智能運(yùn)行概念里的混合現(xiàn)實(shí)。（圖片來(lái)源：OPTIMA包裝集團(tuán)公司提供）

 

就工業(yè)4.0和/或物聯(lián)網(wǎng)而言，朝著網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)環(huán)境方向發(fā)展的數(shù)字化改造正方興未艾。無(wú)數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，如：產(chǎn)品和工藝監(jiān)測(cè)、標(biāo)簽技術(shù)、包裝、物流以及維護(hù)保養(yǎng)和修理等，都已顯示出這種物聯(lián)網(wǎng)改造的最優(yōu)化潛力。

 

這些互聯(lián)網(wǎng)上的“東西”指?jìng)鞲衅?、射頻識(shí)別芯片、裝置、機(jī)器和設(shè)備等等。將來(lái)，這些“東西”不僅有望獨(dú)立地和連續(xù)地傳遞所有重要的工藝和系統(tǒng)狀況，而且還有望通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)、干預(yù)、修正和優(yōu)化制造工藝過(guò)程，而不必人為進(jìn)行干預(yù)。這種基于萬(wàn)維網(wǎng)通信聯(lián)絡(luò)的基礎(chǔ)，是具備獨(dú)一無(wú)二識(shí)別地址的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。但是，老舊的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IPv4只能提供43億個(gè)IP地址的地址空間，而這些空間已經(jīng)于2012年被分配給個(gè)人電腦、筆記本電腦、平板電腦和移動(dòng)電話。這就是為什么要開(kāi)發(fā)新標(biāo)準(zhǔn)的IPv6協(xié)議的原因，這種協(xié)議擁有3.4 x 1038個(gè)IP地址的地址空間。所以，缺少地址已不再是人們的一種擔(dān)憂。更換至IPv6的工作仍然在熱火朝天地進(jìn)行著。于是，挑戰(zhàn)并非是諸如地址那樣的一些事情，而是由此所帶來(lái)的數(shù)據(jù)洪流，在某個(gè)好的日子里，會(huì)有幾十億個(gè)傳感器在每秒鐘時(shí)間里，傳輸數(shù)以千計(jì)的數(shù)據(jù)到主計(jì)算機(jī)。然后，又要對(duì)這些數(shù)據(jù)的可視性和模擬仿真情況進(jìn)行評(píng)估，并以文檔存檔為目的，將其存儲(chǔ)起來(lái)。

 

所以，更加確切地說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)首先是基于數(shù)據(jù)——關(guān)于從這種數(shù)據(jù)中所檢索出來(lái)的信息，這是軟件和算法的領(lǐng)域。以此所能獲得的東西應(yīng)該足以成為積極推動(dòng)這種改造的理由。下面的例子展示了一些能在短期內(nèi)獲益的應(yīng)用情況。

 

 

軸承、變速箱、泵或灌裝及計(jì)量系統(tǒng)的損壞并非憑空而來(lái)，在實(shí)際損壞發(fā)生之前，就會(huì)通過(guò)非同尋常的振動(dòng)和溫度偏差或通過(guò)功率耗損的改變、壓力損失及類似的狀態(tài)“發(fā)出通知”。由于有了高度復(fù)雜的分析和模擬仿真程序，被傳感器作為狀態(tài)監(jiān)測(cè)組成部分所檢測(cè)出來(lái)的這些偏差，現(xiàn)在可以實(shí)時(shí)地對(duì)之進(jìn)行評(píng)估和使之可視化，因此可以在工藝過(guò)程環(huán)境下讓人們看到。根據(jù)這種信息，設(shè)備操作人員可以有針對(duì)性地并超越所有位置獨(dú)立地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遙控干預(yù)，引入程序變更，或者安裝新的應(yīng)用和控制軟件，讓系統(tǒng)總是以最佳模式運(yùn)行。另外，模擬仿真得出的結(jié)論，可以更加精確地預(yù)測(cè)機(jī)器關(guān)鍵零件的剩余使用壽命，借以開(kāi)辟維護(hù)保養(yǎng)的全新局面。

 

這就意味著，我們正在遠(yuǎn)離以周期性零件更換為基礎(chǔ)的反應(yīng)性和預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)，而轉(zhuǎn)向所謂“預(yù)測(cè)性維護(hù)保養(yǎng)”的可預(yù)測(cè)的、精確規(guī)劃的維護(hù)保養(yǎng)措施。所獲得的益處是：機(jī)器設(shè)備可用率更高，停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)大幅度降低，運(yùn)行和生產(chǎn)安全性更高以及維護(hù)保養(yǎng)成本大大降低。

 

