實現(xiàn)IT與OT的融合 工業(yè)4.0不再是一個遙遠的愿景

對于許多制造商來說，諸如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）、信息物理系統(tǒng)（CPS）、云機器人、霧計算和大數(shù)據(jù)等概念已經(jīng)開始與其智能工廠的愿景緊密相連。智能工廠是將信息技術（IT）的數(shù)字世界與運營技術（OT）的物理世界連接起來， 也就是實現(xiàn)IT與OT的融合。

對于未來工廠來說，工業(yè)4.0不再是一個遙遠的愿景，它就在這里，就在當下。如今，機器人網(wǎng)絡已經(jīng)連接到云端，可以提供大量高質量的數(shù)據(jù)。制造商正在使用這些信息渠道來簡化資產(chǎn)管理和維護， 最大限度地提高設備和流程效率，并改善產(chǎn)品質量。

預測維護與減少停機

通用汽車公司正在將物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的基礎設施布局到生產(chǎn)制造中。其機器人供應商和戰(zhàn)略合作伙伴發(fā)那科美國公司，正在幫助通用汽車為實現(xiàn)智能制造打下堅實的基礎。通用汽車、發(fā)那科公司和思科共同開發(fā)了“零停機功能 （ZDT） ”解決方案， 該方案使用基于云計算的軟件平臺，來分析通用工廠機器人收集的數(shù)據(jù)， 以便發(fā)現(xiàn)可能導致生產(chǎn)停機的潛在問題。

云連接的焊接機器人，該汽車裝配線幫助實現(xiàn)工業(yè)4.0的愿景， 通過監(jiān)測潛在停機問題， 并促進預測維修。

在汽車制造業(yè)中， 每60或90秒鐘就有一輛整車從裝配線上下線， 每停機一分鐘，就會為制造企業(yè)帶來2萬美元的損失。一次停機事件，可能就會造成數(shù)以百萬美元的損失。當生產(chǎn)線突然停止時， 可能會影響整個供應鏈， 從而進一步加重損失。這些延誤也會進一步向下延伸到客戶、汽車經(jīng)銷商、車隊用戶以及購買汽車的消費者。

“我們已經(jīng)主動采取了一段時間的措施，試圖更好地預測和維護我們的制造設備的健康狀況?！蓖ㄓ闷嚨滋芈晒咀詣踊夹g和機器人的首席工程師Marty Linn說道?！拔覀兒桶l(fā)那科一起合作，討論在生產(chǎn)過程中，我們可以采取哪些措施來避免事故發(fā)生。這不是工業(yè)4.0的偉大愿景，是關于在預測性維護方面，我們可以做哪些工作，來切實消除工廠不可預見的停機時間?！?/p>

2014年，通用汽車啟動了一個 ZDT 試點項目。通用汽車和發(fā)那科之間建立了戰(zhàn)略伙伴關系，這是走向成功的關鍵因素。這兩家公司合作的歷史，可以追溯到20世紀80年代初期， 當時通用汽車與日本的機器人制造商合作成立合資企業(yè)， 組建了通用發(fā)那科機器人公司， 在美國開發(fā)和銷售機器人。該公司后來獨立出來， 但雙方的合作關系仍然存在。

“正如我們所說的，我們在整合機器人。由于我們正在不斷引入新的產(chǎn)品和新的項目，因此每天都有來自集成商的機器人和系統(tǒng)運抵工廠。”Linn說。

云連接軟件平臺收集和分析從數(shù)以千計的機器人上獲得的大量數(shù)據(jù)， 以預防停機、預測維護、并優(yōu)化流程效率。
實現(xiàn)預期的投資回報

ZDT對企業(yè)車間帶來的影響是持續(xù)的。Linn說， 自該項目成立以來， 通用汽車已經(jīng)成功的避免了超過100起重大的非計劃停機。

根據(jù)發(fā)生故障類型的不同，可以避免6到8小時的意外停機時間。對于任何設施來說， 都是一件大事， 尤其是在大型卡車和 SUV工廠里， 每個停機事件都很重要。

