工業(yè)4.0革命

　　工業(yè)4.0比前面3次工業(yè)革命來勢更加迅猛，變革的速度更快，影響也更深遠(yuǎn)更徹底。

　　電子傳感器替代氣壓傳感器，計(jì)算機(jī)數(shù)控取代凸輪驅(qū)動(dòng)工具，使用IP通訊的智能設(shè)備已經(jīng)逐步主導(dǎo)工業(yè)版圖。

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概念性元素之一就是使設(shè)備與設(shè)備之間的通訊（M2M：Machineto Machine）成為可能。對很多工業(yè)用戶來講，M2M并不新奇。在過去的幾十年里，煉油廠就可以使成千上萬個(gè)設(shè)備與控制系統(tǒng)溝通。M2M的新奇之處在于，設(shè)備變得更加智能，通過IP通訊，交換的信息也更加豐富。每個(gè)設(shè)備都有自己的IP地址，所以任何人在任何地方都可以通過互聯(lián)網(wǎng)與這個(gè)設(shè)備聯(lián)通。用戶對這個(gè)功能的影響力的理解才逐步開始。

為什數(shù)字化如此重要？　

　　制造業(yè)的設(shè)備，無論是用于加工還是工廠自動(dòng)化，在他們的測量能力、如何監(jiān)控自身狀態(tài)與如何溝通的本質(zhì)上都變得更加智能。傳統(tǒng)的啞巴式壓力傳感器或近距離傳感器(proximity sensor)把壓力或距離讀數(shù)轉(zhuǎn)化為模擬信號，僅此而已。他們或許能代表M2M通訊，但是只是粗糙的原型。缺陷諸多的模擬通訊，正在被數(shù)字化迅速取代。其中的效果就好比智能手機(jī)取代原始的兩個(gè)罐頭盒加一根繩子構(gòu)成的電話機(jī)。

　　精密的設(shè)備需要精密的控制器來發(fā)揮最大效用。一二十年前的一臺(tái)PLC可以讀取I/O數(shù)據(jù)并按步驟操作。然而，今天的制造業(yè)的要求遠(yuǎn)不止如此。今天的控制器必須能夠處理運(yùn)行數(shù)字工廠所需的控制功能。新一代控制器的興起，結(jié)合了世界上最好的PLC的功能與電腦的多功能性。

設(shè)備和控制器的強(qiáng)大結(jié)合

　　新一代設(shè)備和控制器的結(jié)合幫助我們開設(shè)基于信息物理系統(tǒng)的數(shù)字化工廠。盡管電腦在上個(gè)世紀(jì)70年代就已經(jīng)用于車間，但是電腦所能做的事情卻發(fā)生了天翻地覆的變化。早期的PLC并不比之前的繼電器好很多，但是PLC所能控制的事情隨著技術(shù)發(fā)展和人們的創(chuàng)新思維的發(fā)展也日新月異。

　　傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人只是被程序設(shè)定每天做單一重復(fù)的事情。但是隨著網(wǎng)絡(luò)物理概念的發(fā)展，機(jī)器人和它的控制器被編程，可以根據(jù)當(dāng)前狀況而獨(dú)立判斷下一步要做什么反應(yīng)。舉一個(gè)簡單的例子，傳送機(jī)可以輸送各種瓶子到封口機(jī)，這些瓶子的基本形狀相似，但是總共有5種顏色，每種顏色的瓶子需要對應(yīng)該種顏色的封口。信息物理系統(tǒng)可以觀察瓶子，并指令機(jī)器人抓取對應(yīng)顏色的封口擰緊瓶子。機(jī)器人能做的還可以更多。

　　該信息物理系統(tǒng)還可以判斷瓶子是否變形、是否貼了標(biāo)簽以及注入液體水平是否正確。使用一組智能傳感器的信息，同一臺(tái)機(jī)器人可以抓取不合格的瓶子移出產(chǎn)線。該系統(tǒng)可以經(jīng)過編程“思考”所有可能發(fā)生的狀況，并合理應(yīng)對。

智能應(yīng)用的智能控制器

　　有創(chuàng)造力的用戶在創(chuàng)造新的方法幫助制造系統(tǒng)在更加復(fù)雜的應(yīng)用里實(shí)施更加復(fù)雜的功能。由于各種操作和現(xiàn)場設(shè)備繁多，新的基于電腦的控制器是信息物理系統(tǒng)的關(guān)鍵之處。一種控制器可能會(huì)同時(shí)用于壓力和流量傳感器、機(jī)器視覺攝像機(jī)、條形碼閱讀器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、閥門驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)器人以及其他各種設(shè)備。

　　以上提到的那些設(shè)備可能依賴從模擬電流環(huán)到工業(yè)以太網(wǎng)的多種通訊協(xié)議。這種系統(tǒng)的速度依賴更快的協(xié)議轉(zhuǎn)換，因此每個(gè)設(shè)備可以兼容合作，支持生產(chǎn)。而且，所有那些設(shè)備可以發(fā)送診斷信息到中央控制處以供評估，比如發(fā)送信息到人類操作員或者維修部門，這些信息可能包括視覺攝像機(jī)上的LED燈要燒壞了，或者設(shè)備機(jī)柜冷卻風(fēng)扇被灰塵堵塞了等。這些預(yù)防性的維修能力預(yù)防生產(chǎn)時(shí)的故障或停機(jī)的可能性。

