簡(jiǎn)要分析制造企業(yè)實(shí)踐工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所需走過(guò)的過(guò)程

傳統(tǒng)制造業(yè)正在經(jīng)歷著前所未有的轉(zhuǎn)型，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析，作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能制造的核心技術(shù)，正在從各個(gè)方面改變著工業(yè)行業(yè)，包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)，以及供應(yīng)鏈管理。通常，即使工廠里采用了以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、MES和SCADA系統(tǒng)，大部分硬件設(shè)備還是沒(méi)有接入網(wǎng)絡(luò)，或僅單向輸出信息。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)，傳統(tǒng)制造企業(yè)更需要主動(dòng)地去嘗試和采用新的自動(dòng)化技術(shù)來(lái)迎合多變的市場(chǎng)環(huán)境和客戶需求。

本文將簡(jiǎn)要分析制造企業(yè)實(shí)踐工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所需走過(guò)的過(guò)程，以及在工業(yè)制造業(yè)所呈現(xiàn)的主要問(wèn)題和趨勢(shì)。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的五個(gè)環(huán)節(jié)和兩大階段

IHS Markit將傳統(tǒng)制造工廠轉(zhuǎn)化為真正的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工廠的過(guò)程劃分為五環(huán)節(jié)，如圖1。

第一階段是實(shí)現(xiàn)“機(jī)器與機(jī)器對(duì)話”，即現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)和底層數(shù)據(jù)的采集兩個(gè)環(huán)節(jié)。在企業(yè)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、建立模型之前，工廠內(nèi)的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施還有很多準(zhǔn)備工作要做。首先，工廠的機(jī)器都能夠與工廠內(nèi)和其他遠(yuǎn)程地點(diǎn)的所有其他機(jī)器和設(shè)備互相通信，并進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換，這是所有后續(xù)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)。

目前，大部分企業(yè)仍處于這個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互通互聯(lián)，同時(shí)確保數(shù)據(jù)和信息溝通的準(zhǔn)確性、可靠性、完整性和及時(shí)性，這是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，也是工業(yè)企業(yè)要首先解決的問(wèn)題。在很多工廠中，已有的自動(dòng)化設(shè)備，比如驅(qū)動(dòng)器、傳感器、控制器、儀表等都已經(jīng)使用多年，甚至十幾年，企業(yè)用戶不會(huì)推倒重來(lái)用新設(shè)備來(lái)替代已有設(shè)備，而都會(huì)在不影響生產(chǎn)的前提下，擴(kuò)充已有設(shè)備的通信能力。然而，已有設(shè)備來(lái)自不同的制造商，并沒(méi)有采用統(tǒng)一的通訊協(xié)議，需要采用協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備對(duì)原有設(shè)備和產(chǎn)線進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的無(wú)縫通信，比如支持不同協(xié)議的高級(jí)HMI、協(xié)議轉(zhuǎn)換器，或其他自動(dòng)化產(chǎn)品，連接這些采用不同專用通信協(xié)議的設(shè)備。

根據(jù)IHS Markit最新數(shù)據(jù)，全球聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)數(shù)量在2017年已經(jīng)達(dá)到950億個(gè)，其在2017至2021年的年復(fù)合增長(zhǎng)率會(huì)保持在11.6%。IO-Link sensor和IO-Link master市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)也能反映將現(xiàn)場(chǎng)層信息可視化的旺盛需求。IHS Markit預(yù)測(cè)IO-Link聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)在2017至2021年這5年期間將以25.7%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。

第二階段是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的價(jià)值輸出，包括第三、第四和第五環(huán)節(jié)，即數(shù)據(jù)的存取、分析和價(jià)值輸出。對(duì)企業(yè)而言，在解決了如何搜集數(shù)據(jù)的問(wèn)題后，數(shù)據(jù)的存取和利用是接下來(lái)更為重要的問(wèn)題?？陀^來(lái)看，工業(yè)企業(yè)內(nèi)部的業(yè)務(wù)邏輯并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化，自動(dòng)化水平也不同，并不能用一套通用軟件平臺(tái)來(lái)解決每家企業(yè)的問(wèn)題，都需要定制化的軟件開(kāi)發(fā)，這也需要工業(yè)企業(yè)用戶有更多的資金投入。目前，我們能看到幾乎所有工業(yè)技術(shù)廠商都已經(jīng)推出了自己的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決平臺(tái)，比如IBM有Waston，GE有Predix，Schneider有EcoStruxure，Honeywell也有了Sentience。

