智能制造時代自動化的使命--跨界技術讓定制成為標準

導語:12月7日在弗戈“中國制造業(yè)2025企業(yè)家國際論壇”上,貝加萊工業(yè)自動化大中華區(qū)總裁肖維榮博士發(fā)表了“智能制造時代自動化的使命”演講,其中包括了從產業(yè)角度對制造業(yè)發(fā)展的深刻洞見,以及對自動化在新時代的使命認知,本文將其演講文檔中予以截取,并配合演講予以分享。

12月7日在弗戈“中國制造業(yè)2025企業(yè)家國際論壇”上,貝加萊工業(yè)自動化大中華區(qū)總裁肖維榮博士發(fā)表了“智能制造時代自動化的使命”演講,其中包括了從產業(yè)角度對制造業(yè)發(fā)展的深刻洞見,以及對自動化在新時代的使命認知,本文將其演講文檔中予以截取,并配合演講予以分享。

改革開放40年的發(fā)展過程

中國的改革開放40年發(fā)展,很多產業(yè)從無到有,經歷了非常艱難的發(fā)展過程,中國取得的成績是有目共睹的,這是我們一代又一代的產業(yè)人共同推進的,同時也與我們的高效政府決策與大量產業(yè)政策支持緊密相關,再次,我們有巨大的市場,讓我們有機會試錯,迭代而能帶來高速發(fā)展,產業(yè)門類齊全也使得科技可以在不同產業(yè)間的共享,這些給了我們均攤產業(yè)成本的機會,電商、支付等的高速發(fā)展使得IT基礎設施大量投資,進而為我們提供了便利的網絡條件,而這又進一步攤薄成本,使得我們在眾多領域未來更快的發(fā)展。

圖1-制造業(yè)發(fā)展的進步與不足

然而,我們也必須看到我們所面臨的挑戰(zhàn),存在一些問題,我們不必妄自菲薄,但要有清晰認識,我們在自主創(chuàng)新方面仍然有待提高,依賴于傳統(tǒng)低勞動成本、模仿省略研發(fā)成本缺失去創(chuàng)新能力、犧牲環(huán)保的發(fā)展路徑也是不可持續(xù)的。國家也越發(fā)重視社保的投入與監(jiān)管,不斷加強知識產權的保護,以及在環(huán)保方面的力度,這些都使得我們原來那些依賴低價優(yōu)勢的企業(yè)必須要去轉型。人才是一個基礎話題,今天我們要發(fā)展人工智能、智能制造、工業(yè)互聯網都需要大量的高品質人才,包括現場的高技能職業(yè)工人。

變革拐點的市場需求

對于制造業(yè)而言,必須圍繞客戶需求,包括對品質、成本、個性化多方面的需求,今天,我們討論智能制造都是因為“個性化”生產下如何實現高成本效率變得更為迫切與顯著。

圖2—需求的變化與產業(yè)鏈內的傳遞

需求是一個傳遞過程,從終端消費者到生產企業(yè)、再到機械制造商,再傳遞到自動化行業(yè),而消費者的這種個性化需求,對于生產而言是很大的挑戰(zhàn),而這需要產業(yè)鏈上的企業(yè)共同來面對,更為靈活的產線,需要支持工藝靈活切換的設備,而同時這些依賴于自動化、信息化、智能化技術的支撐。

自動化的使命就是通過跨界技術的融合,使得定制化生產,與標準化生產接近的成本。

推進全生命周期的數字化

在具體的執(zhí)行方面,肖維榮博士就數字化創(chuàng)新設計、工業(yè)應用技術軟件化、實現數字互聯、智能時代人才培養(yǎng)等闡述了自動化在智能時代的使命。

