物聯(lián)網(wǎng)對(duì)工業(yè)自動(dòng)化意味著什么？

摘要：我們近幾年聽(tīng)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(fèi)領(lǐng)域探討的更多。時(shí)至今日，物聯(lián)網(wǎng)究竟對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生了哪些影響?實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)需要具備哪些條件?在工業(yè)自動(dòng)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(tīng)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(fèi)領(lǐng)域探討的更多。時(shí)至今日，物聯(lián)網(wǎng)究竟對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生了哪些影響?實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)需要具備哪些條件?在工業(yè)自動(dòng)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(wú)論稱為工業(yè)4.0或物聯(lián)網(wǎng)，其本質(zhì)均是機(jī)器的連接，包括將機(jī)器與機(jī)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(guò)系統(tǒng)架構(gòu)級(jí)別較低的智能設(shè)備(按鈕、伺服驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)補(bǔ)償、能量監(jiān)測(cè)器、全景攝像機(jī)、加速計(jì)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(kuò)展到設(shè)備級(jí)架構(gòu)，還包括將安全、運(yùn)動(dòng)、機(jī)器對(duì)機(jī)器智能、自動(dòng)維護(hù)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(jī)器設(shè)備再到預(yù)見(jiàn)性維護(hù)，物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，為制造自動(dòng)化也帶來(lái)了很多積極的影響。

安全的遠(yuǎn)程連接

物聯(lián)網(wǎng)希望實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，以便進(jìn)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(méi)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(shí)是這種智能傳感器已經(jīng)存在，只不過(guò)企業(yè)還沒(méi)有意識(shí)到把錢(qián)花在這個(gè)地方的好處。常見(jiàn)的疑問(wèn)比如說(shuō)，“為何額外花100美元購(gòu)買(mǎi)一個(gè)有可能不小心就被叉車(chē)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(shì)是實(shí)現(xiàn)安全服務(wù)器與控制軟件套件的無(wú)縫集成。

圖1 通過(guò)聯(lián)網(wǎng)的傳感器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，來(lái)預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的機(jī)器故障。

網(wǎng)絡(luò)安全

工業(yè)自動(dòng)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(guò)渡。而現(xiàn)實(shí)中，我們的生活早已改變。我們會(huì)毫不猶豫的乘坐電子導(dǎo)航系統(tǒng)的航班。我們乘坐無(wú)人駕駛的區(qū)間列車(chē)抵達(dá)航站樓。即使開(kāi)往航站樓的汽車(chē)都與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備息息相關(guān)(例如：防抱死制動(dòng)、安全氣囊彈出和恒速操縱器等)，我們沒(méi)有擔(dān)心它們的安全性，是因?yàn)槲覀兛床坏健?/p>

網(wǎng)絡(luò)安全對(duì)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(guò)安全系統(tǒng)操作。在安裝費(fèi)用、測(cè)試和診斷能力方面，網(wǎng)絡(luò)安全也有許多優(yōu)勢(shì)。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(huì)引起危害。在實(shí)施過(guò)程中還要符合傳統(tǒng)安全實(shí)施方案(即：將主控系統(tǒng)狀態(tài)與獨(dú)立控制器上的校驗(yàn)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(yùn)行。安全模式運(yùn)行旨在防止操作員誤操作，試圖通過(guò)打開(kāi)門(mén)聯(lián)鎖裝置來(lái)清除堵塞，或在無(wú)機(jī)器防護(hù)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(jī)器人手臂無(wú)法快速用力，以保護(hù)維修工人的安全。

物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于工業(yè)安全有何促進(jìn)呢?安全系統(tǒng)通過(guò)確定性工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)，安全模式下的每個(gè)狀態(tài)變化、每個(gè)操作實(shí)例均被記錄下來(lái)并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送給管理人員。聯(lián)鎖裝置或光幕可傳達(dá)破損程度、時(shí)間和間隔，以幫助管理人員分析根本原因。

安全的運(yùn)動(dòng)控制

在網(wǎng)絡(luò)安全功能中，安全運(yùn)動(dòng)控制功能最為強(qiáng)大。通過(guò)嵌入到伺服機(jī)構(gòu)/變頻驅(qū)動(dòng)(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(jī)、機(jī)器人及其他設(shè)備的正常運(yùn)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(jī)器可在安全模式下繼續(xù)運(yùn)行。而在過(guò)去，急停按鈕或受控關(guān)閉將會(huì)開(kāi)啟，以清除堵塞信息，進(jìn)行修復(fù)或補(bǔ)充材料?，F(xiàn)在的緊急停機(jī)按鈕也不再需要硬接線，它可以通過(guò)以太網(wǎng)連接并且成為控制面板的一部分。

