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打造工业4.0强国:机器联网是基础

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机器联网是实现工业4.0和工业互联网的前提和基础,把机器和设备通过网络连接起来,才能真正实现工业4.0

在今年两会上,国家总理李克强称,新兴产业和新兴业态是竞争高地。从国家层面制定“互联网 ”行动计划,推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合,促进工业互联网等健康发展。

2015年3月4日,值两会期间,中关村大数据产业联盟举办了“大数据100”活动,中关村大数据产业联盟工业大数据专业委员会主任、中国人工智能学会基础专业委员会常务委员、中国通信学会云计算专家委员会委员、北京邮电大学世纪学院计算机学科带头人陈志成教授就工业4.0时代,工业企业如何发展“机联网”和“机联网云服务”思路进行了介绍。

据陈志成介绍,机器联网指应用物联网、云计算、现代通信技术,对企业制造设备、工艺流程,空调、照明、仓储等辅助设备进行统一的改造升级管理,形成集中管理、资源共享的现代化智能制造模式,以达到提高生产效率、改善产品质量、促进节能减排、提高企业综合能力的目的。机器联网是实现工业4.0和工业互联网的前提和基础,通过云服务把机器和设备连接起来,才能真正创造和发挥工业大数据的价值。

我国工业自动化水平还很落后

工业自动化是机器设备或生产过程在不需要人工直接干预的情况下,按预期的目标实现测量、操控等信息处理和过程控制的统称。自动化技术是探索和研究实现自动化生产制造过程的方法和技术,涉及机械、微电子、计算机、机器视觉等综合性技术领域。对工业自动化最简单的理解,就是在工业工厂里尽可能地利用机器和设备取代人工劳动。

机器人是实现工业自动化的重要技术之一,也是衡量一个国家工业自动化水平的重要指标之一。据今年2月5日国际机器人联合会发布的报告称,目前中国制造业中每1万名工人平均仅配有30台机器人,这一数字在韩国为437台、日本为323台、德国为282台、美国为152台。此外,有关数据表明国产工业机器人仅占有中国10%的市场份额,其余均被日本、欧洲和美国的工业机器人企业占据,而国产工业机器人的关键零部件的进口依赖度高达90%以上。

据陈志成介绍,中国的机器人产业整体上比较落后有五大原因。首先是起步晚,在先进制造领域,中国整体上还处于CAD/CAM以及CMOS集成制造时代,以机器人为代表的智能制造时代才刚刚开始;其次是核心技术少,我国对机器人研发、生产、制造以及应用等若干方面的关键技术掌握少,生产核心零部件少;第三是企业规模小,机器人属于典型的三高一低(高技术、高人才、高投入、低附加值回报)行业,缺乏龙头企业;第四是行业发展慢,政府与企业缺乏转型意识,直到人口红利消失才意识到必须走智能制造和发展机器人路线;第五是产学研脱离,高校研究与企业需求相分离,技术转化效果不明显。

机器联 网是工业4.0的基础

2013年9月,浙江省经济和信息化委员会发布的《关于开展企业“机联网”工程建设的意见》指出,近些年浙江省制造业快速发展,企业机器设备数量不断增加,但企业机器设备管理水平落后,一线劳动用工缺口持续扩大,加快机器设备联网成为企业提升生产经营水平、加快转型升级的重要突破口。

该《意见》形象地描绘出了“机联网”工程的意义:从“一人负责一机”向“一人负责多机”,甚至“一人负责一个车间”、“无人车间”方向发展,大幅减少生产一线尤其是脏活、累活、污染岗位、危险岗位的劳动用工。实际上近年来,人口红利的消失让江浙、广东一代的企业受到了重大挑战。我国劳动年龄人口自2012年以来,已经连续三年出现绝对数量下降。除了绝对劳动人口的下降外,重点城市的生活成本与日俱增,让很多外地劳动力选择回家乡工作,这进一步导致企业用工数量的下降。所以我国发展工业4.0,首先有“机器换人”的现实需求。

工业4.0主要指在智能制造时代,企业通过在复杂而广泛的网络系统中进行数据分析挖掘和逻辑推理,从而形成智能化的决策和判断。德国工业4.0的核心词主要是CPS信息物理系统或网络物理系统,并认为CPS是实现工业4.0的基础。CPS的意义在于将物理设备联网,特别是连接到互联网上,使得物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。其中,工业设备联网是实现CPS的重要环节。

机器联网主要指建立覆盖数据采集、设备监控、运维诊断、流程优化、节能环保和安全监控的设备信息化管理体系,形成企业专用物联网络。在机器联网的基础上,应用CAM(计算机辅助制造)、MES(制造执行系统)、FMS(计算机柔性制造)、自动控制等成熟制造技术,以及结合工业机器人、RFID射频识别、无线传感、云计算等先进技术,实现信息系统整合和业务协同、生产装备和制造过程的网络化和智能化。

四大类机器设备联网

在浙江省经信委的《关于开展企业“机联网”工程建设的意见》中,提出了四大类机器联网设备:数控机床、行业专用设备、大型机器设备和工厂辅助设备,为机器联网可覆盖的底层设备提供了参考。

