信息來(lái)源：中國儀表網(wǎng) 

    我們近幾年聽(tīng)到了許多關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的訊息，它們往往是以大企業(yè)和大數據為中心，在消費領(lǐng)域探討的更多。時(shí)至今日，物聯(lián)網(wǎng)究竟對制造業(yè)產(chǎn)生了哪些影響？實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)需要具備哪些條件？在工業(yè)自動(dòng)化中，滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)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(yè)中，無(wú)論稱(chēng)為工業(yè)4.0或物聯(lián)網(wǎng)，其本質(zhì)均是機器的連接，包括將機器與機器互聯(lián)，與專(zhuān)家系統互聯(lián)以及與管理執行系統互聯(lián)等。從而通過(guò)系統架構級別較低的智能設備（按鈕、伺服驅動(dòng)器自動(dòng)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(lián)網(wǎng)不僅是將工業(yè)網(wǎng)絡(luò )擴展到設備級架構，還包括將安全、運動(dòng)、機器對機器智能、自動(dòng)維護資源和企業(yè)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(jiàn)性維護，物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，為制造自動(dòng)化也帶來(lái)了很多積極的影響。

    安全的遠程連接

    物聯(lián)網(wǎng)希望實(shí)現萬(wàn)物互聯(lián)，以便進(jìn)行診斷、配方管理、協(xié)作工程和各種數據采集（從OEE到序列化）。物聯(lián)網(wǎng)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(méi)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(shí)是這種智能傳感器已經(jīng)存在，只不過(guò)企業(yè)還沒(méi)有意識到把錢(qián)花在這個(gè)地方的好處。常見(jiàn)的疑問(wèn)比如說(shuō)，“為何額外花100美元購買(mǎi)一個(gè)有可能不小心就被叉車(chē)撞壞的智能傳感器呢？”

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

    網(wǎng)絡(luò )安全

    工業(yè)自動(dòng)化用戶(hù)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(wǎng)絡(luò )安全性。這意味著(zhù)從普通工人用螺絲刀緊銅線(xiàn)到咨詢(xún)軟件顯示的過(guò)渡。而現實(shí)中，我們的生活早已改變。我們會(huì )毫不猶豫的乘坐電子導航系統的航班。我們乘坐無(wú)人駕駛的區間列車(chē)抵達航站樓。即使開(kāi)往航站樓的汽車(chē)都與網(wǎng)絡(luò )設備息息相關(guān)（例如：防抱死制動(dòng)、安全氣囊彈出和恒速操縱器等），我們沒(méi)有擔心它們的安全性，是因為我們看不到。

    網(wǎng)絡(luò )安全對于提高生產(chǎn)力大有幫助，能夠有效防止工人試圖繞過(guò)安全系統操作。在安裝費用、測試和診斷能力方面，網(wǎng)絡(luò )安全也有許多優(yōu)勢。既要保持控制和線(xiàn)路功率又要確保工作速度、轉矩、方向和位置不會(huì )引起危害。在實(shí)施過(guò)程中還要符合傳統安全實(shí)施方案（即：將主控系統狀態(tài)與獨立控制器上的校驗做比較）。

    與E-stop急停按鈕將所有電源切斷不同，網(wǎng)絡(luò )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(guò)打開(kāi)門(mén)聯(lián)鎖裝置來(lái)清除堵塞，或在無(wú)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(wú)法快速用力，以保護維修工人的安全。

    物聯(lián)網(wǎng)對于工業(yè)安全有何促進(jìn)呢？安全系統通過(guò)確定性工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)，安全模式下的每個(gè)狀態(tài)變化、每個(gè)操作實(shí)例均被記錄下來(lái)并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送給管理人員。聯(lián)鎖裝置或光幕可傳達破損程度、時(shí)間和間隔，以幫助管理人員分析根本原因。

    安全的運動(dòng)控制

    在網(wǎng)絡(luò )安全功能中，安全運動(dòng)控制功能最為強大。通過(guò)嵌入到伺服機構/變頻驅動(dòng)（配有安全編碼器等硬件）中的智能軟件，網(wǎng)絡(luò )安全系統可保持生產(chǎn)線(xiàn)、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(guān)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(chǎn)線(xiàn)上的機器可在安全模式下繼續運行。而在過(guò)去，急停按鈕或受控關(guān)閉將會(huì )開(kāi)啟，以清除堵塞信息，進(jìn)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(xiàn)，它可以通過(guò)以太網(wǎng)連接并且成為控制面板的一部分。

    預見(jiàn)性維護

    預見(jiàn)性維護的關(guān)鍵是根據機器實(shí)際狀態(tài)而非根據固定的周期進(jìn)行監控。此外，監控機器狀態(tài)的關(guān)鍵是機械擾動(dòng)。利用加速度計等網(wǎng)絡(luò )化傳感器可檢測軸承、主軸、聯(lián)軸器和其他機械設備的頻率，預測發(fā)生故障的趨勢，以安排預先性維護。

