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工业 4.0:基于 PC 的控制解决方案成为智慧工厂的核心技术

日期: 2013-11-29
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Beckhoff 基于 PC的控制技术为工业 4.0理念提供了理想的工具箱。它开辟了 实现富有远见的从云计算到社会自动化的理念的新方法。在这次采访中,Ursula Frank博士和  Josef Papenfort博士阐述了哪些基础技术、功能和服务目前已经上市,以及哪些地方仍然 需要进一步开发。

 

德国倡议“工业 4.0”的目的 是通过通信和智能控制提高制造业的灵活性、 效率和可持续性,以加强德国工业的竞争力。基于 PC的控制 技术为实现这一目标做出了哪些贡献?

 

Josef Papenfort 博士:工业 4.0的核心是信息 技术(IT)和自动化技术(AT)的融合,而早在 25年前  ,Beckhoff 就推出了其基于 PC的控制技术,这项技术继续为未来的发展提供了理想的控制架构。通过采用全球 IT标准,我们用 IT领域所提供的最佳解决方案 进一步完善了我们的自动化技术。这也适用于我们的 TwinCAT 3自动化软件,它具有实现工业 4.0概念所需的模块化性和面向对象的特点。 此外,将 TwinCAT 3集成到 Microsoft Visual Studio®中,为整个产品寿命周期中一致的工程环境提供了理想的基础,能够直接使用  IT领域中最新的软件工程工具。随着 PC作为公认的技术平台,加上自动化设备规范(ADS)、EtherCAT自动化 协议(EAP)和 OPC统一架构(OPC UA),Beckhoff 拥有了用户在 实现工业 4.0所要求的纵向和横向整合所需的所有资源。

 

Ursula Frank 博士:一方面,Beckhoff 为根据工业 4.0战略实施智能 生产设施和智慧工厂 所需的基础技术。另一方面,这也 变得越来越重要 —特别是与工业4.0 概念相关  –系统的运作不仅高效,而且安全可靠。这也是“科技自动化”理念巨大潜力所在,它所集成的测量技术和状态 监测功能,甚至能够监测复杂的生产系统。To explain, 科技自动化 将各学科的最新研究成果集成到自动化技术中,从而让我们能够建立更可靠和更节能的内在具有智能化功能的生产系统。这也将需要 新的、直观的操作界面,使得人类能够更加轻松地 完成他们的日常工作并能够与智能设备进行更有效 的互动。毕竟,工业 4.0不是为了要将人的因素放在 一边。我们的多点触控工业面板使得这些新的操作理念成为可能。

 

工业 4.0已经在现实生活中的得到应用了吗?还需要进行什么额外的开发吗,如果有的话?

 

Ursula Frank 博士:现在已经有许多最终用户,如大型厨房制造商 ,他们采用 Beckhoff技术对从收货到发货的整个系统 进行了自动化改造,包括将它们集成到 ERP系统中。一些 初期的解决方案是明确按照工业 4.0概念开发的,例如,通过提供跨所有层的持续通讯的方式 实现智能化的生产环境。不用说,在未来几年内,我们 将继续沿着这一方向开发我们的产品和解决方案。

 

Josef Papenfort 博士:作为 TwinCAT 3的一部分,我们正在努力通过提供附加功能的方式改进 工程功能,比如更简单的通讯功能 和配置。在这种情况下,不断开发出通用的通信标准也是非常重要的,例如那些由 OPC基金会和 PLCopen协会所定义的标准。Beckhoff  正积极参与这两项标准化工作。其中一个目标就是 不仅可以通过 OPC UA或 ADS与 ERP系统通讯,而且还能够直接在 PLC中调用和执行这些方法。这将是通信技术发展的下个一步骤。

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PC 控制技术的开放性对 “物联网”有何重要意义?

 

Ursula Frank 博士:它非常重要。简而言之,物联网意味着产品以及系统及其模块 间可以相互通信。这正是 Beckhoff的开放式控制技术 的用武之地,它允许开发人员将系统 设计成具有智能运行和通信的能力。

 

Josef Papenfort 博士:开放的接口也是 PC控制技术的显著优势这一。这适用于工程应用和正在使用的现场总线 技术,以及正在被集成的组件(如 RFID芯片或智能传感器)。

 

这种开放性是否也适用于用作集中式或分散式系统 的自动化架构?

