智能制造吹響集結(jié)號,生產(chǎn)方式迎來大變革

文:中國傳動網(wǎng)2018年第三期

導語:智能制造已不再只是一個概念,越來越多的跡象清楚地顯示出工業(yè)4.0和智能制造不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢。

    智能制造已不再只是一個概念,越來越多的跡象清楚地顯示出工業(yè)4.0和智能制造不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢。智能制造不僅是技術(shù)上的更新,更重要的是,它代表的是一種新興生產(chǎn)方式的變革,在這一建設(shè)過程中,需要從系統(tǒng)總體架構(gòu)、上游半導體芯片、基礎(chǔ)零部件、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、智能化機器設(shè)備、產(chǎn)線設(shè)計、企業(yè)的“兩化”融合等多個層面做認真細致的規(guī)劃和部署。

    智能制造發(fā)展規(guī)劃逐步清晰

    正如新松機器人自動化股份有限公司創(chuàng)始人、總裁曲道奎先生所說的,當前,全球正面臨著一次重大技術(shù)突破、制造模式更迭、以及商業(yè)模式重塑所帶來的新變革。不同國家針對這一新趨勢,都根據(jù)本身原有的工業(yè)基礎(chǔ)或國家發(fā)展的脈絡(luò),從各自的切入點來制定未來國家的不同發(fā)展戰(zhàn)略。

    無論是美國提出的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、德國提出的“工業(yè)4.0”等概念,還是中國政府制定的“中國制造2025”國家戰(zhàn)略,都強調(diào)的是信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)之間的融合,通過將設(shè)備與信息技術(shù)在數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)等不同層級的連接,打造一種新型、柔性、智能化的生產(chǎn)制造模式,以達到優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、綠色的總體發(fā)展目標。

    從產(chǎn)業(yè)鏈的角度來看,智能制造的上游為感知層,主要包含制造行業(yè)的各種零部件,以及與信息采集、傳感感知相關(guān)的產(chǎn)品;產(chǎn)業(yè)鏈中游為網(wǎng)絡(luò)層,主要包含云計算、大數(shù)據(jù)、智能芯片等產(chǎn)品;產(chǎn)業(yè)鏈下游為執(zhí)行層和應(yīng)用層,主要包含以工業(yè)機器人、智能機床、自動化裝備、3D打印為產(chǎn)品構(gòu)成的自動化生產(chǎn)線和智能工廠(如圖1所示)。

圖1智能制造整體產(chǎn)業(yè)鏈(資料來源:東西智庫)

    而從智能制造的發(fā)展來看(如圖2所示),數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化是智能制造建設(shè)的第一步。第二階段是實現(xiàn)實時交互的動態(tài)優(yōu)化,包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時獲取及處理;實時動態(tài)優(yōu)化和決策;以及基于MES、ERP智能反饋優(yōu)化運行與管控等。第三階段則是實現(xiàn)虛實融合的智能化生產(chǎn),全面建成不同層級(產(chǎn)品、制造裝備及工藝、車間和企業(yè))的數(shù)字孿生,以達到工況自感知、工藝自學習、裝備自執(zhí)行、系統(tǒng)自組織的目標,完善基于賽博物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)(CPPS)的智能工廠建設(shè)。

圖2智能制造發(fā)展“三部曲”(資料來源:《智能制造之路》)

    但另一方面,不得不面對的是,現(xiàn)階段中國制造業(yè)面臨的最大難題在于,沒有經(jīng)歷過工業(yè)化嚴格的發(fā)展進程,可以說,短短的幾十年,中國制造業(yè)實際上是整個全球制造發(fā)展史的一個縮影,發(fā)展水平極不均衡,1.0、2.0、3.0參差不齊,這也意味著中國的新工業(yè)革命相對于發(fā)達國家來說難度可能更大。因此,中國整個制造業(yè)的發(fā)展實際上是一個混合時代,要想一步就跨入4.0時代或者說智能制造時代,是不現(xiàn)實、也是不可行的,需要不同行業(yè)中的各個企業(yè)把握以下四個原則:一是要實現(xiàn)制造效率的提高,二是要降低制造成本,三是要減少能源消耗,四是要提高制造的靈活性與柔性化,來制定切實可行的企業(yè)新技術(shù)和新生產(chǎn)模式的升級、轉(zhuǎn)型。

    半導體層面向聯(lián)網(wǎng)、智能、節(jié)能、安全邁進

    為了實現(xiàn)智能工廠的轉(zhuǎn)型,必須提供智能和節(jié)能產(chǎn)品,或者說完全自主的系統(tǒng),這些系統(tǒng)由各種半導體器件和傳感器組成,并與模擬和數(shù)字信號處理IC相結(jié)合。因此,半導體制造商需要適應(yīng)這一技術(shù)趨勢,即工業(yè)領(lǐng)域正朝著聯(lián)網(wǎng)、智能、節(jié)能產(chǎn)品,以及集成安全安保功能和能源采集能力等重要方向邁進。

