工业4.0探究.docx

工业4.0探究引言从2015年开始，国内生产企业及自动化设备供应商都在主动或被迫的关注“工业4.0”。大家正在一头雾水时，国家抛出了“中国制造2025”，这时候所有人都慌不择路的要变革，想紧跟国家的步伐。殊不知“工业4.0”到底是什么都没有弄明白！生产企业迫不及待的上MES，买Robot，简单粗犷的以为这样就实现了“工业4.0”。自动化设备供应商更甚，简单的用PLC代替继电器、Robot取代传统式的机械手、加装一两台伺服电机等，然就把机器贴上“智能”的标签；以之迎合客户的胃口。此文并无抨击之意，而是对“工业4.0”的一点点探究；想以此“药引子”，激发工程技术人员、生产管理人员、信息从业者等诸领域同仁，共同头脑风暴，将其（工业4.0）从概念化，碰撞为可以落地的，实实在在的可执行的一个个思路、标准、规范。一、 工厂信息系统现在普遍认同将工厂信息系统分为4级：Level1，即现场层，包括传感器，仪表，电机、气缸等执行机构，也包括特定的设备及专业仪器，当然也涵盖PLC、PAC、工控机、嵌入式控制单元及HMI。Level2，即控制层，主要使用高性能的PLC或工控机将分布于全厂的各Level1单元进行联网，数据汇总，集中控制。HMI为标配人机交互系统，其还会有SCADA系统，同一管理，实现人机交互。Level3，即生产层，一般为MES系统，还会有设备管理系统等。主要面向订单执行、生产计划、排程等。Level4，即企业层，ERP系统，完成财务、人员、订单等管理。有些专家会将SCADA系统划分为Level2.5，认为其是Level2和Level3的中间层，完成之间的数据交互。从上述分层可以看出，Level1和Level2的界限其实很含糊，大体上是依据控制器或仪表执行效率高低、及数据交互量的大小来区分，表征出来的就是网络协议、架构的不同。面向“工业4.0”的工厂信息系统应具备以下属性：1、网络化 即全厂的各个环节皆应联网，实现网络化，便于信息交互、集中管理及监控。利用总线网络、以太网等技术，实行网络布局。 随着工业以太网的发展，我们有足够的理由相信，未来工厂信息系统的网络物理层会趋于同一，一网到底一定是大趋势，即工业以太网，在其基础上根据不同的应有要求（实时性、吞吐量）运行不同的协议（PROFINET、POWERLINK、EtherCAT等）。而不同协议的数据在传输到一个控制节点时，会自行编译，再传输至下一个不同协议需求的控制节点。2、统一性 统一的通讯：实现了从现场级、控制级到管理级协调一致的通讯，实现不论身在工厂的哪一级，都可以访问任意的一个设备、控制单元、仪表、查看订单、设备信息等。 统一的数据管理：工厂的所有设备、人员等从统一的全局共享数据库中获取数据。实行统一数据管理机制，所有的系统信息都存储于一个数据库中，实现系统的整体性、提高信息的准确性，从而对工厂的安全稳定运行提供技术保障。3、开放性 网络的开放性，面向通用的、标准的网络（以太网）。对办公系统开放并支持。远程访问的开放性（APP/WEB访问）。二、 生产联动系统市面上现在存在诸多管理系统，例如：MES、WMS、EMS、EAM、APS、DNC等等， 其最大弊端就是各系统相互独立，无法协调运作，使用者还需要在不同系统间进行纸质流程操作！当然也有生产企业已经意识到这一点，在上MES系统时，要求供应商在MES基础上增加“高级排程”、“设备管理”等功能，但终究是治标不治本。这也给系统供应商提供了一个契机、指明了一个方向：市场需求的是一个全面的、统一的、无缝的管理系统。在这提出一个概念：“PCAS” Production continuous action system。生产联动系统！符合“工业4.0”的管理系统应具有：功能全面性、数据统一性、交互无缝性、操作开放性。生产联动系统，应涵盖工厂信息化的所有功能，且访问统一的全局数据库，保证各子系统间数据的统一性、完整性、实时性。生产订单下发过程如下：生产订单执行过程如下：从“订单下发”、“订单执行”的过程可以看出：PCAS（生产联动系统）是工厂内所有管理系统的大脑中枢、纽带、中间环节。