為工業(yè)4.0準備就緒的軟件平臺，將機器人連接到云端， 并提供觸手可得的性能數(shù)據(jù)。

隨著數(shù)以千計的機器人連接到云端，并與之建立通信， 不久以后，通用汽車就獲得了預期的投資回報。

“這是對大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、新算法、計算機功能等技術的運用，所有這些新興技術在過去幾年中都獲得了長足的發(fā)展， 并以最有效的方式得以應用。”Linn說。這使得制造企業(yè)可以實現(xiàn)預測性維護，并有效的減少停機事故，甚至放棄原有的維護計劃，直到需要的時候再采取措施。

按需維護計劃

在初始階段，通用汽車進展緩慢， 在最初的兩年內，總計只連接了上千臺機器人。然而到 2017年， 就有超過8500臺發(fā)那科機器人被連接在一起。“在開始部署時，我們進展緩慢，”Linn說?！鞍l(fā)現(xiàn)問題后，我們就會介入并更換零件。然后研究這些部件。非常確定的是， 我們已經(jīng)能夠驗證和確認這些部件是否會失效。對那些可能會造成停機事件的問題部件及時處理。正基于此， 當我們能夠減少不定期的維護事件時， 這讓每個員工都很興奮?！?/p>

通用汽車公司開始使用ZDT來制定按需維護計劃， 而不是依賴日常維護計劃?！袄纾?機器人的設計是運行1000小時后，進行例行維護。以前我們根據(jù)計劃在該時點對機器人進行維護。”Linn說道，“但它實際上可以持續(xù)工作1250小時， 直到需要時才對其進行維護。因此， 現(xiàn)在我們正在努力擺脫固定的維護計劃， 而是按需計劃。這就是你所能找到的、帶來巨大成本節(jié)約的方式中最主要的途徑。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)軟件可以隨時隨地在任何設備上提供機器人的資產(chǎn)信息、狀態(tài)監(jiān)視和維護警報。

機器學習

ZDT不僅適用于機器人，也適用于加工設備，以及由機器人直接控制的過程，如焊接、噴涂和一些分配應用?！巴ㄟ^查看空氣壓力下沉壓力、分配涂料執(zhí)行機構的速度，查看大量的涂料工藝和參數(shù)，我們能夠監(jiān)測設備的健康狀態(tài)，進而了解工作質量?！盠inn說道。

在汽車噴漆車間， 成品質量至關重要。所有的發(fā)那科油漆機器人都具有ZDT功能，這意味著它們可以監(jiān)控各種功能， 包括油漆罐、噴霧噴頭、調節(jié)器和驅動器的健康狀態(tài)。

如果統(tǒng)計一下與汽車噴漆有關的運動部件總數(shù)，就會發(fā)現(xiàn)每個機器人有200多個運動部件。有相當數(shù)量的這些運動部件與控制槍、調節(jié)器和壓力等特定過程裝置有關。如果這些設備中的任何一個過早出現(xiàn)故障，就可能會出現(xiàn)質量問題或導致生產(chǎn)停機。

目前， 通用汽車更多的將ZDT作為一種預測性維護工具， 而不是進程內的自適應工具。但是隨著技術的發(fā)展， 收集和分析的數(shù)據(jù)也越來越多， 而且算法也變得更復雜， 用戶可以發(fā)現(xiàn)利用機器學習，它如何成為自適應工具， 用于實時過程改進。

“我們希望擴大這一戰(zhàn)略， 使設備智能化， 能夠自我診斷， 在性能發(fā)生變化時可以通知我們，以便能按需做出調整或維修?！盠inn說道。

量體裁衣

發(fā)那科的分析解決方案，是監(jiān)測客戶分布在世界各地的設施內1萬多個與云連接的機器人， 并且這一數(shù)字每天都在不斷增長。雖然一開始只是在汽車行業(yè)內使用， 但據(jù)悉發(fā)那科公司已在2017底陸續(xù)為非汽車客戶發(fā)布軟件和硬件提供支持。

