智慧制造要求打破多層遞階的信息流
　　在傳統(tǒng)的控制架構中數(shù)據(jù)的請求或是事件驅動、或是循環(huán)發(fā)送，這都是響應上一級設備或軟件系統(tǒng)的請求，下一級則總是充當服務者或響應者。譬如HMI可向PLC請求發(fā)送其狀態(tài)，或者向PLC下達一個新的生產(chǎn)配方。完成的過程往往是將傳感器的電信號轉換位數(shù)字形式，然后由PLC賦以時間戳，再把信息傳送至MES IT層，以進一步提供相關服務。在工業(yè)4.0的環(huán)境中，多層級的嚴格分隔和信息流的自上而下的方法將會軟化和混合。在一個智能的網(wǎng)絡中，每個設備或者每個服務都能自動的起動與其他服務的通信。傳感器、測量儀表、RFID芯片、PLC、HMI、MES和ERP系統(tǒng)所有這些設備和軟測量儀表資產(chǎn)，都為企業(yè)提供重要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。
　　智慧制造系統(tǒng)有三類通信：B2B、B2M和M2M。B2B和B2M屬于軟實時通信其時間響應在毫秒級至幾分鐘之間。M2M屬于硬實時通信，時間相應在微秒至毫秒之間。德國工業(yè)4.0的WG2執(zhí)行委員會精確定義了三類通信事務：
　　1、B2B通信兩類業(yè)務過程相互通信。信息交換所需時間由幾個毫秒到幾分鐘。例如：ERP應用與MES應用的信息交換；HMI和MES見的信息交換；MES與另一MES的信息交換；或者傳感器與云的交換。
　　2、B2M通信軟實時過程與硬實時過程通信。所需的交換時間由幾毫秒到幾分鐘。例如：業(yè)務應用過程與機械裝備間的信息交換HMI與PLC，MES與PLC的信息交換。
　　3、M2M通信在自動化環(huán)境下兩個過程的通信，這些過程可以是硬實時過程與硬實時過程的通信，也可以是軟實時過程與硬實時過程的通信。例如：一個機器人平臺控制器與一個手持式機器人控制器之間的橫向通信。
　　其交換信息的時間由微秒至幾個毫秒，必須發(fā)生在硬實時、且為確定性的循環(huán)內。也可以把確定性看成是具有一定時間要求的QoS（服務質量），即在一個有保證的時間間隔（如100微妙）完成響應。另一個例子是兩個控制器之間的橫向通信（軟實時的快速、循環(huán)、獨立于現(xiàn)場總線的通信）。已經(jīng)實現(xiàn)運用無線移動通信完成M2M，這里是指一個設備的接口（即裝載設備上的SIM卡）通過移動通信與某個IT過程進行通信。

圖4  軟件定義聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡架構

　　全新的網(wǎng)絡規(guī)范—軟件定義聯(lián)網(wǎng)
　　從目前網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展來看，能夠滿足智慧制造系統(tǒng)通信要求可能有兩種解決方案，即軟件定義聯(lián)網(wǎng)和OPC UA。
　　先看軟件定義聯(lián)網(wǎng)。能不能采用一種全新的思維摒棄傳統(tǒng)的通信結構，建立一種網(wǎng)絡結構使得：對多個供應商提供的網(wǎng)絡設備進行集中管理和控制；網(wǎng)絡大小規(guī)模便于各種應用剪裁，與供應商無關；用一種公共的API （應用程序編程接口，Application Programming Interface）對底層的聯(lián)網(wǎng)的細節(jié)從其精心的設計安排中抽象出來，提供給系統(tǒng)和應用。用這種方式改善網(wǎng)絡的管理和自動化。通過提供新的網(wǎng)絡性能和服務達到創(chuàng)新，而無需對單個網(wǎng)絡設備進行組態(tài)，或等待供應商的改進。近年來成立的開放聯(lián)網(wǎng)基金會ONF（Open Networking Foundation），提出了軟件定義聯(lián)網(wǎng)SDN（Software-Defined Networking）就是為了建立一種新網(wǎng)絡結構。開放聯(lián)網(wǎng)基金會ONF提出的軟件定義網(wǎng)絡SDN，并發(fā)布了控制數(shù)據(jù)層接口的規(guī)范OpenFlow，實現(xiàn)了將聯(lián)網(wǎng)設備與網(wǎng)絡服務解耦。
　　為了適應智能制造和智慧工廠的需求，當前工業(yè)網(wǎng)絡正面臨加速由現(xiàn)場總線向工業(yè)以太網(wǎng)轉型、由單一功能的通信總線向多功能通信演進、由缺乏網(wǎng)絡管理向智能網(wǎng)管發(fā)展的趨勢。
　　看起來能夠綜合各方面要求的解決方案，非軟件定義工業(yè)網(wǎng)絡莫屬。也就是說，利用軟件定義網(wǎng)絡的基本理念和實施規(guī)范來開發(fā)軟件定義工業(yè)網(wǎng)絡，是工業(yè)網(wǎng)絡技術的創(chuàng)新突破的方向。

