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1、第三章 智能制造系统架构及参考模型,智能制造系统架构概述,1,德国工业4.0,2,美国工业互联网,3,中国制造2025,4,1、智能制造系统架构概述,1.1 参考模型的由来,来自五湖四海的室友们,在智能制造概念提出不久，智能制造获得欧、美、日等国家的普遍重视，为促进相互理解和沟通，需要构建统一的模型来对关注问题的达成共识并确定参考模型所需术语及其定义，以方便理解与交流。,1、CPS的概念,IEC 61970-2,提供正在处理的问题空间的可视化的抽象结构，提供描述和讨论解决方案的语言，定义术语并提供旨在获得被解决问题相互理解的其他类似的帮助。,IEC 62443-1-1,许多系统模块和接口能以一
2、致性方式进行描述的结构。,ISO/IEC14543-2-1,在系统和网络结构中描述互联的通用原则的模型。,ISO/IEC 14776-411,用于以与实现无关的方式规定系统要求的标准模型。,智能制造参考模型是一个通用模型，适用于智能制造全价值链的所有合作伙伴公司的产品和服务，它将提供智能制造相关技术系统的构建、开发、集成和运行的一个框架，通过建立智能制造参考模型可以将现有标准（如工业通信、工程、建模、功能安全、信息安全、可靠性、设备集成、数字工厂等），拟制定的新标准（如语义化描述和数据字典、互联互通、系统能效、大数据、工业互联网等）一起纳入一个新的全球制造参考体系。,1、智能制造系统架构概述,
3、1.2 参考模型的定义,1、智能制造系统架构概述,1.3 参考模型的建设目标,1、智能制造系统架构概述,1.4 智能制造相关的现有参考模型,1、智能制造系统架构概述,1.5 智能制造相关的现有参考模型对比分析,智能制造系统架构概述,1,德国工业4.0,2,美国工业互联网,3,中国制造2025,4,2、德国工业4.0,2.1 德国工业4.0参考架构模型RAMI 4.0,“制造+互联互通”的RAMI 4.0（Reference Architecture Model Industrie 4.0）模型是从产品生命周期与价值链、层级和企业架构三个维度，分别对工业4.0进行多角度描述的一个框架模型。它代表
4、了德国对工业4.0所进行的全局式的思考。有了这个模型，各个企业尤其是中小企业，就可以在整个体系中，寻找到自己的位置。,2、德国工业4.0,2.2 RAMI 4.0的三个维度,第一个维度是层级，构建了面向工业制造智能化的6个功能层，对企业的虚拟资源进行了划分，各层具有相对独立的功能，下层为上层提供接口，上层使用下层服务。具体包括资产、集成、通信、信息、功能、商业。,2、德国工业4.0,2.2 RAMI 4.0的三个维度,第二个维度是生命周期与价值链，划分为原型设计和产品生产两个阶段，强调不同阶段考虑的重点。原型设计阶段指从初始设计到定型，还包括各种测试和验证；产品生产阶段指产品的规模化、工业化生
5、产。工业4.0中，每个实物的产品就是原型的一个实例。,2、德国工业4.0,2.2 RAMI 4.0的三个维度,第三个维度是企业架构，是在IEC 62264企业系统层级架构的标准基础之上补充了产品的内容，并由企业拓展至“互联世界”，从而体现工业4.0针对产品服务和企业协同的要求。,2、德国工业4.0,2.3 RAMI 4.0的特征,（1）基于欧洲标准化委员会和欧洲电工标准化委员会制定的智能电网架构模型； （2）三个维度：层次结构、生命周期和价值链、类别； （3）强调三个集成：企业内网络化制造体系纵向集成、企业间横向集成、全生命周期端到端工程数字化集成； （4）智能工厂是实现RAMI4.0的最小单
6、元； （5）嵌入式智能：所有制造单元都是带有本地软件的嵌入式设备或系统、所有制造单元都具有自组织的计算和通信功能、大量部署各类传感元件实现信息的大量采集、自动化技术实现智能制造单元间的集成； （6）“智能”产品：产品上的电子标签具有制造过程中各阶段所必须的全部信息（标识、位置、状态、路线）； （7）“自治”制造系统：互联制造单元的自组织（自组织生产）、制造步骤根据订单情况灵活定制（自组织工艺）。,智能制造系统架构概述,1,德国工业4.0,2,美国工业互联网,3,中国制造2025,4,3、美国工业互联网,3.1 工业互联网参考架构的提出,2017年1月，美国工业互联网联盟IIC（Industri
