普渡模型（Purdue Model）是1992年由普渡大學(xué)計(jì)算機(jī)集成制造聯(lián)盟提出的系統(tǒng)架構(gòu)，在該架構(gòu)模型的基礎(chǔ)上誕生了ISA-95標(biāo)準(zhǔn)，從車(chē)間到企業(yè)的信息流向出發(fā)，ISA-95標(biāo)準(zhǔn)把集成制造分成了若干層次，并在生產(chǎn)領(lǐng)域和企業(yè)管理領(lǐng)域之間引入防火墻等內(nèi)置安全管理機(jī)制。

在該模型和標(biāo)準(zhǔn)中，工業(yè)自動(dòng)化形成了金字塔結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)迅速獲得廣泛認(rèn)可并展現(xiàn)了長(zhǎng)久的生命力，在一些新的架構(gòu)模型中，無(wú)論是德國(guó)的工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型（RAMI 4.0）還是我國(guó)的智能制造系統(tǒng)架構(gòu)(IMSA)，在系統(tǒng)層級(jí)維度大體沿用了ISA-95標(biāo)準(zhǔn)，只是在最頂層增加了企業(yè)協(xié)同（互聯(lián)世界），在最底層引入了產(chǎn)品（智能產(chǎn)品）。

👇 ISA-95和自動(dòng)化金字塔 👇

從自動(dòng)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(shù)量每18個(gè)月翻一番）和尼爾森定律（高端用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)帶寬能力每24個(gè)月翻一番）的指引下，計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了快速的發(fā)展：

在1993年，Intel發(fā)布了初代的奔騰處理器，單核心60 MHz，集成了310萬(wàn)個(gè)晶體管；在2019年AMD發(fā)布的Ryzen 9處理器則包含12核心3.8 GHz，集成約100億個(gè)晶體管。在90年代初，光纖入戶(hù)還只是夢(mèng)想，移動(dòng)通信還處于2G+功能機(jī)時(shí)代；在如今，我們已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)光纖入戶(hù)并正在逐漸普及以高帶寬（1G bps峰值吞吐率）/低時(shí)延（0.5~1ms時(shí)延）/大連接（1000K/平方公里連接數(shù)）為特點(diǎn)的5G網(wǎng)絡(luò)。

計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展提供了基礎(chǔ)，在某些局部的領(lǐng)域改變了一些傳統(tǒng)的認(rèn)知，比如在90年代末到20年代初，受制于當(dāng)時(shí)的控制器算力和內(nèi)存大小，如果要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和第三方現(xiàn)場(chǎng)總線等功能，需要使用者在PLC CPU模塊的基礎(chǔ)上額外購(gòu)買(mǎi)運(yùn)動(dòng)控制模塊和總線通信模塊。在如今，集成邏輯控制/運(yùn)動(dòng)控制/通信管理/安全等功能的多合一控制器（軟件定義的控制/軟件定義的網(wǎng)絡(luò)）已經(jīng)漸成主流。但是從系統(tǒng)信息流向的角度出發(fā)，1992年提出的普渡模型幾乎沒(méi)有變化，仍然是廣大制造業(yè)人心中的圣經(jīng)。

這一模型是否解決了制造過(guò)程的所有痛點(diǎn)呢？答案應(yīng)該是否定的。

以筆者10年左右參與的一個(gè)項(xiàng)目-某食品包裝工廠的自動(dòng)化車(chē)間系統(tǒng)為例，我們參照模型架構(gòu)并在架構(gòu)的每一層引入了當(dāng)時(shí)比較新的技術(shù)，比如：

👉在設(shè)備層的薄膜分切機(jī)控制中采用了邏輯/運(yùn)動(dòng)控制一體的控制器和PLCopen MFB，并在物料搬運(yùn)環(huán)節(jié)引入了AGV、機(jī)器人等自動(dòng)化設(shè)備；

👉在OT和IT系統(tǒng)之間使用了基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線和OPC技術(shù)；

👉在IT系統(tǒng)的部署中采用了虛擬化技術(shù)并打通了各子系統(tǒng)之間的信息孤島。

整體系統(tǒng)投入運(yùn)行后實(shí)現(xiàn)了當(dāng)初設(shè)計(jì)的生產(chǎn)效率/生產(chǎn)質(zhì)量/生產(chǎn)柔性等方面的指標(biāo)，但是碰到了一個(gè)從當(dāng)時(shí)的條件看無(wú)法解決的問(wèn)題：設(shè)備層使用的伺服電機(jī)在高速運(yùn)動(dòng)下會(huì)發(fā)生磁鐵脫落的現(xiàn)象從而造成設(shè)備的意外停機(jī)，關(guān)鍵設(shè)備的停機(jī)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)線停機(jī)，即便不考慮備件電機(jī)從廠家運(yùn)輸?shù)绞褂矛F(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間，在現(xiàn)場(chǎng)拆卸并更換電機(jī)也是一件以小時(shí)計(jì)數(shù)的工作，換言之，在該系統(tǒng)架構(gòu)下可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化（減勞）和精益化（降費(fèi)），無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)憂化。

