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工业互联网:生而联接工业要素

www.cechina.cn2019.06.12阅读 5339

  什么是工业互联网,一百个人有一百种解读。每个人心中都有一个哈姆雷特,每个人心中都有一个工业互联网,每个组织机构都给出了一个自己理解的工业互联网的定义或内涵。
  一.工业互联网:“联接-管控-优化-效益”
  美国GE公司给出的工业互联网定义是:“通过全球的工业系统与先进计算、分析、低成本感知能力与互联网带来的新联接水平相互融合而持续发生。”
  日本的“互联工业”是一个与工业互联网高度近似的工业转型升级活动。它的内涵是通过实现物、机器设备、企业、人、数据、乃至生产和消费的相互联接,由联接而创造新价值,产生新技术、新产品和新服务模式。
  中国工业互联网产业联盟给的定义是:工业互联网的本质是以机器、原材料、控制系统、信息系统、产品以及人之间的网络互联为基础,通过对工业数据的全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和高级建模分析,实现智能控制、运营优化和生产组织方式变革。
  工信部工业互联网研究院认为:工业互联网是新一代网络信息技术与制造业深度融合的产物,是实现产业数字化、网络化、智能化发展的重要基础设施,通过人、机、物的全面互联,全要素、全产业链、全价值链的全面链接,推动形成全新的工业生产制造和服务体系,成为工业经济转型升级的关键依托、重要途径、全新生态。
  其它形式的定义和阐述还有许多,不再一一赘述。尽管各方见解未必完全相同,但是无论如何,其中的共识是:联接机器设备,联接工业系统,联接各种工业要素(工业“端”),是工业互联网的基本内涵之一。
  对于工业互联网,笔者也“工业互联网如何促进制造业高质量发展”一文中,给出了自己的见解:今天的工业互联网,是以工业以太网为主体并不断将因特网技术融入的工业网络。毫无疑问,工业互联网首先是联接工业要素的,是联接工厂里的机器设备和工业系统的。笔者在该文中提出了通过广泛联接机器设备和工业系统而满足“联接-管控-优化-效益”的五个基本逻辑:
  因为跨越时空联接了工业设备,所以可以实时管控大范围分布的多种机器设备和企业供应链,甚至将管控延伸到客户手中的智能产品;
  因为全面准确地做好数据采集、处理和追溯,所以可以将准确可靠的数据用于产品模型、业务模型和市场预测,支持企业各类计算和决策;
  因为数据自动流动“不落地”,所以可以让正确的数据,在正确时间,以正确版本,给到正确的人和机器,把事情一次做对,一次做优;
  因为软件已经形成了闭环控制,所以可以让机器自治CONTROL ENGINEERING China版权所有,人离开系统回路,机器可以在无人介入的情况下做同样的事情,甚至做得更好;
  因为可以在较大范围内优化配置制造资源,所以可以让规模化的超大型企业实现精细化、集约化管理,实现复杂系统级别的整体优化。
  (上述观点参见笔者“工业互联网如何促进制造业高质量发展”文章)
  因此,工业互联网产生效益的起点就是联接工业设备和工业系统,产生效益的终点,是把赛博系统中生成的控制指令送入机器设备的控制器,精准地控制设备运行。因此,工业互联网的首要任务就是实现各种机器设备和工业系统的互联互通!如果有人闪烁其词,绕来绕去,从云到雾,说了一大堆高大上的“先进术语”,介绍了一大堆联接电脑、手机(和背后的人)、经典的制造业信息化软件的方案,就是不谈如何联接各种机器设备和工业系统,那他就一定是在回避最重要的问题,一定是无法提供真正的工业互联网解决方案的。
  工业互联网的历史渊源,大概要从上个世纪开始的设备物联网说起。
  二.设备物联网的五个发展阶段
  1969年,美国数字化设备公司研制出世界上第一台可编程逻辑控制器(PDP-14);1971年,日本研制出第一台可编程逻辑控制器(DCS-8),由此而拉开了德国人界定的“第三次工业革命”的序幕。
  可编程逻辑控制器的英文简写为PLC(Programmable Logic Controller),是在第二次工业革命中广泛使用的继电器基础上,融合了计算机技术而发展起来的一种数字运算操作的控制装置。其内部具有一定数量的可编程存储器,可在这些存储器上存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令,通过模拟或数字信号的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。
  兰光创新公司朱铎先董事长与笔者在合著《机智》书中提到,DNC一般通称为机床联网。狭义的DNC概念是指用一台计算机实现多台机床的程序传输,广义的DNC包含了程序网络传输、程序编辑仿真、程序管理、设备监控与数据采集、大数据分析与报表展现等内容,是对数控设备进行网络化管理的一套综合系统,是机械加工类车间不可缺少的信息化管理系统。
  MDC (Manufacturing Data Collection),直译是制造数据采集,由于当前市面上大部分MDC解决方案都是以机床为采集对象,所以很多人称之为机床监控系统。MDC通过先进的软硬件采集技术对数控设备进行实时、自动、客观、准确的数据采集,实现生产过程的透明化管理,并为MES系统提供生产数据的自动反馈。MDC既可以单独构成应用系统,也可以与DNC其他模块配合使用www.cechina.cn,可认为它是广义DNC系统的一部分。
  设备联网与数据采集系统一般叫DNC/MDC系统,或者叫设备物联网系统。当然,设备物联网与DNC/MDC还是有所区别的,设备物联网的应用广度与深度都要较DNC/MDC更广、更深,可以认为设备物联网是DNC/MDC新的发展阶段。
  现在,DNC/MDC已经从单纯的数控机床联网管理,进化成为各类数字化设备联网管理的系统,将数控机床、机器人、检测设备、热处理设备等数字化设备进行联网与数据采集,是CPS(赛博物理系统)在车间的具体应用。
  图1阐述了设备物联网发展的五个阶段。

