工業(yè) 4.0：基于 PC 的控制解決方案成為智慧工廠(chǎng)的核心技術(shù)

    Beckhoff 基于 PC 的控制技術(shù)為工業(yè) 4.0 理念提供了理想的工具箱。它開(kāi)辟了 實(shí)現富有遠見(jiàn)的從云計算到社會(huì )自動(dòng)化的理念的新方法。在這次采訪(fǎng)中，Ursula Frank 博士和 Josef Papenfort 博士闡述了哪些基礎技術(shù)、功能和服務(wù)目前已經(jīng)上市，以及哪些地方仍然 需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

    德國倡議“工業(yè) 4.0”的目的 是通過(guò)通信和智能控制提高制造業(yè)的靈活性、 效率和可持續性，以加強德國工業(yè)的競爭力?；?PC 的控制 技術(shù)為實(shí)現這一目標做出了哪些貢獻？

    Josef Papenfort 博士：工業(yè) 4.0 的核心是信息 技術(shù)（IT）和自動(dòng)化技術(shù)（AT）的融合，而早在 25 年前 ，Beckhoff 就推出了其基于 PC 的控制技術(shù)，這項技術(shù)繼續為未來(lái)的發(fā)展提供了理想的控制架構。通過(guò)采用全球 IT 標準，我們用 IT 領(lǐng)域所提供的最佳解決方案 進(jìn)一步完善了我們的自動(dòng)化技術(shù)。這也適用于我們的 TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件，它具有實(shí)現工業(yè) 4.0 概念所需的模塊化性和面向對象的特點(diǎn)。 此外，將 TwinCAT 3 集成到 Microsoft Visual Studio® 中，為整個(gè)產(chǎn)品壽命周期中一致的工程環(huán)境提供了理想的基礎，能夠直接使用 IT 領(lǐng)域中最新的軟件工程工具。隨著(zhù) PC 作為公認的技術(shù)平臺，加上自動(dòng)化設備規范（ADS）、EtherCAT 自動(dòng)化 協(xié)議（EAP）和 OPC 統一架構（OPC UA），Beckhoff 擁有了用戶(hù)在 實(shí)現工業(yè) 4.0 所要求的縱向和橫向整合所需的所有資源。

    Ursula Frank 博士：一方面，Beckhoff 為根據工業(yè) 4.0 戰略實(shí)施智能 生產(chǎn)設施和智慧工廠(chǎng) 所需的基礎技術(shù)。另一方面，這也 變得越來(lái)越重要 — 特別是與工業(yè) 4.0 概念相關(guān) –系統的運作不僅高效，而且安全可靠。這也是“科技自動(dòng)化”理念巨大潛力所在，它所集成的測量技術(shù)和狀態(tài) 監測功能，甚至能夠監測復雜的生產(chǎn)系統。To explain, 科技自動(dòng)化 將各學(xué)科的最新研究成果集成到自動(dòng)化技術(shù)中，從而讓我們能夠建立更可靠和更節能的內在具有智能化功能的生產(chǎn)系統。這也將需要 新的、直觀(guān)的操作界面，使得人類(lèi)能夠更加輕松地 完成他們的日常工作并能夠與智能設備進(jìn)行更有效 的互動(dòng)。畢竟，工業(yè) 4.0 不是為了要將人的因素放在 一邊。我們的多點(diǎn)觸控工業(yè)面板使得這些新的操作理念成為可能。

    工業(yè) 4.0 已經(jīng)在現實(shí)生活中的得到應用了嗎？還需要進(jìn)行什么額外的開(kāi)發(fā)嗎，如果有的話(huà)？

    Ursula Frank 博士：現在已經(jīng)有許多最終用戶(hù)，如大型廚房制造商 ，他們采用 Beckhoff技術(shù)對從收貨到發(fā)貨的整個(gè)系統 進(jìn)行了自動(dòng)化改造，包括將它們集成到 ERP 系統中。一些 初期的解決方案是明確按照工業(yè) 4.0 概念開(kāi)發(fā)的，例如，通過(guò)提供跨所有層的持續通訊的方式 實(shí)現智能化的生產(chǎn)環(huán)境。不用說(shuō)，在未來(lái)幾年內，我們 將繼續沿著(zhù)這一方向開(kāi)發(fā)我們的產(chǎn)品和解決方案。

