物聯(lián)網(wǎng)對工業(yè)自動化意味著什么？

摘要：我們近幾年聽到了許多關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的訊息，它們往往是以大企業(yè)和大數(shù)據(jù)為中心，在消費領(lǐng)域探討的更多。時至今日，物聯(lián)網(wǎng)究竟對制造業(yè)產(chǎn)生了哪些影響?實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)需要具備哪些條件?在工業(yè)自動化中，滿足物聯(lián)網(wǎng)的特定要求所需的標(biāo)準(zhǔn)、連接性、集成和流程又是什么?

我們近幾年聽到了許多關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的訊息，它們往往是以大企業(yè)和大數(shù)據(jù)為中心，在消費領(lǐng)域探討的更多。時至今日，物聯(lián)網(wǎng)究竟對制造業(yè)產(chǎn)生了哪些影響?實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)需要具備哪些條件?在工業(yè)自動化中，滿足物聯(lián)網(wǎng)的特定要求所需的標(biāo)準(zhǔn)、連接性、集成和流程又是什么?

在制造業(yè)中，無論稱為工業(yè)4.0或物聯(lián)網(wǎng)，其本質(zhì)均是機器的連接，包括將機器與機器互聯(lián)，與專家系統(tǒng)互聯(lián)以及與管理執(zhí)行系統(tǒng)互聯(lián)等。從而通過系統(tǒng)架構(gòu)級別較低的智能設(shè)備(按鈕、伺服驅(qū)動器自動補償、能量監(jiān)測器、全景攝像機、加速計和急停按鈕等)獲得比以往更可行的信息。

物聯(lián)網(wǎng)不僅是將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)擴展到設(shè)備級架構(gòu)，還包括將安全、運動、機器對機器智能、自動維護資源和企業(yè)連接性融入到目前難以企及的制造智能。從資源管理到智能機器設(shè)備再到預(yù)見性維護，物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，為制造自動化也帶來了很多積極的影響。

安全的遠程連接

物聯(lián)網(wǎng)希望實現(xiàn)萬物互聯(lián)，以便進行診斷、配方管理、協(xié)作工程和各種數(shù)據(jù)采集(從OEE到序列化)。物聯(lián)網(wǎng)能夠獲取更多當(dāng)前尚未獲取的數(shù)據(jù)。原因可能是我們之前沒有部署用于獲取數(shù)據(jù)的傳感器而且IT也不允許這樣做。

現(xiàn)實是這種智能傳感器已經(jīng)存在，只不過企業(yè)還沒有意識到把錢花在這個地方的好處。常見的疑問比如說，“為何額外花100美元購買一個有可能不小心就被叉車撞壞的智能傳感器呢?”

在2014年，安全方面的重大突破是安全虛擬私有網(wǎng)絡(luò)(VPN)服務(wù)器和云服務(wù)。2015年的趨勢是實現(xiàn)安全服務(wù)器與控制軟件套件的無縫集成。

圖1 通過聯(lián)網(wǎng)的傳感器進行狀態(tài)監(jiān)控，來預(yù)測可能出現(xiàn)的機器故障。

網(wǎng)絡(luò)安全

工業(yè)自動化用戶思維的最大轉(zhuǎn)變可能是從硬連接的安全PLC和繼電器轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)安全性。這意味著從普通工人用螺絲刀緊銅線到咨詢軟件顯示的過渡。而現(xiàn)實中，我們的生活早已改變。我們會毫不猶豫的乘坐電子導(dǎo)航系統(tǒng)的航班。我們乘坐無人駕駛的區(qū)間列車抵達航站樓。即使開往航站樓的汽車都與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備息息相關(guān)(例如：防抱死制動、安全氣囊彈出和恒速操縱器等)，我們沒有擔(dān)心它們的安全性，是因為我們看不到。

網(wǎng)絡(luò)安全對于提高生產(chǎn)力大有幫助控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，能夠有效防止工人試圖繞過安全系統(tǒng)操作。在安裝費用、測試和診斷能力方面，網(wǎng)絡(luò)安全也有許多優(yōu)勢。既要保持控制和線路功率又要確保工作速度、轉(zhuǎn)矩、方向和位置不會引起危害。在實施過程中還要符合傳統(tǒng)安全實施方案(即：將主控系統(tǒng)狀態(tài)與獨立控制器上的校驗做比較)。

與E-stop急停按鈕將所有電源切斷不同，網(wǎng)絡(luò)安全允許系統(tǒng)在安全模式下連續(xù)運行。安全模式運行旨在防止操作員誤操作，試圖通過打開門聯(lián)鎖裝置來清除堵塞，或在無機器防護裝置的情況下操作。相反，它要確保軋輥不能以非安全方向旋轉(zhuǎn)，或者機器人手臂無法快速用力，以保護維修工人的安全。

