工業(yè) 4.0：基于 PC 的控制解決方案成為智慧工廠的核心技術(shù)

　　Beckhoff 基于 PC 的控制技術(shù)為工業(yè) 4.0 理念提供了理想的工具箱。它開辟了 實(shí)現(xiàn)富有遠(yuǎn)見的從云計(jì)算到社會(huì)自動(dòng)化的理念的新方法。在這次采訪中，Ursula Frank 博士和  Josef Papenfort 博士闡述了哪些基礎(chǔ)技術(shù)、功能和服務(wù)目前已經(jīng)上市，以及哪些地方仍然 需要進(jìn)一步開發(fā)。

　　德國(guó)倡議“工業(yè) 4.0”的目的 是通過通信和智能控制提高制造業(yè)的靈活性、 效率和可持續(xù)性，以加強(qiáng)德國(guó)工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力?；?PC 的控制 技術(shù)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)做出了哪些貢獻(xiàn)？

　　Josef Papenfort 博士：工業(yè) 4.0 的核心是信息 技術(shù)（IT）和自動(dòng)化技術(shù)（AT）的融合，而早在 25 年前  ，Beckhoff 就推出了其基于 PC 的控制技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)繼續(xù)為未來的發(fā)展提供了理想的控制架構(gòu)。通過采用全球 IT 標(biāo)準(zhǔn)，我們用 IT 領(lǐng)域所提供的最佳解決方案 進(jìn)一步完善了我們的自動(dòng)化技術(shù)。這也適用于我們的  TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件，它具有實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 概念所需的模塊化性和面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)。 此外，將 TwinCAT 3 集成到 Microsoft Visual Studio® 中，為整個(gè)產(chǎn)品壽命周期中一致的工程環(huán)境提供了理想的基礎(chǔ)，能夠直接使用   IT 領(lǐng)域中最新的軟件工程工具。隨著 PC 作為公認(rèn)的技術(shù)平臺(tái)，加上自動(dòng)化設(shè)備規(guī)范（ADS）、EtherCAT 自動(dòng)化 協(xié)議（EAP）和 OPC 統(tǒng)一架構(gòu)（OPC UA），Beckhoff 擁有了用戶在 實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 所要求的縱向和橫向整合所需的所有資源。

　　Ursula Frank 博士：一方面，Beckhoff 為根據(jù)工業(yè) 4.0 戰(zhàn)略實(shí)施智能 生產(chǎn)設(shè)施和智慧工廠 所需的基礎(chǔ)技術(shù)。另一方面，這也 變得越來越重要 — 特別是與工業(yè) 4.0 概念相關(guān)  –系統(tǒng)的運(yùn)作不僅高效，而且安全可靠。這也是“科技自動(dòng)化”理念巨大潛力所在，它所集成的測(cè)量技術(shù)和狀態(tài) 監(jiān)測(cè)功能，甚至能夠監(jiān)測(cè)復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)。To explain, 科技自動(dòng)化 將各學(xué)科的最新研究成果集成到自動(dòng)化技術(shù)中，從而讓我們能夠建立更可靠和更節(jié)能的內(nèi)在具有智能化功能的生產(chǎn)系統(tǒng)。這也將需要 新的、直觀的操作界面，使得人類能夠更加輕松地 完成他們的日常工作并能夠與智能設(shè)備進(jìn)行更有效 的互動(dòng)。畢竟，工業(yè) 4.0 不是為了要將人的因素放在 一邊。我們的多點(diǎn)觸控工業(yè)面板使得這些新的操作理念成為可能。

　　工業(yè) 4.0 已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)生活中的得到應(yīng)用了嗎？還需要進(jìn)行什么額外的開發(fā)嗎，如果有的話？

