1、工业互联网的架构：从工业4.0谈起
关于工业互联网的架构，我们从早期的工业4.0架构谈起。
参考观研天下发布《2018-2023年中国工业互联网行业市场供需现状调研与未来发展商机战略评估报告》
目前对数字化工厂内部的层次架构并没有形成完整的统一标准，根据西门子的数字化工厂的层次架构来看，大致可以分成5个层次：分别是企业层、管理层、操作层、控制层和现场层。不同的层次对应的不同的设备。在企业层中，主要设计产品开发、产品仿真模及企业日常管理，主要包括ERP和PLM软件；在管理层，承接了PLM和ERP的部分工能，主要以执行制造为主，主要包括MES软件系统和工厂工程组态；操作层，主要由DCS和SCADA系统构成，执行MES发出的具体指令；控制层是以PLC和HMI为主体的模块构成；最底层的现场层主要是由具体的现场设备构成，包括机器人、机床、泵阀等设备。各个层次之间通过工业通讯网络连接。
除了西门子的数字化工厂的层次架构，研华经过三十多年积累，也逐渐形成了数字工厂的各个模块。其数字化工厂包括四个主要层次，分别是：ERP层、MES层、中央监控层、设备层。每个层次之间都有独立的通讯模式。工厂内部总体包括数据采集、工业通讯、嵌入式机器人、I/O板卡高速采集运动控制、人机界面、工控机以及上层软件等七大部分，为企业构建一个完整的智慧工厂解决方案，兼备设施系统、信息化应用系统、设备管理系统、公共安全系统等，建设高效、节能的数字工厂。
结合西门子和研华的数字化工厂层次架构，国内工业4.0数字化工厂的基本层次架构的一般模式，工厂层次分为5层，分别是：
（1）ERP层，主要是企业层级的应用，包括产品开发，企业管理等软件系统；
（2）MES层，MES层是企业管理制造和产品生命周期的交叉点，负责具体的制造执行过程，工单生成和车间任务分配等。
（3）通信层，通信层是负责对工厂内部设备之间互联的重要设备，主要的硬件设备包括工业以太网、现场总线、交换机及无线网络系统。通信层涉及到众多通信协议的整合。
（4）工业控制层，与西门子的控制层类似，主要由SCADA、PLC和DCS构成，还包括人机交互界面（HMI），实现对底层设备实施逻辑控制。
（5）设备执行层，主要包括工业机器人、智能机床、伺服系统、泵阀设备、3D打印、机器视觉、传感器等，都是重要的现场执行设备。
在数字化工厂的五个层次中，既包括硬件设备，也包括软件系统。数字化工厂的每个层次都有独立的网络设备、网络连接方式、服务器和数据库。可以形成独立的感知、决策行动，层与层之间的通讯方式也不尽相同。
所以，从数字化工厂的层次架构可以看到，整个智能化过程中有几个非常重要的模块：（1）工业软件模块，工业软件可以涵盖企业层的ERP到产品设计层的PLM再到制造执行系统MES，甚至是更底层的数据监控软件和控制软件，将构成数字化工厂强大的软件系统；（2）工业通讯模块，工业通讯是连接每层的通讯网络，是实现物理世界与虚拟世界的桥梁，是实现人与人人与机器设备之间通信的桥梁，因此也是智能工厂中不可缺少的模块；（3）执行设备模块，这个模块构成复杂，包括机器人、智能机床、泵阀设备、机器视觉、3D打印等，结合到目前的产业化现状与产业化需求程度，机器视觉，作为工业机器人的感知功能设备，未来具备较好的发展空间，是执行设备模块中具有发展潜力的模块。
然而国内制造业（主要是指离散行业）面临的现实问题是：底层设备与上位系统之间形成真空地带，也就是上位的IT与底层OT设备之间出现断层，操作现场中传感器与执行设备的数据无法直接上传到信息层，被MES接收。能否突破IT与OT之间的断层，将操作现场中传感器与执行器的数据直接上传到信息层，成为目前国内制造业进行自动化升级的关键环节。
MES管理系统，是属于上位的信息系统，对接事件和流程，需要底层设备数据的支撑。但是传统的工业数据存在于传感器和执行器那些封闭的盒子里面，信息系统是没办法拿到这些数据的，或者获取数据的代价比较高昂。所以就需要成熟的中间环节去破解这些数据，而且是使用相对低的成本破解数据，否则没有意义。
前面提到目前阻碍工业软件大范围应用的主要因素是IT与OT设备之间的断层，目前有两种思路解决IT与OT设备的断层，分别是：（1）采用分布式控制结构，通过成熟的中间件系统，衔接IT系统和传统的传感器和控制设备；（2）直接将传感器数据接入云端。现在联网的成本已经降到足够低，无论是WiFi模块还是通讯技术，都在持续发展，促进了物联网在制造业的落地。
