普渡模型（Purdue Model）是1992年由普渡大學計算機集成製造聯盟提出的係統架構
，在該架構模型的基礎上誕生了ISA-95標準，從車間到企業的信息流向出發，ISA-95標準把集成製造分成了若幹層次，並在生產領域和企業管理領域之間引入防火牆等內置安全管理機製。

zaigaimoxinghebiaozhunzhong，gongyezidonghuaxingchenglejinzitajiegou，zheyijiegouxunsuhuodeguangfanrenkebingzhanxianlechangjiudeshengmingli，zaiyixiexindejiagoumoxingzhong，wulunshideguodegongye4.0參考架構模型（RAMI 4.0）還是我國的智能製造係統架構(IMSA)，在係統層級維度大體沿用了ISA-95標準

，隻是在最頂層增加了企業協同（互聯世界），在最底層引入了產品（智能產品）。

👇 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量每18個月翻一番）和尼爾森定律（高端用戶的網絡帶寬能力每24個月翻一番）的指引下
，計算機技術和網絡技術得到了快速的發展：

在1993年
，Intel發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
，光纖入戶還隻是夢想
，移動通信還處於2G+功能機時代
；在如今
，我們已經基本實現光纖入戶並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/平方公裏連接數）為特點的5G網絡。

計算機技術和網絡技術的發展為工業自動化的發展提供了基礎
，在某些局部的領域改變了一些傳統的認知
，比如在90年代末到20年代初
，受製於當時的控製器算力和內存大小
，如果要實現運動控製和第三方現場總線等功能
，需要使用者在PLC CPU模塊的基礎上額外購買運動控製模塊和總線通信模塊。在如今，集成邏輯控製/運動控製/通信管理/安全等功能的多合一控製器（軟件定義的控製/軟件定義的網絡）已經漸成主流。但是從係統信息流向的角度出發，1992年提出的普渡模型幾乎沒有變化

，仍然是廣大製造業人心中的聖經。

這一模型是否解決了製造過程的所有痛點呢？答案應該是否定的。

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係統為例，我們參照模型架構並在架構的每一層引入了當時比較新的技術，比如：

👉在設備層的薄膜分切機控製中采用了邏輯/運動控製一體的控製器和PLCopen MFB，並在物料搬運環節引入了AGV、機器人等自動化設備；

👉在OT和IT係統之間使用了基於以太網的現場總線和OPC技術；

👉在IT係統的部署中采用了虛擬化技術並打通了各子係統之間的信息孤島。

整體係統投入運行後實現了當初設計的生產效率/生產質量/生產柔性等方麵的指標，但是碰到了一個從當時的條件看無法解決的問題：設(she)備(bei)層(ceng)使(shi)用(yong)的(de)伺(si)服(fu)電(dian)機(ji)在(zai)高(gao)速(su)運(yun)動(dong)下(xia)會(hui)發(fa)生(sheng)磁(ci)鐵(tie)脫(tuo)落(luo)的(de)現(xian)象(xiang)從(cong)而(er)造(zao)成(cheng)設(she)備(bei)的(de)意(yi)外(wai)停(ting)機(ji)，關(guan)鍵(jian)設(she)備(bei)的(de)停(ting)機(ji)會(hui)導(dao)致(zhi)產(chan)線(xian)停(ting)機(ji)，即(ji)便(bian)不(bu)考(kao)慮(lv)備(bei)件(jian)電(dian)機(ji)從(cong)廠(chang)家(jia)運(yun)輸(shu)到(dao)使(shi)用(yong)現(xian)場(chang)的(de)時(shi)間(jian)
，在(zai)現(xian)場(chang)拆(chai)卸(xie)並(bing)更(geng)換(huan)電(dian)機(ji)也(ye)是(shi)一(yi)件(jian)以(yi)小(xiao)時(shi)計(ji)數(shu)的(de)工(gong)作(zuo)，換(huan)言(yan)之(zhi)
，在(zai)該(gai)係(xi)統(tong)架(jia)構(gou)下(xia)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)自(zi)動(dong)化(hua)（減勞）和精益化（降費），無法實現無憂化。

這種問題可以在物聯網中得到較好的解決
，物聯網概念起源於1995年比爾蓋茨在《未來之路》一書中提及的物互聯
，在2005年國際電信聯盟（ITU）發布的同盟報告中

，物聯網的覆蓋範圍有了較大的拓展，連接互聯網的物不僅包括電腦、手機、家用電器消費品，也包括電網
、供水係統、油氣管道、機械設備等工業品。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(cai)集(ji)電(dian)機(ji)的(de)振(zhen)動(dong)和(he)溫(wen)度(du)信(xin)號(hao)，並(bing)通(tong)過(guo)無(wu)線(xian)網(wang)絡(luo)把(ba)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)傳(chuan)遞(di)到(dao)部(bu)署(shu)在(zai)車(che)間(jian)的(de)邊(bian)緣(yuan)計(ji)算(suan)控(kong)製(zhi)器(qi)中(zhong)，在(zai)對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)預(yu)處(chu)理(li)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)可(ke)以(yi)進(jin)行(xing)統(tong)計(ji)特(te)征(zheng)提(ti)取(qu)/設備健康狀態評估和故障預測，並將該信息和預測結果傳輸給MES等生產管理係統，從而避免因為設備意外停機對產線造成的衝擊。

