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    物聯網對工業自動化意味著什么?
    2017-08-08 16:18 點擊:

    我們近幾年聽到了許多關于物聯網(IoT)的訊息,它們往往是以大企業和大數據為中心,在消費領域探討的更多。時至今日,物聯網究竟對制造業產生了哪些影響?實現物聯網需要具備哪些條件?在工業自動化中,滿足物聯網的特定要求所需的標準、連接性、集成和流程又是什么?

    在制造業中,無論稱為工業4.0或物聯網,其本質均是機器的連接,包括將機器與機器互聯,與專家系統互聯以及與管理執行系統互聯等。從而通過系統架構級別較低的智能設備(按鈕、伺服驅動器自動補償、能量監測器、全景攝像機、加速計和急停按鈕等)獲得比以往更可行的信息。

    物聯網不僅是將工業網絡擴展到設備級架構,還包括將安全、運動、機器對機器智能、自動維護資源和企業連接性融入到目前難以企及的制造智能。從資源管理到智能機器設備再到預見性維護,物聯網的快速發展,為制造自動化也帶來了很多積極的影響。

    安全的遠程連接

    物聯網希望實現萬物互聯,以便進行診斷、配方管理、協作工程和各種數據采集(從OEE到序列化)。物聯網能夠獲取更多當前尚未獲取的數據。原因可能是我們之前沒有部署用于獲取數據的傳感器而且IT也不允許這樣做。

    現實是這種智能傳感器已經存在,只不過企業還沒有意識到把錢花在這個地方的好處。常見的疑問比如說,“為何額外花100美元購買一個有可能不小心就被叉車撞壞的智能傳感器呢?”

    2014年,安全方面的重大突破是安全虛擬私有網絡(VPN)服務器和云服務。2015年的趨勢是實現安全服務器與控制軟件套件的無縫集成。

    網絡安全

    工業自動化用戶思維的最大轉變可能是從硬連接的安全PLC和繼電器轉移到網絡安全性。這意味著從普通工人用螺絲刀緊銅線到咨詢軟件顯示的過渡。而現實中,我們的生活早已改變。我們會毫不猶豫的乘坐電子導航系統的航班。我們乘坐無人駕駛的區間列車抵達航站樓。即使開往航站樓的汽車都與網絡設備息息相關(例如:防抱死制動、安全氣囊彈出和恒速操縱器等),我們沒有擔心它們的安全性,是因為我們看不到。

    網絡安全對于提高生產力大有幫助控制工程網版權所有,能夠有效防止工人試圖繞過安全系統操作。在安裝費用、測試和診斷能力方面,網絡安全也有許多優勢。既要保持控制和線路功率又要確保工作速度、轉矩、方向和位置不會引起危害。在實施過程中還要符合傳統安全實施方案(即:將主控系統狀態與獨立控制器上的校驗做比較)。

    E-stop急停按鈕將所有電源切斷不同,網絡安全允許系統在安全模式下連續運行。安全模式運行旨在防止操作員誤操作,試圖通過打開門聯鎖裝置來清除堵塞,或在無機器防護裝置的情況下操作。相反,它要確保軋輥不能以非安全方向旋轉,或者機器人手臂無法快速用力,以保護維修工人的安全。

    物聯網對于工業安全有何促進呢?安全系統通過確定性工業以太網聯網。同時,安全模式下的每個狀態變化、每個操作實例均被記錄下來并通過互聯網傳送給管理人員。聯鎖裝置或光幕可傳達破損程度、時間和間隔,以幫助管理人員分析根本原因。

    安全的運動控制

    在網絡安全功能中,安全運動控制功能最為強大。通過嵌入到伺服機構/變頻驅動(配有安全編碼器等硬件)中的智能軟件,網絡安全系統可保持生產線、印刷機、機器人及其他設備的正常運行(在安全模式下)。這種智能不僅能夠提供現在熟悉的安全扭矩關閉信息,還能夠提供安全的受限轉矩、受限速度、位置和受限加速度等更多信息。

    現在,生產線上的機器可在安全模式下繼續運行。而在過去,急停按鈕或受控關閉將會開啟,以清除堵塞信息,進行修復或補充材料?,F在的緊急停機按鈕也不再需要硬接線,它可以通過以太網連接并且成為控制面板的一部分。

    預見性維護

    預見性維護的關鍵是根據機器實際狀態而非根據固定的周期進行監控。此外,監控機器狀態的關鍵是機械擾動。利用加速度計等網絡化傳感器可檢測軸承、主軸、聯軸器和其他機械設備的頻率,預測發生故障的趨勢,以安排預先性維護。

    過程越關鍵,維護的成本越大。簡單設備的故障可能會使某一過程出現災難性結果。頻率分析還可促使在設備受損前找出根本原因。如可記錄潤滑、剝落或腐蝕等狀況,則可采取預防性維護措施。

    資源管理

    能源監測,不僅是電力監測,還包括水、蒸汽、壓縮空氣和真空、天然氣、溫度等,可以幫助您認識到提高可持續性的巨大潛力。

    將這些監測數據帶入到單獨的機器和過程單元(不僅是分支電路或輸入電表),將使數據變得更可行。為何一個收縮爐或輪班比另一收縮爐或輪班耗能多?權衡能源成本和生產量之后的最佳生產線速度是什么?

