1.1.3 制造业控制和计算多级分层架构的发展进程

20世纪90年代，美国普渡大学工业工程系基于工业制造提出计算机集成制造的普渡参考模型（Purdue Reference Model, PRM），被国际工业和学术界奉为经典。目前，这一经典的参考模型由原来的5层架构（见图1-1）发展到6层架构，清晰地表明它所描述的对象已经从单一的制造工厂的参考模型演变为工业企业生产制造的参考模型（见图1-2）。

图1-1 普渡参考模型5层架构

企业控制的系统集成国际标准IEC/ISO 62264脱胎于ISA-95。虽然这一标准是在普渡参考模型的基础上发展起来的，适用于流程工业、离散制造业和批量过程工业，但最先在流程工业获得的普遍支持和实践应用。工业4.0的RAMI4.0参考架构模型中的“多层递阶层级”（Hierarchy Levels）的维度，主要是借鉴了ISA-95的概念。由于最终用户对ISA-95参考模型的认可和青睐，在美国和欧洲，工业软件的开发厂商一般都以此模型为依据。为了更好地服务于智能制造和工业物联网（Industry of Internet of Things, IIoT）的需要，如图1-3所示，ISA-95参考模型在原来的L0～L4的层级之上增加了L5级企业云集成（企业接入云系统的集成）。

图1-2 工业企业6层生产制造参考模型

图1-3 ISA-95参考模型增加了L5级企业云集成

（来源：InTech网站No Nov/Dec, 2018）

如图1-3所示，在制造过程中有关控制的大部分处在L1层，这是直接通过处于L0层的传感器等检测感知生产过程的状态和变化，并按工艺要求进行综合运算（如控制算法、逻辑顺序等）后，又通过处于L0层的执行器、驱动器、机器人等对生产过程实施直接干预或改变。由此可以得出控制是直接干预过程的。L2层的DCS服务器有数据采集和监视控制（Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA）、人机界面（Human Machine Interface, HMI），执行先进过程控制算法（Advanced Process Control, APC）的对象链接与嵌入的过程控制（OLE for Process Control, OPC）服务器。APC虽然也是对过程实施干预的，但它的干预必须通过L1控制层，即APC是通过改变控制器的设定值对生产过程施加作用的。处于L3层的制造执行系统（Manufacturing Execution S y s t e m , M E S）/制造运营管理（Manufacturing Operation Management, MOM）是对生产车间/工厂现场实施生产调度和管理的，譬如对于复杂流程的高级计划与排程（Advanced Planning and Scheduling, APS）、综合能源管理等。在这一层级需要根据上一级的企业业务计划要求，把生产任务的数量质量要求和交期等分解为具体的生产工单下发到车间/工厂的基层组织，实现对各个生产装备调度，还需要根据从L1层采集到的实际生产的数据和运行状况，对照生产计划进行管理和决策。这里一系列的计算虽然不是直接对生产线上的设备产生作用，但是是从车间/工厂的全局来通盘考虑安排的。如果再考虑上一层L4和L5的企业计划管理、物流调配和供应链等，其涉及的计算不仅在内容上更为宏观，而且在时间尺度上不同于其下层。所以笼统地讲，制造业的控制和计算在实施内容上不同，在时间尺度上也有巨大的差别。

图1-4描述了在工业4.0和智能制造的ISA-95参考模型架构的由L0到L5各层级的功能和相互关系。

图1-4 工业4.0和智能制造的ISA-95参考模型架构

（来源：InTech网站）