 

Josef Papenfort 博士:这是当然。通常,我们更愿意用 集中式方案,因为它在工程设计、数据管理和诊断等方面 有很大优势。但也有一些系统,如组装机,使用 分散式方案效果会更好。例如,使用这样的解决方案可以很方便地更换单个模块,因为中央控制 组件必须只能根据新的工作调整站。此外,生产区域内的系统 或设备在机器不会孤网运行,而通常是联网运行  -这一趋势将对工业 4.0概念有着显著的促进作用。相应地,每台机器在一个大型系统中或通过工业 4.0概念 进行本地控制。在这个方案里,一个非常重要的因素是 在软件方面的实施,我们支持通过 TwinCAT完成的模块化编程。10 个软件模块是在中央 CPU上运行还是在10 个不同的控制器上分别运行,这并不重要。模块之间如何进行数据交换  —在本地 PC上还是通过具有相同确定性和高速度的 EAP  -也不重要。PC 控制技术可以根据不同的应用需求 很轻松地地实施任一版本。

 

未来,工业 4.0甚至能够延伸到那些 被称为“机器 Facebook”或“社会自动化”的领域。这在实际上 有什么含义?

 

Ursula Frank 博士:社会自动化的前景涉及到将信息技术和通信技术中的一些最新研发成果转移到工业应用领域。正如我们前面提到的,将信息技术和自动化技术与PC 控制技术有机整合在一起是 Beckhoff的核心技术理念。因此,Beckhoff 将始终密切关注信息技术在自动化技术应用方面的 最新发展 情况。例如,诸如社会化媒体等的发展趋势可能带来新的通信 能力。我们必须了解在自动化领域利用这些通信能力能够带来哪些潜在好处。“机器 Facebook ”就是其中一项。例如,用户可以在Facebook 上创建个人档案,用“时间轴”的方式记录他们的生活,并在他们自己的“墙”上提供各种信息 或服务。若转换成工业应用,这将意味着,例如,一台机器可以写上其目前的使用情况或在一面类似的墙上提供服务信息。如果它不具备所要求的能力,它 会将相关方推荐给相应“Facebook  机组中的“朋友”。另一种办法是在如谷歌地图或 TomTom网络软件上改写备份的交通流量信息,使得这些信息适合工业生产领域。这将让您能够监控工厂的机器利用率,甚至能够通过 Doodle为机器生成值勤表。

 

Ursula Frank 博士:“在今年的汉诺威工业博览会上,Beckhoff 专门设立了一个工业 4.0展示区,展示了 Beckhoff开放的、基于 PC的控制技术使得今天将生产系统和模块无缝集成到现有的或新的系统中成为可能,且它们不仅可以实现相互间的通讯,还可以与上位生产规划和控制系统进行通讯。但要全面支持工业 4.0概念仍然需要在未来几年里开展更多的研究和开发工作。”

 

Josef Papenfort 博士:我们再次回到在 PC控制的架构进行信息技术和自动化技术的融合。正如我们将我们的自动化专业知识与 Visual Studio® IT工程工具整合在一起来创建 TwinCAT 3软件一样,下一步可能涉及到将自动化功能添加到如 Facebook、Doodle 或 WhatsApp等网络软件中。另一种方案已经由 Beckhoff实施,其进行的技术研究证明,谷歌眼镜作为一种“可穿戴式设备”,可以显著简化人机交互,可以用于调试和故障诊断。谷歌眼镜具有诸如在线支持信息检索功,并能够通过基于视频的实时聊天工具进行故障排除,此项技术大大推动了社会化自动化的发展。

 

当前 IT领域的热点技术话题,如云计算和大数据,发挥了怎样的作用?

 

Ursula Frank 博士:未来,我们将看到越来越多的解决方案使用云存储技术来保存数据和参数。最终,信息存储在哪并不重要。但是在现在及今后几年内,大部分的数据仍将在机器或系统中处理。另一方面,在很多情况下,诸如测量数据等信息已经存储在云服务器中并进行离线分析。我们一定会看到越来越多的客户将会转向采用云计算。从长远来看,肯定会有一些网络软件会给自动化技术带来影响,例如一个机器监控应用程序。

 

Josef Papenfort 博士:此时,对于大数据,即来自多种来源的大量数据,重点主要放在数据存储上。由于正在存储的图像和视频要用于更彻底的跟踪和追踪应用,数据量必然会增加。首先,我们将看到更多的离线分析,而这些将越来越多地地作为一种基于云的服务来执行。在风电领域,这种做法已行之有年。服务供应商不需要访问风力发电机本身的数据,而是把它从云上拿下来以进行离线分析。

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在这方面,我们将能够看到更多的实时服务吗?