這是PLC還是電腦？都是！

　　最近發(fā)展最火的一個(gè)概念就是開放式控制器。開放式控制器和傳統(tǒng)的PLC在功能和形狀方面都相近，但是同時(shí)也是一臺(tái)真正的工業(yè)電腦。一方面它具備目前電腦所有的連接性，同時(shí)它還擁有PLC上才有的I/O卡槽。因此開放式控制器可以與普通的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備和商業(yè)化的周邊產(chǎn)品無縫合作，無論他們使用的通訊協(xié)議是否一樣。

　　開放式控制器可以同時(shí)具備PLC和PC兩者的功能。當(dāng)它作為控制器在機(jī)器上運(yùn)行時(shí)，管理程序把Windows系統(tǒng)從控制器系統(tǒng)功能隔離開來，使操作員在Windows系統(tǒng)上同時(shí)執(zhí)行完全不同的任務(wù)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與雙核處理器合作，把PLC和Windows系統(tǒng)完全分開，因此操作員可以通過冷重啟動(dòng)開啟Windows，而不會(huì)影響機(jī)器的控制功能。如有需要，控制器的兩種功能可以與企業(yè)水平系統(tǒng)集成。

　　從功能的角度來講，現(xiàn)代工業(yè)電腦可以做PLC可以做的任何事情——達(dá)到同樣的完成效率和診斷能力。隨著更多的設(shè)備開發(fā)更多的功能，不同類型控制器之間的界限越來越模糊。

　　工業(yè)用戶希望延長設(shè)備的使用期限，像電腦技術(shù)這樣演化太快的東西，更新升級的成本很大。在IT的世界，如果一個(gè)東西運(yùn)行超過兩年會(huì)被認(rèn)為太舊了，超過4年就可能完全過時(shí)。比如西門子，就與英特爾達(dá)成協(xié)議，要求英特爾提供的設(shè)備能使任何工業(yè)電腦平臺(tái)運(yùn)行至少達(dá)10年。對于大部分工業(yè)電腦來講，其實(shí)10年的意思是活動(dòng)的銷售期5年，加上另外的5年維修期。

展望未來

　　所有這些元素——智能設(shè)備、基于電腦的控制器、信息物理系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)通訊——正在相互結(jié)合支持工業(yè)4.0和目前的數(shù)字制造革命。

　　產(chǎn)品設(shè)計(jì)者將在電腦上開發(fā)新產(chǎn)品，包括所有的零部件。設(shè)計(jì)平臺(tái)將需要理解每個(gè)零件的特性、結(jié)構(gòu)材料和制造過程。

　　一件產(chǎn)品可能涉及注塑塑料零件、機(jī)械金屬部件以及其他金屬粉末或添加處理。系統(tǒng)會(huì)“考慮”所有這些元素如何相關(guān)，以及如何聯(lián)系起來、每個(gè)元素是否結(jié)構(gòu)完整，經(jīng)過預(yù)設(shè)的處理是否可以被有效構(gòu)建并組裝。

　　設(shè)計(jì)平臺(tái)下一步將決定生產(chǎn)和最終組裝需要什么，目前的生產(chǎn)設(shè)施是夠足夠完成生產(chǎn)的任務(wù)，某個(gè)零件是否需要調(diào)整，是否需要?jiǎng)?chuàng)造新的生產(chǎn)線等問題。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)將會(huì)是非常清晰詳細(xì)的藍(lán)圖，解決產(chǎn)品如何生產(chǎn)包括降成本和提高生產(chǎn)率的問題。

　　一旦開始生產(chǎn)，所有開發(fā)服務(wù)程序的信息將完整呈現(xiàn)，在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期里支持這個(gè)產(chǎn)品。產(chǎn)品和產(chǎn)品的制造流程都使用兼容軟件虛擬設(shè)計(jì)而成，生產(chǎn)設(shè)施也可以使用生產(chǎn)設(shè)備、控制器和軟件構(gòu)建。

制造車間

　　如此設(shè)計(jì)的生產(chǎn)設(shè)施將達(dá)到前所未有的集成程度。每個(gè)設(shè)備（細(xì)化到每個(gè)傳感器和驅(qū)動(dòng)器）都將使用IP通訊，每個(gè)設(shè)備都有自己的IP地址。任何經(jīng)過授權(quán)的人都可以在任何地方通過互聯(lián)網(wǎng)訪問設(shè)備，獲得診斷和生產(chǎn)相關(guān)的信息。

　　通過輸送到維修程序的診斷信息，生產(chǎn)將會(huì)達(dá)到高度穩(wěn)定水平，意外狀況將成為過去時(shí)。制造系統(tǒng)將無縫集成，并受周全的網(wǎng)絡(luò)安全戰(zhàn)略保護(hù)。多家分公司的企業(yè)在任何地方都可以共享信息。

　　實(shí)現(xiàn)以上描述的智能制造系統(tǒng)的技術(shù)很多已經(jīng)被研發(fā)出來了。運(yùn)行于工業(yè)電腦的產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件主導(dǎo)創(chuàng)造設(shè)計(jì)，同樣的平臺(tái)可以啟動(dòng)和控制制造設(shè)施。最后我們需要的元素就是可以通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊的工業(yè)傳感器和驅(qū)動(dòng)器。一大批工業(yè)傳感器和驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)設(shè)計(jì)出來，還有更多的正在設(shè)計(jì)當(dāng)中。工業(yè)4.0所需的技術(shù)元素已經(jīng)萬事俱備，現(xiàn)在制造商只需要具備想象力和創(chuàng)造力來運(yùn)用它。