在該階段，如何解決工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全問(wèn)題，如何合理利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，怎么使用邊緣計(jì)算和云計(jì)算，以及怎樣發(fā)揮移動(dòng)設(shè)備在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的積極作用都將成為行業(yè)更為關(guān)注的話題。

網(wǎng)絡(luò)安全是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)施的一大困擾

舉個(gè)例子，比如OEM廠商提供的質(zhì)保內(nèi)容正在發(fā)生變化，所提供的質(zhì)保內(nèi)容由過(guò)去的“一年內(nèi)可以更換故障配件”，過(guò)渡到“保證設(shè)備可以一年中正常運(yùn)行的時(shí)間”，如果設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，OEM廠商需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)。但前提條件是OEM廠商能夠?qū)崟r(shí)地、安全地連接進(jìn)入工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，查看相關(guān)數(shù)據(jù)。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)越來(lái)越開(kāi)放，與IT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題將更為凸顯。IT系統(tǒng)所受到的任何威脅都會(huì)對(duì)OT系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響。安全問(wèn)題已經(jīng)成為投資工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一大障礙。近年來(lái)發(fā)生的黑客入侵電力公司網(wǎng)絡(luò)，阻斷電力供應(yīng)，劫持工業(yè)控制設(shè)備，篡改PLC中的程序和數(shù)據(jù)，造成產(chǎn)線停產(chǎn)的事件大大提升了工業(yè)企業(yè)用戶對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全的關(guān)注度。

雖然自動(dòng)化設(shè)備制造商已經(jīng)在硬件產(chǎn)品和軟件平臺(tái)中都增加了網(wǎng)絡(luò)安全措施，比如在PLC和I/O模塊產(chǎn)品中增加了SSL/TLS加密。但距離終端用戶能夠廣泛接受，并使用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)來(lái)采集、監(jiān)控、處理和存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)和信息，還有很長(zhǎng)的路要走。此外，擴(kuò)充現(xiàn)有OT系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安防能力所需的成本和培養(yǎng)訓(xùn)練有素的人員的投入也是不可忽視的因素。根據(jù)IHS Markit的研究，實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)方案擔(dān)憂的主要問(wèn)題是網(wǎng)絡(luò)安全和隱私保護(hù)，其次是項(xiàng)目的實(shí)施成本和其復(fù)雜性。

邊緣計(jì)算和云計(jì)算協(xié)同合作更能滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求

云計(jì)算處于數(shù)據(jù)中心的核心網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)層層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備搜集終端的數(shù)據(jù)，憑借強(qiáng)大的存儲(chǔ)和計(jì)算能力進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。邊緣計(jì)算是指在貼近數(shù)據(jù)源的設(shè)備中的計(jì)算能力，進(jìn)行實(shí)時(shí)、短周期數(shù)據(jù)的分析，能更高效地對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)智能化處理和執(zhí)行，同時(shí)能夠緩解網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量和云端的工作量。

當(dāng)海量的數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)、分析時(shí)，云計(jì)算更合適。比如需要大量數(shù)據(jù)輸入的人工智能離線訓(xùn)練，這些數(shù)據(jù)要通過(guò)合適的訓(xùn)練方法，驗(yàn)證和完善人工智能算法模型。

邊緣計(jì)算可以說(shuō)是對(duì)云計(jì)算的一種補(bǔ)充和優(yōu)化。很多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣，設(shè)備分散，很難實(shí)時(shí)傳送大量數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候邊緣計(jì)算就更為適用。以風(fēng)電場(chǎng)為例，具有邊緣計(jì)算能力的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)地采集和分析數(shù)據(jù)，并能及時(shí)做出判斷，調(diào)整風(fēng)機(jī)以收集更多的能量。因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程都在本地完成，處理速度比采用云計(jì)算提升很多。