 

Josef Papenfort 博士:随着越来越多的数据被存储在云中,我们还将看到更多的实时 -或者更确切地说,确定性 -处理。有了 IEEE1588协议之后,目前这样的实时服务已经实施用于实现机器同步。这种同步收集分布式数据的方式将变得越来越普遍,尤其是在测量技术领域,但它不会取代机器中的本地控制智能系统。另一个比较重要的方面是:我们已经有了用于实时分析数据的技术,即送入云中。从中期来看,这些技术可能会获得广泛接受,以便在存储之前过滤掉大量不重要的信息。

 

这种复杂的工业 4.0工程概念仍在可控范围内吗?

 

Josef Papenfort 博士:现代系统正变得越来越复杂,而工业 4.0概念只会加速这一趋势。这就是为什么我们未来必须更加注重高效和可靠的工程。我们已经借助TwinCAT 3 朝这个方向迈出了一大步,从而通过诸如源代码控制和自动代码生成等功能降低了工程工作量。在这里我看到改进的可能就是提高数据管理的效率,例如,通过直接将电机设计数据传输到工程系统中,并可在无需花费任何额外的工作的前提下提供这一数据。

 

Josef Papenfort 博士:“工业 4.0的核心是信息 技术(IT)和自动化技术(AT)的融合,而早在 25年前,Beckhoff 就推出了其基于 PC的控制技术,这项技术继续为未来的发展提供了理想的控制架构。”

 

Ursula Frank 博士:这一领域还有很多事需要去做。从工程角度来看,不同开发领域 —如控制技术和 E-CAD或 M-CAD —之间的数据传输,还无法做到完全无误和无缝。目前已经有了一些方法和解决方案,如 AutomationML标准,但我们在这个时候并没有有一个标准的数据库。TwinCAT 提供很多开放的数据导出和导入接口已经有些年头了。Beckhoff 的 TwinCAT E-CAD导入程序使用的就是这些接口,可以与市场上的各种电子 CAD程序直接通信。但是,仍然需要额外的工具。例如,ERP 系统中的命令数据必须能够传输到工程层。但是,最重要的是数据可以在各个层面进行共享,以使得整个生命周期内的有效和同步工程成为可能。

 

作为工业 4.0的必然结果,仿真将在工程领域发挥更大的作用吗?

 

Ursula Frank 博士:工业 4.0将使系统变得更复杂、更智能,也更难以预测。机器可以自行作出反应,并与其它机器进行谈判,而人脑已经不再能够预测到整体行为。这就是为什么功能强大的仿真工具将是不可或缺的。这是一个真正长期的愿景,但理想情况下我们将有这样一个工具:仿真不仅是开发理念而且还可以自行进行驱动仿真。

 

Josef Papenfort 博士:这样的系统不仅可以缩短调试时间,还能够降低系统成本。仿真可以支持所有的领域,如机械设计、电气工程及软件开发,因为它将使我们能够快速地通过控制技术和软件对任一改动进行测试,无需修改硬件。当然,必须提供相应的接口以导入仿真模型及提供相关的数据。如今,TwinCAT 3 已经提供了诸如实时集成 Matlab®/Simulink®模型以及用于对仿真环境轻松进行配置的 TwinCAT仿真管理器等功能。

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针对工业 4.0已经进行了哪些具体的研究活动?

 

Ursula Frank 博士:举例来说,我们是“it's OWL”(北威州智能技术系统)技术网络的核心公司之一,该技术网络在 2012年被公认为是德国联邦教育和科研部(BMBF)的”尖端集群“并且是第一个大型工业 4.0项目。除此之外,我们正在努力制作参考模型,即适用于各类生产系统的自动化解决方案,它们可以移植到类似的系统上。此外,ScAut 项目 —其重点是科技自动化平台 —已经为自优化的智能机器和系统的开发和运营带来了实实在在的经济利益。视不同的应用,诸如状态监测和电力监测等科技自动化功能可以节约大约 20% 的能源,提高 10% 的生产效率,并节约 50% 的维护成本。


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