👇電機健康狀態監控/故障預測案例和IoT架構模型👇

IoT架構模型的不同層次，充分利用了如下新技術特性：

• IoT設備：低成本、低功耗、高集成、小型化傳感器的出現和成熟；視覺傳感器自適應能力的提高和成本的下降；RFID標簽等類似技術在產品生命周期管理中的廣泛應用。

• IoT網絡 ：支持資源受限設備和輕量化通信協議；支持海量設備連接（IPv6）
；低功耗無線連接（Zigbee，Bluetooth LE，LoRa……）

；適用於工業場景的確定性網絡（TSN）。

• IoT管理和應用 ：雲計算/邊緣計算和虛擬化；分析技術3.0（分析技術1.0：結構化數據-數據中心，分析技術2.0：結構化數據和非結構化數據-數據中心，分析技術 3.0：結構化數據和非結構化數據-網絡邊緣和數據中心）。

zaichuantongdezidonghuajinzitajiagouzhong，badiyicengdechuanganqishujuchuanshudaozuigaocengjinxingfenxihechulishibukenengde，ruguohuiguzheyimoxingtichudeshidaibeijing
，jishangshiji90年代初，則很容易理解在當時的技術條件下為什麼會誕生這種信息逐層流動和處理的金字塔架構。隨著時代的變遷和技術的發展，在IoT架構中弱化了數據來源所在的層次，數據既可以來自於各種傳感器（比如溫度傳感器、振動傳感器）、智能元器件（比如變頻器、閥門），也可以來自設備控製器（比如PLC
、CNC），車間控製係統（比如SCADA
、RMS）
，或者企業管理運營係統（比如ERP，SCM）。與此同時
，借助邊緣計算，在IoT架構中強化了對數據，包括環境數據
、生產數據、設計數據
、工藝數據、運營數據、服務數據等進行分析並從中總結提煉對生產過程有用的各種洞察的重要性。

這zhe種zhong自zi動dong化hua金jin字zi塔ta架jia構gou會hui被bei替ti代dai嗎ma？以yi離li散san製zhi造zao為wei例li，根gen據ju上shang下xia遊you產chan品pin特te點dian，我wo們men可ke以yi把ba某mou一yi產chan品pin拆chai分fen成cheng若ruo幹gan產chan品pin單dan元yuan，然ran後hou把ba產chan品pin單dan元yuan的de生sheng產chan製zhi造zao過guo程cheng拆chai分fen成cheng若ruo幹gan工gong藝yi單dan元yuan，每mei一yi個ge工gong藝yi單dan元yuan的de實shi現xian由you各ge種zhong機ji械xie設she備bei完wan成cheng
，比bi如ru生sheng產chan設she備bei
、測試設備等，工藝單元和工藝單元之間的物料轉運由各種自動化設備完成，比如機器人、AGV等
，無論是機械還是設備


，從物聯網的視角看來都屬於執行機構，而從工業自動化的視角而言
，我們都可以簡化成人機界麵<->控製器<->驅動器的三層結構，包含以IO控製

、運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)和(he)安(an)全(quan)控(kong)製(zhi)為(wei)代(dai)表(biao)的(de)三(san)類(lei)控(kong)製(zhi)，傳(chuan)感(gan)器(qi)用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)的(de)各(ge)種(zhong)狀(zhuang)態(tai)並(bing)作(zuo)為(wei)車(che)間(jian)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)的(de)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)。生(sheng)產(chan)製(zhi)造(zao)過(guo)程(cheng)即(ji)是(shi)價(jia)值(zhi)創(chuang)造(zao)過(guo)程(cheng)，而(er)針(zhen)對(dui)這(zhe)種(zhong)生(sheng)產(chan)製(zhi)造(zao)過(guo)程(cheng)二(er)種(zhong)不(bu)同(tong)視(shi)角(jiao)下(xia)的(de)對(dui)比(bi)如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)
，在(zai)可(ke)預(yu)見(jian)的(de)將(jiang)來(lai)，這(zhe)二(er)種(zhong)模(mo)型(xing)會(hui)在(zai)發(fa)展(zhan)中(zhong)不(bu)斷(duan)融(rong)合(he)，在(zai)保(bao)留(liu)穩(wen)定(ding)、可靠和安全特性的同時，實現更具感知和智能的生產製造。

👇離散行業製造過程和係統模型👇

作者簡介

周傑，浙江大學控製係研究生畢業後在工業自動化/工業機器人/工業互聯網行業有十多年工作經驗
，目前從事智能製造研發項目管理相關的工作。