    瑞薩電子中國產(chǎn)業(yè)解決方案中心工業(yè)和家電部戴其宏經(jīng)理表示,在中國智能工廠和工業(yè)4.0是非常熱門的話題,數(shù)字化工業(yè)自動化市場提出了一些關(guān)鍵需求,首先是要不斷提高機器效率,然后是要進行實時性分析和過程優(yōu)化,實現(xiàn)生產(chǎn)流程的智能化及提高敏捷性,最后是服務(wù)解決方案要實現(xiàn)這些工業(yè)分析,同時也需要兼顧到工業(yè)生產(chǎn)的安全性連接,實現(xiàn)IT和OT之間的連接。她指出:“面對工業(yè)IoT和工業(yè)4.0,瑞薩目前所能提供的電子技術(shù),首先是我們的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案,基于瑞薩的RZ/N多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)、OPCUA、TSN、云、IO-Link這樣一些技術(shù),然后同時提供BLDC電機與伺服運動控制方案。”

    RZ/N1是最新面向控制及工業(yè)控制級的產(chǎn)品,主要適用于可編程控制器,其設(shè)計理念是把應(yīng)用部分和實時通信部分兩者分開,如圖1所示,左邊是應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計,它采用了ARMCortex–A7,可選單雙核(最高主頻500MHz),其上可以跑Linux、ThreadX這樣的OS,同時集成了外設(shè),主要給客戶做不同的應(yīng)用控制。右邊部分專注于做客戶的以太網(wǎng)通信,搭載了ARMCortex–M3內(nèi)核,運行的是硬件RTOS(uITORNOS),同時也集成了多協(xié)議多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與冗余協(xié)議,并搭載了5端口實時以太網(wǎng)交換機。RZ/N1有四大特點:

    ● 支持工業(yè)IT和OT網(wǎng)絡(luò)的連接,支持多協(xié)議工業(yè)網(wǎng)絡(luò),幾乎涵蓋了目前市場上所有熱門工業(yè)協(xié)議如EtherCat、Ethernet/IP、ⅢSercos、Powerlink、Profinet、Modbus、Canopen以及其它一些總線協(xié)議。協(xié)議棧集成在通用操作系統(tǒng)抽象層層面上,可以實現(xiàn)片內(nèi)兩個CPU之間的無縫通信,兩個CPU是通過共享內(nèi)存和中斷請求來進行互相通信;

    ● 芯片內(nèi)有一個單核CortexA7用來做智能控制,同時還有一個CortexM3核用來做客戶智能控制應(yīng)用,并且它也提供DDR2/3、XiPQSPI、NAND閃存接口;

    ● 在工業(yè)IIoT工業(yè)網(wǎng)關(guān)方面,該芯片內(nèi)部有先進的5端口Gbit交換機橋接IT及OT網(wǎng)絡(luò);這樣的功能在目前市場上仍較少見,主要用于支持IT和OT網(wǎng)絡(luò)連接,以及支持TSN的判斷;

    ● 其關(guān)注于安全運行和防范網(wǎng)絡(luò)安全攻擊和冗余網(wǎng)絡(luò)。為了做到這一點,存儲器帶片上ECC校驗,唯一的IDHSR/PRP/MRP冗余,給客戶提供唯一的ID以防客戶程序被其他競爭對手盜取,同時芯片能支持工業(yè)交換機需要的冗余協(xié)議。

圖3RZ/N1架構(gòu)設(shè)計圖

    用戶在應(yīng)用RZ/N1芯片時,只需要專注于應(yīng)用層開發(fā)即可,通過通用操作系統(tǒng)抽象層簡化協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換,客戶在應(yīng)用方面如果需要調(diào)用實時通信協(xié)議,只要直接調(diào)用R-IN引擎就可以了,不需要再次開發(fā),這樣大大簡化了客戶的開發(fā)工作量,目前主控協(xié)議棧是由IEC61131-3開發(fā)系統(tǒng)來提供的。

    讓機器、設(shè)備更加智能

    實現(xiàn)智能制造的工廠將采用更多自主型智能機器。這些智能機器的功能將會不斷革新,更加靈活性和自適應(yīng)性,可自監(jiān)測和預測、檢測故障,甚至能診斷問題,以提升工廠和整個供貨與物流鏈更高的效率,降低生產(chǎn)成本、并增加生產(chǎn)的安全性。

