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从德国顶级自动化展看工业4.0老树根

作者:林雪萍、陈冰、丁研、周舟2023.11.24阅读 4042

  前言:自动化顶级盛会
  要理解自动化最新的进展,恰当的舞台其实并不是国人所熟悉的德国汉诺威,而是纽伦堡的SPS自动化展会。11月14日到16日,SPS再次盛装上演。SPS展原名SPS IPC Drives展,其中SPS是德文可编程控制器Speicher-programmierbare Steuerungen的缩写,SPS、IPC和Drives体现了工业自动化的核心组件。从2019年开始,SPS IPC Drives展改为新的名字SPS(Smart Production Solutions),在缩写不变的基础上继往开来,体现了面对数字化转型浪潮,自动化系统的数字化、网络化、智能化的变革趋势。德国工业界在汉诺威工业展上做战略宣示,而重要的技术创新则率先在SPS上发布,今年的SPS的主题是“Bringing Automation to Life”,数字化、网络化和智能化仍然是热点。而它最底层的信息建模技术,正在成为大树下面的根基。
  管理壳
  工业4.0的热潮正在褪去,然而德国的根基却越来越稳固。要真正实现万物互联,并非只靠网络。这是一个最底层的信息建模机制。在德国工业4.0一开始的时候,一种用于定义资产(无论是电机,PLC还是软件)的数据格式,管理壳AAS(Asset Administration Shell)被定义出来。这种最底层的根须构建CONTROL ENGINEERING China版权所有,并不为人关注。然而它越来越变成工业4.0最为重要的根基。从工业4.0的视角来看,生产要素(产品, 设备,工艺,运输等)的组织与描述对于智能制造,至关重要。例如,当一台机床连接到管理壳这一数字空间时,所有与其需要进行协作的数字对象,都可以迅速的理解这台设备的能力,并与其进行协同与融合。
  管理壳正在成为承载德国工业4.0梦想的最重要的基础模型,正在进入关键突破阶段。AAS的标准化工作最早由德国电子电气行业协会ZVEI发起,目前转移到工业数字孪生协会IDTA(Industrial Digital Twin Association)。
  在SPS上,ZVEI展出了一个“PCF@控制柜”,控制柜内来自不同厂商的电气元件都用数字产品护照(DPP4.0)记录其产品碳足迹(PCF),从而在电控柜设计阶段就可以核算出不同配置方案的碳足迹,而AAS和数字铭牌(基于IEC 61406标准)构成了DPP4.0的关键部分。
  管理壳的价值
  在小批次生产中,管理壳的价值在于流程的打通和串联,并将原本需要人工操作的流程压缩到最短。以下是一个从下单到生产的完整流程,如果要靠人工打通,需要完成以下步骤。
  以从下单到生产的完整流程为例,如果靠人工打通,至少有七八个步骤。例如客户绘制产品CAD图纸,并与生产商询价。而生产商接收到订单后,下载CAD图纸,并使用CAM软件生成加工路径。它在后续将经历工单、产线、机床加工、成品检验和包装出厂等层层环节。每一个环节,由于大量手工环节的存在,操作很容易积累。
  如果一个厂一天需要生产1000件定制化产品,就需要多次人工操作上述流程。这种工作内容不但会把工人搞崩溃,而且因误操作导致的错误也将明显提升。
  智能制造需要流程上的自动化来提高上述工作的效率。依据管理壳标准的内容,上述业务流程的数据流需要借助于管理壳实现无缝连接。
  大名鼎鼎的斯图加特大学机床研究所ISW提供了基于AAS的Manufacturing X原型系统,体现“Plug and Produce”理念。模拟客户和制造厂商的自动下单和生产过程,产品和订单信息都通过AAS表达,甲方乙方通过IDS连接器(IDS Connector)交换AAS信息,IDS连接器是国际数据空间协会(IDSA)提供的可信空间连接器。
  