這種問(wèn)題可以在物聯(lián)網(wǎng)中得到較好的解決，物聯(lián)網(wǎng)概念起源于1995年比爾蓋茨在《未來(lái)之路》一書(shū)中提及的物互聯(lián)，在2005年國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布的同盟報(bào)告中，物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍有了較大的拓展，連接互聯(lián)網(wǎng)的物不僅包括電腦、手機(jī)、家用電器消費(fèi)品，也包括電網(wǎng)、供水系統(tǒng)、油氣管道、機(jī)械設(shè)備等工業(yè)品。如下圖所示，通過(guò)在電機(jī)上安裝無(wú)電池傳感器（能量來(lái)自溫差和光照）采集電機(jī)的振動(dòng)和溫度信號(hào)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把傳感器信號(hào)傳遞到部署在車(chē)間的邊緣計(jì)算控制器中，在對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征提取/設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估和故障預(yù)測(cè)，并將該信息和預(yù)測(cè)結(jié)果傳輸給MES等生產(chǎn)管理系統(tǒng)，從而避免因?yàn)樵O(shè)備意外停機(jī)對(duì)產(chǎn)線造成的沖擊。

👇電機(jī)健康狀態(tài)監(jiān)控/故障預(yù)測(cè)案例和IoT架構(gòu)模型👇

IoT架構(gòu)模型的不同層次，充分利用了如下新技術(shù)特性：

• IoT設(shè)備：低成本、低功耗、高集成、小型化傳感器的出現(xiàn)和成熟；視覺(jué)傳感器自適應(yīng)能力的提高和成本的下降；RFID標(biāo)簽等類(lèi)似技術(shù)在產(chǎn)品生命周期管理中的廣泛應(yīng)用。

• IoT網(wǎng)絡(luò) ：支持資源受限設(shè)備和輕量化通信協(xié)議；支持海量設(shè)備連接（IPv6）；低功耗無(wú)線連接（Zigbee，Bluetooth LE，LoRa……）；適用于工業(yè)場(chǎng)景的確定性網(wǎng)絡(luò)（TSN）。

• IoT管理和應(yīng)用 ：云計(jì)算/邊緣計(jì)算和虛擬化；分析技術(shù)3.0（分析技術(shù)1.0：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)中心，分析技術(shù)2.0：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)中心，分析技術(shù) 3.0：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)-網(wǎng)絡(luò)邊緣和數(shù)據(jù)中心）。

在傳統(tǒng)的自動(dòng)化金字塔架構(gòu)中，把第一層的傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶罡邔舆M(jìn)行分析和處理是不可能的，如果回顧這一模型提出的時(shí)代背景，即上世紀(jì)90年代初，則很容易理解在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下為什么會(huì)誕生這種信息逐層流動(dòng)和處理的金字塔架構(gòu)。隨著時(shí)代的變遷和技術(shù)的發(fā)展，在IoT架構(gòu)中弱化了數(shù)據(jù)來(lái)源所在的層次，數(shù)據(jù)既可以來(lái)自于各種傳感器（比如溫度傳感器、振動(dòng)傳感器）、智能元器件（比如變頻器、閥門(mén)），也可以來(lái)自設(shè)備控制器（比如PLC、CNC），車(chē)間控制系統(tǒng)（比如SCADA、RMS），或者企業(yè)管理運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)（比如ERP，SCM）。與此同時(shí)，借助邊緣計(jì)算，在IoT架構(gòu)中強(qiáng)化了對(duì)數(shù)據(jù)，包括環(huán)境數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析并從中總結(jié)提煉對(duì)生產(chǎn)過(guò)程有用的各種洞察的重要性。

這種自動(dòng)化金字塔架構(gòu)會(huì)被替代嗎？以離散制造為例，根據(jù)上下游產(chǎn)品特點(diǎn)，我們可以把某一產(chǎn)品拆分成若干產(chǎn)品單元，然后把產(chǎn)品單元的生產(chǎn)制造過(guò)程拆分成若干工藝單元，每一個(gè)工藝單元的實(shí)現(xiàn)由各種機(jī)械設(shè)備完成，比如生產(chǎn)設(shè)備、測(cè)試設(shè)備等，工藝單元和工藝單元之間的物料轉(zhuǎn)運(yùn)由各種自動(dòng)化設(shè)備完成，比如機(jī)器人、AGV等，無(wú)論是機(jī)械還是設(shè)備，從物聯(lián)網(wǎng)的視角看來(lái)都屬于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而從工業(yè)自動(dòng)化的視角而言，我們都可以簡(jiǎn)化成人機(jī)界面<->控制器<->驅(qū)動(dòng)器的三層結(jié)構(gòu)，包含以IO控制、運(yùn)動(dòng)控制和安全控制為代表的三類(lèi)控制，傳感器用于測(cè)量生產(chǎn)過(guò)程的各種狀態(tài)并作為車(chē)間控制系統(tǒng)閉環(huán)控制的輸入信號(hào)。生產(chǎn)制造過(guò)程即是價(jià)值創(chuàng)造過(guò)程，而針對(duì)這種生產(chǎn)制造過(guò)程二種不同視角下的對(duì)比如下圖所示，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，這二種模型會(huì)在發(fā)展中不斷融合，在保留穩(wěn)定、可靠和安全特性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更具感知和智能的生產(chǎn)制造。

👇離散行業(yè)制造過(guò)程和系統(tǒng)模型👇

作者簡(jiǎn)介

周杰，浙江大學(xué)控制系研究生畢業(yè)后在工業(yè)自動(dòng)化/工業(yè)機(jī)器人/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)有十多年工作經(jīng)驗(yàn)，目前從事智能制造研發(fā)項(xiàng)目管理相關(guān)的工作。