目前，工業(yè)產(chǎn)線中的數(shù)據(jù)中僅有約3%的數(shù)據(jù)是有使用價(jià)值的，通過(guò)邊緣設(shè)備過(guò)濾、處理后，到達(dá)云端的數(shù)據(jù)價(jià)值更高，相應(yīng)的計(jì)算和分析過(guò)程也會(huì)更高效。

機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的應(yīng)用

機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供了廣闊的遐想空間。目前，工業(yè)領(lǐng)域主要的應(yīng)用包括自我診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)、優(yōu)化生產(chǎn)流程、智能機(jī)器人、結(jié)合機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行產(chǎn)品檢測(cè)等。

(1)自我診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)：采用預(yù)測(cè)性模型技術(shù)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制器等上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即可獲得的設(shè)備故障前兆特征。配合報(bào)警機(jī)制，工作人員可及早制定維護(hù)和應(yīng)急方案。避免因產(chǎn)線驟停帶來(lái)的難以控制的損失。比如正在作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)故障，就會(huì)造成大量的不合格品，人工智能技術(shù)可以通過(guò)檢測(cè)機(jī)器人減速機(jī)和主軸上不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，來(lái)學(xué)習(xí)并建立模型，進(jìn)而能夠提前預(yù)測(cè)故障。

(2)優(yōu)化生產(chǎn)流程：人工智能模型在搜集的各項(xiàng)溫度、轉(zhuǎn)速、能耗、產(chǎn)能等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行分析，對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，提出降低能耗、提高產(chǎn)能的方案。

(3)智能機(jī)器人：機(jī)器人可以去讀關(guān)聯(lián)軟件模型中制造產(chǎn)品的相關(guān)信息，并學(xué)習(xí)。最終，不需要工程師每次對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，機(jī)器人可直接接受工程師指令，自主進(jìn)行制造生產(chǎn)。這樣，產(chǎn)線能夠更加靈活、高效地應(yīng)對(duì)定制化生產(chǎn)的需求。

(4)結(jié)合機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行產(chǎn)品檢測(cè)：目前廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體和3C行業(yè)。機(jī)器視覺(jué)是人工智能正在快速發(fā)展的一個(gè)分支。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的攝像頭可以快速獲得大量生產(chǎn)信息，通過(guò)后臺(tái)軟件加工處理，結(jié)合設(shè)計(jì)信息和加工控制信息，能夠代替人工作業(yè)提高生產(chǎn)的效率、精度、質(zhì)量和柔性。

工業(yè)移動(dòng)應(yīng)用會(huì)更加廣泛

移動(dòng)終端設(shè)備在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的參與度逐漸提高，越來(lái)越多的廠商推出移動(dòng)應(yīng)用方案，進(jìn)一步提升工作效率和效力。移動(dòng)終端主要的應(yīng)用方式有以下幾種：

(1) 遠(yuǎn)程監(jiān)控：使用HMI的移動(dòng)應(yīng)用，工作人員可以在任何時(shí)間和地點(diǎn)檢查現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)進(jìn)行診斷和維護(hù)工作。當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)離設(shè)備操作點(diǎn)較遠(yuǎn)，或設(shè)備位于危險(xiǎn)區(qū)的時(shí)候，移動(dòng)應(yīng)用提高工作安全性和效率的優(yōu)勢(shì)更為明顯。

在多臺(tái)設(shè)備都在運(yùn)行同一套工序的情況下，工作人員在移動(dòng)終端上就可以查看每臺(tái)設(shè)備的狀況，比跑到每臺(tái)設(shè)備前逐一查看更方便和高效。很多人認(rèn)為個(gè)人移動(dòng)設(shè)備不適合在工業(yè)環(huán)境下使用，所以，在2017年，除了推出了更多基于個(gè)人移動(dòng)終端的應(yīng)用，我們看到少數(shù)企業(yè)也推出了專門用于工業(yè)環(huán)境下的基于web的平板電腦，僅用來(lái)查看數(shù)據(jù)和信息。

