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  • 全自动智能工厂急需增强「主动」互联能力
  • 来源:机器之能

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IIoT这个词,既可以被翻译成「工业互联网」也可以被翻译成「工业物联网」很多人对此略有疑惑,甚至有人专门抠出「物、互」二字展开讨论,认为工业互联网涵盖了工业物联网,重在联网,而工业物联网则重在物联网的应用。

形式并不重要,互联也好,物联也罢,都是通过工业应用的互联为企业生产提供服务的。目前,从我国国家层面的工业互联网战略来看,高层更喜欢提「互联」二字,这也正是IIoT的关键所在,工业场景以及场景中的各种应用最关心的还是「互联」。

互联不是单纯的数据传输,工业设备之间不仅要能连的上,还要连的好。把连接用起来,实现数据互通,设备管理。将工业场景中分散的人、物、系统以及各种要素整合在一起,利用这些连接优化业务,最终实现全自动化生产和智能制造。


作者 | 齐健

连接是工业互联网的核心。IIoT对工业的赋能点在于利用数据、信息,优化业务,降本增效。而无论是收集数据还是优化业务都需要以「互联」为载体。

截至2021年4月,我国在建的工业互联网项目超过1100个。一时间,几乎每个能想到的工业场景都可以落地工业互联网应用。

从产线上的机械手到仓库中的机器人,从工厂里的可穿戴设备到运输中的作业车辆,从灼热的高炉到深海中的钻探机,每天都有数十亿设备连接入不同的工业互联网中,上传生产过程中的数据。

 一 

基于单向通信的「被动」互联

据IDC曾预测,到2025年,将有416亿台设备接入物联网,每年产生的数据量达到794亿TB,相当于哈勃望远镜运行80亿年的数据量。在工业场景中,企业需要对海量的数据进行智能化分析处理,才能使工业互联网产生真正的价值

通过网络,工业场景中的各种设备可以连接到统一平台,将设备传感器采集到的数据传送到边缘平台或云端主脑,利用ML/DL等人工智能技术,对数据进行智能分析,得到优化的结果。再利用网络连接,把优化结果反馈到设备上。

工业场景中的联网设备量巨大,但其中很多的IIoT连接还属于「被动」连接,只发挥了「上传数据」这一项功能。大量的设备只允许单向通信,设备只能采集数据,用户无法直接通过工业互联网对设备进行操作和响应,并不能完成优化结果的反馈。

从预测性维护到产能优化,虽然通过对设备上传的大量工业数据进行智能分析,工业互联网已经帮助很多企业实现了效率提升,但这种应用还不是真正的「互联」,工业互联网对产业的推动力还有很大的提升空间。

 二 

工业互联网的下一个阶段——「主动」互联

如果说工业互联网的第一阶段在于数据收集与处理,那么下一个阶段将在于如何建立设备与用户之间的直接连接。通过基于工业互联网的连接,实现设备间的双向通信和远程控制,把智能优化结果直接反馈到生产现场。使工业互联网平台在「被动」接受数据的基础上,可以「主动」控制各种场景应用。

设备间的直连与双向通信可以使业务决策快速下达到生产流程中,并在跨地域互联的基础上同步操作。通过实时化远程操作,设备无需工程师手动更新,支持双向通信的设备可以远程完成诊断、故障排除、编程和更新等工作,降低人力成本、节省时间并提高效率。

设备双向通信还可以提高数据的实时性,提高预测性维护的效率。直接将操作信息反馈到设备中,可以完成自动停机、重启,利用机器人进行维护和备件更换,真正实现无人化生产。例如,在压缩机运行过程中,检测到异常振动,工厂可以直接给设备下达降低功率的指令,以便在维护前把停机风险降到最低。当检测到温控设备效率下降时,可以尽早干预,并设置温度周期,从而保障生产效率。

甘肃酒钢在西沟矿的「5G+智慧矿山」中,落地了了基于工业互联网的远程设备控制。西沟矿主要针对矿山钻孔、铲装和运输等三个环节的牙轮钻机、电铲和矿用卡车进行了智能化升级改造,基于工业互联网,实现设备的互联互通。利用5G网络,将升级后的设备指令传输到控制端,远程操控牙轮钻机行走及钻孔、遥控电铲进行智能化作业、实现矿用卡车自动驾驶及自动卸车等,目前已具备钻、铲、车一体化联合作业能力。

西沟矿总经理魏东表示,5G网络有效助推了矿山设备的「数智化」运行,对建设「机械化换人、自动化减人、智能化无人」的绿色智慧矿山意义重大。在降低企业经营成本、改善作业环境、提高工作效率的同时,通过矿卡自动驾驶、电铲和钻机远程操控实现了人机分离,有效降低了生产过程中的安全风险,生产率较改造前提高了33%。

