普渡模型（Purdue Model）是1992年由普渡大學(xué)計算機集成制造聯(lián)盟提出的系統(tǒng)架構(gòu)，在該架構(gòu)模型的基礎(chǔ)上誕生了ISA-95標(biāo)準(zhǔn)，從車間到企業(yè)的信息流向出發(fā)，ISA-95標(biāo)準(zhǔn)把集成制造分成了若干層次，并在生產(chǎn)領(lǐng)域和企業(yè)管理領(lǐng)域之間引入防火墻等內(nèi)置安全管理機制。

在該模型和標(biāo)準(zhǔn)中，工業(yè)自動化形成了金字塔結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)迅速獲得廣泛認(rèn)可并展現(xiàn)了長久的生命力，在一些新的架構(gòu)模型中，無論是德國的工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型（RAMI 4.0）還是我國的智能制造系統(tǒng)架構(gòu)(IMSA)，在系統(tǒng)層級維度大體沿用了ISA-95標(biāo)準(zhǔn)，只是在最頂層增加了企業(yè)協(xié)同（互聯(lián)世界），在最底層引入了產(chǎn)品（智能產(chǎn)品）。

👇 ISA-95和自動化金字塔 👇

從自動化金字塔模型提出至今，在摩爾定律（集成電路上集成的晶體管數(shù)量每18個月翻一番）和尼爾森定律（高端用戶的網(wǎng)絡(luò)帶寬能力每24個月翻一番）的指引下，計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了快速的發(fā)展：

在1993年，Intel發(fā)布了初代的奔騰處理器，單核心60 MHz，集成了310萬個晶體管；在2019年AMD發(fā)布的Ryzen 9處理器則包含12核心3.8 GHz，集成約100億個晶體管。在90年代初，光纖入戶還只是夢想，移動通信還處于2G+功能機時代；在如今，我們已經(jīng)基本實現(xiàn)光纖入戶并正在逐漸普及以高帶寬（1G bps峰值吞吐率）/低時延（0.5~1ms時延）/大連接（1000K/平方公里連接數(shù)）為特點的5G網(wǎng)絡(luò)。

計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為工業(yè)自動化的發(fā)展提供了基礎(chǔ)，在某些局部的領(lǐng)域改變了一些傳統(tǒng)的認(rèn)知，比如在90年代末到20年代初，受制于當(dāng)時的控制器算力和內(nèi)存大小，如果要實現(xiàn)運動控制和第三方現(xiàn)場總線等功能，需要使用者在PLC CPU模塊的基礎(chǔ)上額外購買運動控制模塊和總線通信模塊。在如今，集成邏輯控制/運動控制/通信管理/安全等功能的多合一控制器（軟件定義的控制/軟件定義的網(wǎng)絡(luò)）已經(jīng)漸成主流。但是從系統(tǒng)信息流向的角度出發(fā)，1992年提出的普渡模型幾乎沒有變化，仍然是廣大制造業(yè)人心中的圣經(jīng)。

這一模型是否解決了制造過程的所有痛點呢？答案應(yīng)該是否定的。

以筆者10年左右參與的一個項目-某食品包裝工廠的自動化車間系統(tǒng)為例，我們參照模型架構(gòu)并在架構(gòu)的每一層引入了當(dāng)時比較新的技術(shù)，比如：

👉在設(shè)備層的薄膜分切機控制中采用了邏輯/運動控制一體的控制器和PLCopen MFB，并在物料搬運環(huán)節(jié)引入了AGV、機器人等自動化設(shè)備；

👉在OT和IT系統(tǒng)之間使用了基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線和OPC技術(shù)；

👉在IT系統(tǒng)的部署中采用了虛擬化技術(shù)并打通了各子系統(tǒng)之間的信息孤島。

整體系統(tǒng)投入運行后實現(xiàn)了當(dāng)初設(shè)計的生產(chǎn)效率/生產(chǎn)質(zhì)量/生產(chǎn)柔性等方面的指標(biāo)，但是碰到了一個從當(dāng)時的條件看無法解決的問題：設(shè)備層使用的伺服電機在高速運動下會發(fā)生磁鐵脫落的現(xiàn)象從而造成設(shè)備的意外停機，關(guān)鍵設(shè)備的停機會導(dǎo)致產(chǎn)線停機，即便不考慮備件電機從廠家運輸?shù)绞褂矛F(xiàn)場的時間，在現(xiàn)場拆卸并更換電機也是一件以小時計數(shù)的工作，換言之，在該系統(tǒng)架構(gòu)下可以實現(xiàn)自動化（減勞）和精益化（降費），無法實現(xiàn)無憂化。

