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智能運行概念里的混合現(xiàn)實。（圖片來源：OPTIMA包裝集團公司提供）

 

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。無數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，如：產(chǎn)品和工藝監(jiān)測、標(biāo)簽技術(shù)、包裝、物流以及維護保養(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”指傳感器、射頻識別芯片、裝置、機器和設(shè)備等等。將來，這些“東西”不僅有望獨立地和連續(xù)地傳遞所有重要的工藝和系統(tǒng)狀況，而且還有望通過互聯(lián)網(wǎng)進行通信聯(lián)絡(luò)、干預(yù)、修正和優(yōu)化制造工藝過程，而不必人為進行干預(yù)。這種基于萬維網(wǎng)通信聯(lián)絡(luò)的基礎(chǔ)，是具備獨一無二識別地址的互聯(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IP地址的地址空間，而這些空間已經(jīng)于2012年被分配給個人電腦、筆記本電腦、平板電腦和移動電話。這就是為什么要開發(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，而是由此所帶來的數(shù)據(jù)洪流，在某個好的日子里，會有幾十億個傳感器在每秒鐘時間里，傳輸數(shù)以千計的數(shù)據(jù)到主計算機。然后，又要對這些數(shù)據(jù)的可視性和模擬仿真情況進行評估，并以文檔存檔為目的，將其存儲起來。

 

所以，更加確切地說，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、泵或灌裝及計量系統(tǒng)的損壞并非憑空而來，在實際損壞發(fā)生之前，就會通過非同尋常的振動和溫度偏差或通過功率耗損的改變、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)測組成部分所檢測出來的這些偏差，現(xiàn)在可以實時地對之進行評估和使之可視化，因此可以在工藝過程環(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性地并超越所有位置獨立地對系統(tǒng)進行遙控干預(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)總是以最佳模式運行。另外，模擬仿真得出的結(jié)論，可以更加精確地預(yù)測機器關(guān)鍵零件的剩余使用壽命，借以開辟維護保養(yǎng)的全新局面。

 

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

 

除此之外，預(yù)測性維護保養(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，操作人員的確總是謹(jǐn)慎行事，但是，他們也浪費了昂貴零部件寶貴的剩余使用壽命，因為他們?nèi)狈煽康牧慵袨閿?shù)據(jù)。今天，有關(guān)材料行為的知識，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，與十年甚至是二十年之前相比，都要先進得多。另一方面，由于當(dāng)今計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)測剩余使用壽命，而這方面的知識有利于預(yù)測維護保養(yǎng)。

 

 

機器設(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，這為人機接口（HMI）操作概念的開發(fā)人員提出最為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。我們所說的人機接口硬件，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)有知識的基礎(chǔ)上，增加學(xué)習(xí)處理掌控這些機器和設(shè)備的知識；這樣可以激發(fā)人們的熱情并縮短熟悉了解所花費的時間。

 

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

CAD顯示。再者，人機接口（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、維護保養(yǎng)人員或生產(chǎn)經(jīng)理的圖形化界面。這意味著，每個用戶只看到對應(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景有關(guān)。再者，數(shù)據(jù)僅局限于實質(zhì)分析所必需的信息，以確保顯示容易被捕捉，并且關(guān)鍵機器參數(shù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)能夠瞬時呈現(xiàn)出來。

 

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

 

 

當(dāng)談?wù)摰轿锫?lián)網(wǎng)時，幾乎沒有哪一個話題能像“數(shù)字化雙胞胎”更能引起轟動效應(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 真實機器設(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程，包括零部件、機器設(shè)備及其控制作為虛擬模型—— 連同進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。所有這些使得“數(shù)字雙胞胎”成為開發(fā)者、操作者和維護保養(yǎng)人員的萬能工具。

 

由于有了這些接近真實的模擬仿真，在尚未制造出一件真實零件之前的開發(fā)階段，就已經(jīng)能檢測到并消除設(shè)計錯誤和（或）缺陷。這同樣也可應(yīng)用于程序設(shè)計和控制優(yōu)化方面。

 

不過，最為重要的應(yīng)用之一，是虛擬調(diào)試或啟動。這不僅是一次虛擬試運行，而且還可以用來使負(fù)責(zé)機器的操作人員有針對性地熟悉了解系統(tǒng)性能和可能性。換句話說，“數(shù)字雙胞胎”是工業(yè)工藝過程、機器和設(shè)備的“飛行模擬器”。在真實調(diào)試之前，進行的虛擬預(yù)啟動，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誤或問題，它們可以得以糾正，而不至于對真實系統(tǒng)零部件造成損壞。離線程序設(shè)計也能相應(yīng)地使生產(chǎn)計劃人員虛擬測試各種運行模式。不過，最為重要的方面是“虛擬雙胞胎”將許多專家的專有知識匯聚到一起，這些技能和知識以后可以用到其他項目上。

 

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目的前期準(zhǔn)備時間，加快啟動，提高開發(fā)類似設(shè)備和工藝過程的效率。這不僅節(jié)省了時間，還節(jié)省了資源、能源和人力。

 

 

標(biāo)準(zhǔn)化仍然繼續(xù)成為一項重大挑戰(zhàn)，因為多數(shù)機器設(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，一體化整合是一個帶有決定性的因素。這種一體化整合要求在機器設(shè)備間進行交換時，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)的獨立性，因此，存在著開放源碼解決方案的趨勢，一個這方面的范例是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)測能實時提供單臺設(shè)備或完整生產(chǎn)線的信息，并以預(yù)先確定的報警和故障極限為基礎(chǔ)，可以盡早檢測出偏差并予以消除。
（圖片來源：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)制造級別傳輸?shù)缴霞壣a(chǎn)計劃系統(tǒng)或企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)里，OPC UA是一種非常合適的方法。

 

 

許多較為老舊的機器設(shè)備、生產(chǎn)線、電動機和壓縮機并沒有配備工業(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的入門級解決方案，智能傳感器可以重新進行翻新。它們定期測量并通過內(nèi)置通信聯(lián)絡(luò)接口以無線方式將數(shù)據(jù)傳輸給人機接口（HMI）和（或）員工的智能手機電話或平板電腦，對數(shù)據(jù)進行評估。采用這些辦法和一些其它的簡單方法，企業(yè)可以采用廉價的方式進入工業(yè)4.0世界，仍然能從降低停機時間、延長機器運行時間以及降低電力損耗以及一些類似情況中獲益。