7、al Internet Consortium）发布了工业互联网参考架构IIRA（Industrial Internet Reference Architecture）V1.8。,3、美国工业互联网,3.2 工业互联网参考架构视图,工业互联网参考架构中定义四个视图，分别为：业务视图、使用视图、功能视图和实施视图。 这四个视图构成了对IIoT（Industrial Internet of Things，工业物联网）系统中每个视图的关注点分析的基础。,3、美国工业互联网,3.2 工业互联网参考架构视图,业务视图：如果将IIOT系统作为业务问题解决方案，必须对业务价值、预期投资回报率、维护成本和产品责
8、任等面向业务的关注点进行评估。,3、美国工业互联网,3.2 工业互联网参考架构视图,使用视图：使用视图解决系统使用过程中遇到的关注点，这些关注点的利益相关者一般包括系统工程师、产品经理和其他利益相关，例如参与定制IIoT系统规范的个人和在最终使用时代表用户的人。,3、美国工业互联网,3.2 工业互联网参考架构视图,功能视图：功能视图侧重于IIoT系统中的功能性部分。这些关注点的利益相关者一般包括系统和组件构架师、开发者和集成者。,3、美国工业互联网,3.2 工业互联网参考架构视图,实施视图：实施视图涉及实施功能性组件、通讯规划和生命周期过程的技术。涉及的利益相关者一般为系统和组件构架师、开发者
9、、合成者和系统操作员。,3、美国工业互联网,3.3 工业互联网参考架构说明,几个视图的排序反映了各视图之间的一般互动模式，一般来说，高层次视图的决策能够指导下级视图并对其提出要求。另一方面，下层视图中对关注点的思考能够验证甚至修改上层视图的分析和决策。 架构关注点不仅局限于系统设计阶段，还需要在整个生命周期予以考虑和关注，参考架构通过不同的视图为IIoT系统生命周期流程的概念设计提供指导。,智能制造系统架构概述,1,德国工业4.0,2,美国工业互联网,3,中国制造2025,4,2015年 12 月，中国国家智能制造标准化总体组发布了智能制造系统架构IMSA。智能制造系统架构通过生命周期、系统层
10、级和智能功能三个维度构建完成，展示了智能制造的全貌。,智能功能包括5个方面：资源元素、系统集成、互联互通、信息融合和新兴业态。,智能制造系统架构,产品生命周期维度从一张设计图纸开始，经过生产、物流和销售；,系统层级有下到上由设备层、控制层、车间层、企业层和协同层组成，协同表示了整个价值链上的协同活动；,4、中国制造2025,4.1 中国智能制造系统架构IMSA,4、中国制造2025,4.2 生命周期维度,生命周期是指从产品原型研发开始到产品回收再制造的各个阶段，包括设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动。,生命周期维度,4、中国制造2025,4.3 系统层级维度,系统层级维
11、度自下而上共5层，分别为设备层、控制层、车间层、企业层和协同层。智能制造的系统层级体现了装备的智能化和IP（网络协议）化，以及网络的扁平化趋势。,系统层级维度,4、中国制造2025,4.4 智能功能维度,在智能功能维度，自上而下包括资源要素、系统集成、互联互通、信息融合、新兴业态。特别的，以互联互通为目标的工业互联网作为一个重要的基础支撑，实现了物理世界和信息世界融合，与业界广泛讨论的CPS不谋而合。,智能功能维度,4、中国制造2025,智能制造标准体系结构包括“A 基础共性”、“B 关键技 术”、“C 行业应用”等三个部分，主要反映标准体系各部分的 组成关系。智能制造标准体系结构中明确了智能
12、制造的标准化需求，与智能制造系统架构具有映射关系。智能制造系统架构三个维度与标准体系中B关键技术进行了分别映射。,智能制造标准体系结构图,系统架构各维度与标准体系B关键技术映射,4.5 标准体系架构,4、中国制造2025,4.6 架构位置举例,工业机器人位于智能制造系统架构生命周期的生产和物流环节、系统层级的设备层级和单元层级，以及智能特征的资源要素。,工业互联网位于智能制造系统架构生命周期的所有环 节、系统层级的设备、单元、工厂、企业和协同五个层级， 以及智能特征的互联互通。,4、中国制造2025,4.7 IMSA应用举例,以航空工业智能工厂系统架构建设为例进行说明。全新的航空工业采用先进生产模式、先进制造系统、先进制造技术和先进组织管理方式，其主要特征和主要途径是加工过程的精密化、快速化，自动化技术的柔性化，以及整个制造过程的数字化、网络化和智能化。,中国某航空工业制造公司的飞机产品的智能工厂，它是航空工业智能制造生态系统的核心，也是未来智能制造基础设施中的关键组成部分。在智能工厂中，建立基于CPS系统的车间级智能生产单元，将人、数据、资源进行深度融合，使产品的制造过程得以全面优化，真正实现产品的高效能、高柔性的智能制造。,Thank you for listening!,谢谢聆听!,
