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边缘计算在智能制造中的解决方案

2017-02-06 15:14
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1、从智能制造的发展认识边缘计算

一谈到智能制造,我们就会提到三个集成,即在生产制造领域的纵向集成,在价值链领域的横向集成,以及产品全生命周期的数字化端到端集成。我们在这里主要关注生产制造领域的纵向集成,即如何使现在的生产制造系统适应未来大规模的定制化生产的需求。

在生产制造领域,目前的传统方式是采用分层的架构,其核心思想是:把复杂的问题逐一分层,每个部分解决一部分问题,最后构建一个整体的系统。传统方式的特点是简洁高效,但同时也会带来信息孤岛等很多其他的问题。现在有了更强大的通讯和计算的能力,有了云计算和人工智能,我们能够通过更丰富的信息手段和计算能力来提升跨层次、跨领域的更深层次的优化。

基于以上观点,我们认为未来的工业控制系统将会是一个以物联网、云计算、大数据分析为技术核心的开放平台。在该领域的发展过程中,边缘计算可以在工业控制系统中的IT与OT系统的融合方面得到充分的价值体现。

2、新一代自主可重构工业控制系统关键技术

我们利用边缘计算水平解耦的思想构建了新一代自主可重构的工业控制系统的技术架构,如图1所示。主要分为四个部分:最下层是泛在化感知层,利用物联网的技术进行广泛的数据采集;上一层是将IT与OT融合的全互联的制造网络;再向上,我们提出了一个叫做语义化信息集成层,意义在于将大量的信息和设备高效集成;下面三层的工作都是为了最终的制造应用来服务的,因此最上层也就是服务化制造应用层。

图1 新一代自主可重构的工业控制系统的技术架构

2.1 泛在化感知

泛在化感知层的主要作用是采集现场的信息并且进行控制。目前,工业应用面临的主要挑战:抗干扰、高实时、低功耗。

2.1.1 泛在化感知的新技术方向

(1)WIA-PA

在这方面中国科学院沈阳自动化研究所(以下简称沈自所)在流程行业已经做出了一定的成绩,建立了流程工业低速、低功耗的工业无线的标准WIA-PA。在802.15.4物理层基础上,实现自适应跳频、多跳高实时传输技术、高精度同步技术,使得数据传输可靠性达99%以上,网络功耗在微安级。目前,WIA-PA已成为IEC国际标准。基于这项技术我们研制的相关产品在已经石油石化、电力、冶金等领域得到了广泛的应用。

(2)WIA-FA

在离散领域,面向离散加工行业,沈自所研制了传感器、控制器、执行器之间互联通信的高速无线网络技术WIA-FA。在802.11物理层基础上,实现频域轮询、动态信道调度、聚合Ack技术,使得百点规模的数据传输时延低于10ms,可靠性达99.99%以上。目前,WIA-FA也已成为了IEC国际标准。

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