    Josef Papenfort 博士：作為 TwinCAT 3 的一部分，我們正在努力通過(guò)提供附加功能的方式改進(jìn) 工程功能，比如更簡(jiǎn)單的通訊功能 和配置。在這種情況下，不斷開(kāi)發(fā)出通用的通信標準也是非常重要的，例如那些由 OPC 基金會(huì )和 PLCopen 協(xié)會(huì )所定義的標準。Beckhoff 正積極參與這兩項標準化工作。其中一個(gè)目標就是 不僅可以通過(guò) OPC UA 或 ADS 與 ERP 系統通訊，而且還能夠直接在 PLC 中調用和執行這些方法。這將是通信技術(shù)發(fā)展的下個(gè)一步驟。

    PC 控制技術(shù)的開(kāi)放性對 “物聯(lián)網(wǎng)”有何重要意義？

   Ursula Frank 博士：它非常重要。簡(jiǎn)而言之，物聯(lián)網(wǎng)意味著(zhù)產(chǎn)品以及系統及其模塊 間可以相互通信。這正是 Beckhoff 的開(kāi)放式控制技術(shù) 的用武之地，它允許開(kāi)發(fā)人員將系統 設計成具有智能運行和通信的能力。

    Josef Papenfort 博士：開(kāi)放的接口也是 PC 控制技術(shù)的顯著(zhù)優(yōu)勢這一。這適用于工程應用和正在使用的現場(chǎng)總線(xiàn) 技術(shù)，以及正在被集成的組件（如 RFID 芯片或智能傳感器）。

    這種開(kāi)放性是否也適用于用作集中式或分散式系統 的自動(dòng)化架構？

    Josef Papenfort 博士：這是當然。通常，我們更愿意用 集中式方案，因為它在工程設計、數據管理和診斷等方面 有很大優(yōu)勢。但也有一些系統，如組裝機，使用 分散式方案效果會(huì )更好。例如，使用這樣的解決方案可以很方便地更換單個(gè)模塊，因為中央控制 組件必須只能根據新的工作調整站。此外，生產(chǎn)區域內的系統 或設備在機器不會(huì )孤網(wǎng)運行，而通常是聯(lián)網(wǎng)運行 - 這一趨勢將對工業(yè) 4.0 概念有著(zhù)顯著(zhù)的促進(jìn)作用。相應地，每臺機器在一個(gè)大型系統中或通過(guò)工業(yè) 4.0 概念 進(jìn)行本地控制。在這個(gè)方案里，一個(gè)非常重要的因素是 在軟件方面的實(shí)施，我們支持通過(guò) TwinCAT 完成的模塊化編程。10 個(gè)軟件模塊是在中央 CPU 上運行還是在10 個(gè)不同的控制器上分別運行，這并不重要。模塊之間如何進(jìn)行數據交換 — 在本地 PC 上還是通過(guò)具有相同確定性和高速度的 EAP - 也不重要。PC 控制技術(shù)可以根據不同的應用需求 很輕松地地實(shí)施任一版本。

    未來(lái)，工業(yè) 4.0 甚至能夠延伸到那些 被稱(chēng)為“機器 Facebook”或“社會(huì )自動(dòng)化”的領(lǐng)域。這在實(shí)際上 有什么含義？