图片电铲司机在酒钢西沟矿5G智能矿山集控室中进行远程操控

远程设备控制、双向通信是智能化、自动化的开端,下一步的智能化革新方向应该是结合工业互联网的智能决策对设备进行自动化、智能化的控制,进一步推动智能制造的场景落地,真正打造无人化的工业场景。

 三 

「主动」互联的技术关键

如果说工业互联网的第一阶段在于数据收集与处理,那么下一个阶段将在于如何建立设备与用户之间的直接连接。通过基于工业互联网的连接,实现设备间的双向通信和远程控制,把智能优化结果直接反馈到生产现场。使工业互联网平台在「被动」接受数据的基础上,可以「主动」控制各种场景应用。

在一张「工业互联网」当中,需要连接的工业要素很多,覆盖了企业全流程,产品全生命周期,供应链上下游,并横跨不同领域、设备以及地域。其中充斥着各种各样的专有联接性技术,以及垂直集成系统中的一些针对较小特定范围的应用案例及优化标准。

这些特定范围的联接技术虽然在各自应用范围内还是相当优化的,但是对于建立新的价值流,以及打开全球的IIoT市场,却形成了数据共享、设计、架构乃至通信诸方面的障碍。

目前国际上现存的总线/工业以太网协议数量至少也有40 余种。其中还存在一些自动化控制企业,直接采用私有协议实现全系列工业设备的信息交互。在这样的产业生态下,形成了一个个竖井型的业务系统,同一个系统内的数据可以一定程度的互通,但跨系统的数据互通非常困难。

IIoT联接性的首要目的是要让这些相互隔离的孤立系统数据开放流动,使得这些封闭的组件和子系统之间能够共享数据,并实现可互操作性,以至在各种行业内和各种跨行业的新型和新兴的生态应用得以形成和发展。

然而,在复杂工业场景中要实现数据采集,统一分析已经不易,再要将分析结果直接反馈到设备中则更加困难。

传统设备的数字化难题:现代工业在过去几十年中,已经形成了一定规模,很多工业设备在设计之初并未考虑数字化,或数字化模块很弱。一些具备数字化连接基础的设备,设置了数字化保密模块,或不开放控制协议。在这些设备的上网过程中,即便是「被动」互联也很难实现。

设备连接的标准化难题:有了数字化模块和开放的接口,数字化设备之间的互联互通还需要标准化的数据格式和设备协议。在数据层标准,有用于制造领域的WirelessHART数据链路协议。在网络层,IETF正在开发一套将IPv6数据包封装在不同的数据链路层帧中的标准,用于IIoT应用程序(例如6LoWPAN)。工业互联网还具有许多标准化的会话层协议,例如消息队列遥测传输(MQTT),应用约束协议(CoAP)和数据分发服务(DDS)等。在众多协议的基础上,不同厂商的设备也会基于各种自身考量做出不同的修改,导致现场总线和协议千差万别。

图片工业互联网连接与协议

由于工业互联网体系架构下的技术、组件过于复杂,要实现「主动」互联的工业互联网,就必须构建统一的标准和体系,以云为平台增强设备、软件、系统的现场级互通,最终实现工业互联网的集成解决方案和业务模型。通信协议和连接的标准对于设备的无缝连接以及设备间的数据传递至关重要。

为了满足数据互通的需求,业界进行了一系列建立统一数据互通方式的努力,希望能使用一整套接口、属性和方法的标准集,提供工业互联网工厂系统中各系统、各单元数据的无缝集成。

目前,较为成熟的标准体系包括:面向工业现场设备的 OPC UA,面向轻量级设备的 LightweightM2M,以及oneM2M物联网标准体系。

工信部在不久前推出的《工业互联网创新发展行动计划(2021-2023年)》中重点提及了标准体系建设工作。计划全面推进标识解析增强行动,引导企业建设二级节点不少于120个、递归节点不少于20个。开展标准建设行动,实施标准引领和标准推广计划,完成60项以上关键标准研制。推动工业设备和业务系统上云、上平台数量比2020年翻一番。同时,工信部还将重点推动网络体系强基行动,加速IT与OT网络深度融合。在10个重点行业打造「5G+工业互联网」融合应用先导区,建设30个5G全连接工厂。

 四 

工业互联网的标杆——智能化的「黑灯工厂」

当下,工业互联网的软件、硬件供应商,工业设备供应商以及各行各业的应用企业都在努力向着「主动」互联、智能制造、全自动化和无人化的方向努力。

2020年的新冠疫情,导致了全球范围内的大量工厂停产,对各行各业的影响绵延一年,且还没有缓解的趋势。疫情的停工停产对于智能化程度高,工业互联网应用深入的企业影响很小,即使在疫情严重地区,也有大量高智能化的「黑灯工厂」迅速实现复工复产,一些无人工厂甚至完全没有停产。

