）往往会被描述成一场以意义深远的方式改变行业面貌的革命。实际上，工业物联网起源于十五年前富有远见的自动化设备生产商开发的技术与功能。由于全球范围内物联网标准的创建与成熟需要时间，工业物联网的潜能可能需要另

2、一个十五年才能得以充分发挥。在酬间，工业领域将历经翻天覆地的变化。好的消息是，借助新兴的工业物联网技术,终端用户和机器制造商可以最大限度地利用现有在技术与人员方面的投资.在部署工业物联网解决方案的时候，采取升级再利用”的策略比海汰换新能够实现更好的业务控制.此外，这种谨慎的方式将使智能制造企业的演进更加高效、安全与可持续.工业物联网的出现给负责工业企业运营的利益相关者带来了希望也有困惑。早期对于工业物联网的热议往往聚焦于技术升级对于现有自动化平台的冲击.当然，涉及范围极广的大量应用确实是阻碍人们了解工业物联网潜力的挑战之一.例如，智能企业控制方面，我们会看到既能实现大规模定制又可以最小批量生产

3、的自主型机器与设备。在资产性能方面，随着智能传感器的成本下降与数量增加，大量的数据采集和分析有助于企业提高业绩并增加设备的正常运行时间.新一代增强型”工人将能够充分利用包括移动终端和增强现实在内的尖端技术。随着获取跨部门信息变得更加容易，他们的工作被简化，生产系统却能够创造出更大的利润.这些变化中有一部分会在中短期内变成现实，另外一些则是随着新的国际工业物联网标准的创建，以及最终用户和OEM厂商不断为其旧系统添加功能而逐步实现.定义在全球范围内，人们对于工业物联网的认知是一致的，即智能联接的资产（物）应作为更大型系统或构成智能制造企业的众多系统中的一部分来运行.这些“物”的智能化功能各不相同，

4、覆盖了从基础的传感器与执行机构，到控制、优化乃至全面自动化运营的各个层面.智能制造企业由拥有更高级别智能核心的智慧机器、智慧工厂与智慧运营组成。这些被连接的系统依托于开放、标准的互联网技术以及可以确保设备与信息被安全访问的云技术.这使用户能够利用新的高级分析工具对“大数据进行处理，并通过移动技术加以利用，以创造更大的商业价值。由此，这会使企业提升效率与盈利，加强网络安全蹴术创新，获得更好的安全管理与绩效管理，并减少二氧化碳用融。智能制造企业尽管工业物联网的长期影响还难以预测，但以下三种操作场景将是智能制造崭露头角的领域：智能企业控制一一工业物联网技术能够实现智能互联机器及智能互联制造设备与更广

5、泛企业的紧密集成.这将促使制造业变得更加灵活高效，从而提升盈利能力。智能企业控制被视作一个中长期趋势，但其实施十分复杂，需要创建全新的标准以支持信息技术（IT）与运营技术（OT）球的融合。资产性能管理一一无线传感器的低成本部署、方便的云连接（包括广域网）和数据分析可显著提高资产性能。这些工具支持从现场轻松收集数据,并实时将其转变为可操作信息。这将进一步改进业务决策和前瞻性决策流程。增强型操作者一一未来员工将利用移动设备、数据分析、增强现实和透明化连接提高生产效率。由于老T弋工人（婴儿潮时期出生的人,1946-1964）大量退休，操作核心业务的熟练工人出现较大缺口，而年轻一代的接班人员更习惯于以

6、指尖触控的方式获得各种信息。在工业物联网时代，这些信息将通过他们熟悉的方式实时提供。也因此，相比以机器为中心，未来的工厂将会更多的以人为中心.这三个领域紧密相关，但也有各自的不同。例如，部署这些操作环境的时间，以及它们所适用的自动化细分市场类型也不尽相同.在以上提到的三个领域之外，这里还有其他两个领域一一协作机器人和3D打印一一辘们讨论的工业物联网相关。因为这二者是特定技术，并不适用于所有制造企业，所以并未在本白皮书中详述.智能企业控制新T弋工业物联网能够为用户带来的最具潜力的收益之一就是打破企业内部系统间的壁垒（信息孤岛）。这些技术有助于生产系统和企业资源计划（ERP）系统、产品生命周期管理