    Ursula Frank 博士：社會(huì )自動(dòng)化的前景涉及到將信息技術(shù)和通信技術(shù)中的一些最新研發(fā)成果轉移到工業(yè)應用領(lǐng)域。正如我們前面提到的，將信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)與 PC 控制技術(shù)有機整合在一起是 Beckhoff 的核心技術(shù)理念。因此，Beckhoff 將始終密切關(guān)注信息技術(shù)在自動(dòng)化技術(shù)應用方面的 最新發(fā)展 情況。例如，諸如社會(huì )化媒體等的發(fā)展趨勢可能帶來(lái)新的通信 能力。我們必須了解在自動(dòng)化領(lǐng)域利用這些通信能力能夠帶來(lái)哪些潛在好處。“機器 Facebook ”就是其中一項。例如，用戶(hù)可以在 Facebook 上創(chuàng )建個(gè)人檔案，用“時(shí)間軸”的方式記錄他們的生活，并在他們自己的“墻”上提供各種信息 或服務(wù)。若轉換成工業(yè)應用，這將意味著(zhù)，例如，一臺機器可以寫(xiě)上其目前的使用情況或在一面類(lèi)似的墻上提供服務(wù)信息。如果它不具備所要求的能力，它 會(huì )將相關(guān)方推薦給相應“Facebook 機組中的“朋友”。另一種辦法是在如谷歌地圖或 TomTom 網(wǎng)絡(luò )軟件上改寫(xiě)備份的交通流量信息，使得這些信息適合工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。這將讓您能夠監控工廠(chǎng)的機器利用率，甚至能夠通過(guò) Doodle 為機器生成值勤表。

    Ursula Frank 博士：“在今年的漢諾威工業(yè)博覽會(huì )上，Beckhoff 專(zhuān)門(mén)設立了一個(gè)工業(yè) 4.0 展示區，展示了 Beckhoff 開(kāi)放的、基于 PC 的控制技術(shù)使得今天將生產(chǎn)系統和模塊無(wú)縫集成到現有的或新的系統中成為可能，且它們不僅可以實(shí)現相互間的通訊，還可以與上位生產(chǎn)規劃和控制系統進(jìn)行通訊。但要全面支持工業(yè) 4.0 概念仍然需要在未來(lái)幾年里開(kāi)展更多的研究和開(kāi)發(fā)工作。”

    Josef Papenfort 博士：我們再次回到在 PC 控制的架構進(jìn)行信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的融合。正如我們將我們的自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)知識與 Visual Studio® IT 工程工具整合在一起來(lái)創(chuàng )建 TwinCAT 3 軟件一樣，下一步可能涉及到將自動(dòng)化功能添加到如 Facebook、Doodle 或 WhatsApp 等網(wǎng)絡(luò )軟件中。另一種方案已經(jīng)由 Beckhoff 實(shí)施，其進(jìn)行的技術(shù)研究證明，谷歌眼鏡作為一種“可穿戴式設備”，可以顯著(zhù)簡(jiǎn)化人機交互，可以用于調試和故障診斷。谷歌眼鏡具有諸如在線(xiàn)支持信息檢索功，并能夠通過(guò)基于視頻的實(shí)時(shí)聊天工具進(jìn)行故障排除，此項技術(shù)大大推動(dòng)了社會(huì )化自動(dòng)化的發(fā)展。

    當前 IT 領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)話(huà)題，如云計算和大數據，發(fā)揮了怎樣的作用？

    Ursula Frank 博士：未來(lái)，我們將看到越來(lái)越多的解決方案使用云存儲技術(shù)來(lái)保存數據和參數。最終，信息存儲在哪并不重要。但是在現在及今后幾年內，大部分的數據仍將在機器或系統中處理。另一方面，在很多情況下，諸如測量數據等信息已經(jīng)存儲在云服務(wù)器中并進(jìn)行離線(xiàn)分析。我們一定會(huì )看到越來(lái)越多的客戶(hù)將會(huì )轉向采用云計算。從長(cháng)遠來(lái)看，肯定會(huì )有一些網(wǎng)絡(luò )軟件會(huì )給自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)影響，例如一個(gè)機器監控應用程序。

