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智能運行概念里的混合現實。（圖片來源：OPTIMA包裝集團公司提供）

 

就工業4.0和/或物聯網而言，朝著網絡化生產環境方向發展的數字化改造正方興未艾。無數應用領域，如：產品和工藝監測、標簽技術、包裝、物流以及維護保養和修理等，都已顯示出這種物聯網改造的最優化潛力。

 

這些互聯網上的“東西”指傳感器、射頻識別芯片、裝置、機器和設備等等。將來，這些“東西”不僅有望獨立地和連續地傳遞所有重要的工藝和系統狀況，而且還有望通過互聯網進行通信聯絡、干預、修正和優化制造工藝過程，而不必人為進行干預。這種基于萬維網通信聯絡的基礎，是具備獨一無二識別地址的互聯網協議。但是，老舊的互聯網協議IPv4只能提供43億個IP地址的地址空間，而這些空間已經于2012年被分配給個人電腦、筆記本電腦、平板電腦和移動電話。這就是為什么要開發新標準的IPv6協議的原因，這種協議擁有3.4 x 1038個IP地址的地址空間。所以，缺少地址已不再是人們的一種擔憂。更換至IPv6的工作仍然在熱火朝天地進行著。于是，挑戰并非是諸如地址那樣的一些事情，而是由此所帶來的數據洪流，在某個好的日子里，會有幾十億個傳感器在每秒鐘時間里，傳輸數以千計的數據到主計算機。然后，又要對這些數據的可視性和模擬仿真情況進行評估，并以文檔存檔為目的，將其存儲起來。

 

所以，更加確切地說，物聯網首先是基于數據——關于從這種數據中所檢索出來的信息，這是軟件和算法的領域。以此所能獲得的東西應該足以成為積極推動這種改造的理由。下面的例子展示了一些能在短期內獲益的應用情況。

 

 

軸承、變速箱、泵或灌裝及計量系統的損壞并非憑空而來，在實際損壞發生之前，就會通過非同尋常的振動和溫度偏差或通過功率耗損的改變、壓力損失及類似的狀態“發出通知”。由于有了高度復雜的分析和模擬仿真程序，被傳感器作為狀態監測組成部分所檢測出來的這些偏差，現在可以實時地對之進行評估和使之可視化，因此可以在工藝過程環境下讓人們看到。根據這種信息，設備操作人員可以有針對性地并超越所有位置獨立地對系統進行遙控干預，引入程序變更，或者安裝新的應用和控制軟件，讓系統總是以最佳模式運行。另外，模擬仿真得出的結論，可以更加精確地預測機器關鍵零件的剩余使用壽命，借以開辟維護保養的全新局面。

 

這就意味著，我們正在遠離以周期性零件更換為基礎的反應性和預防性維護保養，而轉向所謂“預測性維護保養”的可預測的、精確規劃的維護保養措施。所獲得的益處是：機器設備可用率更高，停機風險大幅度降低，運行和生產安全性更高以及維護保養成本大大降低。

 

除此之外，預測性維護保養是可持續發展中的關鍵元素。當在給定期間內更換零件時，操作人員的確總是謹慎行事，但是，他們也浪費了昂貴零部件寶貴的剩余使用壽命，因為他們缺乏可靠的零件行為數據。今天，有關材料行為的知識，有關處于變化負載狀態下、連續應力等類似情況的知識，與十年甚至是二十年之前相比，都要先進得多。另一方面，由于當今計算性能以及更加智能化的分析、有限元法（FEM）和模擬仿真軟件等都已得到大幅提高，因此可以容許以更高的精準度確定和預測剩余使用壽命，而這方面的知識有利于預測維護保養。

 

 

機器設備不斷增加的性能、靈活性和智能化使得系統更加復雜，這為人機接口（HMI）操作概念的開發人員提出最為嚴峻的挑戰。我們所說的人機接口硬件，是指配備觸摸屏功能的終端設備，這些都是多數人從其智能電話或平板電腦上已經了解到的東西。這意味著，他們可以在現有知識的基礎上，增加學習處理掌控這些機器和設備的知識；這樣可以激發人們的熱情并縮短熟悉了解所花費的時間。

 

開發圖形化界面的核心部分是確保那些沒有受過特殊職業培訓，而且也沒有足夠語言技巧的人們能夠安全地操作這些設備。為了避免操作錯誤，圖形化界面開發人員依賴直觀圖形元素，而不是語言。另外，正在發展和出現的還有機器設備和零部件的照片級真實感3D