對小型制造商來講，安裝軟件和硬件設置需要即插即用，因為他們并沒有專門的IT部門的支持。例如，如果應用于擁有3個機器人的一般小型工業(yè)制造商，則需要對其進行“裁剪”。

發(fā)那科和思科公司計劃使用這種專門為 ZDT 開發(fā)的數(shù)據(jù)通信高速公路，來連接機器人之外的其它設備。作為FANUC Intelligent Edge Link and Drive（FIELD）系統(tǒng)的一部分，ZDT提供了一個開放的軟件平臺， 允許對數(shù)控機床、機器人、外圍設備和自動化系統(tǒng)中使用的傳感器進行高級分析和深度學習。現(xiàn)場基于邊緣計算技術， 在網(wǎng)絡邊緣的生產(chǎn)制造點中處理大量數(shù)據(jù)， 從而最大限度地減少共享數(shù)據(jù)的數(shù)量和成本。

利用ZDT云解決方案， 數(shù)據(jù)從生產(chǎn)車間各處的設備流向云端， 在這里可能會有一定的延遲或遲滯。使用現(xiàn)場平臺接收生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)的好處是， 可以實時響應事件， 這就是現(xiàn)場所要做的。它是一個開放的軟件平臺， 可以安裝到計算機硬件上， 然后允許客戶訪問從機器人、可編程邏輯控制器 （PLC）、或機床設備上獲得的數(shù)據(jù)， 并實時進行分析。它甚至可以根據(jù)行為改變生產(chǎn)。這就是實時機器學習所能提供的良好價值。

對于自動化行業(yè)來說，工業(yè)4.0不再是一個遙不可及的夢想。越來越多的機器人制造商推出自己的物聯(lián)網(wǎng)解決方案， 以擁抱工業(yè)4.0所要求的連接水平。

觸手可及的機器人數(shù)據(jù)

Kuka Connect是一個基于云計算的軟件平臺， 它允許客戶隨時隨地在任何設備上訪問和分析庫卡機器人的數(shù)據(jù)。該解決方案提供3個主要的功能： 資產(chǎn)信息管理、狀態(tài)監(jiān)視和維護警報。

“如果你是一家規(guī)模比較大的OEM廠商， 在同一個設施內，可能會有數(shù)以千計的機器人在運作?！睅炜绹镜漠a(chǎn)品市場營銷總監(jiān)Andy Chang說道。“今天， 他們資產(chǎn)信息管理的方式是手動維護的微軟 Excel電子表格。電子表格上的信息可能準確，也可能不準確， 因此他們實際上可能也不知道他們擁有哪種類型的機器人?！?/p>

如果沒有正確的資產(chǎn)信息，在整個生命周期內，就會影響對機器人的維護。“您可以輕松地查找工廠周圍數(shù)以千計的機器人， 并逐個瀏覽它們， 查看它們的調試時間、檢查序列號， 以及當前安裝的軟件， 而無需親自走到機器邊上?！盋hang說。

對于狀態(tài)監(jiān)視， Kuka Connect旨在提供特定的機器人關鍵性能指標 （KPI）， 以幫助技術人員和維護人員測量機器人的性能。

“我們提供機器人所有軸的溫度圖，” Chang說。所以， 如果生產(chǎn)人員或維修人員，觀察到某一軸的溫度趨勢圖在上周已經(jīng)開始上升， 那可能意味著出現(xiàn)了下面的問題。例如：出于任何原因導致的變速箱過熱； 也許負載必須改變；或者是，機器人拾起的目標可能不是機器設計的范圍等。

