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    自动化使命-平台与共赢
    自2013年德国汉诺威工业博览会德国政府发布了“Industry 4.0”国家产业战略发展计划以来,这一概念伴随着众多的技术正影响着自动化行业,这对于自动化行业而言,一方面是机遇,因为,这些概念的兴起使得自动化在工业界扮演更为重要的角色,这意味着未来整个产业界更为巨大的发展,但是,另一个方面,这也对于传统的技术与产品提出了巨大的挑战,向哪个方向发展?跟随哪些技术?现有的技术平台似乎已经不能适应这种变化?如何选择,这些都是巨大的挑战,也是整个产业界讨论的话题。
     
    无论是机械制造商还是工厂运营商,必须对新时代的自动化系统进行重新评估,作为自动化业界,也必须响应未来的智能制造时代以及智慧工厂架构,来调整产品、技术与方案集成的综合能力。
     
    一、自动化面临的机遇与挑战
    自动化面临的挑战同时也意味着机遇,表1向我们表明了新的时代挑战与机遇,由产业环境、市场、政策、人口、社会文化变化所引发的外界环境变化自然会对制造业提出新的需求,这也会导致自动化业界接受新的机会。
     

    外部环境变化因素
    对生产制造企业的需求
    对自动化企业的机会
    人口红利消失
    自动化水平提高
    机器人技术的应用
    自动化升级
    机器人控制技术(驱动、电机等)
    个性化产品需求
    柔性生产系统
    生产连线
    自动仓储、机器人技术
    产业竞争的加剧
    更为高效的生产
    降低成本
    快速响应市场的变化
    提升生产速度与精度
    降低成本相关的自动化技术
    快速换装能力—生产柔性
    能源消耗降低
    能源绩效考核
    耗能工艺改造
    能源管理系统EMS
    共直流母线驱动技术
    Industry 4.0
    企业互联
    智能制造
    智慧工厂
    基于IEEE802.3以太网连接,OPC-UA架构
    机器人技术、智能物流自动化
    能源管理与优化、预测性维护技术
    价格竞争
    生产成本降低
    运营成本
    维护成本
    升级成本
    精细化管理
    对生产排产,生产数据采集与运营优化
    系统的稳定与可靠
    开放性互联能力
    法律政策
    人身与环境安全
    环境保护
    食品安全
     
    安全集成
    分布式能源应用
    水处理脱硫脱硝
    食品/医药安全监控
     
    IEC61508功能安全技术需求
    热电联产CHP,风电,光伏发电…
    污水处理控制、脱硫脱硝控制系统
    FDA Gamp认证/电子签名功能

     
    二、价值与价值链集成
    工业4.0所要实现的智能生产必须依赖于全产业链的集成才能完成,因此,工业4.0也提出了对于价值互联的需求,企业与企业之间必须通过水平的集成来实现整个价值链的价值创造,例如:对乳制品的质量控制构成了乳制品企业的核心食品安全,但是,整个食品安全部仅仅在企业内部,其质量体系由以下几个部分构成:
    ●奶源供应:农场或集中式奶牛饲养的生产单元,这里必须提供高品质的牛奶;
    乳制品生产:包含了过程部分,提供发酵,以及后道的灌装、贴标、码垛等生产环节;
    冷链配送:由于牛奶、酸奶必须通过具有低温的冷链输送企业才能分散到各个城市的大型仓储单元。
    分销体系:必须由家乐福、沃尔玛等大型分销和各个社区的二级分销才能进入千家万户,如何确保这个环节的质量和对过期、不良品的销毁监控?
     
    无论是乳制品、还是其它生鲜制品,食品安全不是一个环节的事情,而Industry 4.0、企业互联均是瞄准这一需求来设计互联的架构,对于食品企业如此,而对于服装产业则是另一个需求:通过App来设计一个扫描程序,可以对某个消费者进行服装的裁剪提出参数需求,然后,自己选择面料颜色、材质、辅料、个性化的设计图案等,直接信息到工厂,由工厂生产一个个性化的产品,并通过大众物流系统直接送到消费者手中。
     
    水平与垂直集成实现了网络化制造
    为了实现更为全局的生产集成,必须将横向,即前后道流程的机器设备、车间、工厂进行互联,以获得连续的生产过程,而在垂直方向,即,现场数据采集、控制层、管理层进行集成,以实现全局的数据采集与应用,为工厂优化提供基础数据支撑。
     
    图2和3分别显示了工厂在水平与垂直方向的集成,这也是来自于Industry 4.0的规划[22]
     
