工业4.0时代:物联网为工业自动化带来了什么?

我们近几年听到了许多关于物联网的讯息,它们往往是以大企业和大数据为中央,在消费领域探讨的更多。时至今日,物联网事实对制造业发生了哪些影响?实现物联网需要具备哪些条件?在工业自动化中,知足物联网的特定要求所需的尺度、毗邻性、集成和流程又是什么?

在制造业中,无论称为工业4.0或物联网,其本质均是机械的毗邻,包罗将机械与机械互联,与专家系统互联以及与治理执行系统互联等。从而通过系统架构级别较低的智能装备(按钮、伺服驱动器自动抵偿、能量监测器、全景摄像机、加速计和急停按钮等)获得比以往更可行的信息。

物联网不仅是将工业网络扩展到装备级架构,还包罗将平安、运动、机械对机械智能、自动维护资源和企业毗邻性融入到现在难以企及的制造智能。从资源治理到智能机械装备再到预见性维护,物联网的快速生长,为制造自动化也带来了许多努力的影响。

平安的远程毗邻

物联网希望实现万物互联,以便举行诊断、配方治理、协作工程和种种数据采集(从OEE到序列化)。物联网能够获取更多当前尚未获取的数据。缘故原由可能是我们之前没有部署用于获取数据的传感器而且IT也不允许这样做。

现实是这种智能传感器已经存在,只不外企业还没有意识到把钱花在这个地方的利益。常见的疑问比如说,“为何分外花100美元购置一个有可能不小心就被叉车撞坏的智能传感器呢?”

在2014年,平安方面的重大突破是平安虚拟私有网络(VPN)服务器和云服务。2015年的趋势是实现平安服务器与控制软件套件的无缝集成。

网络平安

工业自动化用户头脑的最大转变可能是从硬毗邻的平安和继电器转移到网络平安性。这意味着从普通工人用螺丝刀紧铜线到咨询软件显示的过渡。而现实中,我们的生涯早已改变。我们会毫不犹豫的乘坐电子导航系统的航班。我们乘坐无人驾驶的区间列车抵达航站楼。纵然开往航站楼的汽车都与网络装备息息相关(例如:防抱死制动、平安气囊弹出和恒速操纵器等),我们没有忧郁它们的平安性,是由于我们看不到。

网络平安对于提高生产力大有辅助,能够有用防止工人试图绕过平安系统操作。在安装用度、测试和诊断能力方面,网络平安也有许多优势。既要保持控制和线路功率又要确保事情速率、转矩、偏向和位置不会引起危害。在实行历程中还要相符传统平安实行方案(即:将主控系统状态与自力控制器上的校验做对照)。

与E- stop急停按钮将所有电源切断差别,网络平安允许系统在平安模式下延续运行。平安模式运行旨在防止操作员误操作,试图通过打开门联锁装置来消灭堵塞,或在无机械防护装置的情形下操作。相反,它要确保轧辊不能以非平安偏向旋转,或者机械人手臂无法快速用力,以珍爱维修工人的平安。

物联网对于工业平安有何促进呢?平安系统通过确定性工业以太网联网。同时,平安模式下的每个状态转变、每个操作实例均被纪录下来并通过互联网传送给治理人员。联锁装置或光幕可转达破损水平、时间和距离,以辅助治理人员剖析根本缘故原由。

平安的

在网络平安功效中,平安运动控制功效最为壮大。通过嵌入到伺服机构/变频驱动(配有平安编码器等硬件)中的智能软件,网络平安系统可保持生产线、印刷机、机械人及其他装备的正常运行(在平安模式下)。这种智能不仅能够提供现在熟悉的平安扭矩关闭信息,还能够提供平安的受限转矩、受限速率、位置和受限加速率等更多信息。

现在,生产线上的机械可在平安模式下继续运行。而在已往,急停按钮或受控关闭将会开启,以消灭堵塞信息,举行修复或弥补质料。现在的紧要停机按钮也不再需要硬接线,它可以通过以太网毗邻而且成为控制面板的一部门。