    Josef Papenfort 博士：此時(shí)，對于大數據，即來(lái)自多種來(lái)源的大量數據，重點(diǎn)主要放在數據存儲上。由于正在存儲的圖像和視頻要用于更徹底的跟蹤和追蹤應用，數據量必然會(huì )增加。首先，我們將看到更多的離線(xiàn)分析，而這些將越來(lái)越多地地作為一種基于云的服務(wù)來(lái)執行。在風(fēng)電領(lǐng)域，這種做法已行之有年。服務(wù)供應商不需要訪(fǎng)問(wèn)風(fēng)力發(fā)電機本身的數據，而是把它從云上拿下來(lái)以進(jìn)行離線(xiàn)分析。

    在這方面，我們將能夠看到更多的實(shí)時(shí)服務(wù)嗎？

    Josef Papenfort 博士：隨著(zhù)越來(lái)越多的數據被存儲在云中，我們還將看到更多的實(shí)時(shí) - 或者更確切地說(shuō)，確定性 - 處理。有了 IEEE1588 協(xié)議之后，目前這樣的實(shí)時(shí)服務(wù)已經(jīng)實(shí)施用于實(shí)現機器同步。這種同步收集分布式數據的方式將變得越來(lái)越普遍，尤其是在測量技術(shù)領(lǐng)域，但它不會(huì )取代機器中的本地控制智能系統。另一個(gè)比較重要的方面是：我們已經(jīng)有了用于實(shí)時(shí)分析數據的技術(shù)，即送入云中。從中期來(lái)看，這些技術(shù)可能會(huì )獲得廣泛接受，以便在存儲之前過(guò)濾掉大量不重要的信息。

    這種復雜的工業(yè) 4.0 工程概念仍在可控范圍內嗎？

    Josef Papenfort 博士：現代系統正變得越來(lái)越復雜，而工業(yè) 4.0 概念只會(huì )加速這一趨勢。這就是為什么我們未來(lái)必須更加注重高效和可靠的工程。我們已經(jīng)借助 TwinCAT 3 朝這個(gè)方向邁出了一大步，從而通過(guò)諸如源代碼控制和自動(dòng)代碼生成等功能降低了工程工作量。在這里我看到改進(jìn)的可能就是提高數據管理的效率，例如，通過(guò)直接將電機設計數據傳輸到工程系統中，并可在無(wú)需花費任何額外的工作的前提下提供這一數據。

    Josef Papenfort 博士：“工業(yè) 4.0 的核心是信息 技術(shù)（IT）和自動(dòng)化技術(shù)（AT）的融合，而早在 25 年前，Beckhoff 就推出了其基于 PC 的控制技術(shù)，這項技術(shù)繼續為未來(lái)的發(fā)展提供了理想的控制架構。”

    Ursula Frank 博士：這一領(lǐng)域還有很多事需要去做。從工程角度來(lái)看，不同開(kāi)發(fā)領(lǐng)域 — 如控制技術(shù)和 E-CAD 或 M-CAD — 之間的數據傳輸，還無(wú)法做到完全無(wú)誤和無(wú)縫。目前已經(jīng)有了一些方法和解決方案，如 AutomationML 標準，但我們在這個(gè)時(shí)候并沒(méi)有有一個(gè)標準的數據庫。TwinCAT 提供很多開(kāi)放的數據導出和導入接口已經(jīng)有些年頭了。Beckhoff 的 TwinCAT E-CAD 導入程序使用的就是這些接口，可以與市場(chǎng)上的各種電子 CAD 程序直接通信。但是，仍然需要額外的工具。例如，ERP 系統中的命令數據必須能夠傳輸到工程層。但是，最重要的是數據可以在各個(gè)層面進(jìn)行共享，以使得整個(gè)生命周期內的有效和同步工程成為可能。