7、（P1M）系统、供应链管理和客户关系管理（CRM）系统更紧密的融合（参见图1）.当前，这些系统的管理在某种程度上均彼立,无法显示企业的整体运营情况。我们相信，这种整体运营的方式能够为企业带来高达26.1%的效率提升。图1整体性企业控制可打破企业内部系统间的壁垒，同时有利于改善业务控制.工业物联网一下一代系统与传统对接“升级再利用”1P1M品生命周期管里SCM、供应链管理,CRM、客户关系管理，1麦肯福公司（MtKJrwey&Company）工业4.0-如何看待制造领域数字化智能制造企业并不意味着用全新的系统替代现有的自动化系统。相反，它意味着当前的自动化系统与企业、生命周期和价值链系统的连接.

8、这令整个制造企业得到优化，并且能够显著加强业务控制.更紧密的融合不仅会让企业变得更为高效,同时更高的灵活性和更快地应对市场环境变动的能力可以带来更高的盈利能力。控制的概念将从物理参数的实时控制扩展至整体业务的适时控制，包括物理期E物理参数.可见的收益包括增强抵御网络威胁的能力、更具创新力以及更好的安全、性能与环境影响管理能力。整体企业控制Q智能企业控制的范例包括：大规模定制和最小批量生产;缩小产品召回可能;在制造过程的早过升级和再利用方期发现缺陷产品，并修改产品设计以消除根源问题；基于天气预报修改生产计划；基于原材料法而非淘汰换新1现价调整生产计划/配方。略实现。资产性能类似能效管理和预测性维

9、护的资产性能管理应用在工业领域不属于新概念，但却因执行成本较高而未能广泛应用。物理连接（传感器布线成本）和逻辑连接（与现有系统整合）的成本居高不下.目前，无线IP连接和基于云的架构可以克服这些成本障碍0此外，新一代简单、小型化，且低成本的传感器正在不断涌现；因此，新一代工业物联网系统也将为资产性能领域带来更多的创新解决方案（参见图2）关键性任务的实时直接连接图2新绩效管理有效利用大数据和分析及经济实惠的无线技术并逐步普及将全面提升资产效能。“云技术支持非关键性任务的应用程序”以基于状态的监控;预测性维护为例.目前，一方面对无需维护的设备进行维护导致浪费大量资金，另一方面被忽视的设备随后出现故障

10、并导致意外生产宕机也导致高昂成本。尽管如今市面上有基于状态监控的解决方案，但成本问题却限制了它们的普及。新T弋工业物联网系统则致力于大幅隔氐此类解决方案的执行成本。增强型操作者移动人机界面（HMD技术的使用，比如智能手机、平板电脑和可穿戴技术，与基于IP的数据与信息（分析和增强现实）访问将转变操作者的工作方式.便携式无线终端将扩展其功能和技术，例如动态二维码将改善操作体验，并助力增强型”操作者提高生产效率（参见图3）.图3增强型操作者的生产效率提高,因为他们可在合适的时间获得适当的信息.当前,操作者只能获得来自自动化系统的信息.将来，增强型操作者将能够从所有必要的企业系统获取信息，他们管理的范

11、围将不仅包括过程性能用旨效，还包括过程盈利性.普及阻碍因素在制造业中广泛普及新T弋工业物联网系统之前，需克服多个阻碍因素。其中包括工业物联网相关的行业标准的创建、网络安全保护和适应新技能组合的劳动力。标准化标准是使得智能互联产品、机器和资产能够以透明方式相互作用的必要条件.这不只是包括简单的通信协议，而且包含有助于智能设备发现彼此并实现互操作的标准语义和机制的创建。该领域中噫存在一些标准（例如PaCkM1）,但它们未涵盖制造业的所有方面，因此并不完善。工业4.0和ZD1I互联网联盟（IIC）计划目前正在解决这一标准化问题.经认谢工业安全标准的普及对于工业物联网的改进至关重要.”网络安全工业物联