　　Ursula Frank 博士：現(xiàn)在已經(jīng)有許多最終用戶，如大型廚房制造商 ，他們采用 Beckhoff技術(shù)對(duì)從收貨到發(fā)貨的整個(gè)系統(tǒng) 進(jìn)行了自動(dòng)化改造，包括將它們集成到 ERP 系統(tǒng)中。一些 初期的解決方案是明確按照工業(yè) 4.0 概念開發(fā)的，例如，通過提供跨所有層的持續(xù)通訊的方式 實(shí)現(xiàn)智能化的生產(chǎn)環(huán)境。不用說，在未來幾年內(nèi)，我們 將繼續(xù)沿著這一方向開發(fā)我們的產(chǎn)品和解決方案。

　　Josef Papenfort 博士：作為 TwinCAT 3 的一部分，我們正在努力通過提供附加功能的方式改進(jìn) 工程功能，比如更簡(jiǎn)單的通訊功能 和配置。在這種情況下，不斷開發(fā)出通用的通信標(biāo)準(zhǔn)也是非常重要的，例如那些由 OPC 基金會(huì)和 PLCopen 協(xié)會(huì)所定義的標(biāo)準(zhǔn)。Beckhoff  正積極參與這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化工作。其中一個(gè)目標(biāo)就是 不僅可以通過 OPC UA 或 ADS 與 ERP 系統(tǒng)通訊，而且還能夠直接在 PLC 中調(diào)用和執(zhí)行這些方法。這將是通信技術(shù)發(fā)展的下個(gè)一步驟。

　　PC 控制技術(shù)的開放性對(duì) “物聯(lián)網(wǎng)”有何重要意義？

　　Ursula Frank 博士：它非常重要。簡(jiǎn)而言之，物聯(lián)網(wǎng)意味著產(chǎn)品以及系統(tǒng)及其模塊 間可以相互通信。這正是 Beckhoff 的開放式控制技術(shù) 的用武之地，它允許開發(fā)人員將系統(tǒng) 設(shè)計(jì)成具有智能運(yùn)行和通信的能力。

　　Josef Papenfort 博士：開放的接口也是 PC 控制技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)這一。這適用于工程應(yīng)用和正在使用的現(xiàn)場(chǎng)總線 技術(shù)，以及正在被集成的組件（如 RFID 芯片或智能傳感器）。

　　這種開放性是否也適用于用作集中式或分散式系統(tǒng) 的自動(dòng)化架構(gòu)？

　　Josef Papenfort 博士：這是當(dāng)然。通常，我們更愿意用 集中式方案，因?yàn)樗诠こ淘O(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)管理和診斷等方面 有很大優(yōu)勢(shì)。但也有一些系統(tǒng)，如組裝機(jī)，使用 分散式方案效果會(huì)更好。例如，使用這樣的解決方案可以很方便地更換單個(gè)模塊，因?yàn)橹醒肟刂?組件必須只能根據(jù)新的工作調(diào)整站。此外，生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的系統(tǒng) 或設(shè)備在機(jī)器不會(huì)孤網(wǎng)運(yùn)行，而通常是聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行  - 這一趨勢(shì)將對(duì)工業(yè) 4.0 概念有著顯著的促進(jìn)作用。相應(yīng)地，每臺(tái)機(jī)器在一個(gè)大型系統(tǒng)中或通過工業(yè) 4.0 概念 進(jìn)行本地控制。在這個(gè)方案里，一個(gè)非常重要的因素是 在軟件方面的實(shí)施，我們支持通過 TwinCAT 完成的模塊化編程。10 個(gè)軟件模塊是在中央 CPU 上運(yùn)行還是在10 個(gè)不同的控制器上分別運(yùn)行，這并不重要。模塊之間如何進(jìn)行數(shù)據(jù)交換   — 在本地 PC 上還是通過具有相同確定性和高速度的 EAP  - 也不重要。PC 控制技術(shù)可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求 很輕松地地實(shí)施任一版本。

　　未來，工業(yè) 4.0 甚至能夠延伸到那些 被稱為“機(jī)器 Facebook”或“社會(huì)自動(dòng)化”的領(lǐng)域。這在實(shí)際上 有什么含義？