除此之外，預(yù)測(cè)性維護(hù)保養(yǎng)是可持續(xù)發(fā)展中的關(guān)鍵元素。當(dāng)在給定期間內(nèi)更換零件時(shí)，操作人員的確總是謹(jǐn)慎行事，但是，他們也浪費(fèi)了昂貴零部件寶貴的剩余使用壽命，因?yàn)樗麄內(nèi)狈煽康牧慵袨閿?shù)據(jù)。今天，有關(guān)材料行為的知識(shí)，有關(guān)處于變化負(fù)載狀態(tài)下、連續(xù)應(yīng)力等類似情況的知識(shí)，與十年甚至是二十年之前相比，都要先進(jìn)得多。另一方面，由于當(dāng)今計(jì)算性能以及更加智能化的分析、有限元法（FEM）和模擬仿真軟件等都已得到大幅提高，因此可以容許以更高的精準(zhǔn)度確定和預(yù)測(cè)剩余使用壽命，而這方面的知識(shí)有利于預(yù)測(cè)維護(hù)保養(yǎng)。

 

 

機(jī)器設(shè)備不斷增加的性能、靈活性和智能化使得系統(tǒng)更加復(fù)雜，這為人機(jī)接口（HMI）操作概念的開(kāi)發(fā)人員提出最為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。我們所說(shuō)的人機(jī)接口硬件，是指配備觸摸屏功能的終端設(shè)備，這些都是多數(shù)人從其智能電話或平板電腦上已經(jīng)了解到的東西。這意味著，他們可以在現(xiàn)有知識(shí)的基礎(chǔ)上，增加學(xué)習(xí)處理掌控這些機(jī)器和設(shè)備的知識(shí)；這樣可以激發(fā)人們的熱情并縮短熟悉了解所花費(fèi)的時(shí)間。

 

開(kāi)發(fā)圖形化界面的核心部分是確保那些沒(méi)有受過(guò)特殊職業(yè)培訓(xùn)，而且也沒(méi)有足夠語(yǔ)言技巧的人們能夠安全地操作這些設(shè)備。為了避免操作錯(cuò)誤，圖形化界面開(kāi)發(fā)人員依賴直觀圖形元素，而不是語(yǔ)言。另外，正在發(fā)展和出現(xiàn)的還有機(jī)器設(shè)備和零部件的照片級(jí)真實(shí)感3D

CAD顯示。再者，人機(jī)接口（HMI）必須滿足各種用戶的需求——與他們的技巧和權(quán)威相符。因此，設(shè)備操作人員看到的是不同于班組經(jīng)理、維護(hù)保養(yǎng)人員或生產(chǎn)經(jīng)理的圖形化界面。這意味著，每個(gè)用戶只看到對(duì)應(yīng)于他們職責(zé)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，而且與他們所處的特定場(chǎng)景有關(guān)。再者，數(shù)據(jù)僅局限于實(shí)質(zhì)分析所必需的信息，以確保顯示容易被捕捉，并且關(guān)鍵機(jī)器參數(shù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)能夠瞬時(shí)呈現(xiàn)出來(lái)。

 

現(xiàn)代人機(jī)接口（HMI）的其他特性是移動(dòng)性和一致性，一種發(fā)展趨勢(shì)是趨向于移動(dòng)裝置，使用這些裝置，用戶可以根據(jù)其授權(quán)水平遙控機(jī)器設(shè)備。這可以節(jié)省差旅費(fèi)用，特別是在服務(wù)和維護(hù)保養(yǎng)領(lǐng)域內(nèi)，情況更是如此。

 

 

當(dāng)談?wù)摰轿锫?lián)網(wǎng)時(shí)，幾乎沒(méi)有哪一個(gè)話題能像“數(shù)字化雙胞胎”更能引起轟動(dòng)效應(yīng)的了。“數(shù)字化雙胞胎”的技術(shù)基礎(chǔ)是高性能3D CAD、模擬仿真和分析軟件程序以及虛擬1:1 真實(shí)機(jī)器設(shè)備控制軟件的副本。以此種軟件工具為基礎(chǔ)，“數(shù)字雙胞胎”映射出完整的加工制造工藝過(guò)程，包括零部件、機(jī)器設(shè)備及其控制作為虛擬模型—— 連同進(jìn)行模擬仿真所需要的所有物理數(shù)據(jù)。除此之外，“數(shù)字雙胞胎”還容許離線程序設(shè)計(jì)。所有這些使得“數(shù)字雙胞胎”成為開(kāi)發(fā)者、操作者和維護(hù)保養(yǎng)人員的萬(wàn)能工具。

 