  这是一套完整的数据流体系,支持“无缝生产”。也就是打通CAX、PLM、ERP、MES、EAM(资产管理),使得产线可以快速切换。这包含了超级BOM表,也有制造信息PMI,质量追溯。要实现全程无缝流转,管理壳能够起到关键作用。
  从导入CAD(采用德国编码的eCL@SS标准),到价格评估(同样根据eCL@SS生成报价单),到根据订单CAD自动生成加工路径,都是一气呵成。
  此后生成工单(ISA 95 Job order),并把加工路径附着在工单上,自动下发到现场(ISA 95 Job Order 模型下发给OPC UA)。
  然后在产线上分解工单CONTROL ENGINEERING China版权所有,并将加工路径下发给数控机床(OPC UA → CNC)。但机床加工完毕上报工单状态(OPC UA → ISA 95 Job order)。全套工序之间的交流,全部是管理壳在起到流转和解释的作用。
  MTP:旧产线重用
  AAS可以用于整个产品生命周期,而面向柔性生产的MTP(Module Type Package)标准和方案是本届SPS的另一个热点。已有多个厂商有MTP开发工具推出。MTP是面向“Plug and Produce”的目标控制工程网版权所有,德国自动化厂商的一种新旧融合的解决方案,一个基于MTP系统包括若干个遵循MTP模块定义的自动化组件和一个过程编排层(POL,Process Orchestration Layer),每个自动化组件既可以是新的设计,也可以是已有控制系统的封装,通过过程编排体现生产柔性。
  工厂里的自动化产线,往往非常僵硬。对于化工行业尤其如此。德国过程工业自动化技术用户协会(NAMUR),提出的过程自动化行业的模块化标准MTP(模块类型封装,正在受到越来越多的关注。通过这种模型,工程师的重点可以从以设备为中心,转移到以模块为中心。这是实现柔性的一种方式。
  COPA-DATA公司在SPS上展示了如何基于该公司的zenon工具实现MTP的过程编排。通过zenon IIoT服务,第三方组件可实现简单、安全的集成,并可集中、实时地存储数据。此外,用于控制功能的zenon HMI、BDE和SCADA解决方案可确保轻松操作。因此,无论是根据客户要求进行快速定制,还是进行小批量生产,都没有任何障碍。
  目前MTP在流程行业在展开应用,但在离散制造行业,则依然处于探索阶段。它必须要简化,才能真正进入离散制造业。
  旧产线重用的做法其实一直存在,但改造的频率往往很低。在现有工程组态体系下,频繁的产线切换,不但不能带来效率的提升,反而经常会遇到实施延期,质量不稳定等困扰。流水线创建百年来,其实从来不具有“水”一样的柔性,它是刚硬的。工序之间,往往紧密绑定。一条汽车生产线,如何为了生产新型号而切换,那么准备时间要超过1个月以上。
  即使搭建一条包含5种设备的小型分拣机,如果随时要修改产线,那也是一种灾难。皮带机、分拣机、摆轮、扫码称重等无统一规范。一体机缺乏标准接口,导致设备孤岛。而且设备零部件众多,备件繁琐,维修复杂。维护每个项目都需从“0”开始,项目周期长。
  核心难点在于工程实施的效率。换线过程中,需要系统集成商重新去进行工艺设计、设备编程以及系统集成(如SCADA和MES)。由于上述工作需要由三套不同的软件独立完成,工程衔接过程中通常会出现各种拖延。
  产品设计、工艺设计和生产制造,是三个不同的环节。它们需要像三条麻绳一样拧在一起。它们相互依赖的数据,需要靠不同的软件系统进行对接。
  第一条麻绳是工艺设计到现场生产的工程。这主要是通过MTP、PLCopen、工程软件数据交换格式AML(AutomationXL)、OPC UA串起来的。这就是“可重构产线”的变形金刚。
  第二条数据麻绳是产品自身的制造信息。从图纸、到加工轨迹、再到生产线,也是一条数据管道。如一个产品,需要按照图纸和订单的信息机型生产。这主要靠的是ecl@ss,AML。而机床的接口则采用美国MT-Connect或者德国机床协会推出的机床标准Umati。
  第三条麻绳是产品生命周期。无论是生产、质检,还是售后服务过程中所产生的追溯数据,都能够“寻根”到产品设计数据上。
  如果从“第一性原理”来看,这些人为增加的异构连接,都应该一扫而空。功能模块化,接口工作量就会大量减少,MTP的价值在于能够将工艺设计、自动化编程以及系统集成高效的衔接在一起,生产现场的系统可根据工艺设计数据,自动生成相应的控制程序和系统集成方案,从而使工程效率提升6至7成,且也可以避免一系列工程实施阶段的低级错误(如数据对应关系,工程参数)。虽然MTP标准并不限定自动化组件和编排层的通信机制,但目前OPC UA已经成为事实的MTP通信标准。
  致力于控制系统硬件和软件解耦的虚拟控制器Virtual Controller,也在为MTP的落地,提供巨大的便利。SPS展上,西门子用虚拟化的3D展示来介绍他的Virtual PLC方案、Codesys公司和菲尼克斯的展台上,都介绍了其软PLC的虚拟化部署方案。力士乐的虚拟化PLC产品ctrlX已经用在奥迪产线了。奥迪生产线,一直是很开放,甚至可以说是激进。它比其他汽车厂,更积极地采用一些先进的技术,菲尼克斯的新型PLC的PLCnext也是在奥迪线上用过。
  虚拟化部署,往往依赖于边缘计算平台的支持,在SPS上可以看到一些技术组织和IT公司在积极参与虚拟控制器生态,提供高可靠性的数字化底座,推进标准化的边缘管理机制。