　　Ursula Frank 博士：社會(huì)自動(dòng)化的前景涉及到將信息技術(shù)和通信技術(shù)中的一些最新研發(fā)成果轉(zhuǎn)移到工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。正如我們前面提到的，將信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)與 PC 控制技術(shù)有機(jī)整合在一起是 Beckhoff 的核心技術(shù)理念。因此，Beckhoff 將始終密切關(guān)注信息技術(shù)在自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用方面的 最新發(fā)展 情況。例如，諸如社會(huì)化媒體等的發(fā)展趨勢(shì)可能帶來新的通信 能力。我們必須了解在自動(dòng)化領(lǐng)域利用這些通信能力能夠帶來哪些潛在好處。“機(jī)器 Facebook ”就是其中一項(xiàng)。例如，用戶可以在 Facebook 上創(chuàng)建個(gè)人檔案，用“時(shí)間軸”的方式記錄他們的生活，并在他們自己的“墻”上提供各種信息 或服務(wù)。若轉(zhuǎn)換成工業(yè)應(yīng)用，這將意味著，例如，一臺(tái)機(jī)器可以寫上其目前的使用情況或在一面類似的墻上提供服務(wù)信息。如果它不具備所要求的能力，它 會(huì)將相關(guān)方推薦給相應(yīng)“Facebook  機(jī)組中的“朋友”。另一種辦法是在如谷歌地圖或 TomTom 網(wǎng)絡(luò)軟件上改寫備份的交通流量信息，使得這些信息適合工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。這將讓您能夠監(jiān)控工廠的機(jī)器利用率，甚至能夠通過 Doodle 為機(jī)器生成值勤表。

　　Ursula Frank 博士：“在今年的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，Beckhoff 專門設(shè)立了一個(gè)工業(yè) 4.0 展示區(qū)，展示了 Beckhoff 開放的、基于 PC 的控制技術(shù)使得今天將生產(chǎn)系統(tǒng)和模塊無縫集成到現(xiàn)有的或新的系統(tǒng)中成為可能，且它們不僅可以實(shí)現(xiàn)相互間的通訊，還可以與上位生產(chǎn)規(guī)劃和控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。但要全面支持工業(yè) 4.0 概念仍然需要在未來幾年里開展更多的研究和開發(fā)工作。”

　　Josef Papenfort 博士：我們?cè)俅位氐皆?PC 控制的架構(gòu)進(jìn)行信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的融合。正如我們將我們的自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)與 Visual Studio® IT 工程工具整合在一起來創(chuàng)建 TwinCAT 3 軟件一樣，下一步可能涉及到將自動(dòng)化功能添加到如 Facebook、Doodle 或 WhatsApp 等網(wǎng)絡(luò)軟件中。另一種方案已經(jīng)由 Beckhoff 實(shí)施，其進(jìn)行的技術(shù)研究證明，谷歌眼鏡作為一種“可穿戴式設(shè)備”，可以顯著簡(jiǎn)化人機(jī)交互，可以用于調(diào)試和故障診斷。谷歌眼鏡具有諸如在線支持信息檢索功，并能夠通過基于視頻的實(shí)時(shí)聊天工具進(jìn)行故障排除，此項(xiàng)技術(shù)大大推動(dòng)了社會(huì)化自動(dòng)化的發(fā)展。

　　當(dāng)前 IT 領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)話題，如云計(jì)算和大數(shù)據(jù)，發(fā)揮了怎樣的作用？

　　Ursula Frank 博士：未來，我們將看到越來越多的解決方案使用云存儲(chǔ)技術(shù)來保存數(shù)據(jù)和參數(shù)。最終，信息存儲(chǔ)在哪并不重要。但是在現(xiàn)在及今后幾年內(nèi)，大部分的數(shù)據(jù)仍將在機(jī)器或系統(tǒng)中處理。另一方面，在很多情況下，諸如測(cè)量數(shù)據(jù)等信息已經(jīng)存儲(chǔ)在云服務(wù)器中并進(jìn)行離線分析。我們一定會(huì)看到越來越多的客戶將會(huì)轉(zhuǎn)向采用云計(jì)算。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，肯定會(huì)有一些網(wǎng)絡(luò)軟件會(huì)給自動(dòng)化技術(shù)帶來影響，例如一個(gè)機(jī)器監(jiān)控應(yīng)用程序。