由于有了這些接近真實(shí)的模擬仿真，在尚未制造出一件真實(shí)零件之前的開(kāi)發(fā)階段，就已經(jīng)能檢測(cè)到并消除設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和（或）缺陷。這同樣也可應(yīng)用于程序設(shè)計(jì)和控制優(yōu)化方面。

 

不過(guò)，最為重要的應(yīng)用之一，是虛擬調(diào)試或啟動(dòng)。這不僅是一次虛擬試運(yùn)行，而且還可以用來(lái)使負(fù)責(zé)機(jī)器的操作人員有針對(duì)性地熟悉了解系統(tǒng)性能和可能性。換句話說(shuō)，“數(shù)字雙胞胎”是工業(yè)工藝過(guò)程、機(jī)器和設(shè)備的“飛行模擬器”。在真實(shí)調(diào)試之前，進(jìn)行的虛擬預(yù)啟動(dòng)，能以不止一種方式發(fā)揮作用。如果系統(tǒng)或控制概念里仍然有任何錯(cuò)誤或問(wèn)題，它們可以得以糾正，而不至于對(duì)真實(shí)系統(tǒng)零部件造成損壞。離線程序設(shè)計(jì)也能相應(yīng)地使生產(chǎn)計(jì)劃人員虛擬測(cè)試各種運(yùn)行模式。不過(guò)，最為重要的方面是“虛擬雙胞胎”將許多專家的專有知識(shí)匯聚到一起，這些技能和知識(shí)以后可以用到其他項(xiàng)目上。

 

一言以蔽之，由于有了復(fù)雜而微妙的模擬仿真，設(shè)備生產(chǎn)商和用戶可以大幅度縮短項(xiàng)目的前期準(zhǔn)備時(shí)間，加快啟動(dòng)，提高開(kāi)發(fā)類似設(shè)備和工藝過(guò)程的效率。這不僅節(jié)省了時(shí)間，還節(jié)省了資源、能源和人力。

 

 

標(biāo)準(zhǔn)化仍然繼續(xù)成為一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)槎鄶?shù)機(jī)器設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)仍然依賴于自己的接口。但是，在物聯(lián)網(wǎng)里，一體化整合是一個(gè)帶有決定性的因素。這種一體化整合要求在機(jī)器設(shè)備間進(jìn)行交換時(shí)，在縱向和橫向上都必須有特別一致性的數(shù)據(jù)和信息。這使得標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議成為必要。由于這些技術(shù)可提供投資的高度安全性以及非專有系統(tǒng)的獨(dú)立性，因此，存在著開(kāi)放源碼解決方案的趨勢(shì)，一個(gè)這方面的范例是OPC同一架構(gòu)體系（OPC UA）連接各種生產(chǎn)制造企業(yè)的技術(shù)規(guī)范包。OPC UA通過(guò)認(rèn)證授權(quán)、加密和數(shù)據(jù)完整性確保安全。

 

狀態(tài)監(jiān)測(cè)能實(shí)時(shí)提供單臺(tái)設(shè)備或完整生產(chǎn)線的信息，并以預(yù)先確定的報(bào)警和故障極限為基礎(chǔ)，可以盡早檢測(cè)出偏差并予以消除。
（圖片來(lái)源：博世包裝技術(shù)公司）

 

這意味著，就將原始數(shù)據(jù)和預(yù)先加工處理過(guò)的信息以安全、可靠和非專有性質(zhì)的方法，從生產(chǎn)制造級(jí)別傳輸?shù)缴霞?jí)生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)或企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)里，OPC UA是一種非常合適的方法。

 

 

許多較為老舊的機(jī)器設(shè)備、生產(chǎn)線、電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)并沒(méi)有配備工業(yè)4.0所要求的傳感器和通信聯(lián)絡(luò)技術(shù)，有的甚至不能用作網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成部分。就數(shù)字化改造而言，這并非意味著這些系統(tǒng)已經(jīng)陳舊不堪了。在此，作為工業(yè)4.0的入門(mén)級(jí)解決方案，智能傳感器可以重新進(jìn)行翻新。它們定期測(cè)量并通過(guò)內(nèi)置通信聯(lián)絡(luò)接口以無(wú)線方式將數(shù)據(jù)傳輸給人機(jī)接口（HMI）和（或）員工的智能手機(jī)電話或平板電腦，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。采用這些辦法和一些其它的簡(jiǎn)單方法，企業(yè)可以采用廉價(jià)的方式進(jìn)入工業(yè)4.0世界，仍然能從降低停機(jī)時(shí)間、延長(zhǎng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)間以及降低電力損耗以及一些類似情況中獲益。