    自動補償

    將更多智能推向設備級而不僅是在物聯網通信。這樣有助于提高性能并省去人為干預。先進的伺服驅動器就是一個好例子。

    驅動器內的自動補償能夠響應異常情況,預先消除干擾,無需技術人員對驅動器進行微調。無需引入示波器功能,也不用再插入筆記本電腦。

    自動配置

    將較舊組件替換為具有更新固件版本的組件亦是如此。在過去,這一過程需要手動重置新組件,通常需將軟件加載到PC?,F可自動完成,無需用戶干預。

    板載智能及控制器和設備之間的以太網通信意味著控制器可查詢新組件并將其固件自動降級為正在使用的版本。

    這意味著不需要任何技術員CONTROL ENGINEERING China版權所有,無需維護軟件,無需升級軟件許可證,無故障顯示,也不用預先將備用組件放置在架子上等著落滿灰塵。

    智能I/O切片

    將智能推向設備級的另一實例是使用帶有板載FPGA的I/O切片,允許設備和I/O切片之間直接響應,從而繞過背板、PLC 的CPU和系統掃描。結果是響應時間短至1微秒。

    這種前所未聞的超快速度是否有實際用途?考慮如下的應用,是否會吸引你:讓噴膠槍向裝箱機更準確地打膠,更快速的商標打印,以及大幅縮短枕式包裝機上傳感器和回收站之間的距離。

    與項目中機器的其他部分相同,I/O切片也用IEC 61131-3語言編程,不過它們僅在切片級執行。

    分布式運動控制

    具有以太網通信和板載I/O功能的機載集成式電機/驅動器早已屢見不鮮。如今,這一概念已擴展到機載分布式密封驅動器,以幫助傳統的電機達到更高的轉矩和速度要求(見圖2)。此外,小型驅動器(例如:格式轉換所用的步進電機)可以采用IP67分布式I/O模塊。

    自主維護

    這種板載智能結合廉價固態存儲器可以大幅節約成本,促使機器更高效。根據作業指導書,操作員和技術人員利用動畫和視頻走查的益處是有據可依的。

    為何不將這些動畫與控制系統中的故障代碼相關聯,并使操作員按第一梯隊的故障排除進行走查?通過虛擬網絡計算(VNC)和Wi-Fi,動畫可在操作員的智能手機或平板電腦上運行,并在需要的情況下走查整條生產線,并連接到交互式故障排除輔助工具。

    這一過程稱為“自主維護”。其意味著維護技術員無需取回生產線上的機器,因為即使是缺乏經驗的操作員也可自行處理問題,并可克服語言和讀寫障礙。

    當然,如果問題無法解決www.cechina.cn,則控制器將向值班的維護技術員發送信息,針對他或她所執行的操作提供建議,識別存在故障的部件并提交訂購單,采購一個新部件。與此同時,故障也會被好好記錄下來,并上報管理部門、機器制造商和組件供應商。

    工業4.0與工業互聯網:殊途同歸

    我記得一位資歷頗深的德國同事在幾年前告訴我:工業4.0將是一件了不起的事。坦言講,當時我嘲笑這明顯是促銷信息。我對物聯網的最初反應亦是如此。

    畢竟,早在十幾年前,我們就具有能夠將智能光電傳感器放在輸送帶上的能力,但是沒有人愿為此額外支付100美元。因此,當輸送帶堵塞時,就只能耗費時間走查生產線,用眼球確定輸送帶停止的根本原因。

    而現在,智能傳感器能讓您從生產線控制器以及生產線上任何HMI的狀態模型中發現問題。技術人員為其提供替換件并在幾分鐘內重新調節或更換傳感器。

    工業4.0和工業互聯網其實質是相同的,不同之處在于思維。

    德國在工程、應用技術和高級機械設備方面一直具有良好信譽,它們是德國出口經濟的基礎和經濟引擎(試圖使歐盟其他國家擺脫持久經濟衰退)且令民族頗為自豪。因此,德國抓住物聯網的潛力并集中于工業應用便成為不言而喻的事。