12、网的落地力睡了对于工业控制系统网络安全的需求.工业物联网的复杂性意味着网络安全必须贯彻于组成自动化系统的组件中。经认证的工业安全标准的普及对于工业物联网的推进必不可少，因为它不仅能够确保独立资产安全，而且还能确保更大型系统及由多个系统组成的系统的安全。这些认证所起到的作用类似于安全认证领域的认证。符合认证意味着系统的所有元件都将成为重要的安全组成因素.这些元件由经过安全认证的团队以可靠的方式进行整合，并作为安全系统由接受过安全培训的操作者操作.安全认证的关键在于一致性和可实施性。纵观全球,IEC62443安全标准系列涵盖所有的安全要素，包括产品开发、产品功能、系统功能、交付和操作。需要注意的是

13、，尽管当下的一些独立机构提供IEC62443认证，但IEC本身并未认可由可这些机构进行的IEC62443认证.作为IEC62443安全标准的补充，现有工业标准也在朝着更安全的方向发展.DNP3添加了安全内容发展成为DNPV5并，OPCUA的安全内容显著加强，Modbus也正发展成为MOdbUSSeaJre,而EtherNET/IP将发展成为EtherNET/IPSecure.除此之外，大量的工业物联网系统正采用由现有IT标准（例如HPS）、证书和加密/授权协议彳;性的安全功能.工作人员资质设计和操作基于工业物联网的系统所需的技能与运行传统的自动化系统所需的技能略有不同（参见图4）.现有操作者和

14、维护人员如需管理此类系统，则需要接受大量的再培训。利好的一面是工业物联网系统将利用日常生活中常见的技术，而新TW径操作者对于这些新方法的适应不会有任何问题.自动化供应商的主要挑战是如何设计和供应诊断/调试工具，以便能够快速识别问题的根本原因。此举将确保出现故障或已经崩溃的系统能够快速得到修复.图4设计和操作工业物联网系统将需要大：B新技能。对自动化架信息驱动型架构在智能制造企业中,增强型操作者执行智能企业控制和资产性能系统的管理，自动化供应商将构的影响需要在所有自动化层级部署工业物联网。这将有助于与下一代工业物联网系统轻松整合。此外，借助日益强大的嵌入式电子产品，互联智能将向下迁移至更低的自动

15、化层级，例如控制级及传感器和动作开关等.因此，运营技术（OT）系统将与信息技术（IT）系统逐步融合,自动化层级将演进发展为更加扁平化并由信息驱动的架构.由于未来最终构架形式尚不明朗,目前所采用的技术和架构必须能够灵活地适应变化，并且能够与传统系统融为一体。以往的基于单T据源而逐级累积，从而形成的庞大繁复的管理方式和架构将无法再适应未来要求。信息驱动拓扑如下图5所示.图5信息驱动式自动化架构业物联W时代这种架构由两个截然不同的层面组成.两个层面中的信息流将借助基于行业标准语言和发现机以往庞大的单一数制变得透明化。这两层的具体说明如下：1 .其一是用于实时确定性控制的实时层.该层通常被称为雾层或边缘层采用基于IP的时间敏感”来描述这一层是为了强调一个基本的事实，即该层所含的技术与企业云使用的工业物联网技术本质上相似，但会为实时确定性通信进行优化。组成实时控制层（传感器、执行机构和控制器）的OT设备可支持云技术，而且能够透明地与第二层的IT业务系统相连.另陛相同的设备具有较高程度的智能化.以搭载温度、压力和声传感器的控制阀为例,它们能够自主操作，利用企业的设定值，确定其自身的预防性维护，并及时向维护部门通知自身状态。2 .其二是云企业层在这一层，企业系统（ERPxM0MP1M.SCMxCRM等）与包含资产管理和能源管理在内的新T例能之间，以及与姆云技术的时间敏感型系统之间可进行