其用于协调各系统的运作，及各系统间的信息数据交换。所有的数据管理、备份皆由PCAS完成，各管理系统仅作为PCAS的一个标准模块。进而使ERP仅仅面向于一个接口（PCAS），而不是像以前一样， ERP要承担协调功能，面对多个不同的系统。三、 “智能”机器“智能”机器，人们理所当然认为就是机器人取代人、现有的机器和设备。不可否认随着科技的进步，机器人将更加的“智能”，但可以确定是在可预见的时间内，机器人不可能完全的取代人，更无望替换自动化设备。机器人只将会“大规模”的应用在各行各业的自动化设备上。 我们在大力的倡导研发“智能”机器，但什么样的机器才叫“智能”机器呢？业内缺暂无定论。个人认为在短期之内无法实现所谓“智能”机器的梦想，只会促使现有的自动化设备不停的更新、换代，不断的、持续的提高设备的自动化程度。所以“智能”机器这个梦想不失为一个很好的“催化剂”，鞭策着工程技术人员、研发人员。自动化设备是由机、电、气、液构成，比喻为一个人：PLC/PAC就是大脑，电、气、液就是肌肉，机械就是骨架。它们相互配合、协同运作，实现既定的功能。若想使其更加的“智能”，那就像军队一样，需要一个强而智慧的指挥官，即“PCAS”。而设备应加强自身的“军事素质”，也就是自动化程度更大。由这样的“士兵”和“指挥官”组成部队，才是我们需要的。那什么样的自动化设备，才能更进一步的符合“工业4.0”的要求呢？个人认为应从以下几个方面改善、提高！1、机械部分：设计应趋于模块化、标准化、简单化。；需要同步、凸轮等功能时，尽量使用伺服同步、电子凸轮等伺服系统替换传统的机械部件，减少复杂的传动机构。需要调节部分应尽量采用伺服电机进行自动调节；手动调节部分应尽量使用编码器进行数值反馈提示；不可调节部分应尽量使用快换方式的模具、工装。 2、电气液部分：应参考相关国内、国外标准；还应考虑安全、防爆等标准。 3、程序部分：编写方式应符合PLCopen标准；进行必要的软性安全防护的程序编写；设备信息、生产信息进行分类、汇总，以便于数据采集。开放命令接口，以便MES系统对机器进行控制。4、人机交互部分：应提供全面的设备、控制器、生产等信息。“工业4.0”工厂不仅需要对自动化设备进行设备信息、生产信息的数据采集，还要实现对其进行必要的控制。对自动化设备而言也就是信息反馈，任务下行两个功能。四、 “工业4.0”带给设备供应商的机遇如前文所述，“工厂信息系统”中Level2和Level3之间存在一个中间层，完成两级之间的数据交互。而就Level3（管理系统）来说，其不仅需要获取Level2（设备/机器）的信息数据（设备信息、生产信息），还需要实现对Level2（设备/机器）的管理（命令控制）。即“信息反馈”，“任务下行”。但在现行情况下，Level2（设备/机器）相对于Level3（管理系统）是处于“被动式”的角色，不管是“信息反馈”，还是“任务下行”都要依靠中间层的“数据采集”软件来辅助。现有模式见下图：这就给生产厂家在构建信息化工厂时，带来很多问题。需要另行购买“数据采集”软件，导致额外的费用支出。主要是由以下原因导致的：1、设备供应商采用不同的控制系统（PLC/PAC等），提供不同的协议（数据）接口、不同的网络接口。（信息反馈）2、设备供应商的设备数据（设备信息、生产信息）无法满足标准接口需求，例如MES、EMS等定义的数据规范。（信息反馈）3、一般设备供应商开发的设备，并未考虑和MES、EMS等管理系统的对接，也就无法接受上层管理系统的控制命令。（任务下行）4、设备的程序修改需要额外的资金、人力、时间的投入成本。（任务下行）上述问题不是生产厂家导致，完全是现有“信息系统”构建方式的弊端。而正因如此，这给设备供应商带来了很大的机遇。即将“信息反馈”、“任务下行”的功能融合在设备/机器里（Level2），给生产厂家带来实惠！更加自动化的设备应具备：信息反馈，任务下行之属性。未来的自动化设备将会有更加开放的、标准的、规范的数据接口，方便与上层管理系统进行数据、命令的交互。既能“主动式”将设备信息、生产信息抛送至上层管理系统（PCAS、MES