預(yù)見(jiàn)性維護(hù)

預(yù)見(jiàn)性維護(hù)的關(guān)鍵是根據(jù)機(jī)器實(shí)際狀態(tài)而非根據(jù)固定的周期進(jìn)行監(jiān)控。此外，監(jiān)控機(jī)器狀態(tài)的關(guān)鍵是機(jī)械擾動(dòng)。利用加速度計(jì)等網(wǎng)絡(luò)化傳感器可檢測(cè)軸承、主軸、聯(lián)軸器和其他機(jī)械設(shè)備的頻率，預(yù)測(cè)發(fā)生故障的趨勢(shì)，以安排預(yù)先性維護(hù)(見(jiàn)圖1）

過(guò)程越關(guān)鍵，維護(hù)的成本越大。簡(jiǎn)單設(shè)備的故障可能會(huì)使某一過(guò)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(rùn)滑、剝落或腐蝕等狀況，則可采取預(yù)防性維護(hù)措施。

資源管理

能源監(jiān)測(cè)，不僅是電力監(jiān)測(cè)，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(rèn)識(shí)到提高可持續(xù)性的巨大潛力。

將這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)帶入到單獨(dú)的機(jī)器和過(guò)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(gè)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(dòng)補(bǔ)償

將更多智能推向設(shè)備級(jí)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(jìn)的伺服驅(qū)動(dòng)器就是一個(gè)好例子。

驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的自動(dòng)補(bǔ)償能夠響應(yīng)異常情況，預(yù)先消除干擾，無(wú)需技術(shù)人員對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行微調(diào)。無(wú)需引入示波器功能，也不用再插入筆記本電腦。

自動(dòng)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(guò)去，這一過(guò)程需要手動(dòng)重置新組件，通常需將軟件加載到PC?，F(xiàn)可自動(dòng)完成，無(wú)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(dòng)降級(jí)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(wú)需維護(hù)軟件，無(wú)需升級(jí)軟件許可證，無(wú)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(jí)的另一實(shí)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(guò)背板、PLC 的CPU和系統(tǒng)掃描。結(jié)果是響應(yīng)時(shí)間短至1微秒。

這種前所未聞的超快速度是否有實(shí)際用途?考慮如下的應(yīng)用，是否會(huì)吸引你：讓噴膠槍向裝箱機(jī)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(jī)上傳感器和回收站之間的距離。

與項(xiàng)目中機(jī)器的其他部分相同，I/O切片也用IEC 61131-3語(yǔ)言編程，不過(guò)它們僅在切片級(jí)執(zhí)行。

分布式運(yùn)動(dòng)控制

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

自主維護(hù)

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

為何不將這些動(dòng)畫(huà)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(duì)的故障排除進(jìn)行走查?通過(guò)虛擬網(wǎng)絡(luò)計(jì)算(VNC)和Wi-Fi，動(dòng)畫(huà)可在操作員的智能手機(jī)或平板電腦上運(yùn)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(jiàn)圖3)。

圖3 通過(guò)VNC和Wi-Fi，動(dòng)畫(huà)可在操作員的智能手機(jī)或平板電腦上運(yùn)行，

以提供作業(yè)指導(dǎo)或幫助進(jìn)行故障排除。

這一過(guò)程稱為“自主維護(hù)”。其意味著維護(hù)技術(shù)員無(wú)需取回生產(chǎn)線上的機(jī)器，因?yàn)榧词故侨狈?jīng)驗(yàn)的操作員也可自行處理問(wèn)題，并可克服語(yǔ)言和讀寫(xiě)障礙。

當(dāng)然，如果問(wèn)題無(wú)法解決www.cechina.cn，則控制器將向值班的維護(hù)技術(shù)員發(fā)送信息，針對(duì)他或她所執(zhí)行的操作提供建議，識(shí)別存在故障的部件并提交訂購(gòu)單，采購(gòu)一個(gè)新部件。與此同時(shí)，故障也會(huì)被好好記錄下來(lái)，并上報(bào)管理部門(mén)、機(jī)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(guó)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(shí)我嘲笑這明顯是促銷(xiāo)信息。我對(duì)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(méi)有人愿為此額外支付100美元。因此，當(dāng)輸送帶堵塞時(shí)，就只能耗費(fèi)時(shí)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(wèn)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(shí)質(zhì)是相同的，不同之處在于思維。