联想武汉工厂:联想武汉产业基地,是联想目前全球最大、最先进的自有工厂。在疫情期间武汉工厂加紧自主设计、创新开发的“量子生产线”。这条产线运用5G等技术,可实现自动化、数字化的智能生产,降低200%的员工密度,提高生产效率20%。每天都有大量手机、平板产品在这里下线。

2019年,联想武汉工厂即在一些楼层实现了SIoT(智能物联网)的全覆盖,并持续将智能物联技术推广到全厂。同时,联想也在尝试将5G、SIoT、仿真等技术融合到生产线上,打造电子消费类产业里面自动化难度最高的人工智能组装线,把自动化率从一般产线的20%~30%提高到40%~50%。

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联想武汉智能工厂

宝钢智能冷轧车间:宝钢股份的上海宝山基地工厂,实现了覆盖全厂的智能制造系统不仅提升生产效率,更在特殊时期,实现了疫情防控和稳产、高产的有效平衡。在疫情最艰难的时刻,上海宝山基地的这个工厂也没有停工。

通过智能化改造,冷轧车间实现了行车无人化,库区管理和钢卷驳运等物流作业无人化;机组入口拆捆、锌锅捞渣、出口取样、打捆和贴标等作业全部应用机器人技术。

冷轧厂C008热镀锌智能车间实施各环节无人化运作后,吨钢能耗下降了15%,综合污染物吨钢下降30%、劳动效率提升30%,产能提升20%,加工成本下降10%。

图片宝山钢铁的黑灯工厂

富士康智能工厂:自2012年第一座关灯工厂在成都投入使用以来,富士康旗下的工业富联已经在深圳、成都、郑州、太原等地运行了6座关灯工厂,包括了精密机构件加工工厂、智能刀具加工工厂、精密组装、测试及包装工厂等。

目前,六座关灯工厂已发展出设备监控维修预测、质量检测预判改进、能耗监控物流配置、产量优化智能调度、制程参数调整优化等多项基于工业现场的人工智能应用。其中深圳工厂整个项目导入108台自动化设备,并已完成联网化。制程中SMT导入设备9台,节省人力50人,节省比例96%;ASSY导入设备21台,节省人力74人,节省比例79%;Test导入设备78台,节省人力156人,节省比例88%。

图片深圳富士康龙华科技园智能工厂

小米智能工厂:位于北京的第一代小米智能工厂于2020 年初投产,这座黑灯工厂具备大数据分析、自然语言理解、自适应能力等多种技术,工厂中的系统能够实现自主识别、判断、推理,甚至还能让系统不断学习优化自己,实现智能决策。

小米智能工厂的生产管理、加工和运输实现了全程自动化。只需要 100 多名工程师值守,即可拥有百万台高端智能手机的年产量,已经成为目前手机行业中先进自动化生产线的代表。

「这座工厂最让我骄傲的是:除了贴片机以外,几乎所有的设备都是由小米自研和小米投资的工厂提供的,」雷军说道。「智能工厂第一期实现了除上下料,其他工作全部自动化。我们正在规划的第二期规模比它要大十倍。我们未来努力的方向是整个工厂一个人都没有。」

图片小米智能工厂

 五 

联接性决定工业互联网的未来

工业互联网是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的全新工业生态、关键基础设施和新型应用模式。它以网络为基础、平台为中枢、数据为要素、安全为保障,通过对人、机、物全面连接,变革传统制造模式、生产组织方式和产业形态,构建起全要素、全产业链、全价值链全面连接的新型工业生产制造和服务体系。

不管是被动互联还是主动互联,工业互联网的基础都是建立在联接性之上的。从数据采集到数据分析,再到生产现场的自动化控制,没有完整高效的互联,任何工业互联网应用、平台都是空谈。

在建设工业互联网的过程中,增强支撑工业全要素、全产业链、全价值链互联互通的网络基础至关重要。与此同时,全行业、全产业还要进一步推动标准体系建设和标识解析增强行动,从做大规模、做深应用、规范管理三方面进一步提升工业互联网标准化、标识解析体系的整体发展水平。

构建工业互联网不是设备互联的最终目的,工业互联网只是提高工厂自动化、智能化水平,实现智能制造的一种工具。而智能制造也不是工业互联网的最终目的,智能制造只是未来工业的一种形态。无论是工业互联网还是智能制造,最终的目的都是建设高效、自动化、智能化的生产体系,更好地赋能工业,为人类的生产生活服务。图片

参考链接:

//www.jjckb.cn/2021-04/22/c_139897298.htm

https://mp.weixin.qq.com/s/ARLrdGSleH_7bL54nEsNhg

https://www.bjnews.com.cn/finance/2020/04/22/719940.html

//www.zqcn.com.cn/zhuanti/content/202002/26/c518672.html

//www.gov.cn/zhengce/2021-02/18/content_5587565.htm

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