探究智能工厂：IIoT 创新模型

来源：Teamcenter笔记 | 发布时间：2024-05-20

摘要：智能工厂是工业4.0时代的产物，通过物联网技术实现高度数字化和互联的制造流程。这些工厂能够收集数据，对环境变化做出灵活响应，并优化生产流程。实施智能工厂也面临挑战，如技术集成、数据安全、员工培训以及持续投资等。智能工厂代表了制造业的未来发展方向，虽然面临挑战，但其带来的好处足以鼓励制造商进行投资和实施。

世界各地的组织正在将物联网 (IoT)紧密集成到他们的业务方式中，此举不仅是为了跟上世界其他地区的步伐，也是为了改善运营。物联网的很大一部分致力于行业，因此这一方面被进一步指定：工业物联网（IIoT）。

IIoT 突出地体现了信息技术 (IT) 和运营技术 (OT) 的融合。传统上，IT 和 OT 在大多数组织中共存，但各自运作。使物联网成为可能的技术进步，包括无线传感器、射频识别 (RFID) 标签、高级数据分析和普适计算，也使 IT 和 OT 系统的集成成为可能，从而扩展了这两种技术’ 功能。

IIoT 是许多行业正在实施的变革的核心，它与被誉为第四次工业革命或工业 4.0（当前制造业的趋势）密切相关。IIoT 和工业 4.0 提出了技术进步所创造的概念和现实，其中许多可以在其实施例之一的背景下更好地理解：智能工厂。

什么是智能工厂以及它们的运作原理是什么？

智能工厂差异很大，因为使用智能工厂的公司采用特定于各自产品的组件和流程。然而，智能工厂仍然可以通过某些与传统工厂不同的共同特征来区分。

智能工厂的一般描述是，它们涉及高度数字化和互联的制造，以执行自动化之外的扩展功能。网络连接使智能工厂能够使用从其环境中收集的数据作为基础，对工厂内部及其周围可能发生的任何变化做出更加自主、适应性和灵活的响应。换句话说，智能工厂具有环境感知能力。

为了让这些功能在智能工厂中发挥作用，它必须得到后台系统的支持，该系统从周围的虚拟世界和物理世界获取信息。因此，智能工厂内流通的信息范围可以从仿真模型（虚拟）到工具条件（物理）。网络物理系统 (CPS) 和物联网系统协同工作，扩展工厂车间机器的功能，使物理和虚拟世界信息的融合成为可能：

网络物理系统。机器人和过程控制系统等 CPS 需要物理、计算和网络过程的集成，允许每个过程对其他过程产生影响。CPS 主要负责创建物理过程和环境的虚拟副本。

物联网系统。 CPS 的重点是物理、计算和网络过程如何相互影响，而 IoT 系统的重点是将传感器和自动控制等智能对象或设备连接到网络以扩展其功能。在智能工厂的背景下，物联网系统将 CPS 连接在一起。

CPS 和物联网系统的结合赋予了智能工厂某些特征，工业 4.0 六大设计原则中的四项可以最好地描述这些特征。这些原则源自对工业 4.0 的文献综述，可以为公司和制造商构建更加数字化的生产链提供指导：

互操作性。物联网的基本特征之一是，它使智能工厂生产链中必不可少的机器和其他设备能够相互通信以及与网络通信。

虚拟化。凭借 CPS 监控物理过程的能力，智能工厂能够模拟或创建周围现实世界的虚拟副本。这使得智能工厂能够集成来自虚拟和物理世界的输入。因此，智能工厂能够利用过去（模拟）和现在（实时监控）的信息，以高度特定于环境的方式采取行动。这也使得操作员能够更透明地了解整个制造过程。

权力下放。在智能工厂中，控制不仅仅局限于单个计算单元。由于CPS独立运行，智能工厂在解决问题时可以更加灵活和优化。

实时能力。智能工厂有能力对可能发生的问题做出反应。实时监控数据，以便工厂能够对周围发生的情况做出响应。这种持续监控流程的能力还使智能工厂能够注意到甚至预测异常情况，否则可能会导致更严重的问题。