物聯(lián)網(wǎng)對于工業(yè)安全有何促進呢?安全系統(tǒng)通過確定性工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。同時，安全模式下的每個狀態(tài)變化、每個操作實例均被記錄下來并通過互聯(lián)網(wǎng)傳送給管理人員。聯(lián)鎖裝置或光幕可傳達破損程度、時間和間隔，以幫助管理人員分析根本原因。

安全的運動控制

在網(wǎng)絡(luò)安全功能中，安全運動控制功能最為強大。通過嵌入到伺服機構(gòu)/變頻驅(qū)動(配有安全編碼器等硬件)中的智能軟件，網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)可保持生產(chǎn)線、印刷機、機器人及其他設(shè)備的正常運行(在安全模式下)。這種智能不僅能夠提供現(xiàn)在熟悉的安全扭矩關(guān)閉信息，還能夠提供安全的受限轉(zhuǎn)矩、受限速度、位置和受限加速度等更多信息。

現(xiàn)在，生產(chǎn)線上的機器可在安全模式下繼續(xù)運行。而在過去，急停按鈕或受控關(guān)閉將會開啟，以清除堵塞信息，進行修復(fù)或補充材料?，F(xiàn)在的緊急停機按鈕也不再需要硬接線，它可以通過以太網(wǎng)連接并且成為控制面板的一部分。

預(yù)見性維護

預(yù)見性維護的關(guān)鍵是根據(jù)機器實際狀態(tài)而非根據(jù)固定的周期進行監(jiān)控。此外，監(jiān)控機器狀態(tài)的關(guān)鍵是機械擾動。利用加速度計等網(wǎng)絡(luò)化傳感器可檢測軸承、主軸、聯(lián)軸器和其他機械設(shè)備的頻率，預(yù)測發(fā)生故障的趨勢，以安排預(yù)先性維護(見圖1）

過程越關(guān)鍵，維護的成本越大。簡單設(shè)備的故障可能會使某一過程出現(xiàn)災(zāi)難性結(jié)果。頻率分析還可促使在設(shè)備受損前找出根本原因。如可記錄潤滑、剝落或腐蝕等狀況，則可采取預(yù)防性維護措施。

資源管理

能源監(jiān)測，不僅是電力監(jiān)測，還包括水、蒸汽、壓縮空氣和真空、天然氣、溫度等，可以幫助您認識到提高可持續(xù)性的巨大潛力。

將這些監(jiān)測數(shù)據(jù)帶入到單獨的機器和過程單元(不僅是分支電路或輸入電表)，將使數(shù)據(jù)變得更可行。為何一個收縮爐或輪班比另一收縮爐或輪班耗能多?權(quán)衡能源成本和生產(chǎn)量之后的最佳生產(chǎn)線速度是什么?

自動補償

將更多智能推向設(shè)備級而不僅是在物聯(lián)網(wǎng)通信。這樣有助于提高性能并省去人為干預(yù)。先進的伺服驅(qū)動器就是一個好例子。

驅(qū)動器內(nèi)的自動補償能夠響應(yīng)異常情況，預(yù)先消除干擾，無需技術(shù)人員對驅(qū)動器進行微調(diào)。無需引入示波器功能，也不用再插入筆記本電腦。

自動配置

將較舊組件替換為具有更新固件版本的組件亦是如此。在過去，這一過程需要手動重置新組件，通常需將軟件加載到PC。現(xiàn)可自動完成，無需用戶干預(yù)。

板載智能及控制器和設(shè)備之間的以太網(wǎng)通信意味著控制器可查詢新組件并將其固件自動降級為正在使用的版本。

這意味著不需要任何技術(shù)員CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，無需維護軟件，無需升級軟件許可證，無故障顯示，也不用預(yù)先將備用組件放置在架子上等著落滿灰塵。

智能I/O切片

將智能推向設(shè)備級的另一實例是使用帶有板載FPGA的I/O切片，允許設(shè)備和I/O切片之間直接響應(yīng)，從而繞過背板、PLC 的CPU和系統(tǒng)掃描。結(jié)果是響應(yīng)時間短至1微秒。

這種前所未聞的超快速度是否有實際用途?考慮如下的應(yīng)用，是否會吸引你：讓噴膠槍向裝箱機更準(zhǔn)確地打膠，更快速的商標(biāo)打印，以及大幅縮短枕式包裝機上傳感器和回收站之間的距離。