    過(guò)程越關(guān)鍵，維護的成本越大。簡(jiǎn)單設備的故障可能會(huì )使某一過(guò)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(guò)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(gè)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(chǎn)量之后的最佳生產(chǎn)線(xiàn)速度是什么？

    自動(dòng)補償

    將更多智能推向設備級而不僅是在物聯(lián)網(wǎng)通信。這樣有助于提高性能并省去人為干預。先進(jìn)的伺服驅動(dòng)器就是一個(gè)好例子。

    驅動(dòng)器內的自動(dòng)補償能夠響應異常情況，預先消除干擾，無(wú)需技術(shù)人員對驅動(dòng)器進(jìn)行微調。無(wú)需引入示波器功能，也不用再插入筆記本電腦。

    自動(dòng)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(guò)去，這一過(guò)程需要手動(dòng)重置新組件，通常需將軟件加載到PC?，F可自動(dòng)完成，無(wú)需用戶(hù)干預。

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

    這意味著(zhù)不需要任何技術(shù)員，無(wú)需維護軟件，無(wú)需升級軟件許可證，無(wú)故障顯示，也不用預先將備用組件放置在架子上等著(zhù)落滿(mǎn)灰塵。

    智能I/O切片

    將智能推向設備級的另一實(shí)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(guò)背板、PLC的CPU和系統掃描。結果是響應時(shí)間短至1微秒。

    這種前所未聞的超快速度是否有實(shí)際用途？考慮如下的應用，是否會(huì )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IEC61131-3語(yǔ)言編程，不過(guò)它們僅在切片級執行。

    分布式運動(dòng)控制

    具有以太網(wǎng)通信和板載I/O功能的機載集成式電機/驅動(dòng)器早已屢見(jiàn)不鮮。如今，這一概念已擴展到機載分布式密封驅動(dòng)器，以幫助傳統的電機達到更高的轉矩和速度要求。此外，小型驅動(dòng)器（例如：格式轉換所用的步進(jìn)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(jià)固態(tài)存儲器可以大幅節約成本，促使機器更高效。根據作業(yè)指導書(shū)，操作員和技術(shù)人員利用動(dòng)畫(huà)和視頻走查的益處是有據可依的。

    為何不將這些動(dòng)畫(huà)與控制系統中的故障代碼相關(guān)聯(lián)，并使操作員按第一梯隊的故障排除進(jìn)行走查?通過(guò)虛擬網(wǎng)絡(luò )計算（VNC）和Wi-Fi，動(dòng)畫(huà)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(chǎn)線(xiàn)，并連接到交互式故障排除輔助工具。

    這一過(guò)程稱(chēng)為“自主維護”。其意味著(zhù)維護技術(shù)員無(wú)需取回生產(chǎn)線(xiàn)上的機器，因為即使是缺乏經(jīng)驗的操作員也可自行處理問(wèn)題，并可克服語(yǔ)言和讀寫(xiě)障礙。

    當然，如果問(wèn)題無(wú)法解決，則控制器將向值班的維護技術(shù)員發(fā)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(gè)新部件。與此同時(shí)，故障也會(huì )被好好記錄下來(lái)，并上報管理部門(mén)、機器制造商和組件供應商。

    工業(yè)4.0與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：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(yè)4.0將是一件了不起的事。坦言講，當時(shí)我嘲笑這明顯是促銷(xiāo)信息。我對物聯(lián)網(wǎng)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(méi)有人愿為此額外支付100美元。因此，當輸送帶堵塞時(shí)，就只能耗費時(shí)間走查生產(chǎn)線(xiàn)，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(chǎn)線(xiàn)控制器以及生產(chǎn)線(xiàn)上任何HMI的狀態(tài)模型中發(fā)現問(wèn)題。技術(shù)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(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)其實(shí)質(zhì)是相同的，不同之處在于思維。

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

    在德國和整個(gè)歐洲，技術(shù)專(zhuān)家傾向于將技術(shù)銷(xiāo)售給其他技術(shù)專(zhuān)家。這種做法與美國相反。在美國，技術(shù)專(zhuān)家需說(shuō)服關(guān)注季度財報的財務(wù)經(jīng)理增加對科技的投資，以保持競爭力并產(chǎn)生有機增長(cháng)。我認為這恰是美國物聯(lián)網(wǎng)支持者傾向于強調大數據而非可聯(lián)網(wǎng)機器的原因。他們正在將IT解決方案出售給首席財務(wù)官。

    這是否意味著(zhù)工業(yè)4.0比工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)更有可能改變工廠(chǎng)自動(dòng)化？我確信歐洲工業(yè)更相信可聯(lián)網(wǎng)機器的愿景。因此，信奉這一愿景的機器制造商和技術(shù)供應商應該首先瞄準歐洲市場(chǎng)。