德國(guó)在工程、應(yīng)用技術(shù)和高級(jí)機(jī)械設(shè)備方面一直具有良好信譽(yù)，它們是德國(guó)出口經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和經(jīng)濟(jì)引擎(試圖使歐盟其他國(guó)家擺脫持久經(jīng)濟(jì)衰退)且令民族頗為自豪。因此，德國(guó)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(guó)和整個(gè)歐洲，技術(shù)專家傾向于將技術(shù)銷(xiāo)售給其他技術(shù)專家。這種做法與美國(guó)相反。在美國(guó)，技術(shù)專家需說(shuō)服關(guān)注季度財(cái)報(bào)的財(cái)務(wù)經(jīng)理增加對(duì)科技的投資，以保持競(jìng)爭(zhēng)力并產(chǎn)生有機(jī)增長(zhǎng)。我認(rèn)為這恰是美國(guó)物聯(lián)網(wǎng)支持者傾向于強(qiáng)調(diào)大數(shù)據(jù)而非可聯(lián)網(wǎng)機(jī)器的原因。他們正在將IT解決方案出售給首席財(cái)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(dòng)化?我確信歐洲工業(yè)更相信可聯(lián)網(wǎng)機(jī)器的愿景。因此，信奉這一愿景的機(jī)器制造商和技術(shù)供應(yīng)商應(yīng)該首先瞄準(zhǔn)歐洲市場(chǎng)。

歐洲稱為工業(yè)4.0，別的國(guó)家和地區(qū)可能也有各自的叫法。無(wú)論在這些市場(chǎng)上的名稱是什么，其實(shí)質(zhì)都是萬(wàn)變不離其宗。莫讓您的機(jī)構(gòu)陷入工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的爭(zhēng)論中，其實(shí)它們是一回事CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，即通過(guò)以太網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)連接機(jī)器，實(shí)現(xiàn)比以往更高效的運(yùn)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(shí)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)。現(xiàn)如今，即使是廉價(jià)的控制器預(yù)計(jì)也會(huì)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和一個(gè)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(duì)工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全措施進(jìn)行了全面概述。其為復(fù)雜的主題，需要主題專家的參與。總之，IT有安全標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(guò)這些接口連接自己的資源。機(jī)器制造商和用戶可采用軟件即服務(wù)解決方案，無(wú)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(jī)器制造商和集成商提供。安全服務(wù)包括整體遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)告與診斷。

VNC訪問(wèn)

虛擬網(wǎng)絡(luò)計(jì)算是物聯(lián)網(wǎng)的縮影。VNC是開(kāi)源共享系統(tǒng)，允許遠(yuǎn)程訪問(wèn)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(wú)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(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)安全

如果沒(méi)有開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，物聯(lián)網(wǎng)必將失敗。物聯(lián)網(wǎng)無(wú)法忍受封閉系統(tǒng)，原因是它將連接萬(wàn)物。網(wǎng)絡(luò)安全也具有國(guó)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(shí)現(xiàn)，且可獲得免費(fèi)許可。

此外，經(jīng)測(cè)試和證明，openSAFETY可運(yùn)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(guò)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(jì)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(huì)有效限制第三方訪問(wèn)，以開(kāi)發(fā)主機(jī)接口而非從機(jī)接口。為實(shí)現(xiàn)開(kāi)放性，安全務(wù)必允許任何自動(dòng)化供應(yīng)商開(kāi)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(gè)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(tái)構(gòu)成機(jī)械設(shè)備)通信。

PackML由機(jī)械自動(dòng)化與控制組織(OMAC)開(kāi)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(guò)國(guó)際自動(dòng)化學(xué)會(huì)(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(bào)告，ISA TR88.00.02。OMAC接下來(lái)將啟動(dòng)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)審批流程。TR88是機(jī)器編程及機(jī)器對(duì)機(jī)器和管理數(shù)據(jù)采集的一項(xiàng)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。

OPC UA

OPC UA(IEC 62541)是OPC基金會(huì)所開(kāi)發(fā)的OPC統(tǒng)一架構(gòu)，以替代最初的OPC(用于過(guò)程控制的OLE，OLE表示對(duì)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(tái)無(wú)關(guān)。PLCopen(代表IEC 61131-3)和OPC基金會(huì)之間正在開(kāi)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(jì)會(huì)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(guó)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。