    例如,作為智能制造的一項關(guān)鍵技術(shù),機器人應(yīng)用在最近幾年取得了突飛猛進的發(fā)展。中國制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)創(chuàng)新,為機器人行業(yè)提供了一個良好的發(fā)展機遇。在市場面,隨著中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級、國內(nèi)勞動力成本的不斷飆升,以及老年化社會的逐步來臨,令到無論是工業(yè)領(lǐng)域還是民生領(lǐng)域,都對機器人應(yīng)用提出了旺盛的需求,市場應(yīng)用條件已經(jīng)成熟。但與此同時,在目前機器人實際應(yīng)用中還存在著一些技術(shù)瓶頸,大多數(shù)的應(yīng)用場合還僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)機械手(臂)的功能,完成簡單的生產(chǎn)和加工工藝,如打磨、焊接等等;而要真正替代人類進行各種精細化生產(chǎn)作業(yè),就要求機器人能夠整合更多視覺、感知、交互等前沿技術(shù)。

    具體來說,機器人技術(shù)的發(fā)展正沿著由“機器”向“機器人”的方向邁進,“機器人”的名稱沒有變,但是內(nèi)容和支撐發(fā)生了顛覆性的改變,其特征包括:傳統(tǒng)機器人只是一種機械設(shè)備,但今天的機器人開始越來越多地帶有智能化系統(tǒng)的基本特征,即靈活性、靈巧性、智能性,具備操作、感知、學習和決策能力;過去,在機器人1.0時代,追求的是效率、速度和可靠性,而如今,機器人進入到2.0時代,要求機器人應(yīng)具有作業(yè)、交互、行走、決策這四大能力,并且具備感知技術(shù)、行為技術(shù),以及關(guān)鍵的安全技術(shù),同時還要與許多前沿技術(shù)融合在一起,例如AI、IoT、大數(shù)據(jù)、云計算等,甚至包括材料學以及生命科學等在內(nèi),從而形成了一個“機器人技術(shù)生態(tài)”,也使得新型機器人技術(shù)生態(tài)空間蘊含著無限廣闊的發(fā)展前景。

    打造彈性多工的智能產(chǎn)線

    針對生產(chǎn)制造,臺達近期在漢諾威展上展出了“彈性多工智能產(chǎn)線”,現(xiàn)場模擬實際產(chǎn)線,整合三座機器人工作站、制造執(zhí)行及可視化監(jiān)控管理平臺、智能輸送線等,客戶可以當場下單訂制禮品,以智能產(chǎn)線分流加工件,同步多工生產(chǎn),并進行即時監(jiān)控與可視化,真正升級“未來智造”。同時,臺達也呼應(yīng)智能設(shè)備需求,推出了全新“3D檢測系統(tǒng)”,通過動態(tài)設(shè)備模擬產(chǎn)品在流水線上進行精準的尺寸檢測,全面從設(shè)備、生產(chǎn)線、工廠層面實現(xiàn)智能制造。

    臺達機電事業(yè)群總經(jīng)理劉佳容表示:“智能制造不但是潮流,更是強化企業(yè)競爭力勢在必行的方向。臺達持續(xù)強化工業(yè)自動化布局,落實智能工廠,同時掌握發(fā)展智能制造的契機,整合完整的工業(yè)自動化軟、硬件與解決方案,真正落實新的‘智造’模式,以自動化和創(chuàng)新打造全新‘智造’業(yè)。”

    這條“彈性多工智能產(chǎn)線”全長4米,整合臺達機器人、視覺傳感器、智能化監(jiān)控軟件、機聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云端數(shù)據(jù)等,串聯(lián)客戶訂單、生產(chǎn)線、監(jiān)控系統(tǒng),模擬無人工廠作業(yè),打造高效、全自動、數(shù)字化的未來生產(chǎn)線。主要應(yīng)用包括:

    ● 左、右兩側(cè)各一組垂直多關(guān)節(jié)(六軸)工業(yè)機器人DRV90L系列執(zhí)行上料、加工、取件、入庫等作業(yè),中央一組SCARA工業(yè)機器人DRS60L系列則將兩組六軸機器人加工完成的成品進行包裝;

    ● 生產(chǎn)線上的所有作業(yè)皆根據(jù)客戶現(xiàn)場通過電腦、平板或手機進行線上下單的內(nèi)容進行定制化制造,客戶也可通過云端、制造可視化管理平

    臺(DIAMMP)網(wǎng)頁監(jiān)控作業(yè)進度與設(shè)備運作數(shù)據(jù)等即時信息;

