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专题论述

智能制造时代自动化的使命--跨界技术让定制成为标准
信息来源:贝加莱工业自动化 上传日期:2019-01-04 点击率:1686次

12月7日在弗戈“中国制造业2025企业家国际论坛”上,贝加莱工业自动化大中华区总裁肖维荣博士发表了“智能制造时代自动化的使命”演讲,其中包括了从产业角度对制造业发展的深刻洞见,以及对自动化在新时代的使命认知,本文将其演讲文档中予以截取,并配合演讲予以分享。



改革开放40年的发展过程

中国的改革开放40年发展,很多产业从无到有,经历了非常艰难的发展过程,中国取得的成绩是有目共睹的,这是我们一代又一代的产业人共同推进的,同时也与我们的高效政府决策与大量产业政策支持紧密相关,再次,我们有巨大的市场,让我们有机会试错,迭代而能带来高速发展,产业门类齐全也使得科技可以在不同产业间的共享,这些给了我们均摊产业成本的机会,电商、支付等的高速发展使得IT基础设施大量投资,进而为我们提供了便利的网络条件,而这又进一步摊薄成本,使得我们在众多领域未来更快的发展。


图1-制造业发展的进步与不足


然而,我们也必须看到我们所面临的挑战,存在一些问题,我们不必妄自菲薄,但要有清晰认识,我们在自主创新方面仍然有待提高,依赖于传统低劳动成本、模仿省略研发成本缺失去创新能力、牺牲环保的发展路径也是不可持续的。国家也越发重视社保的投入与监管,不断加强知识产权的保护,以及在环保方面的力度,这些都使得我们原来那些依赖低价优势的企业必须要去转型。人才是一个基础话题,今天我们要发展人工智能、智能制造、工业互联网都需要大量的高品质人才,包括现场的高技能职业工人。

变革拐点的市场需求

对于制造业而言,必须围绕客户需求,包括对品质、成本、个性化多方面的需求,今天,我们讨论智能制造都是因为“个性化”生产下如何实现高成本效率变得更为迫切与显著。


图2—需求的变化与产业链内的传递


需求是一个传递过程,从终端消费者到生产企业、再到机械制造商,再传递到自动化行业,而消费者的这种个性化需求,对于生产而言是很大的挑战,而这需要产业链上的企业共同来面对,更为灵活的产线,需要支持工艺灵活切换的设备,而同时这些依赖于自动化、信息化、智能化技术的支撑。

自动化的使命就是通过跨界技术的融合,使得定制化生产,与标准化生产接近的成本。

推进全生命周期的数字化

在具体的执行方面,肖维荣博士就数字化创新设计、工业应用技术软件化、实现数字互联、智能时代人才培养等阐述了自动化在智能时代的使命。


图3-全生命周期数字化


数字化是推进智能制造的基础,数字化涵盖了产品与系统的设计、开发、测试验证、运行与维护的整个生命周期(如图3),数字化与创新紧密相关,所谓的创新,就是在整个生命周期的每个环节,我们都要寻求技术的升级,提高效率,包括产线设计与规划、重构的效率,更为快速的开发应对变化的机器、面对变化的生产,如何实现高效的验证进入小批量生产,运行中如何降低能耗、单位产品成本,通过维护方法创新,借助于新技术来计划性的、可预测性的降低生产宕机、提升连续性。

创新的机器开发—基于模型的开发

数字化设计在于借助于建模来对物理的机器、产线进行仿真,因为在传统物理的机器与产线上进行调试耗费大量的材料,并且问题并不容易被发现以及进行快速的调整,而借助于数字化的建模仿真平台,可以对机械、控制进行仿真,可以在虚拟环境中改变变量来寻找最优的控制模型与参数。


图4-基于模型的设计


如图4,仿真建模的优势非常多,它包括以下几个方面:

虚拟调试:可以在不需要真实的机器状态下进行控制参数的最优化,可以实现测试验证环节的大量成本节省,在很多机器的开发过程中,这个验证环节是最耗费成本的,而通过数字化建模仿真可以带来成本节省,还可以缩短研发周期。 自动代码生成:通过MATLAB/Simulink、MapSim等软件的接口,可以将其仿真的模型自动生成C、ST代码直接下载到控制器,实现硬件在环测试,这样就可以节省大量编程工作。


图5-采用建模仿真开发岸桥防摇系统


肖维荣博士以港口集装箱吊装过程的建模仿真为例,通过对其物理系统和控制系统进行建模,可以仿真整个集装箱吊装过程,实现对集装箱的摇摆和扭转的抑制,可以快速定位,使得港口的集装箱吊装过程实现无人化,并缩短其过程,进而提高港口的吞吐能力,降低人工消耗。

