将工业4.0的潜力与真正的制造业联系起来

目前，自动化和制造业领域最主要的话题之一是工业4.0，有许多流行语、战略思想、概念和方法正在传播。即便如此，制造商仍然必须专注于产生强大投资回报(ROI)的实际生产。那么，机器制造商和控制工程师如何将工业4.0概念转化为可在工厂车间部署的实用技术呢?工业4.0技术可以提高制造商的灵活性和速度，实现更个性化的产品，高效和可扩展的生产，以及生产控制的高度变化。这是六月的一部分控制工程工业4.0和工业物联网的封面故事，以帮助打造更智能的工厂。

以下是关于工业4.0的一些问题和答案。

问:贵公司如何定义“工业4.0”?重点关注哪些领域?

答:我们认为工业4.0是工业的快速转型，信息技术(IT)的虚拟世界、机器的物理世界和互联网已经合二为一。它集中于通过It实现的所有工业领域的集成。

机器对机器通信的激增以及这些机器智能的极大提高将导致更多的自动化过程、自我监控和实时结果。开放的网络平台将为保持公司的竞争力和响应能力创造基础，创造新的机会。

新的设备对设备连接[将]实现工厂车间的水平控制和通信。我们还与其他部门合作，整合他们的垂直控制解决方案，以推动进一步的创新。

问:这种转变将如何提高制造商的成功?

答:其目标是部署能够显著改变制造商运营方式的技术。工业4.0技术将提高制造商的灵活性和速度，实现更个性化的产品，高效和可扩展的生产，以及生产控制的高度变化。

它还应能够在批量生产的同时进行单批次的小规模生产，并通过实时信息透明度和高生产可用性优化流程和库存。为此，我们专注于帮助原始设备制造商(oem)和设备制造商使他们的机器更加互联和更加自主。

问:指导这些发展努力的是什么?

答:当消费者使用互联网上的资源时——例如，智能手机应用程序为我们提供GPS方向、最近的加油站位置和个人偏好的餐馆——这些信息正在云端处理，并被用户定制，以满足非常具体的需求。但大部分个人处理都是由设备或应用程序在本地处理的。

同样的动态正在车间成为现实。我们的重点是机器，其中的自动化技术，以及将它们结合在一起的增值工业网络。

制造的产品也变得更加智能，能够“意识到”自己的历史、当前状态、目标状态，以及实现该状态的各种选择。它们与制造商的业务流程联系在一起，将它们从被动对象转变为主动对象。

我们希望在工业4.0工厂中实现机器和制造产品的交互。机器将能够确定是否存在故障，并使用独立的计算，同时确定何时需要维护。这种新的机器-产品交互将使生产和物流更加灵活，因为信息将不再需要由一个中央单元处理。

问:对于工业4.0，机器制造商应该考虑哪些关键因素?

答:围绕工业物联网(IIoT)设计的设备应具备以下五个品质:1)分散的智能，2)快速连接，3)开放的标准和系统，4)实时集成，以及5)自主行为，以共同实现工业4.0“制造环境”。

1.分散的情报:第一种是分散式智能，也被称为分布式智能，其中智能驱动和控制技术被设计成与其他具有分散自主性的设备联网——在机器甚至单个驱动轴中放置尽可能多的智能和控制能力，而不是通过一个中央处理单元(CPU)处理所有活动和控制。

在机器级别处理数据并决定如何处理数据的能力反映了我们的信念，即机器可以对过程数据进行处理并自行改进过程——调整吞吐量、更有效地使用能源等等——而不是依赖于“云”来处理所有这些任务。

这些机器仍然连接在一起，仍然与更高的线级、工厂级和企业级网络通信，但它们具有实时进行特定事件或特定产品调整的能力和系统。

一段时间以来，我们一直在为这种工业4.0能力奠定基础:分布式、基于驱动的控制是我们多年来一直在完善的自动化架构。驱动集成伺服电机和无机柜驱动系统等技术将驱动组件和运动逻辑排序放在单个轴上，反映了这种架构。即使是液压系统，将液压执行器与集成数字控制电子设备相结合，也可以将控制功能转移到本地软件上，其中专门针对液压要求开发的智能控制算法已经到位。用户所要做的就是定义运动参数。

2.快速连接:促进即时垂直或水平连接以允许数据在企业结构中自由流动的系统需要持续投资和改进。利用工业4.0工厂车间中可用的所有智能和信息可能会使网络不堪重负，因此这确实是一个网络设计挑战:我们如何改进自动化系统的物理和软件功能，使设计过程更简单、更省时、更开放?

