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                      第一次工業革命發生于18世紀到19世紀,通過創造新的制造工藝改進了生產流程從而促進了社會的進步。當時的制造業主要依賴于手工進行商品的生產,而誕生于英國的第一次工業革命改變了這種狀況,使得機器制造業能夠更好地利用水和蒸汽動力促進生產力提升。而這些改進的創新思想和體系在第二次、第三次工業革命中自然也起了很大的作用。正在進行的工業革命是第四次工業革命,也被稱為工業4.0(德國提出)或工業互聯網(美國提出)。工業4.0的基本概念與其他工業革命相同:通過改進業務流程和制造工藝,減少生產時間,降低生產材料成本,減少制造缺陷產品的數量,并通過創造能夠代替人工作的機器來使工業制造更容易。

                      工業4.0或工業互聯網是正在進行的工業革命的術語。它最初是指制造業的數字化,但實際上也指醫療、物流、石油和天然氣等其他行業的數字化。也指我們經常聽到的有關智能工廠,智能城市或智能設備的概念。工業4.0是關于物聯網(IoT),網絡物理系統(CPS),信息技術(IT)和操作技術(OT)的融合,其中,變革首先從信息技術領域引發,云計算,機器學習和大數據等IT技術引導現代信息企業采用新的業務模式,改進自身業務流程和運營效率,提升企業核心競爭力。而這些IT新技術的發展解決了互聯網企業和傳統企業共同的一個訴求,即解決規模不斷擴張、業務快速變化的挑戰,同時還有效控制成本。在傳統企業中,其他類型的企業愿意通過在早期階段部署新技術來承擔風險,而工業企業可能會更謹慎。由于工業環境的特殊性,工業企業的這個訴求是否能夠借鑒互聯網企業的成功還是一個未知數。為了克服這個門檻,這個行業需要創新,因此類似工業4.0等概念和體系的興起,目的就是為了進行大量的研究、測試和實施這些技術變革引導到工業企業中。

                      關于實踐的最新進展情況,我們通過分析傳統的自動化金字塔模型來進行說明。傳統的自動化金字塔(圖2)代表了當今工業控制系統領域的一個典型模型。從傳感器到執行器的所有物理設備都處于現場級,用于控制這些現場級物理設備的數據和動作處于第二級,第二級通過使用PLC等物理硬件來控制現場級的物理硬件。第三個級別是一個數據采集和監控級別,允許用戶通過SCADA系統監視和控制他們的工業控制過程。SCADA是數據采集與監視控制系統的縮寫,典型的SCADA架構包括傳統自動化金字塔的前三個級別。MES和ERP系統則在SCADA架構之上。MES代表制造執行系統,它是指實時監控制造數據的系統。MES系統可以跟蹤整個生產過程的貨物情況。企業資源規劃(ERP)系統提供了自動化金字塔的最高級別。ERP系統管理核心業務流程的實時監控,如生產或產品計劃,物料管理和財務情況等。