考虑到国内目前制造业的硬件基础设施现状，第一种方式利用中间件是比较容易普及的。但是，利用中间件仍然需要解决一个非常关键的问题：设备通讯协议的接口并不是开放的。互联网网能够快速扩展，很重要的一点就是开放和模块化。无论是云平台还是各种应用软件，都有完善的API接口。不管你开发任何东西，一定要有比较完整的开放接口支持，但是很不幸，传统的工业自动化系统这种概念并不普遍，大都比较封闭。行业内使用的比较普遍的设备都是西门子、欧姆龙、台达等，他们的通讯协议不同，且接口并不开放。
所以，在政策驱动和产业需求双重驱动下，一旦解决设备通讯协议的兼容性，国内自动化改造的市场需求中，中间件会率先受益。
除了打通OT与IT之间的真空地带，实现网络化是智能工厂向工业互联网体系上升的重要途径。层次架构之间，每层之间的通讯方式都不一样，考虑到每个层级所赋予的职责和使命差异，工业通讯方式也存在差异。在ERP层和MES层，主要是以路由器、工业以太网和总线的方式互联，在目前的网络通讯上，没有太多的变化；在控制层，主要的通讯方式是ProfiBus、ModeBus、工业以太网和现场总线等；在传感层，主要的通讯方式为现场总线，无线网络、LTE、Zigbee、Wifi等，由于设备的流动性，因此对无线通讯网络应用较多。
综上所述，不论下游行业所从事的工业形态如何，不论底层设备如何，要实现智能制造的两个不可或缺的步骤分别是数字化和网络化。数字化主要是指设备数字化，才能产生可供互联互通的信息流，进行更高层次的排程算法。
关于工业互联网的架构，我们从早期的工业4.0架构谈起。
参考观研天下发布《2018-2023年中国工业互联网行业市场供需现状调研与未来发展商机战略评估报告》
目前对数字化工厂内部的层次架构并没有形成完整的统一标准，根据西门子的数字化工厂的层次架构来看，大致可以分成5个层次：分别是企业层、管理层、操作层、控制层和现场层。不同的层次对应的不同的设备。在企业层中，主要设计产品开发、产品仿真模及企业日常管理，主要包括ERP和PLM软件；在管理层，承接了PLM和ERP的部分工能，主要以执行制造为主，主要包括MES软件系统和工厂工程组态；操作层，主要由DCS和SCADA系统构成，执行MES发出的具体指令；控制层是以PLC和HMI为主体的模块构成；最底层的现场层主要是由具体的现场设备构成，包括机器人、机床、泵阀等设备。各个层次之间通过工业通讯网络连接。
西门子数字化工厂的层次架构
资料来源：公开资料整理
除了西门子的数字化工厂的层次架构，研华经过三十多年积累，也逐渐形成了数字工厂的各个模块。其数字化工厂包括四个主要层次，分别是：ERP层、MES层、中央监控层、设备层。每个层次之间都有独立的通讯模式。工厂内部总体包括数据采集、工业通讯、嵌入式机器人、I/O板卡高速采集运动控制、人机界面、工控机以及上层软件等七大部分，为企业构建一个完整的智慧工厂解决方案，兼备设施系统、信息化应用系统、设备管理系统、公共安全系统等，建设高效、节能的数字工厂。
研华的数字工厂层次架构
资料来源：公开资料整理
工厂的层次架构的一般模式
资料来源：公开资料整理
结合西门子和研华的数字化工厂层次架构，国内工业4.0数字化工厂的基本层次架构的一般模式，工厂层次分为5层，分别是：
（1）ERP层，主要是企业层级的应用，包括产品开发，企业管理等软件系统；
（2）MES层，MES层是企业管理制造和产品生命周期的交叉点，负责具体的制造执行过程，工单生成和车间任务分配等。
（3）通信层，通信层是负责对工厂内部设备之间互联的重要设备，主要的硬件设备包括工业以太网、现场总线、交换机及无线网络系统。通信层涉及到众多通信协议的整合。
（4）工业控制层，与西门子的控制层类似，主要由SCADA、PLC和DCS构成，还包括人机交互界面（HMI），实现对底层设备实施逻辑控制。
（5）设备执行层，主要包括工业机器人、智能机床、伺服系统、泵阀设备、3D打印、机器视觉、传感器等，都是重要的现场执行设备。
在数字化工厂的五个层次中，既包括硬件设备，也包括软件系统。数字化工厂的每个层次都有独立的网络设备、网络连接方式、服务器和数据库。可以形成独立的感知、决策行动，层与层之间的通讯方式也不尽相同。
