智能化工厂建设 多元素结合下制造革命

工业4.0受制造业对更高效率和成本效益驱动。工业4.0将由自动化进步支持，工业物联网和基于电脑的控制器转型就是明显的例子。

工业4.0革命　　

工业4.0比前面3次工业革命来势更加迅猛，变革的速度更快，影响也更深远更彻底。　　　　

电子传感器替代气压传感器，计算机数控取代凸轮驱动工具，使用IP通讯的智能设备已经逐步主导工业版图。　　　　

工业物联网概念性元素之一就是使设备与设备之间的通讯（M2M：Machineto Machine）成为可能。对很多工业用户来讲，M2M并不新奇。在过去的几十年里，炼油厂就可以使成千上万个设备与控制系统沟通。M2M的新奇之处在于，设备变得更加智能，通过IP通讯，交换的信息也更加丰富。每个设备都有自己的IP地址，所以任何人在任何地方都可以通过互联网与这个设备联通。用户对这个功能的影响力的理解才逐步开始。　　　　

为什数字化如此重要？　　　　

制造业的设备，无论是用于加工还是工厂自动化，在他们的测量能力、如何监控自身状态与如何沟通的本质上都变得更加智能。传统的哑巴式压力传感器或近距离传感器(proximity sensor)把压力或距离读数转化为模拟信号，仅此而已。他们或许能代表M2M通讯，但是只是粗糙的原型。缺陷诸多的模拟通讯，正在被数字化迅速取代。其中的效果就好比智能手机取代原始的两个罐头盒加一根绳子构成的电话机。

精密的设备需要精密的控制器来发挥最大效用。一二十年前的一台PLC可以读取I/O数据并按步骤操作。然而，今天的制造业的要求远不止如此。今天的控制器必须能够处理运行数字工厂所需的控制功能。新一代控制器的兴起，结合了世界上最好的PLC的功能与电脑的多功能性。　　　　

设备和控制器的强大结合　　　　

新一代设备和控制器的结合帮助我们开设基于信息物理系统的数字化工厂。尽管电脑在上个世纪70年代就已经用于车间，但是电脑所能做的事情却发生了天翻地覆的变化。早期的PLC并不比之前的继电器好很多，但是PLC所能控制的事情随着技术发展和人们的创新思维的发展也日新月异。　　　　

传统的工业机器人只是被程序设定每天做单一重复的事情。但是随着网络物理概念的发展，机器人和它的控制器被编程，可以根据当前状况而独立判断下一步要做什么反应。举一个简单的例子，传送机可以输送各种瓶子到封口机，这些瓶子的基本形状相似，但是总共有5种颜色，每种颜色的瓶子需要对应该种颜色的封口。信息物理系统可以观察瓶子，并指令机器人抓取对应颜色的封口拧紧瓶子。机器人能做的还可以更多。　　　　

该信息物理系统还可以判断瓶子是否变形、是否贴了标签以及注入液体水平是否正确。使用一组智能传感器的信息，同一台机器人可以抓取不合格的瓶子移出产线。该系统可以经过编程“思考”所有可能发生的状况，并合理应对。　　　　

智能应用的智能控制器　　　　

有创造力的用户在创造新的方法帮助制造系统在更加复杂的应用里实施更加复杂的功能。由于各种操作和现场设备繁多，新的基于电脑的控制器是信息物理系统的关键之处。一种控制器可能会同时用于压力和流量传感器、机器视觉摄像机、条形码阅读器、马达驱动、阀门驱动装置、机器人以及其他各种设备。　　　　

以上提到的那些设备可能依赖从模拟电流环到工业以太网的多种通讯协议。这种系统的速度依赖更快的协议转换，因此每个设备可以兼容合作，支持生产。而且，所有那些设备可以发送诊断信息到中央控制处以供评估，比如发送信息到人类操作员或者维修部门，这些信息可能包括视觉摄像机上的LED灯要烧坏了，或者设备机柜冷却风扇被灰尘堵塞了等。这些预防性的维修能力预防生产时的故障或停机的可能性。

这是PLC还是电脑？都是！　　　　

最近发展最火的一个概念就是开放式控制器。开放式控制器和传统的PLC在功能和形状方面都相近，但是同时也是一台真正的工业电脑。一方面它具备目前电脑所有的连接性，同时它还拥有PLC上才有的I/O卡槽。因此开放式控制器可以与普通的工业现场设备和商业化的周边产品无缝合作，无论他们使用的通讯协议是否一样。　

开放式控制器可以同时具备PLC和PC两者的功能。当它作为控制器在机器上运行时，管理程序把Windows系统从控制器系统功能隔离开来，使操作员在Windows系统上同时执行完全不同的任务。实时操作系统与双核处理器合作，把PLC和Windows系统完全分开，因此操作员可以通过冷重启动开启Windows，而不会影响机器的控制功能。如有需要，控制器的两种功能可以与企业水平系统集成。　　　　

从功能的角度来讲，现代工业电脑可以做PLC可以做的任何事情——达到同样的完成效率和诊断能力。随着更多的设备开发更多的功能，不同类型控制器之间的界限越来越模糊。　　　　

工业用户希望延长设备的使用期限，像电脑技术这样演化太快的东西，更新升级的成本很大。在IT的世界，如果一个东西运行超过两年会被认为太旧了，超过4年就可能完全过时。比如西门子，就与英特尔达成协议，要求英特尔提供的设备能使任何工业电脑平台运行至少达10年。对于大部分工业电脑来讲，其实10年的意思是活动的销售期5年，加上另外的5年维修期。　　　　

展望未来　　　　

所有这些元素——智能设备、基于电脑的控制器、信息物理系统和互联网通讯——正在相互结合支持工业4.0和目前的数字制造革命。　　　　

产品设计者将在电脑上开发新产品，包括所有的零部件。设计平台将需要理解每个零件的特性、结构材料和制造过程。　　　　

一件产品可能涉及注塑塑料零件、机械金属部件以及其他金属粉末或添加处理。系统会“考虑”所有这些元素如何相关，以及如何联系起来、每个元素是否结构完整，经过预设的处理是否可以被有效构建并组装。　　　　

设计平台下一步将决定生产和最终组装需要什么，目前的生产设施是够足够完成生产的任务，某个零件是否需要调整，是否需要创造新的生产线等问题。设计的结构将会是非常清晰详细的蓝图，解决产品如何生产包括降成本和提高生产率的问题。

一旦开始生产，所有开发服务程序的信息将完整呈现，在产品的整个生命周期里支持这个产品。产品和产品的制造流程都使用兼容软件虚拟设计而成，生产设施也可以使用生产设备、控制器和软件构建。　　　　

制造车间　　　　

如此设计的生产设施将达到前所未有的集成程度。每个设备（细化到每个传感器和驱动器）都将使用IP通讯，每个设备都有自己的IP地址。任何经过授权的人都可以在任何地方通过互联网访问设备，获得诊断和生产相关的信息。　　　　

通过输送到维修程序的诊断信息，生产将会达到高度稳定水平，意外状况将成为过去时。制造系统将无缝集成，并受周全的网络安全战略保护。多家分公司的企业在任何地方都可以共享信息。　　　　

实现以上描述的智能制造系统的技术很多已经被研发出来了。运行于工业电脑的产品设计软件主导创造设计，同样的平台可以启动和控制制造设施。最后我们需要的元素就是可以通过工业以太网通讯的工业传感器和驱动器。一大批工业传感器和驱动器已经设计出来，还有更多的正在设计当中。工业4.0所需的技术元素已经万事俱备，现在制造商只需要具备想象力和创造力来运用它。