　　Josef Papenfort 博士：此時(shí)，對(duì)于大數(shù)據(jù)，即來自多種來源的大量數(shù)據(jù)，重點(diǎn)主要放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上。由于正在存儲(chǔ)的圖像和視頻要用于更徹底的跟蹤和追蹤應(yīng)用，數(shù)據(jù)量必然會(huì)增加。首先，我們將看到更多的離線分析，而這些將越來越多地地作為一種基于云的服務(wù)來執(zhí)行。在風(fēng)電領(lǐng)域，這種做法已行之有年。服務(wù)供應(yīng)商不需要訪問風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身的數(shù)據(jù)，而是把它從云上拿下來以進(jìn)行離線分析。

　　在這方面，我們將能夠看到更多的實(shí)時(shí)服務(wù)嗎？

　　Josef Papenfort 博士：隨著越來越多的數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在云中，我們還將看到更多的實(shí)時(shí) - 或者更確切地說，確定性 - 處理。有了 IEEE1588 協(xié)議之后，目前這樣的實(shí)時(shí)服務(wù)已經(jīng)實(shí)施用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器同步。這種同步收集分布式數(shù)據(jù)的方式將變得越來越普遍，尤其是在測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，但它不會(huì)取代機(jī)器中的本地控制智能系統(tǒng)。另一個(gè)比較重要的方面是：我們已經(jīng)有了用于實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)的技術(shù)，即送入云中。從中期來看，這些技術(shù)可能會(huì)獲得廣泛接受，以便在存儲(chǔ)之前過濾掉大量不重要的信息。

　　這種復(fù)雜的工業(yè) 4.0 工程概念仍在可控范圍內(nèi)嗎？

　　Josef Papenfort 博士：現(xiàn)代系統(tǒng)正變得越來越復(fù)雜，而工業(yè) 4.0 概念只會(huì)加速這一趨勢(shì)。這就是為什么我們未來必須更加注重高效和可靠的工程。我們已經(jīng)借助 TwinCAT 3 朝這個(gè)方向邁出了一大步，從而通過諸如源代碼控制和自動(dòng)代碼生成等功能降低了工程工作量。在這里我看到改進(jìn)的可能就是提高數(shù)據(jù)管理的效率，例如，通過直接將電機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦こ滔到y(tǒng)中，并可在無需花費(fèi)任何額外的工作的前提下提供這一數(shù)據(jù)。

　　Josef Papenfort 博士：“工業(yè) 4.0 的核心是信息 技術(shù)（IT）和自動(dòng)化技術(shù)（AT）的融合，而早在 25 年前，Beckhoff 就推出了其基于 PC 的控制技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)繼續(xù)為未來的發(fā)展提供了理想的控制架構(gòu)。”

　　Ursula Frank 博士：這一領(lǐng)域還有很多事需要去做。從工程角度來看，不同開發(fā)領(lǐng)域 — 如控制技術(shù)和 E-CAD 或 M-CAD — 之間的數(shù)據(jù)傳輸，還無法做到完全無誤和無縫。目前已經(jīng)有了一些方法和解決方案，如 AutomationML 標(biāo)準(zhǔn)，但我們?cè)谶@個(gè)時(shí)候并沒有有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)。TwinCAT 提供很多開放的數(shù)據(jù)導(dǎo)出和導(dǎo)入接口已經(jīng)有些年頭了。Beckhoff 的 TwinCAT E-CAD 導(dǎo)入程序使用的就是這些接口，可以與市場(chǎng)上的各種電子 CAD 程序直接通信。但是，仍然需要額外的工具。例如，ERP 系統(tǒng)中的命令數(shù)據(jù)必須能夠傳輸?shù)焦こ虒?。但是，最重要的是?shù)據(jù)可以在各個(gè)層面進(jìn)行共享，以使得整個(gè)生命周期內(nèi)的有效和同步工程成為可能。

