将工业4.0和工业物联网应用于智能工厂

封面故事:工业4.0和工业物联网(IIoT)实现了与设备(从传感器到大规模控制系统)、数据和分析的连接。传感器和系统需要连接到更大的网络来共享数据;分析可以让人们做出明智的决定。工业4.0正在为德国厨房制造商Nobilia工作。在通往更智能工厂的路上，问三个问题。

通过Daymon汤普森 2015年6月1日

连接技术引发了社会的重大转变，随着越来越多的设备支持网络，互联网在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色，这些概念可以应用于提高制造效率。然而，更大程度的连接趋势，通常被称为物联网(IoT)，只是即将到来的雪崩式增长的前兆。据Business Insider新闻网站估计，到2017年，82%的公司将以某种方式将物联网应用程序应用到他们的业务中。这是六月的一部分控制工程关于工业4.0和工业物联网帮助打造更智能工厂的封面故事。]

让我们退一步，深入研究一下我们如何定义物联网。将其分解为基本组件，物联网由四个基本元素组成:实际设备、与该设备的连接、数据和分析。该设备可以是任何东西，从一个传感器到一个大规模的控制系统。传感器和系统需要连接到一个更大的网络来共享第三个元素——传感器或系统产生的数据。对这些数据的分析产生了可操作的信息，从而使人们能够做出明智的决定。

更多信息，更快

消费者领域的一个例子是让鞋子能够跟踪使用信息，比如每周穿了多少天，每天花了多少小时，跑步花了多少小时，或者鞋底的哪个部分承受了最大的压力。这些信息将使制鞋商能够制造出更好的鞋子，也许在未来能够基于以前产品的个人使用创造出更个性化的产品。同样的模式现在也被应用到汽车上。通过将汽车连接到云端，监测驾驶习惯和汽车功能的使用情况，汽车制造商正在利用这些信息来改进新车设计。

互联网的发展使信息能够即时传递给消费者，改变了人们的日常生活行为。同样，连通性和数据分析将改变工厂的运作、制造业人员的行为，以及我们对生产的思考方式。

工业连接

将此应用于工业，通常被称为工业物联网(IIoT)，设备或资产连接到云或本地信息技术(IT)基础设施，以收集和/或传输数据。然后可以分析这些数据，提供有关设备或资产的信息。

例如，监测机械部件工作温度的传感器可以跟踪任何异常或偏离既定基线的情况。这使得公司能够在严重的系统故障出现之前，主动解决不希望出现的行为，作为预测性维护，否则会导致工厂停机和生产收入损失。这种规模的信息为企业提供了难以置信的价值，有助于影响新产品设计，简化系统性能，并最大化盈利能力。

柔性制造，工业4.0

与物联网一样，使用连接来推动新的见解和优化可以应用于制造流程和整个供应链。这是工业4.0的核心概念之一，工业4.0是一场技术运动，通常被称为第四次工业革命。

工业4.0工作组Acatech将第一次工业革命定义为18世纪蒸汽机的发明和广泛应用。工业上的第二次重大革命是20世纪初使用传送带进行流水线制造(亨利·福特的“T型”工厂)。第三次工业革命的定义是微电子技术的发展，特别是PC和可编程逻辑控制器(PLC)，在20世纪中期。这将我们引向今天的第四次革命，个人电脑和机器与互联网的连接使信息物理系统的创建成为可能。

随着传统制造业的计算机化，工业4.0将全面实现。使用物联网和这种信息物理系统的概念将导致“智能工厂”的实施，实现无与伦比的制造灵活性，同时保持异常精益的运营效率。在制造业领域，一个重要的重点领域不仅是产品，而且是制造该产品的过程。

制造商需要灵活的生产线，能够快速适应快速变化的客户需求。这就需要灵活的机器，能够运行多种产品类型，最终目标是在减少批量的情况下实现有利可图的生产，使复杂的产品混合物能够按需运行和填充。

如今，制造商们也在评估如何利用大数据来从目前使用的资本设备中获得更多信息，同时确保新设备将配备高度互联的控制系统。这就是基于pc的机器控制解决实际连接和数据挑战的地方。智能工厂的成功实施实际上归结为传统自动化技术(AT)与来自IT的工具和流程的融合。因此，基于pc的控制系统能够满足甚至超过工业4.0概念的要求。