 图1 设备物联网的五个发展阶段
  (上述图文来自“《机智:从数字化车间走向智能制造》”)

  从这段简要回顾可知,设备物联网从1969年就开始了自己的发展,同期,因特网的鼻祖“阿帕网”也开始了自己的发展。可以认为设备物联网与因特网同属于互联网大家族,共同构成了互联网应用的大家族。也正是设备物联网与因特网在时间上并行发展,技术上相互借鉴,形成了基于TCP/IP(传输控制协议/因特网互联协议)的工业以太网。
  在应用上,工业以太网和设备物联网形成了工业互联网,因特网形成了消费/社交互联网。关于二者之间的区别与联系,昱辰泰克公司尹金国总经理这样比喻:“从技术发展的角度来看,我认为工业互联网和消费互联网没有谁早谁晚,谁控制谁的问题,而是从同一片土壤中生长出来的两朵不同的鲜花,这两朵鲜花都很美,都各自有不同的芬芳,但是却是两个不同的物种,只是发展到最后,两朵鲜花在枝肥叶茂的时候相互交织在了一起,交织的空间就是用户和市场。”
  既然工业以太网和设备物联网是用于联接机器设备和工业系统的,那么如何联接机器设备,就成为了让工业互联网落地的基础中的基础,关键中的关键。在联接机器设备的过程中,存在着大量的难点和痛点,是绕不过去、必须攀登的“珠穆朗玛峰”。
  三.机器设备和工业系统联网的难点
  无论制造发展到什么模式/范式,机器设备发展到何种先进程度,设备的联接和数据采集都是生产中最实际、最高频的需求,也是工业互联网“成网”的先决条件。如果连机器设备都联接不上,数据都无法正确地采集出来,无法做有效的数据分析,那些口头高喊工业互联网、实际上没有真正干过机器设备联网的人,基本上就哪凉快就去哪里歇着吧!
  机器设备和工业系统联网,所需联接的工业要素很多,涉及范围较大。通常,工厂、市政、油气、电力、矿山、物流、汽车、大型设备、楼宇等工业系统,都会涉及到,都在采集数据的范畴之内。
  笔者通过走访企业发现,要想把各种工业要素有效地联接起来,会遇到各种各样的问题,有多个难点需要攻克:
  难点1:设备本身不“生产”数据某些早期的物理式机器设备,或者在最初设计时认为不需要添加数字化模块的设备,如大到工业锅炉、港机等,小到缝纫机、电熨斗等,这些设备中既没有传感器,也没有计算内核(芯片)等。如果想加装传感器、芯片等数字化模块,则会有很多不可预知的难点。
  难点2:数字模块不开放某些工业设备本身有数字化模块,但是这个模块不开放,数据只是封闭、隐藏在设备内部使用,没有任何可以读取内部数据的物理接口。暴力拆解有可能损坏设备。
  难点3:数字模块被做手脚某些工业设备本身有数字化模块,也有可以读取内部数据的接口,但是被原设备厂商做了手脚(如多台设备设置成同一个网址),事实上封死了多台设备同时联网的可能性,造成无法有效读取设备数据。