與項目中機器的其他部分相同，I/O切片也用IEC 61131-3語言編程，不過它們僅在切片級執(zhí)行。

分布式運動控制

具有以太網(wǎng)通信和板載I/O功能的機載集成式電機/驅(qū)動器早已屢見不鮮。如今，這一概念已擴展到機載分布式密封驅(qū)動器，以幫助傳統(tǒng)的電機達到更高的轉(zhuǎn)矩和速度要求(見圖2)。此外，小型驅(qū)動器(例如：格式轉(zhuǎn)換所用的步進電機)可以采用IP67分布式I/O模塊。

自主維護

這種板載智能結(jié)合廉價固態(tài)存儲器可以大幅節(jié)約成本，促使機器更高效。根據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書，操作員和技術(shù)人員利用動畫和視頻走查的益處是有據(jù)可依的。

為何不將這些動畫與控制系統(tǒng)中的故障代碼相關(guān)聯(lián)，并使操作員按第一梯隊的故障排除進行走查?通過虛擬網(wǎng)絡(luò)計算(VNC)和Wi-Fi，動畫可在操作員的智能手機或平板電腦上運行，并在需要的情況下走查整條生產(chǎn)線，并連接到交互式故障排除輔助工具(見圖3)。

圖3 通過VNC和Wi-Fi，動畫可在操作員的智能手機或平板電腦上運行，

以提供作業(yè)指導(dǎo)或幫助進行故障排除。

這一過程稱為“自主維護”。其意味著維護技術(shù)員無需取回生產(chǎn)線上的機器，因為即使是缺乏經(jīng)驗的操作員也可自行處理問題，并可克服語言和讀寫障礙。

當(dāng)然，如果問題無法解決www.cechina.cn，則控制器將向值班的維護技術(shù)員發(fā)送信息，針對他或她所執(zhí)行的操作提供建議，識別存在故障的部件并提交訂購單，采購一個新部件。與此同時，故障也會被好好記錄下來，并上報管理部門、機器制造商和組件供應(yīng)商。

工業(yè)4.0與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：殊途同歸

我記得一位資歷頗深的德國同事在幾年前告訴我：工業(yè)4.0將是一件了不起的事。坦言講，當(dāng)時我嘲笑這明顯是促銷信息。我對物聯(lián)網(wǎng)的最初反應(yīng)亦是如此。

畢竟，早在十幾年前，我們就具有能夠?qū)⒅悄芄怆妭鞲衅鞣旁谳斔蛶系哪芰?，但是沒有人愿為此額外支付100美元。因此，當(dāng)輸送帶堵塞時，就只能耗費時間走查生產(chǎn)線，用眼球確定輸送帶停止的根本原因。

而現(xiàn)在，智能傳感器能讓您從生產(chǎn)線控制器以及生產(chǎn)線上任何HMI的狀態(tài)模型中發(fā)現(xiàn)問題。技術(shù)人員為其提供替換件并在幾分鐘內(nèi)重新調(diào)節(jié)或更換傳感器。

工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)其實質(zhì)是相同的，不同之處在于思維。

德國在工程、應(yīng)用技術(shù)和高級機械設(shè)備方面一直具有良好信譽，它們是德國出口經(jīng)濟的基礎(chǔ)和經(jīng)濟引擎(試圖使歐盟其他國家擺脫持久經(jīng)濟衰退)且令民族頗為自豪。因此，德國抓住物聯(lián)網(wǎng)的潛力并集中于工業(yè)應(yīng)用便成為不言而喻的事。

在德國和整個歐洲，技術(shù)專家傾向于將技術(shù)銷售給其他技術(shù)專家。這種做法與美國相反。在美國，技術(shù)專家需說服關(guān)注季度財報的財務(wù)經(jīng)理增加對科技的投資，以保持競爭力并產(chǎn)生有機增長。我認為這恰是美國物聯(lián)網(wǎng)支持者傾向于強調(diào)大數(shù)據(jù)而非可聯(lián)網(wǎng)機器的原因。他們正在將IT解決方案出售給首席財務(wù)官。

這是否意味著工業(yè)4.0比工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)更有可能改變工廠自動化?我確信歐洲工業(yè)更相信可聯(lián)網(wǎng)機器的愿景。因此，信奉這一愿景的機器制造商和技術(shù)供應(yīng)商應(yīng)該首先瞄準(zhǔn)歐洲市場。

歐洲稱為工業(yè)4.0，別的國家和地區(qū)可能也有各自的叫法。無論在這些市場上的名稱是什么，其實質(zhì)都是萬變不離其宗。莫讓您的機構(gòu)陷入工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的爭論中，其實它們是一回事CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，即通過以太網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)連接機器，實現(xiàn)比以往更高效的運行。