(2)自動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)信息：工作人員可以將移動(dòng)設(shè)備作為現(xiàn)場(chǎng)信息采集工具，通過(guò)專用的應(yīng)用程序，直接掃描并上傳數(shù)據(jù)到后臺(tái)系統(tǒng)，這樣可以避免工作人員自己讀取和手工輸入信息過(guò)程中造成的錯(cuò)誤。

(3)信息發(fā)布和分享：將現(xiàn)場(chǎng)的人工流程在移動(dòng)終端上數(shù)字化，信息的發(fā)布和分享將會(huì)極大簡(jiǎn)化。比如工廠的管理員可以將發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題同時(shí)發(fā)布給所有相關(guān)人員，而不必逐一溝通。進(jìn)而減少停機(jī)和維修的時(shí)間，最大化地降低損失。

如上文所述，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐對(duì)生產(chǎn)設(shè)備、軟件平臺(tái)、人員配備、以及資源都提出了很多新要求，工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備也要為此做好準(zhǔn)備。以下是IHS Markit所觀察到的自動(dòng)化設(shè)備層面已經(jīng)發(fā)生或正在發(fā)生的變化：

數(shù)據(jù)采集能力：傳統(tǒng)工廠里使用的傳感器和執(zhí)行器都是獨(dú)立工作的，現(xiàn)在越來(lái)越多的設(shè)備安裝了嵌入式的傳感器，比如泵、流量表、馬達(dá)、軸承等。

通信能力：越來(lái)越多的PLC和HMI產(chǎn)品都配置了通信接口，過(guò)去屬于高端產(chǎn)品的配置，現(xiàn)在已成為中端產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置。一些I/O模塊產(chǎn)品配置了無(wú)線通信能力。

數(shù)據(jù)處理能力：PLC的數(shù)據(jù)處理能力進(jìn)一步提升，能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和簡(jiǎn)單的處理，減少服務(wù)器和云端的負(fù)荷。智能I/O模塊具有簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷能力。過(guò)去兩年，也推出了很多具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

工業(yè)級(jí)移動(dòng)設(shè)備：少數(shù)廠商推出了針對(duì)工業(yè)環(huán)境下使用的移動(dòng)設(shè)備，比如基于web的平板電腦，僅能瀏覽網(wǎng)頁(yè)，用來(lái)查看現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)線狀態(tài)和信息。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)扁平化：一些高端PLC產(chǎn)品和智能I/O模塊添加了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的功能，可以直接將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器或云端。智能傳感器也可以不通過(guò)PLC，直接通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳送到上層。新產(chǎn)品的這些功能將會(huì)加速工業(yè)控制系統(tǒng)構(gòu)架的扁平化。

人工智能算法模塊：Rockwell和Omron都在其PLC控制器中加入了人工智能算法模塊，通過(guò)對(duì)控制器中的數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析學(xué)習(xí)，人工智能算法模塊會(huì)快速建立模型，之后會(huì)持續(xù)監(jiān)控運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)異常，并報(bào)警。

設(shè)備本地化與云端結(jié)合：會(huì)有更多基于云的方案推出，HMI和控制器等設(shè)備的部分非實(shí)時(shí)的功能將會(huì)被轉(zhuǎn)移到云端進(jìn)行，這也更符合分布系統(tǒng)式構(gòu)架的理念。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的變化是指日可待的，所有的蛻變都需要一個(gè)陣痛期，科技的前沿尤其需要用最高的思維力來(lái)減輕這一陣痛，蒂蒙技術(shù)作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的見(jiàn)證者及協(xié)助者，始終保持創(chuàng)新，力求用最高端的思維及技術(shù)方案，減少工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)過(guò)程中數(shù)據(jù)分布、協(xié)議處理、用戶體驗(yàn)等問(wèn)題。