圖5  CISCO開發(fā)的軟件定義工業(yè)聯(lián)網(wǎng)架構

　　美國CISCO正在發(fā)展的一種軟件定義工業(yè)網(wǎng)絡的架構（圖5）。圖中SDN控制器中的標準工程服務通過OnePK、OpenFlow、CLI或SNMP等中間件轉換為右下部的各種IT資產(chǎn)的運行數(shù)據(jù)；SDN控制器中的OT服務通過各種工業(yè)通信網(wǎng)絡（如CIP、Ethernet/IP和Profinet）與圖中右中部的各種OT資產(chǎn)相連接；圖中右上部的OT網(wǎng)絡管理中心與SDN控制器中的OT應用程序的鏈接，則是通過CIP、RESTFUL API等進行。

　　在SDN中，運用被稱之為表達狀態(tài)轉移（Representation State Transfer）的互聯(lián)網(wǎng)技術RESTFUL API，作為支持系統(tǒng)和應用之間標準接口的架構。這樣便可允許控制設備的供應商獨立的編寫應用程序而又能在SDN中協(xié)調的運行。控制工程師則可以運用這個軟件來定義其控制應用（甚至把也包括定義網(wǎng)絡通信的端口）。
　　說的更清楚一些，也就是在軟件定義聯(lián)網(wǎng)的設計中，控制工程師可以像在編制PLC程序時控制某臺驅動器運行或停止，并發(fā)出以什么速度運轉的指令那樣，讓SDN控制器發(fā)出信息指示交換器和路由器的那個端口開啟，數(shù)據(jù)如何流動等等。

圖6  用SDN控制器的應用程序控制

　　SDN控制器控制應用程序的基本原理如下：以太網(wǎng)交換器內裝有SDN應用程序接口（API），這樣SDN控制器就能夠通過數(shù)據(jù)來控制應用程序（譬如SDN控制器發(fā)送對PLC和其它工業(yè)設備運行的組態(tài)數(shù)據(jù)，讓以太網(wǎng)交換器打開PLC I/O數(shù)據(jù)通往數(shù)據(jù)面板端口）。當然，也可以通過SDN控制器發(fā)送相關數(shù)據(jù)，讓兩個端口之間還可以提供反饋信息，為網(wǎng)絡和相互連接的各種設備建立一種控制回路的潛在機會。圖6中SDN控制器通過北API向PLC組態(tài)平臺發(fā)布命令，讓它經(jīng)由工業(yè)通信協(xié)議把PLC的I/O數(shù)據(jù)通過工業(yè)通信網(wǎng)往發(fā)往數(shù)據(jù)面板。與此同時，SDN控制器還經(jīng)過南API通知以太網(wǎng)交換器打開相應端口。 網(wǎng)絡節(jié)點間的通信
　　PLCopen和OPC UA的聯(lián)合解決方案工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本概念要求在設備和服務之間建立高度融合的網(wǎng)絡化和通信。高速而且動態(tài)的生產(chǎn)顯然需要適當?shù)穆?lián)網(wǎng)和通信支持，以滿足從傳感器到企業(yè)IT管理的實時和即時的交換，且一定是通信方之間直接進行。目前用于PC控制的對應協(xié)議標準可以滿足這一任務。開發(fā)一種能滿足面向服務架構SOA（service-oriented architecture）的PLC也是實現(xiàn)工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一種現(xiàn)實途徑。PLC提供互聯(lián)網(wǎng)服務、進行數(shù)據(jù)存取并不是新概念，但把SOA和PLC結合，或許就會為智能制造、工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大大提升附加值。
　　ISA 95是由美國ISA學會開發(fā)的企業(yè)信息集成系列標準，現(xiàn)在已被IEC和ISO接受為國際標準（IEC/ISO 62264）。而B2MML是這個系列標準的XML實現(xiàn)。 B2MML包括一系列用W3C的XML語言XML格式規(guī)范。美國的ISA學會又與OPC基金會合作開發(fā)基于B2MML接口標準的OPC UA/ISA 95伙伴規(guī)范。這樣，過去控制工程師使用OPC UA對象進行控制層、MES層和ERP層之間的通信碰到的難題，如在處理關鍵數(shù)據(jù)的存取時，如何在制造運營管理（MOM）系統(tǒng)的高速要求與企業(yè)信息系統(tǒng)的慢速而又隨機存取的要求之間構筑一種順暢通達的橋梁，成為可能而又可行。