所以，从数字化工厂的层次架构可以看到，整个智能化过程中有几个非常重要的模块：（1）工业软件模块，工业软件可以涵盖企业层的ERP到产品设计层的PLM再到制造执行系统MES，甚至是更底层的数据监控软件和控制软件，将构成数字化工厂强大的软件系统；（2）工业通讯模块，工业通讯是连接每层的通讯网络，是实现物理世界与虚拟世界的桥梁，是实现人与人人与机器设备之间通信的桥梁，因此也是智能工厂中不可缺少的模块；（3）执行设备模块，这个模块构成复杂，包括机器人、智能机床、泵阀设备、机器视觉、3D打印等，结合到目前的产业化现状与产业化需求程度，机器视觉，作为工业机器人的感知功能设备，未来具备较好的发展空间，是执行设备模块中具有发展潜力的模块。
2、智能制造在工业生产实践中的问题与痛点
在多层次的智能工厂架构中，信息技术（IT，包括ERP、CMS、质量、财务、物流、供应链管理等）和运营技术（OT，包括传感器、机器、控制器、执行器）的完美融合是工业4.0的理想模式。然而国内制造业（主要是指离散行业）面临的现实问题是：底层设备与上位系统之间形成真空地带，也就是上位的IT与底层OT设备之间出现断层，操作现场中传感器与执行设备的数据无法直接上传到信息层，被MES接收。能否突破IT与OT之间的断层，将操作现场中传感器与执行器的数据直接上传到信息层，成为目前国内制造业进行自动化升级的关键环节。
MES管理系统，是属于上位的信息系统，对接事件和流程，需要底层设备数据的支撑。但是传统的工业数据存在于传感器和执行器那些封闭的盒子里面，信息系统是没办法拿到这些数据的，或者获取数据的代价比较高昂。所以就需要成熟的中间环节去破解这些数据，而且是使用相对低的成本破解数据，否则没有意义。
前面提到目前阻碍工业软件大范围应用的主要因素是IT与OT设备之间的断层，目前有两种思路解决IT与OT设备的断层，分别是：（1）采用分布式控制结构，通过成熟的中间件系统，衔接IT系统和传统的传感器和控制设备；（2）直接将传感器数据接入云端。现在联网的成本已经降到足够低，无论是WiFi模块还是通讯技术，都在持续发展，促进了物联网在制造业的落地。
底层设备与上位系统之间出现断层
资料来源：公开资料整理
IT和OT融合的两条路径
资料来源：公开资料整理
考虑到国内目前制造业的硬件基础设施现状，第一种方式利用中间件是比较容易普及的。但是，利用中间件仍然需要解决一个非常关键的问题：设备通讯协议的接口并不是开放的。互联网网能够快速扩展，很重要的一点就是开放和模块化。无论是云平台还是各种应用软件，都有完善的API接口。不管你开发任何东西，一定要有比较完整的开放接口支持，但是很不幸，传统的工业自动化系统这种概念并不普遍，大都比较封闭。行业内使用的比较普遍的设备都是西门子、欧姆龙、台达等，他们的通讯协议不同，且接口并不开放。
所以，在政策驱动和产业需求双重驱动下，一旦解决设备通讯协议的兼容性，国内自动化改造的市场需求中，中间件会率先受益。
除了打通OT与IT之间的真空地带，实现网络化是智能工厂向工业互联网体系上升的重要途径。层次架构之间，每层之间的通讯方式都不一样，考虑到每个层级所赋予的职责和使命差异，工业通讯方式也存在差异。在ERP层和MES层，主要是以路由器、工业以太网和总线的方式互联，在目前的网络通讯上，没有太多的变化；在控制层，主要的通讯方式是ProfiBus、ModeBus、工业以太网和现场总线等；在传感层，主要的通讯方式为现场总线，无线网络、LTE、Zigbee、Wifi等，由于设备的流动性，因此对无线通讯网络应用较多。
各个层次具有不同的的通信方式
资料来源：公开资料整理
综上所述，不论下游行业所从事的工业形态如何，不论底层设备如何，要实现智能制造的两个不可或缺的步骤分别是数字化和网络化。数字化主要是指设备数字化，才能产生可供互联互通的信息流，进行更高层次的排程算法。
资料来源：观研天下整理，转载请注明出处（GYKWW）
更多好文每日分享，欢迎关注公众号
【版权提示】观研报告网倡导尊重与保护知识产权。未经许可，任何人不得复制、转载、或以其他方式使用本网站的内容。如发现本站文章存在版权问题，烦请提供版权疑问、身份证明、版权证明、联系方式等发邮件至kf@chinabaogao.com，我们将及时沟通与处理。