数控机床联网以汽车、钢铁、建材、机械、电子等行业为重点,推进铸锻造车间的液压机、操作机、铸锻吊车联网,实现铸锻压机与操作机数控联动;推进实施工厂成型、切削、磨工等数控机床联网管理,推广应用敏捷制造等先进的管理制造模式;引导企业建立CAD、CAM-制造物联平台,建立设计、加工、生产全流程无图纸数字工厂。

行业专用设备联网以纺织、服装、塑料、化工、建材、船舶、汽车、光电等行业为重点,建立自动化生产线,应用工业机器人,形成设备物联专用网络;特殊岗位加强能耗、污染物排放和安全因素在线监控;加强高能耗设备变频、节电、物联网技术应用,促进节能减排和管理效率提升;建立中央数据监控中心,加强设备运行状况实时监视,统一管理生产工艺,并与上层企业管理系统ERP数据交换集成。

工厂大型生产机器设备以工厂大型生产设备、工程建筑机械设备等为重点,开展大型机器设备联机改造,实现远程监测与维护。建立大型机器设备智慧管控平台,对设备和产品的性能状态进行异地远程的全天候监测、预测和评估,提高设备作业率,减少非计划停机时间。

工厂辅助配套设备包括工厂水电气管理系统、照明系统、空调系统、仓储物流系统、 门禁系统等辅助配套设施,建立企业信息化综合管控体系。推进企业仓储物流与生产制造系统的联网,提升“机联网”应用成效;以行业龙头企业为主体,推进供应链企业间系统联网,加强产供销数据资源衔接,提升生产经营水平;加强工厂空压机、风机、空调系统、照明系统等主要耗能设备的联网,对水、电、油、气消耗自动记录,建立智能化管控体系,促进企业总体节能;推进智慧能源监测体系建设,实现重点耗能企业能耗实时监测。

机联网云服务解决方案

陈志成介绍了一个“智造企业机联网云服务”解决方案,为工业企业实现机联网提供了路线图。整体机联网云服务分为三个组成部分,分别是企业(工厂)内机器联网、室外(工地)机器联网和云服务平台,通过三个组成部分实现三层架构:应用层、云服务平台层和机联网层。其中,机联网层为基础数据采集层,通过云服务向应用层交付数据;企业的各类应用通过IaaS与PaaS云服务的方式,向工厂管理系统投放数据,实现智能化工厂。

陈志成认为底层机联网最为复杂之处在于复杂传感器网络以及不同的通信协议。要对机床进行联网,不仅需要统一各种数据标准,还要研发各种专用传感器,细化到机床上某个点的监控。此外,通信协议也不能覆盖所有的机联网通信需求,需要开发新的网络协议,并把网络安全考虑在内,机器设备联网协议是机联网的关键性技术。

在数据处理方面,有两级处理方式。一个是本地的实时处理,当车间设备出了故障,能马上进行反馈,当场处理反馈,不需要人工干预。另一个是大数据分析,把数据上传到云数据中心,通过算法和流程优化,进行远程优化监控。此外,数据标准也非常重要,这不仅涉及到不同工厂和不同企业之间的数据交换,还涉及到企业向政府上报数据的格式。

在“智造企业机联网云服务”总体研发中,包含两个解决方案、七项关键技术、三项行业标准,其中有三类硬件开发、六个软件系统的开发。其中两个解决方案指机联网整理解决方案和云服务整体解决方案,行业标准指机联网通信协议标准、企业大数据组织标准和云应用服务接口标准,关键技术包括机联网协议、物联网协议、云计算技术、大数据技术、空间信息技术、多维呈现技术和移动终端技术。三类硬件包括新型传感器、新型融合通信网关和云服务安全认证设备,六个软件系统包括机联网管理控制子系统、云基础设施服务子系统、设备网络管理子系统、应用集成子系统、大数据分析子系统和应用终端服务子系统。

能源大数据管控案例

陈志成介绍了由广东盈嘉公司承担的国家物联网专项课题能源大数据管控项目,主要实现了对中国移动机房内的用电设备,包括主机服务器和辅助空调设备等,进行监控管理以及大数据分析。

该项目在相关设备中安装传感器,通过网关传送数据传送,可查看设备动态运行状况,实现了设备运行状态的多角度模拟展示。还能通过大数据分析,实时或定期查看数据分析图表,并根据结果进行系统的管理控制、优化改进。通过图表,可以把各个地域、各个机房、各个服务器设备的能耗情况用多种方式直观的表现出来。

除了电信领域之外,钢铁厂、水泥厂等高能耗的工业企业,也都面临着升级改造的问题。基于物联网的能源大数据控制与管理系统,是工业4.0时代的一个先行示范。

对于制造企业发展机联网来说,是否有投资少见效快的途径?陈志成认为,由于中国很多企业之前是依靠“人口红利”发展起来的,部 分领导们并不了解国内外自动化水平,所以有必要聘请专家顾问、或咨询企业,帮助进行需求分析、技术对接、机器设备的本地化等。