    作為工業(yè) 4.0 的必然結果，仿真將在工程領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用嗎？

    Ursula Frank 博士：工業(yè) 4.0 將使系統變得更復雜、更智能，也更難以預測。機器可以自行作出反應，并與其它機器進(jìn)行談判，而人腦已經(jīng)不再能夠預測到整體行為。這就是為什么功能強大的仿真工具將是不可或缺的。這是一個(gè)真正長(cháng)期的愿景，但理想情況下我們將有這樣一個(gè)工具：仿真不僅是開(kāi)發(fā)理念而且還可以自行進(jìn)行驅動(dòng)仿真。

    Josef Papenfort 博士：這樣的系統不僅可以縮短調試時(shí)間，還能夠降低系統成本。仿真可以支持所有的領(lǐng)域，如機械設計、電氣工程及軟件開(kāi)發(fā)，因為它將使我們能夠快速地通過(guò)控制技術(shù)和軟件對任一改動(dòng)進(jìn)行測試，無(wú)需修改硬件。當然，必須提供相應的接口以導入仿真模型及提供相關(guān)的數據。如今，TwinCAT 3 已經(jīng)提供了諸如實(shí)時(shí)集成 Matlab®/Simulink® 模型以及用于對仿真環(huán)境輕松進(jìn)行配置的 TwinCAT 仿真管理器等功能。

    針對工業(yè) 4.0 已經(jīng)進(jìn)行了哪些具體的研究活動(dòng)？

    Ursula Frank 博士：舉例來(lái)說(shuō)，我們是“it's OWL”（北威州智能技術(shù)系統）技術(shù)網(wǎng)絡(luò )的核心公司之一，該技術(shù)網(wǎng)絡(luò )在 2012 年被公認為是德國聯(lián)邦教育和科研部（BMBF）的”尖端集群“并且是第一個(gè)大型工業(yè) 4.0 項目。除此之外，我們正在努力制作參考模型，即適用于各類(lèi)生產(chǎn)系統的自動(dòng)化解決方案，它們可以移植到類(lèi)似的系統上。此外，ScAut 項目 — 其重點(diǎn)是科技自動(dòng)化平臺 — 已經(jīng)為自?xún)?yōu)化的智能機器和系統的開(kāi)發(fā)和運營(yíng)帶來(lái)了實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟利益。視不同的應用，諸如狀態(tài)監測和電力監測等科技自動(dòng)化功能可以節約大約 20％ 的能源，提高 10％ 的生產(chǎn)效率，并節約 50％ 的維護成本。

    關(guān)于德國倍福（BECKHOFF）

    德國倍福自動(dòng)化有限公司的總部位于德國威爾市。公司在世界各地設有分支機構，加上全球的合作伙伴，目前公司業(yè)務(wù)已遍及70多個(gè)國家和地區。

    倍福始終以基于PC的自動(dòng)化新技術(shù)作為公司的發(fā)展理念，所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現場(chǎng)總線(xiàn)模塊、驅動(dòng)產(chǎn)品和TwinCAT自動(dòng)化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開(kāi)放式自動(dòng)化系統和完整的解決方案。30 多年來(lái)，倍福公司的元件和系統解決方案在世界各地得到了廣泛的應用。 自 2001 年3月德國倍福在北京成立中國第一個(gè)代表處， 2007年5月，德國倍福在上海成立獨資公司，并將倍福中國區總部遷至上海，此后公司業(yè)務(wù)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期，目前倍福已經(jīng)在北京、廣州、成都、武漢、南京等全國 19個(gè)大中城市設立了辦事處。隨著(zhù)各種具有良好性?xún)r(jià)比的新產(chǎn)品、新技術(shù)不斷進(jìn)入中國市場(chǎng)，其勇于打破傳統控制模式，傾力推廣 PC 控制新技術(shù)的理念已被越來(lái)越多的中國用戶(hù)所接受。

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