圖3-全生命周期數字化

數字化是推進智能制造的基礎,數字化涵蓋了產品與系統(tǒng)的設計、開發(fā)、測試驗證、運行與維護的整個生命周期(如圖3),數字化與創(chuàng)新緊密相關,所謂的創(chuàng)新,就是在整個生命周期的每個環(huán)節(jié),我們都要尋求技術的升級,提高效率,包括產線設計與規(guī)劃、重構的效率,更為快速的開發(fā)應對變化的機器、面對變化的生產,如何實現高效的驗證進入小批量生產,運行中如何降低能耗、單位產品成本,通過維護方法創(chuàng)新,借助于新技術來計劃性的、可預測性的降低生產宕機、提升連續(xù)性。

創(chuàng)新的機器開發(fā)—基于模型的開發(fā)

數字化設計在于借助于建模來對物理的機器、產線進行仿真,因為在傳統(tǒng)物理的機器與產線上進行調試耗費大量的材料,并且問題并不容易被發(fā)現以及進行快速的調整,而借助于數字化的建模仿真平臺,可以對機械、控制進行仿真,可以在虛擬環(huán)境中改變變量來尋找最優(yōu)的控制模型與參數。

圖4-基于模型的設計

如圖4,仿真建模的優(yōu)勢非常多,它包括以下幾個方面:

虛擬調試:可以在不需要真實的機器狀態(tài)下進行控制參數的最優(yōu)化,可以實現測試驗證環(huán)節(jié)的大量成本節(jié)省,在很多機器的開發(fā)過程中,這個驗證環(huán)節(jié)是最耗費成本的,而通過數字化建模仿真可以帶來成本節(jié)省,還可以縮短研發(fā)周期。

自動代碼生成:通過MATLAB/Simulink、MapSim等軟件的接口,可以將其仿真的模型自動生成C、ST代碼直接下載到控制器,實現硬件在環(huán)測試,這樣就可以節(jié)省大量編程工作。

圖5-采用建模仿真開發(fā)岸橋防搖系統(tǒng)

肖維榮博士以港口集裝箱吊裝過程的建模仿真為例,通過對其物理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行建模,可以仿真整個集裝箱吊裝過程,實現對集裝箱的搖擺和扭轉的抑制,可以快速定位,使得港口的集裝箱吊裝過程實現無人化,并縮短其過程,進而提高港口的吞吐能力,降低人工消耗。

模塊化機器開發(fā)響應生產的變化能力

為了更為快速的構建系統(tǒng),原有的開發(fā)模式已經不能響應快速的市場變化,對于機械制造業(yè)、工廠自動化而言,軟件將扮演越發(fā)重要的角色,通過軟件的復用與組件技術,我們可以將行業(yè)工藝知識封裝為一個個的APP,這些APP將提高機器與產線的開發(fā)效率,未來我們更多的工作將在“規(guī)劃”、“配置”而不是傳統(tǒng)的大量的編程調試。

圖6-模塊化軟件設計舉例:mappMOTION

貝加萊的mapp即是引領這一潮流的典型技術,它不僅提高開發(fā)效率,對于那些擁有自主知識產權的企業(yè)而言,軟件也是一種知識產權保護的容器。

如圖6的mappMOTION是mapp技術中對于運動控制的規(guī)劃,基本的機電對象如軸、軸組,以及專業(yè)的模塊如CNC、機器人,第三個部分就是客戶相關機器的操作運行如OEE、能耗、趨勢、報警等。這些復用模塊可以快速配置機器,應對變化。

圖7-印刷機控制的模塊化軟件設計

以卷筒紙印刷機為例,其色標檢測、套色控制、相位調整均可通過標準化的軟件封裝來實現機器的快速配置,針對不同的印刷材料的張力變化、色標類型、速度、加減速時間、的變化,智能的套色模塊可以智能的計算控制工藝曲線來實現高精度、高速的套色控制。