CAD顯示。再者，人機接口（HMI）必須滿足各種用戶的需求——與他們的技巧和權威相符。因此，設備操作人員看到的是不同于班組經理、維護保養人員或生產經理的圖形化界面。這意味著，每個用戶只看到對應于他們職責領域的數據，而且與他們所處的特定場景有關。再者，數據僅局限于實質分析所必需的信息，以確保顯示容易被捕捉，并且關鍵機器參數和生產數據能夠瞬時呈現出來。

 

現代人機接口（HMI）的其他特性是移動性和一致性，一種發展趨勢是趨向于移動裝置，使用這些裝置，用戶可以根據其授權水平遙控機器設備。這可以節省差旅費用，特別是在服務和維護保養領域內，情況更是如此。

 

 

當談論到物聯網時，幾乎沒有哪一個話題能像“數字化雙胞胎”更能引起轟動效應的了。“數字化雙胞胎”的技術基礎是高性能3D CAD、模擬仿真和分析軟件程序以及虛擬1:1 真實機器設備控制軟件的副本。以此種軟件工具為基礎，“數字雙胞胎”映射出完整的加工制造工藝過程，包括零部件、機器設備及其控制作為虛擬模型—— 連同進行模擬仿真所需要的所有物理數據。除此之外，“數字雙胞胎”還容許離線程序設計。所有這些使得“數字雙胞胎”成為開發者、操作者和維護保養人員的萬能工具。

 

由于有了這些接近真實的模擬仿真，在尚未制造出一件真實零件之前的開發階段，就已經能檢測到并消除設計錯誤和（或）缺陷。這同樣也可應用于程序設計和控制優化方面。

 

不過，最為重要的應用之一，是虛擬調試或啟動。這不僅是一次虛擬試運行，而且還可以用來使負責機器的操作人員有針對性地熟悉了解系統性能和可能性。換句話說，“數字雙胞胎”是工業工藝過程、機器和設備的“飛行模擬器”。在真實調試之前，進行的虛擬預啟動，能以不止一種方式發揮作用。如果系統或控制概念里仍然有任何錯誤或問題，它們可以得以糾正，而不至于對真實系統零部件造成損壞。離線程序設計也能相應地使生產計劃人員虛擬測試各種運行模式。不過，最為重要的方面是“虛擬雙胞胎”將許多專家的專有知識匯聚到一起，這些技能和知識以后可以用到其他項目上。

 

一言以蔽之，由于有了復雜而微妙的模擬仿真，設備生產商和用戶可以大幅度縮短項目的前期準備時間，加快啟動，提高開發類似設備和工藝過程的效率。這不僅節省了時間，還節省了資源、能源和人力。

 

 

標準化仍然繼續成為一項重大挑戰，因為多數機器設備生產企業仍然依賴于自己的接口。但是，在物聯網里，一體化整合是一個帶有決定性的因素。這種一體化整合要求在機器設備間進行交換時，在縱向和橫向上都必須有特別一致性的數據和信息。這使得標準協議成為必要。由于這些技術可提供投資的高度安全性以及非專有系統的獨立性，因此，存在著開放源碼解決方案的趨勢，一個這方面的范例是OPC同一架構體系（OPC UA）連接各種生產制造企業的技術規范包。OPC UA通過認證授權、加密和數據完整性確保安全。

 

狀態監測能實時提供單臺設備或完整生產線的信息，并以預先確定的報警和故障極限為基礎，可以盡早檢測出偏差并予以消除。
（圖片來源：博世包裝技術公司）

 

這意味著，就將原始數據和預先加工處理過的信息以安全、可靠和非專有性質的方法，從生產制造級別傳輸到上級生產計劃系統或企業資源計劃（ERP）系統里，OPC UA是一種非常合適的方法。

 

 

許多較為老舊的機器設備、生產線、電動機和壓縮機并沒有配備工業4.0所要求的傳感器和通信聯絡技術，有的甚至不能用作網絡系統的組成部分。就數字化改造而言，這并非意味著這些系統已經陳舊不堪了。在此，作為工業4.0的入門級解決方案，智能傳感器可以重新進行翻新。它們定期測量并通過內置通信聯絡接口以無線方式將數據傳輸給人機接口（HMI）和（或）員工的智能手機電話或平板電腦，對數據進行評估。采用這些辦法和一些其它的簡單方法，企業可以采用廉價的方式進入工業4.0世界，仍然能從降低停機時間、延長機器運行時間以及降低電力損耗以及一些類似情況中獲益。