    在德國和整個歐洲,技術專家傾向于將技術銷售給其他技術專家。這種做法與美國相反。在美國,技術專家需說服關注季度財報的財務經理增加對科技的投資,以保持競爭力并產生有機增長。我認為這恰是美國物聯網支持者傾向于強調大數據而非可聯網機器的原因。他們正在將IT解決方案出售給首席財務官。

    這是否意味著工業4.0比工業互聯網更有可能改變工廠自動化?我確信歐洲工業更相信可聯網機器的愿景。因此,信奉這一愿景的機器制造商和技術供應商應該首先瞄準歐洲市場。

    歐洲稱為工業4.0,別的國家和地區可能也有各自的叫法。無論在這些市場上的名稱是什么,其實質都是萬變不離其宗。莫讓您的機構陷入工業4.0和工業互聯網的爭論中,其實它們是一回事CONTROL ENGINEERING China版權所有,即通過以太網/互聯網連接機器,實現比以往更高效的運行。

    需要注意的是,我們應確保它們所使用的標準相同。

    工業物聯網的相關標準

    以下各段介紹了工業物聯網成功實施涉及到的一些標準。

    從以太網到互聯網

    物聯網是基于TCP/IP、HTTP、FTP和其他普遍接受的互聯網通信標準,包括從基于以太網的工業網絡到局域網和互聯網?,F如今,即使是廉價的控制器預計也會提供網絡服務器和一個或更多以太網連接。

    工控系統的網絡安全

    ISA/IEC-62443(ISA 99)對工控系統網絡安全措施進行了全面概述。其為復雜的主題,需要主題專家的參與??傊?,IT有安全標準,自動化也要有安全標準。

    安全VPN服務器和托管云服務現被廣泛使用。滿足工業自動化特定需求的安全服務正在興起。安全VPN功能正在內置于自動化軟件套件中。具有大量IT資源的廣大用戶和集成商可通過這些接口連接自己的資源。機器制造商和用戶可采用軟件即服務解決方案,無需投入額外的IT基礎設施。

    服務由第三方、控制供應商、機器制造商和集成商提供。安全服務包括整體遠程數據采集、監控、數據存儲、報告與診斷。

    VNC訪問

    虛擬網絡計算是物聯網的縮影。VNC是開源共享系統,允許遠程訪問具有物聯網功能的控制器,而不需使用供應商軟件包。無需任何許可證和專用通信軟件或硬件。您只需要知道控制器的IP地址。

    開放式網絡安全

    如果沒有開放的標準,物聯網必將失敗。物聯網無法忍受封閉系統,原因是它將連接萬物。網絡安全也具有國際標準。openSAFETY協議棧是openSAFETY技術規范符合IEC 61784-3-13的實現,且可獲得免費許可。

    此外,經測試和證明,openSAFETY可運行在主要工業網絡的應用層:Profinet、EtherNet/IP、 Modbus TCP、 SERCOS III、 EtherCAT和POWERLINK。不過CONTROL ENGINEERING China版權所有,用戶可以指定供應商的openSAFETY協議。

    專用協議(限于最初設計所面向的網絡)不支持物聯網。其原因是這些專用協議將限制連接性,并會有效限制第三方訪問,以開發主機接口而非從機接口。為實現開放性,安全務必允許任何自動化供應商開發兼容的控制器和設備。

    ISA TR88.00.02

    此標準被廣泛稱為OMAC PackML。其描述了一個狀態模型、模式和標簽命名,最初預期與包裝生產線(一般由許多不同供應商借助不同控制平臺構成機械設備)通信。

    PackML由機械自動化與控制組織(OMAC)開發。其被證明與任何離散控制方案有同等的良好相關性。經過國際自動化學會(ISA)審批流程,OMAC明確采納了此標準,成為一份ISA技術報告,ISA TR88.00.02。OMAC接下來將啟動國際電工委員會(IEC)審批流程。TR88是機器編程及機器對機器和管理數據采集的一項關鍵標準。

    OPC UA

    OPC UA(IEC 62541)是OPC基金會所開發的OPC統一架構,以替代最初的OPC(用于過程控制的OLE,OLE表示對象鏈接與嵌入,基于COM的微軟接口)。

    OPC UA基于網絡服務且與平臺無關。PLCopen(代表IEC 61131-3)和OPC基金會之間正在開展合作,致力將OPC UA確定為流行的控制編程標準。預計會遵循OMAC新方案、ISA TR88.00.02 (PackML)。

    相比PLC供應商所提供的專用數據采集工具并限于他們的產品,OPC UA是真正的國際標準。OPC通信滿足以太網和互聯網之間,以及工廠和管理系統之間的數據處理需求。(來源中國電子網)

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