我们正在尝试简化通信路径的创建和实现方式——垂直地，到中央生产服务器，以及水平地，在生产节点和机器之间。例如，我们正在确定应该使用哪些现场总线功能;我们正在研究生产平台是否支持OPC UA(来自OPC基金会)等标准;我们正在决定需要花多少精力来编写驱动程序来翻译机器数据，以便在工厂的其他部分使用。

目前，在创建自动化解决方案时，这些和其他通信问题占用了大量的时间和成本，因此，在工业4.0时代，消除各种供应商系统之间的障碍并采取更开放的通信和控制平台方法比以往任何时候都更加重要。

3.开放标准和系统:需要把重点放在扩展系统的“开放”程度上，包括对新兴通信和软件标准的支持，以及单个组件的开放程度，以使工业4.0成为现实。

开放标准的使用允许更灵活地集成基于软件的解决方案，并有可能将新技术迁移到现有的自动化结构中。开放控制和工程软件是在自动化和IT软件编程之间架起桥梁的重要一步。开放的控制器内核支持使用常见的高级IT语言(如Java和c++)创建自动化应用程序。

在工业4.0中，机床或包装机的操作应允许与手机或平板电脑等智能设备轻松连接。软件可帮助加快设计和调试自动化系统与控制器直接连接到三维建模软件。例如，运动控制器可以发送命令并接收模型本身的反馈，从而在机械设计阶段通过运动控制来优化机器的功能。这允许在调试和更换昂贵且耗时的物理原型之前对机器进行测试和编程。在订购任何部件构建机器之前，可以对这些虚拟机的所有功能进行测试和改进。

4.实时上下文集成:在工业4.0工厂中，可以利用实时机器和工厂性能数据来改变自动化系统和生产过程的管理方式。工业4.0支持的平台将把这类数据集成到常规的工厂管理报告中，而不是捕获和分析几个月的吞吐量、机器停机时间或能耗数据。这将为制造商，甚至机器本身，提供详细的信息，他们可以使用这些信息来执行快速的过程和生产变更，以实现为特定客户需求生产有利可图的产品的愿景。

5.自主的行为:这是工业4.0的一个方面，公司已经实施了现实世界的举措，使我们的生产更加连接和需求驱动。技术正在帮助生产线实现自动化。目标是使工作站和模块能够根据需要适应个别客户或产品的需要。

在一家液压阀制造工厂，一条新的自适应装配线在每个工件上使用射频识别(RFID)芯片。生产线上的9个智能工位识别如何组装成品以及需要哪些工具设置和操作步骤。每个助理都携带一个蓝牙标签，该标签存储关键信息并自动将其传输到装配站。装配站根据人体工程学来调整自己，以适应每个员工，并在工作站监视器上以适当的字体大小和语言显示指令。根据产品和相关人员的技能水平，显示有关组装步骤的信息，并显示相应的详细级别。

如果需要，该生产线可以生产批量为一个的液压阀，该生产线可以生产25种产品变体，无需人工干预。设置时间或过多的库存是不必要的。我们的生产率提高了10%，库存减少了30%。

问:工业4.0是革命性的还是渐进式的?

答:两者兼而有之——当然，其影响将与以往的工业革命一样巨大。但这是一种进化，因为它是关于推动制造业向前发展，日复一日。

启动工业4.0计划或重新安排整个生产环境，没有必要只关注绿地。目标是帮助机器制造商和制造商在现有的生产环境中实现工业4.0功能，并使他们能够利用已经部署的软件平台等技术。工厂已经在用可用的驱动和控制产品这样做了。

随着工业4.0的到来，我们还将看到人们在制造业环境中的角色发生有益的演变，工人们将以新的方式做出判断并应用更高水平的技能和专业知识。

这不会一蹴而就，也不需要大量投资，也不需要对工厂管理和生产流程进行彻底改革。工业4.0的大部分技术已经到位，通过明智地利用试点项目和制造平台和运营的逐步迭代变化，我们可以确定使工业4.0实现其承诺的最佳方式。

- Allen Tubbs，博世力士乐公司(Bosch Rexroth Corp.)电气驱动和控制产品经理;由CFE Media内容经理Mark T. Hoske编辑，控制工程，mhoske@cfemedia.com．

关键概念

• 如今，工业4.0技术的应用使生产率提高了10%，并减少了库存。
• 这些工具可以提高制造商的灵活性和速度，实现更个性化的产品，高效和可扩展的生产，以及生产控制的高度变化。

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对于您或您的客户来说，10%的生产率提高对底线意味着什么?

在线额外

参见“工业物联网(IIoT)和工业4.0网络广播:今天的概述和实用建议”。

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