  这是为“即插即用”的生产线而努力。而管理壳的出现,会给MTP更快的普及。如果是管理壳负责打通业务数据流,那么MTP则负责工序重构。如果一条产线,可以像变形金刚一样自由组合,呈现各种形状,那就是未来的终极产线。MTP正在沿着这条路,往前寻找。而AAS其实扮演了上述数据共享的桥接器。
  Manufaing X:这次是供应链
  德国“M-X(Manufacturing-X)”计划最早在2022年初发布,以供应链数字化为目标。这是工业4.0平台的延伸。企业围绕供应链建立数据空间,通过数据流将企业“绑定”在一起。在今年8月份,德国联邦经济事务和气候行动部发布“研发项目资助指南”,年底将正式启动第一个研发项目。
  M-X的前置性项目,来自汽车领域。2021年德国在汽车行业实行Catana-X项目,在汽车行业的数据互联和供应链数字化,构建开放协作的数据生态系统。
  简单说,它可以让设备在IT平台上实现自动“报名”上线。类似手机会自动搜索Wifi自动加入。或者是新买的设备,在智能家居里一扫码就可以出现在配置界面。以后自动化里的仪表、电机、变频器,都具备这种“自我入列”的功能。
  可以说,所有的设备,扫一扫就会出现所有信息(使用文档,CAD,状态数据,网络配置),而且可以导入到MTP的编排层,进行集成配置。这将大大提高用户的便利性。
  然而从更宏观的角度看,这将大大增加机器的全球位置确认,从而使得生产在全球的分配和再转移,变得容易。Catana-X和M-X出现的本质,都是作为对冲国际供应链风险的一个应激反应。供应链成为德国工业4.0的新宠,让人觉得工业4.0变得越发有现实意义的考量,地缘政治风险也成为工业4.0的一部分。
  这个项目,牵扯了德国工业4.0的所有结果。这里有OPC基金会、工业数字孪生协会(IDTA)、国际数据空间协会(IDSA)、数字数据链联盟 (DDCC)、开放工业4.0联盟(OI4A)、Catena-X等。
  生态的融合
  SPS有意思的一个地方,在于可以观察大家怎么一起构建生态。本届SPS共有20多个厂商或技术组织展台涉及AAS技术及应用,分布在9个不同展馆。
  开放工业4.0联盟(OI4)是一个工业4.0技术架构的实施联盟。也是AAS的重要推动者,这个联盟是SAP联合倍福、恩德斯豪斯、赫优讯、易福门、莫迪维克等欧洲机械工程、工业自动化和软件企业成立的。为了让SPS的参观者亲身体验到AAS的易用性,开放工业4.0联盟在展会上组织了一个有趣的“Follow the Twin”竞赛,该竞赛引导观众到SPS展馆内的13个联盟成员的展台。观众可以扫描该展台上具有数字孪生的二维码,打开相关的网络应用程序。任何人只要找到并扫描五个或五个以上的数字孪生(都是由各公司根据资产管理壳AAS标准构建的),就可以从联盟展台获得奖品。

  ISW相邻展台是ISW孵化的公司ISG,重点展示机床和产线数字孪生和虚拟调试软件Virtuos方案,还有支撑Virtuos模型交换共享的TwinStore生态www.cechina.cn,而TwinStore的模型格式现在也支持AAS。ISG的运动控制和数控系统内核,已经没怎么开发了。可能自认为非常成熟了,无法超越自己,孤独求败。ISG为全球众多PLC和控制器厂商提供了运动控制、CNC和机器人解决方案,在控制软件生态中占据核心位置。越来越佛系的公司,对中国市场也不是很热心,也没有足够的服务人员。创新大师只喜欢做好技术,似乎从来不关心销售和市场。然而这些技术,都在通过管理壳CONTROL ENGINEERING China版权所有,融入到全新的生态。
  除了SAP和西门子,全球三大高端CAD厂商之一的美国PTC也计划全面对接资产管理壳AAS格式。PTC正在跟随德国的管理壳规范,跟ePlan、西克Sick一起合作。可以想象的是,未来AAS将深度融入机械、电气和软件设计的各种工程工具中。那就打通了设计到运维的流程。这意味着,AAS要破壳而出了。CAD跟AAS合体,整个数据资产的标定和流转,就会加速。而两年前,微软也推出了AAS的数据平台展示版。
  全球工业4.0的发展,出现了奇妙的情景。德国、美国一开始都有自己的思路,选择了不同的道路。但经历了六七年的发展之后,正在合流。从标准规范和组织章法来看,德国工业4.0平台的发展,更具有兼容性。而管理壳则是一个兼容既有标准、既有成果的关键桥梁,它将过去德国制造的优势,稳健地延伸到了未来。
  小记:蝶变的禅意
  从2014年开始,德国工业4.0在过去九年的发展,与其看成是一次技术的进化,倒不如看成是一个创新组织的诞生。它完整地展示了一只蚕的蝶变过程,呈现了生命体新陈代谢的禅意。在应对全新技术浪潮的时候,最大的挑战不是技术的不确定性,而是组织应对的章法。


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