为数字控制系统改造工业4.0

Ypsomed是一家医疗技术公司，能够将工业4.0数字控制系统改造到其传统的塑料注塑机上。

通过苏珊娜吉尔 2019年6月8日

Ypsomed集团是一家医疗技术公司，专门开发和制造用于液体药物自我注射的注射和输液系统，选择浩亭作为开发项目的合作伙伴，为传统的协议塑料注塑机进行集成工业4.0数字控制系统的改造，该系统还与其全厂MES/ERP系统相关联。这种方法与现有生产线的物理集成程度最低，投资水平较低，具有潜在的长期效益，包括提高生产率、节省成本和延长机器寿命。

工业4.0的一个重要元素是通过向现有流程添加更多智能，将数字化应用于生产环境的能力。采用数字化改造方法可以在短时间内以最低的成本“智能化”现有流程，从而获得快速的投资回报和即时的生产力提高。数字化改造提供了四种不同的方法来改进生产流程，提高成本节约和延长不同类型机械的使用寿命:

遗留机器协议转换
状态监测(含能量测量)
资产管理
预测性维护。

中央机器监控和流程优化为确保生产线及其相关组成部分有效运行提供了一个很好的方法。在已建立的生产线上，许多机器可能已经使用了30年，但仍然成功地执行其主要功能任务。然而，他们这样做的效率低于现代同行。例如，它们没有相同水平的计算能力，没有足够的内存容量来记录和存储相关数据，也没有与现代同类进行通信的能力。在许多情况下，这些机器还使用20世纪80年代和90年代的数据格式和通信协议，这些已经不再被今天的控制器使用。

旧的机器协议

可以容纳混合协议遗留机器的生产环境的一个例子是塑料注塑机(PIMM)生产线。这样的机器，如果保养得好，可以达到长达30年的使用寿命。然而，一些较旧的软件协议操作语言不能直接连接到现代工厂制造执行系统(MES)，除非每年收取昂贵的定制软件许可费用。在许多工厂，这些机器仍然需要操作员单独编程，这在较大的安装中可能非常耗时——可能需要多名人员输入。

针对这些挑战，一个有趣的解决方案是模块化工业计算体系结构(MICA)，这是一种坚固的边缘计算设备，采用基于linux的开源软件的数字可改装IP67包。这个模块化的软硬件架构设计平台允许用户选择他们最熟悉的编程语言和开发环境。

这种方法还提供了通过可选下载的消息队列遥测传输(MQTT)容器提供工业物联网(IIoT) web启用和大数据分析或虚拟化云服务访问的潜力。所有操作软件都安置在单独的沙箱容器中，确保MICA EUROMAP 15/63网关为工厂MES/ERP提供安全、完全可配置的接口，消除了以前可能适用的昂贵的定制MES访问软件许可费用。

Ypsomed看到了在其制造业务中应用这种工业4.0数字化改造方法的直接潜在效益。由于其产品中单个塑料部件的比例较高，公司在其生产工厂拥有大量的塑料注塑机。

为了提高现有的工厂生产力水平，Ypsomed选择在早期阶段通过数字化实施工业4.0流程改进。他们启动了一个开发项目，通过数字化改造方法将传统协议机器连接到工厂范围内的MES/ERP系统。

2017年，首批任务之一是将来自传统注塑机的数据用于分析。该机器在两天内安装并使用MICA作为协议转换器进行编程。然后可以收集选定的生产数据并将其写入数据库以进行离线分析。

下一个目标是将几种不同类型的机器连接到Ypsomed内部测试和验证中心的IT系统，并在集中的工厂控制站远程显示关键操作数据。这些机器通过MICA连接到MES系统，MICA处理MES系统和车间之间的协议转换。在这里，属于ERP系统生产订单的配置数据记录从数据库中检索出来，并通过MICA自动直接传输到机器，而不需要机器操作员的干预。

机器工艺参数现在可以更快速地修改，减少停机时间，使人力更有效地使用。在制造过程中，生产和工艺数据临时存储在MICA上，并反馈到数据库或ERP系统，用于持续的质量改进或记录存储。机器操作员甚至可以通过智能手机或合适的平板电脑设备在场外监控和影响生产线的过程。

状态监测

关键操作流程的实时状态监测有助于减少停机时间，延长使用寿命，实现制造生产率的提高。这可以通过对额外的独立MICA设备进行数字化改造来实现，以存储、分析和处理来自现有或额外改装的传感器的数据。因此，监测压力、温度和流速等任务变得简单，同时允许通过MES网络进行远程集中过程控制调整。通过简单的以太网交换机和相互连接的主动I/O块实现与机器安装的传感器的通信。

资产管理

对于资产管理，MICA射频识别(RFID)变型将MICA设备转换为特定的RFID阅读器，当与安装在关键可更换模具工具上的无源UHF读/写应答器一起使用时，允许将维护记录写入并存储到特定的工具上。这样可以保证高价值模具的最佳翻新调度。

预见性维护

塑料注塑机的关键操作部件是不断磨损的，包括塑化螺杆泵和相关的止回阀。随着磨损的增加，这可能会导致大量的拒收零件和昂贵的经济损失。这种情况可以通过监测螺杆泵运行功率曲线特性的变化和止回阀处的压力负荷来解决。

MICA Energy变体的集成提供RS485 Modbus TCP/IP兼容的输入/输出(I/O)接口，用于连接到访问此特定操作数据的机器上适当的功能I/O块。通过预先设置关键的安全操作限制，当这些限制被打破时，MICA Energy可以设置报警条件，允许机器操作员进行纠正维护，作为重要的预测性维护过程的一部分。

苏珊娜吉尔编辑器,控制工程欧洲．本文最初发表于控制工程欧洲网站．由制作编辑克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程、《媒体,cvavra@cfemedia.com．