除了工厂车间之外，智能工厂的特点还在于其对生产链其他环节的广泛影响和联系。智能工厂可以在同样智能和互联的企业范围内发挥最佳作用，所有部门之间都存在持续的联系，甚至延伸到企业外部的客户和供应商。

智能工厂有哪些优势？

最近一份关于制造业未来的报告表明，智能工厂是制造商未来的计划之一，因为制造商的首要支出重点包括智能工厂组件：物联网解决方案、先进机器人、高级分析和网络安全。智能工厂的主要优势可能足以说服制造商将这些设施纳入其生产链：

从自动化数据中提供全面的信息。制造公司的经理或决策者会发现更容易获取大量信息以进行高级生产分析，这些信息可用于实施计划和衡量绩效。

提高产品质量。智能工厂的各个方面，例如数字孪生（实物资产和流程的虚拟等价物），可以在产品投放市场之前对其质量进行持续监控。丰富的数据还有助于检测影响产品质量的模式。

生产成本更低。智能工厂的自我优化特性有助于简化流程，并为制造商提供反馈，以识别整个生产链上的冗余或适得其反的步骤。

提供预测性维护。智能工厂的可见性使制造商能够在问题或维护问题对其他设备或整个生产链造成重大影响之前发现它们。智能工厂的这一方面还通过降低设备故障导致事故的风险来提高工厂车间员工的安全。

实施智能工厂面临哪些挑战？

尽管智能工厂可能给企业带来积极的影响，但采用它们仍然是一个重大的选择。即使制造过程中的微小变化对于企业来说也可能是一个重大决定，因为这关系到企业在客户中的声誉以及生产的质量和速度。因此，全面实施智能工厂不仅涉及建立它，还涉及为它可能带来的挑战做好准备。

更紧迫的挑战之一是智能工厂需要大量数据。因此，企业在建立智能工厂之前必须拥有适当的协议和系统，以便正确使用和处理如此大量的数据。

IT 和 OT 融合的智能工厂面临的安全威胁示例

智能工厂中IT和OT的融合也扩大了企业的攻击面，这在传统安全措施中可能并不总是得到充分考虑，例如，碎片化的安全解决方案可能并不总是适用于OT。因此，智能工厂不仅容易受到运营问题的影响，而且还容易受到 涉及恶意软件、勒索软件、分布式拒绝服务 (DDoS)、鱼叉式网络钓鱼、漏洞和设备黑客攻击等网络攻击。 

建设智能工厂

借鉴传统独立技术（IT 和 OT、虚拟和物理）的紧密集成，寻求建设智能工厂的公司必须确保 IT 和 OT 专家之间的密切合作，不仅在规划阶段，而且在整个实施过程中。智能工厂。

考虑到智能工厂本质上是动态的，即使智能工厂全面建成后，制造商也必须继续发展。即使这些设施的生产更加自动化，智能工厂如何实现公司的总体目标仍然掌握在公司决策者的手中。

安全解决方案使智能工厂的准备工作更加完善，这些解决方案必须紧密集成到设施的设计中，以支持向智能工厂的过渡，而不会受到更广泛的攻击面可能产生的威胁。维护 IT 和 OT 的部门应共同努力，分享其专业知识，以便在这两种技术上采取正确的安全态势。

为了充分发挥智能工厂的潜力，企业必须明白，实施智能工厂是一个渐进的过程，反映出最初使智能工厂成为可能的发展过程。制造业是展示技术进步转折点的行业之一，智能工厂展示了 IIoT、CPS 以及使这两者成为可能的许多组件带来的相对较新的创新。事实上，发展的总趋势是传统上各自为政的技术的融合和整合，从而为进一步创新创造新的空间。