    ● 生產(chǎn)線采用臺達全新設(shè)計打造、可彈性分流的智能輸送線,此先進輸送帶圍繞著展示設(shè)備構(gòu)建,可根據(jù)加工情況,分別將工件送至不同的機器人工作站進行加工,實現(xiàn)同步多工、縮短待機時間,并提高生產(chǎn)效率。

    “彈性多工智能產(chǎn)線”體現(xiàn)的“智造”生產(chǎn)流程包括:客戶首先在制造執(zhí)行系統(tǒng)(DIAMES)構(gòu)建的制造管理平臺網(wǎng)頁上選擇想要的禮品類型,然后輸入欲雕刻在禮品上的定制化內(nèi)容后送出訂單,完成后收到通知短信息以及取貨所需的訂單QRCode。訂單通過云端平臺送至設(shè)備控制系統(tǒng),系統(tǒng)依當前的作業(yè)情況,將夾具送至可較快進行加工的六軸機器人工作站,由機器人夾取待加工禮品以及包裝盒,放入夾具中,再送至雷射雕刻工作站進行雷雕;然后由SCARA工業(yè)機器人進行包裝,再依客戶需求現(xiàn)場送件,或放入倉儲區(qū)待客戶稍晚取貨。取貨流程也完全依照生產(chǎn)線作業(yè),以臺達最新的條碼掃瞄器DAH系列掃瞄客戶訂單短信息中的QRCode,再由左側(cè)機器人自動取貨。

圖4臺達整合三座機器人工作站、制造執(zhí)行及可視化監(jiān)控管理平臺、智能輸送線

    工業(yè)企業(yè)掀起數(shù)字化變革

    數(shù)字化是智能制造的基礎(chǔ),也是核心競爭力所在。施耐德電氣定位于驅(qū)動不斷發(fā)展的工業(yè)自動化市場數(shù)字化變革,以及助力工業(yè)客戶進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型,并正在從根本上加速這種轉(zhuǎn)型的實現(xiàn)。施耐德電氣工業(yè)事業(yè)部執(zhí)行副總裁何維克表示:“首先,工業(yè)軟件正從一系列基于專業(yè)功能的獨立產(chǎn)品轉(zhuǎn)變成為跨企業(yè)部署、推動更廣泛的效率和性能優(yōu)化的整合與互相協(xié)作的軟件。這將進一步提升從設(shè)計到建設(shè)(Capex),再到運維(Opex)階段的連續(xù)性,從而在整個資產(chǎn)和運營生命周期內(nèi)將效率提升到新的高度。其次,數(shù)字互聯(lián)和豐富的數(shù)據(jù)支持創(chuàng)建新的商業(yè)模式,如軟件即服務(wù),平臺即服務(wù),甚至維護即服務(wù),使工業(yè)企業(yè)可以輕松啟動數(shù)字化進程。”

    施耐德電氣數(shù)字化驅(qū)動的互聯(lián)互通方案使工業(yè)企業(yè)能夠與客戶建立新的關(guān)系,從而為其帶來巨大的競爭優(yōu)勢,其中包括:

    端到端集成軟件:通過面向工業(yè)領(lǐng)域的EcoStruxure,施耐德電氣將提供真正統(tǒng)一化的,可以在多個工業(yè)領(lǐng)域進行部署的工程方式。利用與AVEVA獨有的合作關(guān)系,可提供一套涵蓋從流程模擬到設(shè)計、建造和制造運營管理與優(yōu)化各個方面的全面數(shù)字資產(chǎn)管理解決方案。

    開發(fā)者生態(tài)系統(tǒng):基于施耐德電氣廣泛的已裝機市場,數(shù)字化可為開發(fā)人員研發(fā)新軟件應(yīng)用程序提供更多機會。憑借40多種數(shù)字化服務(wù),施耐德電氣正在賦能企業(yè)業(yè)務(wù)和運營,并使其變得更為數(shù)字化與高效。在這方面,施耐德電氣居于業(yè)界前列。

    開放和互操作技術(shù):作為OPCUATSN塑造者團隊的成員,施耐德電氣參與了漢諾威工業(yè)展覽會的5個概念驗證合作項目,進一步推動以開放式架構(gòu),釋放全部工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)潛力的理念。通過推動下一代從設(shè)備端到云端的統(tǒng)一通信,網(wǎng)絡(luò)將得到進一步簡化,用戶也可以利用已有的技術(shù)來降低集成和維護成本。

    工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù):新的應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)的可用性與豐富專業(yè)知識的結(jié)合,為整個行業(yè)創(chuàng)造了新的價值。施耐德電氣EcoStruxure可通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機器制造商的關(guān)鍵洞察力,助力提高企業(yè)的效率和收益水平。

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