Kuka Connect適用于臺式機以及移動設備、智能手機、平板電腦或任何支持 web 瀏覽器的設備。直觀的儀表板可幫助用戶根據(jù)特定的標準對數(shù)據(jù)進行可視化。無論您是要優(yōu)化維護計劃還是管理備件庫存， 所有數(shù)據(jù)都在您的手邊， 因此您可以預測潛在的停機時間， 并在停機之前采取步驟修復問題。

“現(xiàn)在，庫卡連接通過兩種方式提供信息，”Chang說，“一種是非常直接的方式。當出現(xiàn)控制器錯誤消息時， 我們會向用戶提供錯誤代碼和錯誤描述的實時通知，因此非常動態(tài)。第二種方式相對間接。我們將數(shù)據(jù)提交給最終用戶， 然后他們需要對這些數(shù)據(jù)進行插值，以便獲得對他們的機器人、生產(chǎn)線，以及工廠有意義的數(shù)據(jù)?！?/p>

該軟件平臺不僅可以與機器人接口， 還能夠監(jiān)控由機器人控制器控制的自動化設備， 如焊接槍或膠合槍，如果機器人在軌道上，甚至可能還有一個額外的軸。

“任何由機器人控制或輔助的信息，都是平臺的一部分，“ Chang說。“這是我們目前正在進行的工作， 該功能可以實現(xiàn)可視化機器人數(shù)據(jù)與特定過程數(shù)據(jù)的功能， 所以最終用戶不僅可以了解機器的機械健康狀況， 而且還可以了解過程本身的關鍵性能指標?！?/p>

助力工業(yè)4.0人才開發(fā)

要真正實現(xiàn)工業(yè)4.0和智能工廠的愿景， 我們需要跨越多個地理區(qū)域和行業(yè)的龐大人才庫來彌合日益增長的技術差距。作為世界領先的工業(yè)教育技術培訓機構，F(xiàn)esto Didactic正幫助用戶建立工業(yè)4.0人才庫， 并培養(yǎng)工程師們掌握未來工廠所需的新技能。

Festo Didactic美國公司的工程開發(fā)經(jīng)理Ted Rozier介紹，可能有將近 30萬多個美國制造業(yè)就業(yè)崗位因缺乏合格候選人而找不到合適的人選。而且這一數(shù)字有望繼續(xù)增長。

“讓學生熟悉自動化硬件和軟件的完整組合非常重要?！薄盧ozier 說。他們需要了解機器人和 PLC的集成過程， 并熟悉物聯(lián)網(wǎng)是如何改善整個過程的。這是歐洲的普遍做法， 我們希望提高這類培訓在北美的知名度。

Rozier 強調了多學科學習的重要性， 尤其是要注重機電一體化?！盀榱私o工業(yè)4.0帶來活力，物聯(lián)網(wǎng)必須蓬勃發(fā)展。要做到這一點， 需要一個強大的 IT 背景和強大的機電一體化背景。我們有機會培育不僅能理解， 而且能夠從管理層到車間層、從IT層向下直到傳感器等各個方面影響自動化制造過程，幫助機器人做決定的人才。這是一個重要的技能發(fā)展?！?/p>

模塊化的網(wǎng)絡物理學習平臺，模擬真實生產(chǎn)工廠中的工作站， 向學生傳授對工業(yè)4.0和智能工廠所必需的多學科技能。

學習工廠模塊

Festo Didactic提供了“學習工廠模塊”， 用于實際的機電一體化、控制技術和自動化技術的工業(yè)培訓。該系統(tǒng)從一個模塊：單一項目工作站I4.0開始，用于培訓控制技術的基本原理。然后可以添加數(shù)個模塊， 創(chuàng)建一個完整的學習網(wǎng)絡-實體（CP）工廠， 其中包括一個現(xiàn)實的工業(yè)托盤循環(huán)系統(tǒng)和一個自主移動機器人來連接不同的工作站。