                      工業4.0和網絡物理系統到來后,傳統的基于該金字塔模型的工業控制系統架構正在發生變化。首先在最頂層的ERP和MES就逐漸實現互聯和融合,實現了生產數據的上層聯動,并最終利用云計算、大數據乃至人工智能的數據存儲和運算的優勢將生產數據進行深度挖掘和加工,并最終輸出優化的生產數據用于提高生產效率。而在下層的生產執行層設備和系統,則也處于智能和重構階段,比如最終生產數據的終端以及產生變化,包括人們身穿的跑鞋、智能工廠里面的智能生產線,這些從傳感器到執行器的所有物理設備已經在向數字化、智能化方向發展并且已經取得成績。因此可以發現,在工業互聯網或工業40時代,工業控制系統最終的體系變革是將傳統的金字塔模型從兩端進行變革。準確一點來說,工業互聯網側重的是上層生產數據的技術變革,即工業控制系統和云計算、大數據、人工智能等的融合,提倡將工業控制系統的數據上載到工業云上,利用云進行數據挖掘和分析從而優化生產的過程。所以在現在的工業互聯網架構實現上,其體系架構實現要么是工業互聯網平臺直接和PLC設備直接采集PLC上的生產數據,要么是工業互聯網平臺采集工業控制系統的實時數據庫中的數據,要么就是開發出一個數據采集網關,通過數據采集網關將所有數據全部采集后,網關再將數據上傳至工業互聯網平臺。所以工業互聯網本質上來說就是一個將工業控制系統數據全部匯聚到一個云計算平臺上。工業4.0則側重于實現底層從傳感器到執行器的所有物理設備的數字化和智能化,并且實現這些終端設備直接將該數據上傳。上傳的平臺可能是MES,歷史數據庫也可能是工業互聯網平臺。對大多數企業來說,工業4.0首先要實現的第一步就是通過MES系統對生產系統所有相關子系統進行垂直整合和數字化,以實現實時的工廠運營透明度。同時橫向整合還包括功能區的連接。在此MES起到了信息轉盤的核心元素功能,對大數據進行收集、分析、處理以及為支持其他系統數據交換。

                      在自動化控制誕生之前,系統和機器的生產必須依靠手工進行操作。而自動化所帶來的好處是,將那些需要重復操作的環節利用自動化控制實現,解放了人的雙手并實現了諸多優勢--從縮短上市時間到減少故障產品均能夠很好表現自動化控制的優點。盡管如此,隨著市場需求的不斷增長,人們還是嫌棄現有的自動化控制無法滿足生產效率的需求,而實質也是這樣。人們需要更多的靈活性來保障快速的產品生產上市銷售,靈活性是現在工業自動化的關鍵和重點。這些靈活性表現在:越來越多的工廠數據應該是可復用的,邏輯代碼應該是易于移動和可重用的,系統應該是模塊化和可擴展的,生產企業應該根據自己的需求選擇他們的優選供應商而不是現在的綁定銷售等等。

                      工業互聯網和工業4.0的這些實現支持了未來工業控制系統靈活性和可擴展性的需求。工業互聯網使得我們的生產數據可以進行規模化集中存儲,實現以前不可能實現的大數據,并利用云計算平臺前所未有的計算能力對這些大數據進行分析,挖掘和優化生產效率。工業4.0使得現場設備、機器和工廠已經變得“更智能”,所以我們可以談論智能設備、智能機器和智能工廠。但是,我們會發現,無論是工業互聯網還是工業4.0,均未對工業控制系統的的“大腦”PLC做出任何更進一步的技術變革。這種兩頭重中間輕的現象,就好比是高速路上的收費站,光高速路擴寬遠遠不能夠實現更大的汽車吞吐,矗立與高速路上的各個收費站才是這條路上的瓶頸點。因此現在針對收費站都需要設置更多收費窗口、實現電子收費等等舉措改革而適應高速快速增長的車流。適用于工業控制系統領域也是一樣,控制的核心PLC設備不能夠靈活擴展,無疑這一限制將會大大減弱工業控制系統靈活性和可擴展性。

                      因此目前業界針對工業互聯網、工業4.0等的技術體系探索,重點將圍繞PLC展開。

                      具體來說實現PLC靈活性和可擴展性的方案主要有以下兩種:

                      1、實現PLC虛擬化。利用PLC虛擬化是虛擬PLC(vPLC)取代傳統硬件PLC;

                      2、PLC硬件重構,實現下一代新型和智能的PLC設備,取代傳統硬件PLC。

                      這兩種技術是目前工業向互聯網轉化的技術熱點和研究方向,至少從理論實現的角度上來說,實現PLC虛擬化將最大程度的保障現有的大部分廠家及其用戶的現有利益,并且基于信息系統的成功案例,使得大家對其實現信心滿滿。另外的PLC硬件重構,主要以軟件定義思想為核心,將PLC硬件的邏輯運算平面和邏輯控制平面進行分離,PLC硬件將實現通用的邏輯運算,統一由控制器進行控制平面的邏輯控制和邏輯管理。

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