　　作為工業(yè) 4.0 的必然結(jié)果，仿真將在工程領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用嗎？

　　Ursula Frank 博士：工業(yè) 4.0 將使系統(tǒng)變得更復(fù)雜、更智能，也更難以預(yù)測(cè)。機(jī)器可以自行作出反應(yīng)，并與其它機(jī)器進(jìn)行談判，而人腦已經(jīng)不再能夠預(yù)測(cè)到整體行為。這就是為什么功能強(qiáng)大的仿真工具將是不可或缺的。這是一個(gè)真正長(zhǎng)期的愿景，但理想情況下我們將有這樣一個(gè)工具：仿真不僅是開發(fā)理念而且還可以自行進(jìn)行驅(qū)動(dòng)仿真。

　　Josef Papenfort 博士：這樣的系統(tǒng)不僅可以縮短調(diào)試時(shí)間，還能夠降低系統(tǒng)成本。仿真可以支持所有的領(lǐng)域，如機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣工程及軟件開發(fā)，因?yàn)樗鼘⑹刮覀兡軌蚩焖俚赝ㄟ^控制技術(shù)和軟件對(duì)任一改動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，無需修改硬件。當(dāng)然，必須提供相應(yīng)的接口以導(dǎo)入仿真模型及提供相關(guān)的數(shù)據(jù)。如今，TwinCAT 3 已經(jīng)提供了諸如實(shí)時(shí)集成 Matlab®/Simulink® 模型以及用于對(duì)仿真環(huán)境輕松進(jìn)行配置的 TwinCAT 仿真管理器等功能。

　　針對(duì)工業(yè) 4.0 已經(jīng)進(jìn)行了哪些具體的研究活動(dòng)？

　　Ursula Frank 博士：舉例來說，我們是“it's OWL”（北威州智能技術(shù)系統(tǒng)）技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的核心公司之一，該技術(shù)網(wǎng)絡(luò)在 2012 年被公認(rèn)為是德國(guó)聯(lián)邦教育和科研部（BMBF）的”尖端集群“并且是第一個(gè)大型工業(yè) 4.0 項(xiàng)目。除此之外，我們正在努力制作參考模型，即適用于各類生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化解決方案，它們可以移植到類似的系統(tǒng)上。此外，ScAut 項(xiàng)目 — 其重點(diǎn)是科技自動(dòng)化平臺(tái) — 已經(jīng)為自優(yōu)化的智能機(jī)器和系統(tǒng)的開發(fā)和運(yùn)營(yíng)帶來了實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)利益。視不同的應(yīng)用，諸如狀態(tài)監(jiān)測(cè)和電力監(jiān)測(cè)等科技自動(dòng)化功能可以節(jié)約大約 20％ 的能源，提高 10％ 的生產(chǎn)效率，并節(jié)約 50％ 的維護(hù)成本。

　　關(guān)于德國(guó)倍福（BECKHOFF）

　　德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司的總部位于德國(guó)威爾市。公司在世界各地設(shè)有分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，目前公司業(yè)務(wù)已遍及70多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。

　　倍福始終以基于PC的自動(dòng)化新技術(shù)作為公司的發(fā)展理念，所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和TwinCAT自動(dòng)化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。30 多年來，倍福公司的元件和系統(tǒng)解決方案在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用。 自 2001 年3月德國(guó)倍福在北京成立中國(guó)第一個(gè)代表處， 2007年5月，德國(guó)倍福在上海成立獨(dú)資公司，并將倍福中國(guó)區(qū)總部遷至上海，此后公司業(yè)務(wù)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期，目前倍福已經(jīng)在北京、廣州、成都、武漢、南京等全國(guó) 19個(gè)大中城市設(shè)立了辦事處。隨著各種具有良好性價(jià)比的新產(chǎn)品、新技術(shù)不斷進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，其勇于打破傳統(tǒng)控制模式，傾力推廣 PC 控制新技術(shù)的理念已被越來越多的中國(guó)用戶所接受。

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