模块化机器开发响应生产的变化能力

为了更为快速的构建系统,原有的开发模式已经不能响应快速的市场变化,对于机械制造业、工厂自动化而言,软件将扮演越发重要的角色,通过软件的复用与组件技术,我们可以将行业工艺知识封装为一个个的APP,这些APP将提高机器与产线的开发效率,未来我们更多的工作将在“规划”、“配置”而不是传统的大量的编程调试。


图6-模块化软件设计举例:mappMOTION


贝加莱的mapp即是引领这一潮流的典型技术,它不仅提高开发效率,对于那些拥有自主知识产权的企业而言,软件也是一种知识产权保护的容器。

如图6的mappMOTION是mapp技术中对于运动控制的规划,基本的机电对象如轴、轴组,以及专业的模块如CNC、机器人,第三个部分就是客户相关机器的操作运行如OEE、能耗、趋势、报警等。这些复用模块可以快速配置机器,应对变化。


图7-印刷机控制的模块化软件设计


以卷筒纸印刷机为例,其色标检测、套色控制、相位调整均可通过标准化的软件封装来实现机器的快速配置,针对不同的印刷材料的张力变化、色标类型、速度、加减速时间、的变化,智能的套色模块可以智能的计算控制工艺曲线来实现高精度、高速的套色控制。

数字化协同的基础—基于OPC UA TSN的互联


图8-OPC UA TSN构成了数字化连接的基础标准与规范


OPC UA TSN技术是未来实现制造协同的关键,OPC UA主要来协同机器与机器、机器与管理系统乃至管理系统之间的数据交互,通过全局的语义互操作来实现数据在横向、纵向与端到端的集成,这样数字化的连接后,进一步要实现的智能化才有了基础(如图8)。 TSN则解决在异构网络中的数据传输问题,对于现有的工业现场大量的现场总线使得数据的连接出现障碍,周期性与周期性数据无法衔接,而TSN则通过全新的机制来协同这些数据。

OPC UA TSN是整个工业物联网(IIoT)实现的基础,它也使得制造得以协同,机器、机器人、MES/ERP等可以实现数据的透明以及全局的优化,贝加莱是OPC UA TSN的积极推动者,在2017年SPS即发布TSN演示系统并即将投入批量化应用。


图9-数字化连接到智能应用


如图9,通过集成OPC UA TSN技术的控制器,贝加莱实现控制、数据连接、汇集,以及数据的呈现、机器学习以及长周期大数据的分析,构建整个智能制造的数字化框架。

极致柔性制造提升成本效率

在跨界技术中寻找可以融入到自动化方案中的技术,自动化正在往软件、通信方向延伸,而另一个方向则是机械,具体在于机电的融合方向,因为“软件定义智能”,但机械却有瓶颈,这是贝加莱之所以开发SuperTrak/ACOPOStrak的原因,通过柔性电驱输送系统,控制工艺的柔性可以被“柔性”的执行,不仅如此,新的输送系统还可以大幅简化机械系统的设计,提高产线的复用性,这些都为制造业的协同效率提升带来帮助。


图10-ACOPOStrak实现柔性制造



图10的ACOPOStrak是全新机电设计变革的动力,它可以让产线变得更为柔性,满足个性化定制的需求,提升生产效率。


人才培养是长期战略

人才是实现智能制造推进的战略性保障力量,我们需要的不仅是研究型人才,我们也需要数字化时代发展所需的设计、工程应用、具体操作的人员,这些需要我们产业与学界的紧密合作,需要将产业对人才的需求、最新的前沿技术传递到学界,并使得学界可以紧密结合产业发展需求进行人才的培养。

贝加莱的EC是一个完全按照“复合型人才”培养思想而建立的,他以严格的工程师思维训练工程师,在机电工程、软件工程、工业通信、项目管理多个方向进行综合性的技能训练(如图11),并将其融合为解决一个个实际的机器全局开发项目的能力。通过EC的训练,我们可以将工程师快速成为提供高回报的人力资源,也是贝加莱的竞争力。


图11-智能时代的工程师能力训练


肖维荣博士总结道“人才培养是一个企业发展持续竞争力的来源,建立产学合作也是为社会培养人才的渠道,自动化专业作为一个应用学科,这种结合是非常必要且回报丰厚的”。

自动化借助跨界技术融合解决客户问题

肖维荣博士对自动化行业的使命概括为“借助于跨界技术融合来解决客户的生产中的问题,在智能制造时代,我们要解决个性化生产的“高成本效率”,横向技术,来自于IT技术领域的技术如建模仿真软件、传感器技术、通信技术、AI、云计算等都可以为自动化所用,我们无需自行开发,而是建立接口,这样可以实现“经济性”的解决产业实际问题,让定制化生产也能达到标准化的成本优势”。

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