    歐洲稱(chēng)為工業(yè)4.0，別的國家和地區可能也有各自的叫法。無(wú)論在這些市場(chǎng)上的名稱(chēng)是什么，其實(shí)質(zhì)都是萬(wàn)變不離其宗。莫讓您的機構陷入工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的爭論中，其實(shí)它們是一回事，即通過(guò)以太網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)連接機器，實(shí)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(yè)物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)標準

    從以太網(wǎng)到互聯(lián)網(wǎng)

    物聯(lián)網(wǎng)是基于TCP/IP、HTTP、FTP和其他普遍接受的互聯(lián)網(wǎng)通信標準，包括從基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )到局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)?，F如今，即使是廉價(jià)的控制器預計也會(huì )提供網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器和一個(gè)或更多以太網(wǎng)連接。

    工控系統的網(wǎng)絡(luò )安全

    ISA/IEC-62443（ISA99）對工控系統網(wǎng)絡(luò )安全措施進(jìn)行了全面概述。其為復雜的主題，需要主題專(zhuān)家的參與?？傊?，IT有安全標準，自動(dòng)化也要有安全標準。

    安全VPN服務(wù)器和托管云服務(wù)現被廣泛使用。滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化特定需求的安全服務(wù)正在興起。安全VPN功能正在內置于自動(dòng)化軟件套件中。具有大量IT資源的廣大用戶(hù)和集成商可通過(guò)這些接口連接自己的資源。機器制造商和用戶(hù)可采用軟件即服務(wù)解決方案，無(wú)需投入額外的IT基礎設施。

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

    VNC訪(fǎng)問(wèn)

    虛擬網(wǎng)絡(luò )計算是物聯(lián)網(wǎng)的縮影。VNC是開(kāi)源共享系統，允許遠程訪(fǎng)問(wèn)具有物聯(lián)網(wǎng)功能的控制器，而不需使用供應商軟件包。無(wú)需任何許可證和專(zhuān)用通信軟件或硬件。您只需要知道控制器的IP地址。

    開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )安全

    如果沒(méi)有開(kāi)放的標準，物聯(lián)網(wǎng)必將失敗。物聯(lián)網(wǎng)無(wú)法忍受封閉系統，原因是它將連接萬(wàn)物。網(wǎng)絡(luò )安全也具有國際標準。openSAFETY協(xié)議棧是openSAFETY技術(shù)規范符合IEC61784-3-13的實(shí)現，且可獲得免費許可。

    此外，經(jīng)測試和證明，openSAFETY可運行在主要工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的應用層：Profinet、EtherNet/IP、Modbus TCP、SERCOS III、EtherCAT和POWERLINK。不過(guò)，用戶(hù)可以指定供應商的openSAFETY協(xié)議。

    專(zhuān)用協(xié)議（限于最初設計所面向的網(wǎng)絡(luò )）不支持物聯(lián)網(wǎng)。其原因是這些專(zhuān)用協(xié)議將限制連接性，并會(huì )有效限制第三方訪(fǎng)問(wèn)，以開(kāi)發(fā)主機接口而非從機接口。為實(shí)現開(kāi)放性，安全務(wù)必允許任何自動(dòng)化供應商開(kāi)發(fā)兼容的控制器和設備。

    ISA TR88.00.02

    此標準被廣泛稱(chēng)為OMACPackML。其描述了一個(gè)狀態(tài)模型、模式和標簽命名，最初預期與包裝生產(chǎn)線(xiàn)（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(dòng)化與控制組織（OMAC）開(kāi)發(fā)。其被證明與任何離散控制方案有同等的良好相關(guān)性。經(jīng)過(guò)國際自動(dòng)化學(xué)會(huì )（ISA）審批流程，OMAC明確采納了此標準，成為一份ISA技術(shù)報告，ISA TR88.00.02。OMAC接下來(lái)將啟動(dòng)國際電工委員會(huì )（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(guān)鍵標準。

    OPCUA

    OPCUA（IEC 62541）是OPC基金會(huì )所開(kāi)發(fā)的OPC統一架構，以替代最初的OPC（用于過(guò)程控制的OLE，OLE表示對象鏈接與嵌入，基于COM的微軟接口）。

    OPCUA基于網(wǎng)絡(luò )服務(wù)且與平臺無(wú)關(guān)。PLCopen（代表IEC 61131-3）和OPC基金會(huì )之間正在開(kāi)展合作，致力將OPCUA確定為流行的控制編程標準。預計會(huì )遵循OMAC新方案、ISA TR88.00.02(PackML)。

    相比PLC供應商所提供的專(zhuān)用數據采集工具并限于他們的產(chǎn)品，OPCUA是真正的國際標準。OPC通信滿(mǎn)足以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)之間，以及工廠(chǎng)和管理系統之間的數據處理需求。