系統(tǒng)是模塊化的， 因此可以根據(jù)學習需求的變化，添加、刪除和移動各個工作站。培訓主題包括： PLC 項目工程，與人機接口 （HMI） 和射頻識別 （RFID） 傳感器協(xié)同工作，調試 Web 服務器和 TCP/IP 和 OPC-UA 接口、能源監(jiān)測和管理，與智能流程數(shù)據(jù)模塊、企業(yè)資源計劃 （ERP） 系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng) （MES） 和快速原型協(xié)同工作。

一些制造業(yè)和STEM tracks的社區(qū)學院正在使用Festo的 CP 工廠模塊來 培訓學生，以便其在畢業(yè)后能夠立即投入工作。位于美國南卡羅來納州巖石山的約克工學院有一間專門用于CP工廠的房間， 大約有6個模塊。像位于阿拉巴馬州萬斯的梅賽德斯-奔馳工廠，正在使用Festo學習設備， 以提高工人的知識水平。我們必須為人、機器和數(shù)據(jù)在高度互聯(lián)的世界中互動的新方法做好準備?，F(xiàn)在， 您可以采取一些步驟來為工業(yè)4.0和智能工廠做準備。

Guardian S機器人移動物聯(lián)網(wǎng)平臺，包括一個靈巧的， 可遠程操作的機器人， 用于不可預知和非結構化的環(huán)境， 如爬樓梯或不均勻傾斜。

集成IIoT平臺的移動機器人

大多數(shù)機器人都是針對具體功能設計的。它們專注于做一件事，不停的重復，而且做得很好。另一方面， 移動工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）機器人更多的則是通才。在某種程度上，它可以看作是無人自動駕駛車輛 （UAV），甚至可以認為是一種地面無人機。有一種機器人的外形類似于蛇， 這讓它變得特別有趣。

“蛇形機器人”已經(jīng)出現(xiàn)大約十年了， 最初被用于復雜地形環(huán)境下的搜救行動， 其中可能包括布滿泥漿的環(huán)境、地震或礦難坍塌現(xiàn)場等。Sarcos Robotics公司最近發(fā)布了其Guardian S機器人移動物聯(lián)網(wǎng)平臺， 該款機器人是一個靈巧的、可遠程操作的機器人，主要在不可預知和非結構化的環(huán)境中使用。一個基本裝置的成本約為6萬美元， 或可以簽訂服務合同，每月2000美元。

該機器人集成了微軟Azure云計算平臺和微軟Azure IoT套裝， 并將Windows 10作為平板控制器。云計算平臺使客戶能夠在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中收集、存儲和分析傳感器數(shù)據(jù)， 或者在不可行的區(qū)域部署固定傳感器。

“在大范圍開放環(huán)境下，無人機在收集有用數(shù)據(jù)方面完成了一項令人難以置信的工作， 但我們發(fā)現(xiàn)在某些應用環(huán)境有對數(shù)據(jù)收集更高的需求，例如在密閉或封閉的空間、或者需要數(shù)小時而不是幾分鐘來收集數(shù)據(jù)、或者數(shù)據(jù)只能將傳感器布置在附近、或與表面接觸的環(huán)境下收集數(shù)據(jù)的機會?！盨arcos Robotics 公司的董事長兼首席執(zhí)行官Ben Wolff如是說。

Guardian S機器人就像一種多用途、無線控制、無人駕駛的地面車輛， 可作為移動物聯(lián)網(wǎng)平臺運載多個傳感器有效載荷。這款重13.5磅的機器人可以遠程操作和跨越具有挑戰(zhàn)性的地形，包括樓梯、涵洞、管道、水箱、垂直的鐵磁表面和密閉空間， 同時還可以促進雙向實時視頻、語音和數(shù)據(jù)通信。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器和云服務的結合，對于評估所布置的各種工業(yè)機器的性能和預測所需的維護非常有價值。搭載了物聯(lián)網(wǎng)平臺的機器人，通過利用Azure 云計算功能和分析來收集和分析與機器人周圍環(huán)境有關的數(shù)據(jù)，從而提高了云的效率。（作者：Tanya M. Anandan）