1.2 工业自动化领域的新视角

进入工业4.0时代，制造业的灵魂——工业自动化必然会发生跨越性变化。与传统工业自动化的观念比较，其不同点将在下文阐述。

1.2.1 自动化行业产品到方案的转变

自从20世纪60年代末期诞生世界上第一个PLC系统以来，随着工业自动化技术的广泛应用，PLC系统得到了长足的发展，也成为制造业的核心竞争力元素之一。其功能从简单的逻辑顺序控制到模拟量回路调节技术，再到复杂的算法、实时的网络通信以及基于仿真建模的设计手段；其软件也从简单的指令表、梯形图发展到以C语言为代表的高级语言编程方式。这里特别需要指出的是，以矢量变频器和伺服驱动器为代表的运动控制产品，为高速、高精度以及复杂运动需求的高端机械制造业提供了关键的技术支撑。

到目前为止，以可编程技术为代表的工业自动化技术已经走过了近50年的历史。仔细审视其足迹，工业自动化技术虽然在硬件的性能、网络的实时性以及软件的功能等方面不断有创新、有突破，然而时至今日，并没有出现革命性变化。这就意味着，工业自动化产品在众多竞争对手群体里慢慢地走向了同质化，这是一个行业产品的必然走向。图1-10用行业产品创新幅度的演变描述了这个现象。

面对工业自动化行业逐渐同质化的竞争格局，工业自动化产品的供应商们必然要回答客户这样一个问题：如何给客户带来额外的价值。这就是差异化竞争战略。这个战略最终带来的发展趋势是如何从应用的角度帮助客户提高效益、节省成本，最终达到提高客户产品或系统的竞争力目的。工业自动化领域的供应商在差异化或个性化战略的引导下，从单纯提供产品逐步走向了提供平台和研发工具、提供自动化技术包、提供客户行业的工艺包乃至完整应用方案的道路。图1-11对此作了描述。

1.2.2 集中与分布的关系变革

20世纪90年代初期，以PLC系统为代表的工业自动化系统基本上是以中小型系统居多。系统配置时尽量集中在一个底板上，其优点是可以保证CPU和I/O之间的交互速度较快。系统的扩展首先考虑速度较快的远程I/O，其次是考虑以Profibus和CAN为代表的现场总线的网络扩展。系统越庞大，其通信速度就会越受限制。网络的通信循环周期一般在10 ms以上，这样实现系统时钟对时以及SOE（Sequence Of Event）的功能就比较困难。所以，这个时期的控制系统是以集中式为主，分布式为辅。

2000年以后，逐步出现了POWERLINK、Profinet RT、Ethernet/IP以及EtherCAT等实时工业网络技术。它们的出现基本上消灭了主站和从站的速度差别，使得集中式和分布式的系统架构都在通信响应上达到了小于1 ms的循环周期。更值得关注的是，这个指标在近几年内将走进微秒（µs）级。当网络通信的速度已经不是问题的时候，系统组网就有了灵活性，主站和从站的区分就显得越来越不重要了，这就为智慧工厂的实现奠定了系统架构的基础。在这个架构上，一个重要的概念便得以实现，这就是分布式智能。

为了很好地说明这个概念，我们首先看一看传统工厂的运作流程。当一条生产线上的产品发生变动时，首先是生产车间的管理人员向MES（Manufacturing Execution System）发出启动指令，然后由MES向机器设备更新工艺流程数据，最后由操作员在机器设备上做针对新产品的相应改动。其流程如图1-12所示。

可以看出，这一传统运作流程的第一个缺陷是耗时。在重新配置产品时不仅需要较长时间的停机，而且只有大批量更换时才有意义。第二个缺陷是，大量的人为干预易出现错误。第三，从机器到最终产品的上下游设备之间有着复杂的依赖关系。（这样的运作方式缺少灵活性，以至于更换产品的流程变得复杂而低效。）

对于智慧工厂来说，一个最明显的标志是通过分布式智能来实现系统之间的自主交互、自主决策，从而避免人工的干预。图1-13示出了智慧工厂在更换产品时的运作流程。

这样的运作流程不仅减少了人为的改动和人为的过程控制，而且机器变成了带有标准接口的黑盒子，工件知晓自己的任务和目标，各单元和机器之间可以自由组合，这种模块化系统使得工厂无需事先定义布局和路线。

一个工厂的系统架构大致可以分成四个部分：ERP（Enterprise Resource Planning）、MES、生产线与流程，以及机器四个部分。图1-14示出了智慧工厂按照传统布局的系统构架图。

从这个系统的架构可以看出，整个系统的通信有两个通道：一个是从机器层向ERP方向的实时通信，图中将POWERLINK作为例子示出。另一个是从ERP通向机器层的以OPC UA为标准协议的非实时通信。这四个部分都分别对应着专业化的方案，如机械自动化方案、工厂自动化方案、MES方案以及ERP软件。由于实时工业网络技术的发展迅猛，可以预见，OPC UA在不久的将来会囊括实时通信部分，即上面的两个网络通路将会变成一个。

符合“工业4.0”思想的智慧工厂将不会是上面的金字塔架构，而是强调分布式智能的并行架构，如图1-15所示。

具有分布式智能特点的子系统之间可以任意相互交流，并作出高效的决策，尽量减少人为的干预，在标准化的基础上真正实现互联互通和智能化，这是未来智慧工厂的重要特征。