预见性维护

预见性维护的要害是凭据机械现实状态而非凭据牢固的周期举行监控。此外,监控机械状态的要害是机械扰动。行使加速率计等网络化传感器可检测轴承、主轴、联轴器和其他机械装备的频率,展望发生故障的趋势,以放置预先性维护。

通过联网的传感器举行状态监控,来展望可能泛起的机械故障。

历程越要害,维护的成本越大。简朴装备的故障可能会使某一历程泛起灾难性效果。频率剖析还可促使在装备受损前找出根本缘故原由。如可纪录润滑、剥落或侵蚀等状态,则可接纳预防性维护措施。

资源治理

能源监测,不仅是电力监测,还包罗水、蒸汽、压缩空气和真空、天然气、温度等,可以辅助您认识到提高可持续性的伟大潜力。

将这些监测数据带入到单独的机械和历程单元(不仅是分支电路或输入电表),将使数据变得更可行。为何一个缩短炉或轮班比另一缩短炉或轮班耗能多?权衡能源成本和生产量之后的最佳生产线速率是什么?

自动抵偿

将更多智能推向装备级而不仅是在物联网通讯。这样有助于提高性能并省去人为干预。先进的伺服驱动器就是一个好例子。

驱动器内的自动抵偿能够响应异常情形,预先消除滋扰,无需手艺人员对驱动器举行微调。无需引入示波器功效,也不用再插入笔记本电脑。

自动设置

将较旧组件替换为具有更新固件版本的组件亦是云云。在已往,这一历程需要手动重置新组件,通常需将软件加载到PC。现可自动完成,无需用户干预。

板载智能及控制器和装备之间的以太网通讯意味着控制器可查询新组件并将其固件自动降级为正在使用的版本。

这意味着不需要任何手艺员,无需维护软件,无需升级软件允许证,无故障显示,也不用预先将备用组件放置在架子上等着落满灰尘。

智能I/O切片

将智能推向装备级的另一实例是使用带有板载FPGA的I/O切片,允许装备和I/O切片之间直接响应,从而绕过背板、PLC的CPU和系统扫描。效果是响应时间短至1微秒。

这种前所未闻的超快速率是否有现实用途?思量如下的应用,是否会吸引你:让喷胶枪向装箱机更准确地打胶,更快速的商标打印,以及大幅缩短枕式包装机上传感器和回收站之间的距离。

与项目中机械的其他部门相同,I/O切片也用IEC61131-3语言编程,不外它们仅在切片级执行。

分布式运动控制

具有以太网通讯和板载I/O功效的机载集成式/驱动器早已习以为常。现在,这一观点已扩展到机载分布式密封驱动器,以辅助传统的电机到达更高的转矩和速率要求。此外,小型驱动器(例如:花样转换所用的步进电机)可以接纳IP67分布式I/O模块。

自主维护

这种板载智能连系廉价固态存储器可以大幅节约成本,促使机械更高效。凭据作业指导书,操作员和手艺人员行使动画和视频走查的益处是有据可依的。

为何不将这些动画与控制系统中的故障代码相关联,并使操作员按第一梯队的故障清扫举行走查?通过虚拟网络盘算(VNC)和Wi-Fi,动画可在操作员的智能手机或平板电脑上运行,并在需要的情形下走查整条生产线,并毗邻到交互式故障清扫辅助工具。

这一历程称为“自主维护”。其意味着维护手艺员无需取回生产线上的机械,由于纵然是缺乏经验的操作员也可自行处理问题,并可战胜语言和读写障碍。

固然,若是问题无法解决,则控制器将向值班的维护手艺员发送信息,针对他或她所执行的操作提供建议,识别存在故障的部件并提交订购单,采购一个新部件。与此同时,故障也会被好好纪录下来,并上报治理部门、机械制造商和组件供应商。