采用最新高效快速处理器技术的工业PC (IPC)硬件提供了传统“黑匣子”控制器无法提供的灵活性，同时又增加了巨大的成本。虽然很容易处理实时逻辑和运动控制算法，但工业pc中还有大量额外的处理能力，用于数据收集和与更高级别系统(如企业级数据库甚至云)的通信。

利用现代多核cpu的强大功能，来自机器或线路的数据可以直接在控制器上进行分析，只将结果发送回上游系统。这就是所谓的“动态”分析或“边缘计算”。这种方法大大减少了必须存储在服务器(本地服务器或云中)上的原始数据量，并减少了生成的网络通信量。在机器控制器上使用分析的系统将更精简、更有效地运行，因为分析的结果可以立即用于影响操作。反过来，这使制造商能够实现更大的功能，同时最大限度地减少以前由企业级“数字运算”和数据存储造成的生产延迟。

从大想法到实施

虽然在讨论工业物联网和工业4.0时，我们倾向于只考虑通信协议，但这些协议的实现和其他机器逻辑的开发也必须考虑在内。在今天的AT和IT融合的背景下，软件允许用多种语言进行机器控制编程，促进更广泛的工程工具来完成必要的任务。高效的编程是可能的，不管程序员的背景或偏好如何。编程选项可以包括传统的自动化PLC语言，或者来自IT领域的c++，甚至是细化过程算法然后生成实时控制代码的软件工具。

然而，协议的选择不应逃避为工业4.0连接做好准备的控制平台的仔细考虑。虽然许多传统plc提供不同的现场总线，但机器需要更快、更灵活的通信协议，如EtherCAT，以便与传感器、伺服器和其他运动硬件进行确定性通信。EtherCAT是由EtherCAT技术集团管理的工业以太网协议，也可以作为许多其他通信协议的网关，以成功连接传统设备。

实现这种级别的连接的一个关键组件是一个安全且易于配置的协议，该协议可以安全地将数据传输到企业或云，甚至水平传输到其他机器。对于这项艰巨的工作，来自OPC基金会的独立于供应商的OPC统一体系结构(UA)协议为工业环境提供了集成的安全功能、数据加密和高级信息建模。

今天的工业4.0

虽然看起来很遥远，但工业4.0的实现正在发生。德国厨房制造商Nobilia成功集成了基于pc的控制，支持高度连接的智能工厂。作为欧洲领先的全套厨房制造商之一，Nobilia每天生产超过2500台。虽然这一数字本身就很重要，但Nobilia通过按照客户提出的独特规格制造每一套厨房橱柜来迎接工业4.0的挑战。这种“批量1”制造的自动化需要一个具有高度灵活性的极其复杂的系统——通过实施工业4.0概念来实现。

当订单到达Nobilia工厂时，系统自己确定完成所有部件所需的材料和机器，计算如何最好地将定制订单通过工厂，并高效地完成定制厨房橱柜的建造。这体现了智能工厂的全部要点——高效生产和卓越的灵活性，几乎不需要工厂人员的干预。

创建智能工厂

如前所述，工业物联网和工业4.0不仅仅是学术界讨论的概念，可能在遥远的将来实现。工业4.0和工业物联网正在发生，控制集成商和终端用户必须熟悉这些概念，并相应地调整或改变他们的控制平台，以利用这些概念。

那么，工业4.0应该从哪里开始呢?2015年1月，世界经济论坛(World Economic Forum)在其对工业物联网(IIoT)的研究结果中提出了类似的建议:“尚未接触工业互联网的公司应该确定一到两个相关的探路者应用程序，可以在未来六个月内进行试点，以创造必要的动力和学习。”

在确定这些探路者应用程序后，重要的是要将工业4.0和智能工厂概念作为可能性的晴雨表，但要让解决方案为您的应用程序工作。考虑一下你的公司可以如何利用连接和数据来推动智能工厂项目的切实成果。

智能工厂:三个问题

在通往智能工厂的道路上，需要问的三个关键问题是:

1.您是否希望进一步自动化快速的产品转换并更好地响应市场需求?

2.您是否希望通过识别持续改进的领域来提高整体设备效率(OEE)和生产吞吐量?

3.你想根除浪费(如能源、原材料和空闲时间)吗?

只有你才能确定和完善现实世界中的智能工厂目标，但实现这些目标并取得成功的工具可以通过基于pc的控制硬件和软件获得。

- Daymon Thompson是倍福自动化公司TwinCAT产品专家;由Mark T. Hoske编辑，他是CFE Media的内容经理，控制工程，mhoske@cfemedia.com．