需要注意的是，我們應(yīng)確保它們所使用的標(biāo)準(zhǔn)相同。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

以下各段介紹了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)成功實施涉及到的一些標(biāo)準(zhǔn)。

從以太網(wǎng)到互聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是基于TCP/IP、HTTP、FTP和其他普遍接受的互聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)，包括從基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)到局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)?，F(xiàn)如今，即使是廉價的控制器預(yù)計也會提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和一個或更多以太網(wǎng)連接。

工控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全

ISA/IEC-62443(ISA 99)對工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全措施進行了全面概述。其為復(fù)雜的主題，需要主題專家的參與?？傊?，IT有安全標(biāo)準(zhǔn)，自動化也要有安全標(biāo)準(zhǔn)。

安全VPN服務(wù)器和托管云服務(wù)現(xiàn)被廣泛使用。滿足工業(yè)自動化特定需求的安全服務(wù)正在興起。安全VPN功能正在內(nèi)置于自動化軟件套件中。具有大量IT資源的廣大用戶和集成商可通過這些接口連接自己的資源。機器制造商和用戶可采用軟件即服務(wù)解決方案，無需投入額外的IT基礎(chǔ)設(shè)施。

服務(wù)由第三方、控制供應(yīng)商、機器制造商和集成商提供。安全服務(wù)包括整體遠程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、報告與診斷。

VNC訪問

虛擬網(wǎng)絡(luò)計算是物聯(lián)網(wǎng)的縮影。VNC是開源共享系統(tǒng)，允許遠程訪問具有物聯(lián)網(wǎng)功能的控制器，而不需使用供應(yīng)商軟件包。無需任何許可證和專用通信軟件或硬件。您只需要知道控制器的IP地址。

開放式網(wǎng)絡(luò)安全

如果沒有開放的標(biāo)準(zhǔn)，物聯(lián)網(wǎng)必將失敗。物聯(lián)網(wǎng)無法忍受封閉系統(tǒng)，原因是它將連接萬物。網(wǎng)絡(luò)安全也具有國際標(biāo)準(zhǔn)。openSAFETY協(xié)議棧是openSAFETY技術(shù)規(guī)范符合IEC 61784-3-13的實現(xiàn)，且可獲得免費許可。

此外，經(jīng)測試和證明，openSAFETY可運行在主要工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層：Profinet、EtherNet/IP、 Modbus TCP、 SERCOS III、 EtherCAT和POWERLINK。不過CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，用戶可以指定供應(yīng)商的openSAFETY協(xié)議。

專用協(xié)議(限于最初設(shè)計所面向的網(wǎng)絡(luò))不支持物聯(lián)網(wǎng)。其原因是這些專用協(xié)議將限制連接性，并會有效限制第三方訪問，以開發(fā)主機接口而非從機接口。為實現(xiàn)開放性，安全務(wù)必允許任何自動化供應(yīng)商開發(fā)兼容的控制器和設(shè)備。

ISA TR88.00.02

此標(biāo)準(zhǔn)被廣泛稱為OMAC PackML。其描述了一個狀態(tài)模型、模式和標(biāo)簽命名，最初預(yù)期與包裝生產(chǎn)線(一般由許多不同供應(yīng)商借助不同控制平臺構(gòu)成機械設(shè)備)通信。

PackML由機械自動化與控制組織(OMAC)開發(fā)。其被證明與任何離散控制方案有同等的良好相關(guān)性。經(jīng)過國際自動化學(xué)會(ISA)審批流程，OMAC明確采納了此標(biāo)準(zhǔn)，成為一份ISA技術(shù)報告，ISA TR88.00.02。OMAC接下來將啟動國際電工委員會(IEC)審批流程。TR88是機器編程及機器對機器和管理數(shù)據(jù)采集的一項關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。

OPC UA

OPC UA(IEC 62541)是OPC基金會所開發(fā)的OPC統(tǒng)一架構(gòu)，以替代最初的OPC(用于過程控制的OLE，OLE表示對象鏈接與嵌入，基于COM的微軟接口)。

OPC UA基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)且與平臺無關(guān)。PLCopen(代表IEC 61131-3)和OPC基金會之間正在開展合作，致力將OPC UA確定為流行的控制編程標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)計會遵循OMAC新方案、ISA TR88.00.02 (PackML)。

相比PLC供應(yīng)商所提供的專用數(shù)據(jù)采集工具并限于他們的產(chǎn)品，OPC UA是真正的國際標(biāo)準(zhǔn)。OPC通信滿足以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)之間，以及工廠和管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)處理需求。