  难点4:数字模块被加密某些工业设备本身有数字化模块,也有可以读取内部数据的接口,但是数据被加密处理,如果没有解密模块,根本无法识别数据的格式。例如,某企业购买了600台先进的横织机,每台机器90多万人民币,但是花费巨资买了这些设备并不能保证正常使用,每年还要缴纳600万元(1万/台)人民币的“通信服务费”数据解密模块的使用费!
  难点5:不同的总线和协议即使没有上述难点,不同的总线和协议仍然是设备联网的拦路虎。众所周知,自改革开放以来,因为历史原因,中国的工业设备是“万国牌”,各种存量设备比比皆是,形成了与欧、美、日截然不同的基本国情(他们的设备种类集中在一两种总线和几种常见协议上)。
  国际上曾经形成了工业以太网技术的四大阵营,主要用于离散制造控制系统的是:Modbus-IDA工业以太网;Ethernet/IP工业以太网;PROFInet工业以太网。主要用于流程制造控制系统的是:Foundation Fieldbus HSE工业以太网。
  但是,不同国家的不同公司,基于自身利益的考虑,并不愿意完全遵从某种工业以太网协议,而是从有利于自己产品的立场出发,对现有协议进行某种改进,形成其各自的现场总线技术。截止目前为止,在工控领域到底有多少种现场总线,谁也无法说得非常准确。一种说法是,目前全球工业界大约存在四十余种现场总线,还有人说是七十多种,但是根据北京亚控科技公司郑炳权总经理的介绍,以他二十多年的设备联网经验来看,全球的“万国牌”存量设备在中国都见到过,现场总线的各种变种已经接近二百个,所遇到的不同设备驱动协议超过了5000种。
  尽管各国的主流厂商也一直呼吁统一现场总线和设备驱动协议,例如德国的工业设备集成提出了OPC UA协议,而北美和日本提出了MTConnect协议,统一之路早已经开始走,但是在各方利益的牵扯下,这条“统一”的道路注定很漫长。因此,面对中国国情,手头不掌握几千个设备驱动协议的“金刚钻”,还真揽不了机器设备联网的“瓷器活”。
  四.联网后数据采集和分析的痛点
  设备联网之后,还只是万里长征刚刚走出前几步。随后就要大量采集数据,为工厂监控中心(SCADA/HMI)、能源管理系统(EMS)、制造执行系统(MES)、企业资源计划系统(ERP)等数字化业务系统提供原始数据支撑。
  工业数据的采集、管理、转发与共享,一直是制造业的难题。在现实操作中,面对机床、特种设备、机器人、子系统、特殊模块、控制器、仪表、板卡及电力、楼宇等,很多工业现场都有数据接口种类多、协议难以统一、缺乏有通用性的架构设计等问题。因此,通常在联网和数据采集时会遇到三大痛点:
  痛点1:数据采集问题因为不能影响工业现场的生产进度,通常现场经常遇到调研进展慢、开发难度大,验证维护周期长,严重影响了数据采集项目的开发与实施进度,特别是在验证与维护方面还存在很多的隐性成本,在意想不到的地方还会冒出问题。工业现场设备联网需涉及的问题如图2所示。