數字化協同的基礎—基于OPC UA TSN的互聯

圖8-OPC UA TSN構成了數字化連接的基礎標準與規(guī)范

OPC UA TSN技術是未來實現制造協同的關鍵,OPC UA主要來協同機器與機器、機器與管理系統(tǒng)乃至管理系統(tǒng)之間的數據交互,通過全局的語義互操作來實現數據在橫向、縱向與端到端的集成,這樣數字化的連接后,進一步要實現的智能化才有了基礎(如圖8)。

TSN則解決在異構網絡中的數據傳輸問題,對于現有的工業(yè)現場大量的現場總線使得數據的連接出現障礙,周期性與周期性數據無法銜接,而TSN則通過全新的機制來協同這些數據。

OPC UA TSN是整個工業(yè)物聯網(IIoT)實現的基礎,它也使得制造得以協同,機器、機器人、MES/ERP等可以實現數據的透明以及全局的優(yōu)化,貝加萊是OPC UA TSN的積極推動者,在2017年SPS即發(fā)布TSN演示系統(tǒng)并即將投入批量化應用。

圖9-數字化連接到智能應用

如圖9,通過集成OPC UA TSN技術的控制器,貝加萊實現控制、數據連接、匯集,以及數據的呈現、機器學習以及長周期大數據的分析,構建整個智能制造的數字化框架。

極致柔性制造提升成本效率

在跨界技術中尋找可以融入到自動化方案中的技術,自動化正在往軟件、通信方向延伸,而另一個方向則是機械,具體在于機電的融合方向,因為“軟件定義智能”,但機械卻有瓶頸,這是貝加萊之所以開發(fā)SuperTrak/ACOPOStrak的原因,通過柔性電驅輸送系統(tǒng),控制工藝的柔性可以被“柔性”的執(zhí)行,不僅如此,新的輸送系統(tǒng)還可以大幅簡化機械系統(tǒng)的設計,提高產線的復用性,這些都為制造業(yè)的協同效率提升帶來幫助。

圖10-ACOPOStrak實現柔性制造

圖10的ACOPOStrak是全新機電設計變革的動力,它可以讓產線變得更為柔性,滿足個性化定制的需求,提升生產效率。

人才培養(yǎng)是長期戰(zhàn)略

人才是實現智能制造推進的戰(zhàn)略性保障力量,我們需要的不僅是研究型人才,我們也需要數字化時代發(fā)展所需的設計、工程應用、具體操作的人員,這些需要我們產業(yè)與學界的緊密合作,需要將產業(yè)對人才的需求、最新的前沿技術傳遞到學界,并使得學界可以緊密結合產業(yè)發(fā)展需求進行人才的培養(yǎng)。

貝加萊的EC是一個完全按照“復合型人才”培養(yǎng)思想而建立的,他以嚴格的工程師思維訓練工程師,在機電工程、軟件工程、工業(yè)通信、項目管理多個方向進行綜合性的技能訓練(如圖11),并將其融合為解決一個個實際的機器全局開發(fā)項目的能力。通過EC的訓練,我們可以將工程師快速成為提供高回報的人力資源,也是貝加萊的競爭力。

圖11-智能時代的工程師能力訓練

肖維榮博士總結道“人才培養(yǎng)是一個企業(yè)發(fā)展持續(xù)競爭力的來源,建立產學合作也是為社會培養(yǎng)人才的渠道,自動化專業(yè)作為一個應用學科,這種結合是非常必要且回報豐厚的”。

自動化借助跨界技術融合解決客戶問題

肖維榮博士對自動化行業(yè)的使命概括為“借助于跨界技術融合來解決客戶的生產中的問題,在智能制造時代,我們要解決個性化生產的

高成本效率”,橫向技術,來自于IT技術領域的技術如建模仿真軟件、傳感器技術、通信技術、AI、云計算等都可以為自動化所用,我們無需自行開發(fā),而是建立接口,這樣可以實現“經濟性”的解決產業(yè)實際問題,讓定制化生產也能達到標準化的成本優(yōu)勢”。

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