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1.工业信息化的历史-工业3.0的起点

第三次工业革命(工业3.0）是信息技术开始被工业界使用，开启了工业化与信息化融合的历史。其标志性事件是DickMorley与他的团队在年开发出了第一台可编程逻辑控制器（PLC）-ModiCon，如图一所示。继而PLC取代了传统的、繁杂的、体积庞大的继电器控制柜，被广泛地用于离散工业控制中。

图一：DickMorley（左一）、他的PLC开发团队与第一台PLC-ModiCon

上世纪七十年代，Allen-Bradley的OdoStruger博士提出了PLC的基本结构，如图二所示。虽然不同的PLC厂商会有一些小的修改调整，但其结构一直被沿用至今。OdoStruger博士创立了国际标准IEC-1，即现在的IEC6-3。

图二：OdorStruger博士与他提出的PLC基本结构

DickMorley与OdorStruger被并称为PLC之父。PLC的发明被认为是工业3.0的起点，也正是计算机信息技术被正式地应用到工业自动控制领域中，开启了工业化与信息化的两化融合之旅。

在过去的二、三十年里，越来越多的计算机信息技术被用于工业领域。

八十年代初，毕业于华盛顿州立大学的EdmundSchweitzer博士将微处理芯片用于数字继电保护中，取代了传统的机械式的继电保护。如图三所示。

图三：EdmundSchweitzer博士与第一台数字继电保护器SEL-21

数字继电保护器取代了传统的机械式的继电保护器。其灵活，易设定调试，故障诊断功能强等特性深受客户喜爱。

2.普度企业参考架构-PERA

TheodoreWilliams领导的普度大学应用工业控制实验室于年提出了普度企业参考架构（PurdueEnterpriseReferenceArchitecture），简称PERA。如图四所示，在PERA中，共有六个层级：1）Level0-传感器与执行机构，如光电开关，液位计，压力传感器，电机，电磁阀；2）Level1-自动化与控制，如可编程逻辑控制器，集散控制系统，运动控制，工业PC机；3）Level2-数据采集与监控，如人机界面，SCADA；4）Level3-生产管理，如历史记录，报表系统，产品生命周期管理系统；5）Level4-企业资源规划系统；6）Level5-企业管理，如订单系统，资产管理与财务管理系统。Level0到Level3被定义为工业技术（OT-OperationalTechnology），Level4和Level5被定义为信息技术（IT-InformationTechnology）。

图四：普度企业参考架构（PurdueEnterpriseReferenceArchitecture）

PERA的三大特点

1)功能层级化；

2)向下时间尺度逐渐变小-在Level0（传感器与执行机构层），时间尺度以毫秒甚至微秒计；在Level1（自动化与控制层），时间尺度以百毫秒甚至秒计；在Level5（企业管理层），时间尺度以月甚至季度计；

3)数据逐层级传输（基本如此，偶有例外）

3.工业信息化今天正在发生的趋势：

1)系统越来越开放-上个世纪，大多工业自动化厂商使用自己订制的通信协议，不愿提供对其他厂商设备的接口。二十一世纪开启后，越来越多的OT设备厂商提供了开放式接口，如OPCUA；

2)使用越来越多的信息技术（计算机与通信）-许多工业自动化的创新是将IT技术引入工业领域。如移动计算、云计算、智能传感器、工业大数据，人工智能以及工业物联网等。尤其值得注意的是MichaelGrieves博士提出的电子孪生技术（DigitalTwin），如图五所示；

3)功能在不同层级的设备上转移、重组，层级的界限越来越模糊-这是另一个工业界创新的特点。譬如数据记录功能本来由处于Level3的Historian完成，现在有越来越多的智能传感器可以记录更小时间尺度的测量值；又譬如现在的运动控制器（像西门子的Simotion）将原来的逻辑控制（PLC）与传统的运动控制（CNC）结合起来，实现高度耦合的逻辑控制与运动控制；

4)网络安全越来越被重视-由于工控系统越来越开放，大多工控系统会被暴露在网络黑客的攻击下，越来越多的互联网安全保护技术会根据工业应用场景作修订后应用在工业领域。

图五：MichaelGrieves博士与他提出的电子孪生技术（DigitalTwin）

4.工业信息化不久的将来

笔者认为在未来的五年到十年里，工业化和信息化会继续深度融合，并在以下几点有大的突破-

1）PERA的层级架构会不复存在，取而代之的是更加扁平的、设备之间的直接数据交换，如图六所示；

2）工业互联网/物联网技术会改变工业的生态系统及工作方式。譬如物联网技术将智能传感器的数据收集并发送回设备厂商，该厂商可以分析数据，将学到的知识用到下一代产品设计中；

3）VR与AR会被广泛的用于工业设计，生产与运维中；

4）区块链技术会被用于工业中去保护知识产权等重要数据；

5）包括电子产品，越来越多的产品在设计阶段会考虑如何能被回收利用。

图六：取代PERA的新参考架构

当然这里不能列举出所有的趋势，本文只是管中窥豹，意在预见未来工业自动化与信息化的一个侧面。

魏东

东子谈智造专栏作者

清华大学电机工程系获得电气工程学士学位

美国新泽西理工学院电气与计算机工程系获硕士和博士学位

北京钢铁设计研究总院电气工程室工作

在西门子（美国）研究院任资深科学家

在国际期刊及会议上发表了近三十篇英文论文并拥有数十项美国专利

担任中国自动化联盟的外聘顾问

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