這種問題可以在物聯(lián)網(wǎng)中得到較好的解決，物聯(lián)網(wǎng)概念起源于1995年比爾蓋茨在《未來之路》一書中提及的物互聯(lián)，在2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布的同盟報告中，物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍有了較大的拓展，連接互聯(lián)網(wǎng)的物不僅包括電腦、手機、家用電器消費品，也包括電網(wǎng)、供水系統(tǒng)、油氣管道、機械設(shè)備等工業(yè)品。如下圖所示，通過在電機上安裝無電池傳感器（能量來自溫差和光照）采集電機的振動和溫度信號，并通過無線網(wǎng)絡(luò)把傳感器信號傳遞到部署在車間的邊緣計算控制器中，在對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行統(tǒng)計特征提取/設(shè)備健康狀態(tài)評估和故障預(yù)測，并將該信息和預(yù)測結(jié)果傳輸給MES等生產(chǎn)管理系統(tǒng)，從而避免因為設(shè)備意外停機對產(chǎn)線造成的沖擊。

👇電機健康狀態(tài)監(jiān)控/故障預(yù)測案例和IoT架構(gòu)模型👇

IoT架構(gòu)模型的不同層次，充分利用了如下新技術(shù)特性：

• IoT設(shè)備：低成本、低功耗、高集成、小型化傳感器的出現(xiàn)和成熟；視覺傳感器自適應(yīng)能力的提高和成本的下降；RFID標(biāo)簽等類似技術(shù)在產(chǎn)品生命周期管理中的廣泛應(yīng)用。

• IoT網(wǎng)絡(luò) ：支持資源受限設(shè)備和輕量化通信協(xié)議；支持海量設(shè)備連接（IPv6）；低功耗無線連接（Zigbee，Bluetooth LE，LoRa……）；適用于工業(yè)場景的確定性網(wǎng)絡(luò)（TSN）。

• IoT管理和應(yīng)用 ：云計算/邊緣計算和虛擬化；分析技術(shù)3.0（分析技術(shù)1.0：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)中心，分析技術(shù)2.0：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)中心，分析技術(shù) 3.0：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)-網(wǎng)絡(luò)邊緣和數(shù)據(jù)中心）。

在傳統(tǒng)的自動化金字塔架構(gòu)中，把第一層的傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶罡邔舆M(jìn)行分析和處理是不可能的，如果回顧這一模型提出的時代背景，即上世紀(jì)90年代初，則很容易理解在當(dāng)時的技術(shù)條件下為什么會誕生這種信息逐層流動和處理的金字塔架構(gòu)。隨著時代的變遷和技術(shù)的發(fā)展，在IoT架構(gòu)中弱化了數(shù)據(jù)來源所在的層次，數(shù)據(jù)既可以來自于各種傳感器（比如溫度傳感器、振動傳感器）、智能元器件（比如變頻器、閥門），也可以來自設(shè)備控制器（比如PLC、CNC），車間控制系統(tǒng)（比如SCADA、RMS），或者企業(yè)管理運營系統(tǒng)（比如ERP，SCM）。與此同時，借助邊緣計算，在IoT架構(gòu)中強化了對數(shù)據(jù)，包括環(huán)境數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)計數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、運營數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析并從中總結(jié)提煉對生產(chǎn)過程有用的各種洞察的重要性。

這種自動化金字塔架構(gòu)會被替代嗎？以離散制造為例，根據(jù)上下游產(chǎn)品特點，我們可以把某一產(chǎn)品拆分成若干產(chǎn)品單元，然后把產(chǎn)品單元的生產(chǎn)制造過程拆分成若干工藝單元，每一個工藝單元的實現(xiàn)由各種機械設(shè)備完成，比如生產(chǎn)設(shè)備、測試設(shè)備等，工藝單元和工藝單元之間的物料轉(zhuǎn)運由各種自動化設(shè)備完成，比如機器人、AGV等，無論是機械還是設(shè)備，從物聯(lián)網(wǎng)的視角看來都屬于執(zhí)行機構(gòu)，而從工業(yè)自動化的視角而言，我們都可以簡化成人機界面<->控制器<->驅(qū)動器的三層結(jié)構(gòu)，包含以IO控制、運動控制和安全控制為代表的三類控制，傳感器用于測量生產(chǎn)過程的各種狀態(tài)并作為車間控制系統(tǒng)閉環(huán)控制的輸入信號。生產(chǎn)制造過程即是價值創(chuàng)造過程，而針對這種生產(chǎn)制造過程二種不同視角下的對比如下圖所示，在可預(yù)見的將來，這二種模型會在發(fā)展中不斷融合，在保留穩(wěn)定、可靠和安全特性的同時，實現(xiàn)更具感知和智能的生產(chǎn)制造。

👇離散行業(yè)制造過程和系統(tǒng)模型👇

作者簡介

周杰，浙江大學(xué)控制系研究生畢業(yè)后在工業(yè)自動化/工業(yè)機器人/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)有十多年工作經(jīng)驗，目前從事智能制造研發(fā)項目管理相關(guān)的工作。