工业4.0与工业互联网:殊途同归

我记得一位资历颇深的德国同事在几年前告诉我:工业4.0将是一件了不起的事。坦言讲,那时我冷笑这显著是促销信息。我对物联网的最初反映亦是云云。

究竟,早在十几年前,我们就具有能够将智能光电传感器放在运送带上的能力,然则没有人愿为此分外支付100美元。因此,当运送带堵塞时,就只能耗费时间走查生产线,用眼球确定运送带住手的根本缘故原由。

而现在,智能传感器能让您从生产线控制器以及生产线上任何HMI的状态模子中发现问题。手艺人员为其提供替换件并在几分钟内重新调治或替换传感器。

工业4.0和工业互联网实在质是相同的,差别之处在于头脑。

德国在工程、应用手艺和高级机械装备方面一直具有良好信誉,它们是德国出口经济的基础和经济引擎(试图使欧盟其他国家脱节持久经济衰退)且令民族颇为自豪。因此,德国捉住物联网的潜力并集中于工业应用便成为不言而喻的事。

在德国和整个欧洲,手艺专家倾向于将手艺销售给其他手艺专家。这种做法与美国相反。在美国,手艺专家需说服关注季度财报的财政经理增加对科技的投资,以保持竞争力并发生有机增进。我以为这恰是美国物联网支持者倾向于强调大数据而非可联网机械的缘故原由。他们正在将IT解决方案出售给首席财政官。

这是否意味着工业4.0比工业互联网更有可能改变工厂自动化?我确信欧洲工业更信赖可联网机械的愿景。因此,信仰这一愿景的机械制造商和手艺供应商应该首先瞄准欧洲市场。

欧洲称为工业4.0,其余国家和地区可能也有各自的叫法。无论在这些市场上的名称是什么,实在质都是万变不离其宗。莫让您的机构陷入工业4.0和工业互联网的争论中,实在它们是一回事,即通过以太网/互联网毗邻机械,实现比以往更高效的运行。

需要注重的是,我们应确保它们所使用的尺度相同。

工业物联网的相关尺度

从以太网到互联网

物联网是基于TCP/IP、HTTP、FTP和其他普遍接受的互联网通讯尺度,包罗从基于以太网的工业网络到局域网和互联网。现现在,纵然是廉价的控制器预计也会提供网络服务器和一个或更多以太网毗邻。

工控系统的网络平安

ISA/IEC-62443(ISA99)对工控系统网络平安措施举行了周全概述。其为庞大的主题,需要主题专家的介入。总之,IT有平安尺度,自动化也要有平安尺度。

平安VPN服务器和托管云服务现被普遍使用。知足工业自动化特定需求的平安服务正在兴起。平安VPN功效正在内置于自动化软件套件中。具有大量IT资源的宽大用户和集成商可通过这些接口毗邻自己的资源。机械制造商和用户可接纳软件即服务解决方案,无需投入分外的IT基础设施。

服务由第三方、控制供应商、机械制造商和集成商提供。平安服务包罗整体远程数据采集、监控、数据存储、讲述与诊断。

VNC接见

虚拟网络盘算是物联网的缩影。VNC是开源共享系统,允许远程接见具有物联网功效的控制器,而不需使用供应商软件包。无需任何允许证和专用通讯软件或硬件。您只需要知道控制器的IP地址。

开放式网络平安

若是没有开放的尺度,物联网必将失败。物联网无法忍受封闭系统,缘故原由是它将毗邻万物。网络平安也具有国际尺度。openSAFETY协议栈是openSAFETY手艺规范相符IEC61784-3-13的实现,且可获得免费允许。

此外,经测试和证实,openSAFETY可运行在主要工业网络的应用层:Profinet、EtherNet/IP、Modbus TCP、SERCOS III、EtherCAT和POWERLINK。不外,用户可以指定供应商的openSAFETY协议。

专用协议(限于最初设计所面向的网络)不支持物联网。其缘故原由是这些专用协议将限制毗邻性,并会有用限制第三方接见,以开发主机接口而非从机接口。为实现开放性,平安务必允许任何自动化供应商开发兼容的控制器和装备。

泉源: 中国测控网

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