     
    图2 通过价值链实现水平集成
     
    图3 通过垂直集成实现网络化制造
     
    传统上,自动化行业已经存在了工厂的多级分层架构,今天,Industry4.0对它又进行了更为确切的定义和互联,现场数据采集层、控制层、管理层,将无线Wifi、ZigBee/WiA技术集成于单个设备,并对设备进行互联,也可以通过有线的Ethernet技术来互联,然后实现设备的集群管理以及生产流程的真正衔接,然后达成整个产线到车间,再到工厂,发展到集团的多个层面的集成,从而实现完全的互联。
     
    互联才能对整个数据进行优化,从生产运营的质量管理、运营管理等多个角度而言,则更为容易实现最大的效率。
     
    三、自动化新时代的挑战
    尽管我们清楚意识到自动化时代会有众多的机会,但是,挑战同样存在:
    (1).互联的标准问题
    传统的总线解决的是设备层互联问题,然而,在工业4.0与工业互联时代,我们必须定义CPS的实现,如何实现工厂的电力供应、生产物流、制造产线、销售物流环节的集成以及智能化,其旨在通过统一的全厂集成实现制造前后流程的数据互联,进而实现优化,以及个性化生产的能力。
     
    对于新的时代,如何解决这些问题,必须建立统一的互联标准,来实现M2M和B2M的互联,而这必须借助于统一标准的软件与硬件接口,一些问题可以被底层解决,但整厂的集成尚未实现真正的有效互联,不同的底层软件平台、硬件接口仍然需要寻求方案来解决。
    (2).安全集成问题
    安全是一个必须被考虑的集成要素,因为,在传统的单机生产中,单台机器的安全触发并不会影响整个生产系统,然而,早集成制造系统中,安全动作将会导致整个产线被停滞,且影响在制品的品质,并造成浪费,使得安全与生产效率形成了矛盾,如何平衡这两者之间的关系,也是未来智能制造必须考虑的。
     
    (3).软件集成问题
    除了物理的接口互联外,在新时代,软件的接口又成为了新的问题,例如:机器人和定位与同步控制如何被集成?安全与机器系统、制造系统与MES、ERP如何集成、能源与维护问题如何集成,这些软件之间的复杂接口和不开放也导致了大量的工作沉积在接口处,造成无法互联或者巨大的工作量以及降低系统性能和安全的问题。
     
    对于智能制造系统而言,互联仍然是第一步,在此之上仍然存在着诸多的问题需要解决,但是,其宗旨与思想就是如何设计开放透明的互联。
     
    四、平台与共赢
    就目前而言,解决智能制造的基础自动化技术,必须从以下几个角度入手:
    1.PLCopen与智能制造
    PLCopen包含了OPC UA、Safety、XML、可重用性、PLCopen Motion,这些用以解决我们所阐述的很多问题:
    OPC UA是一个很好实现M2M的统一架构,可以在MES-PLC之间、PLC-PLC之间、MES-MES之间实现数据交互,尽管OPC UA尚未能够实现CPS所需的实时性-但是,OPC基金会正在尝试成立新的工作组以解决此问题。
     
    XML-可以实现在生产数据、工艺参数方面的交互,XML是一个通用性的脚本语言,作为跨平台的规范,它更容易为不同的系统接受,这使得在不同的系统间传递数据成为了一种可能,在垂直或水平方向均可以将相关的生产运营数据进行交互。
     
    Motion的Part 4解决了传统的CNC、机器人与定位同步控制之间的障碍,使得对于智能生产线的各个集成单元可以在统一架构下进行开发。
     
    2.集成开发平台
    集成开发平台是最具有方案集成能力的设计,对于长期的机器与系统开发者,必须进行平台的构建,以Automation Studio为例,它就具有以下两个重要的集成能力:
    (1).开发流程的集成:Automation Studio满足从配置、仿真、编程、测试、服务整个生命周期的服务能力,可以在一个平台里实现整个机器的全程开发与监控。
     
    (2).对象的集成:无论是开发HMI、Motion还是PLC的逻辑、安全、机器人CNC均可在同一平台完成,而且开放的总线接口利于互联第三方设备,而模块化的软件开发则提高了代码的重用性,降低了研发成本。
     
    3.商业价值开发系统
    由集成开发平台Automation Studio、开放的软件技术如PLCopen、POWERLINK、MATLAB/Simulink、EPLAN、MES等共同构成商业价值系统,不同的厂商均可在统一的软件架构、接口标准下实现产线的最终集成,这不仅仅是一个技术平台,它也是一个商业平台,让OEM、自动化厂商、终端用户的需求在统一架构下达成价值的有效传递。
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