智慧制造要求打破多層遞階的信息流
　　在傳統的控制架構中數據的請求或是事件驅動、或是循環發送，這都是響應上一級設備或軟件系統的請求，下一級則總是充當服務者或響應者。譬如HMI可向PLC請求發送其狀態，或者向PLC下達一個新的生產配方。完成的過程往往是將傳感器的電信號轉換位數字形式，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4.0的環境中，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系統所有這些設備和軟測量儀表資產，都為企業提供重要的生產數據。
　　智慧制造系統有三類通信：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4.0的WG2執行委員會精確定義了三類通信事務：
　　1、B2B通信兩類業務過程相互通信。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，必須發生在硬實時、且為確定性的循環內。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、獨立于現場總線的通信）。已經實現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  軟件定義聯網的網絡架構

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

圖5  CISCO開發的軟件定義工業聯網架構

　　美國CISCO正在發展的一種軟件定義工業網絡的架構（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資產的運行數據；SDN控制器中的OT服務通過各種工業通信網絡（如CIP、Ethernet/IP和Profinet）與圖中右中部的各種OT資產相連接；圖中右上部的OT網絡管理中心與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轉移（Representation State Transfer）的互聯網技術RESTFUL API，作為支持系統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絡通信的端口）。
　　說的更清楚一些，也就是在軟件定義聯網的設計中，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，并發出以什么速度運轉的指令那樣，讓SDN控制器發出信息指示交換器和路由器的那個端口開啟，數據如何流動等等。

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據來控制應用程序（譬如SDN控制器發送對PLC和其它工業設備運行的組態數據，讓以太網交換器打開PLC I/O數據通往數據面板端口）。當然，也可以通過SDN控制器發送相關數據，讓兩個端口之間還可以提供反饋信息，為網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組態平臺發布命令，讓它經由工業通信協議把PLC的I/O數據通過工業通信網往發往數據面板。與此同時，SDN控制器還經過南API通知以太網交換器打開相應端口。 網絡節點間的通信
　　PLCopen和OPC UA的聯合解決方案工業4.0和工業物聯網的基本概念要求在設備和服務之間建立高度融合的網絡化和通信。高速而且動態的生產顯然需要適當的聯網和通信支持，以滿足從傳感器到企業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控制的對應協議標準可以滿足這一任務。開發一種能滿足面向服務架構SOA（service-oriented architecture）的PLC也是實現工業4.0和工業物聯網的一種現實途徑。PLC提供互聯網服務、進行數據存取并不是新概念，但把SOA和PLC結合，或許就會為智能制造、工業4.0和工業物聯網大大提升附加值。
　　ISA 95是由美國ISA學會開發的企業信息集成系列標準，現在已被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。 B2MML包括一系列用W3C的XML語言XML格式規范。美國的ISA學會又與OPC基金會合作開發基于B2MML接口標準的OPC UA/ISA 95伙伴規范。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，如在處理關鍵數據的存取時，如何在制造運營管理（MOM）系統的高速要求與企業信息系統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。