  图2 工业现场设备联网中的数据采集问题

  痛点2:软硬件适配问题传统DTU(Data TransferUnit)只能解决串口数据的转发,且采集频率较低。主要应用于供水、供热等低频数据采集场景,可以接受1-2s延时的场景。工业网关可以解决串口、以太网链路的数据转发,但所支持协议有限,且很难形成完整的解决方案。传统SCADA软件支持的驱动多,可以对外转发控制工程网版权所有,有完整的解决方案,但上位机部署成本比较高。因此,工业现场设备联网中还存在大量软硬件适配问题,如图3所示。

  图3 工业现场设备联网中的软硬件适配问题

  痛点3:怎么用好数据面对既有数据,如何实现设备物联网数据的共享、分发、分析与协同?如何挖掘海量实时/历史数据的价值?如何从远程监视、远程配置参数,提升到在较大范围内协调配置资源、改进制造工艺、优化排产计划、完善质量追溯体系等,并由此而为企业创造价值?
  以上三个痛点问题都严重制约着数据采集和处理的速度与质量。
  五.让工业互联网轻松“成网”
  为了克服以上痛点和难点,为了更好地联接各种机器设备,显然应该有一款被称作“工业数据平台”的软件,去实现以下几个为企业着想、为企业谋利、让工业互联网“成网”的目标:
  ⑴部署灵活性:平台独立可扩,多站点灵活分布;
  ⑵数据完整性:多种冗余机制,完备的数据存储;
  ⑶项目延展性:项目升级改造,规模随意伸缩扩;
  ⑷接口统一性:接口丰富多样,数据源标准规范。
  这样的工业数据平台软件,既有深度,能够扎根于现场设备、生产工艺,又有宽度,能够兼容各个子系统,提供整体的解决方案,还要有高度,能够基于采集的数据进行设备行为的洞察与预测。最关键的是,让企业的设备联网不再成为拦路虎,有了轻松易用的解决方案。
  笔者在近期调研中发现,这样的工业数据平台已经被研制了出来,用在了工业互联网的机器设备实践之中。该工业数据采集平台具有以下特点:
  广泛的设备支持
  支持1500余个厂家、5000余种设备驱动协议;
  支持PLC、DCS、智能模块、智能仪表、板卡、变频器等设备;
  支持COM、TCP、UDP、GPRS、编程口、USB等多种链路;
  支持OPC、Modbus、Bacnet、Lonworks、IEC101、IEC104、DNP等标准协议;
  支持采集第三方系统数据;
  支持定制开发非标设备数据采集。
  多种冗余机制,快速切换:双IOServer、双设备、双网冗余;
  跨地域、跨网络的数据采集和传输;
  可支持每秒采集5万点变量CONTROL ENGINEERING China版权所有,且可长期稳定运行;
  同一台电脑可同时运行多个工程;
  可作为OPC UA客户端,采集第三方数据。
  笔者认为:支持1500余个厂家、5000余种设备驱动协议(基本上国内“万国牌”存量设备都可以联接),支持所有标准协议和非标协议,长期稳定运行等CONTROL ENGINEERING China版权所有,这些都很好地契合了工业界的联网需求,为工业互联网的落地扫清了技术上的障碍。
  六.小结
  工业互联网的“第一性原理”,就是要广泛地联接各种机器设备和工业系统,由此而实现“联接-管控-优化-效益”的基本逻辑:由联接而实现数据采集,由数据采集而实现设备监测和行为洞察,由此而有凭有据、精细化地进行制造资源的优化配置。
  联接机器设备需要对工业要素有深入的理解和深厚的技术沉淀,需要攻克各种设备联接上的难点。熟知众多的现场总线和掌握数千的设备驱动协议是联接机器设备的关键。手头不掌握几千个设备驱动协议的“金刚钻”,还真揽不了机器设备联网的“瓷器活”。
  联接机器设备后,建立稳定的数据采集过程和有效的数据分析洞察,是工业互联网实施的要点。
  工业互联网理念再好,也需要通过联接各种工业设备来实操落地。
  工业互联网口号再亮,也需要通过大范围优化工业资源来创造价值。
  工业互联网,生而联接工业要素。任何不能有效联接机器设备和工业系统的“工业互联网”,都是“假工业互联网”或“伪工业互联网”。
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