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工業互聯網:智能設備將會互相溝通和思考_0

未知 2019-05-31 11:47

  下一代工業革命逐步逼近,我們將如何應用融會貫通新的功能?工業4.0將由自動化進步支持,工業物聯網和基于電腦的控制器轉型就是明顯的例子。

  工業4.0比前面3次工業革命來勢更加迅猛,變革的速度更快,影響也更深遠更徹底。

  電子傳感器替代氣壓傳感器,計算機數控取代凸輪驅動工具,使用IP通訊的智能設備已經逐步主導工業版圖。

  工業物聯網概念性元素之一就是使設備與設備之間的通訊(M2M:Machine to Machine)成為可能。對很多工業用戶來講,M2M并不新奇。在過去的幾十年里,煉油廠就可以使成千上萬個設備與控制系統溝通。M2M的新奇之處在于,設備變得更加智能,通過IP通訊,交換的信息也更加豐富。每個設備都有自己的IP地址,所以任何人在任何地方都可以通過互聯網與這個設備聯通。用戶對這個功能的影響力的理解才逐步開始。

  為什數字化如此重要?

  制造業的設備,無論是用于加工還是工廠自動化,在他們的測量能力、如何監控自身狀態與如何溝通的本質上都變得更加智能。傳統的啞巴式壓力傳感器或近距離傳感器 (proximity sensor)把壓力或距離讀數轉化為模擬信號,僅此而已。他們或許能代表M2M通訊,但是只是粗糙的原型。缺陷諸多的模擬通訊,正在被數字化迅速取代。其中的效果就好比智能手機取代原始的兩個罐頭盒加一根繩子構成的電話機。

  精密的設備需要精密的控制器來發揮最大效用。一二十年前的一臺PLC可以讀取I/O數據并按步驟操作。然而,今天的制造業的要求遠不止如此。今天的控制器必須能夠處理運行數字工廠所需的控制功能。新一代控制器的興起,結合了世界上最好的PLC的功能與電腦的多功能性。

  設備和控制器的強大結合

  新一代設備和控制器的結合幫助我們開設基于信息物理系統的數字化工廠。盡管電腦在上個世紀70年代就已經用于車間,但是電腦所能做的事情卻發生了天翻地覆的變化。早期的PLC并不比之前的繼電器好很多,但是PLC所能控制的事情隨著技術發展和人們的創新思維的發展也日新月異。

  傳統的工業機器人只是被程序設定每天做單一重復的事情。但是隨著網絡物理概念的發展,機器人和它的控制器被編程,可以根據當前狀況而獨立判斷下一步要做什么反應。舉一個簡單的例子,傳送機可以輸送各種瓶子到封口機,這些瓶子的基本形狀相似,但是總共有5種顏色,每種顏色的瓶子需要對應該種顏色的封口。信息物理系統可以觀察瓶子,并指令機器人抓取對應顏色的封口擰緊瓶子。機器人能做的還可以更多。

  該信息物理系統還可以判斷瓶子是否變形、是否貼了標簽以及注入液體水平是否正確。使用一組智能傳感器的信息,同一臺機器人可以抓取不合格的瓶子移出產線。該系統可以經過編程思考所有可能發生的狀況,并合理應對。

  智能應用的智能控制器

  有創造力的用戶在創造新的方法幫助制造系統在更加復雜的應用里實施更加復雜的功能。由于各種操作和現場設備繁多,新的基于電腦的控制器是信息物理系統的關鍵之處。一種控制器可能會同時用于壓力和流量傳感器、機器視覺攝像機、條形碼閱讀器、馬達驅動、閥門驅動裝置、機器人以及其他各種設備。

  以上提到的那些設備可能依賴從模擬電流環到工業以太網的多種通訊協議。這種系統的速度依賴更快的協議轉換,因此每個設備可以兼容合作,支持生產。而且,所有那些設備可以發送診斷信息到中央控制處以供評估,比如發送信息到人類操作員或者維修部門,這些信息可能包括視覺攝像機上的LED燈要燒壞了,或者設備機柜冷卻風扇被灰塵堵塞了等。這些預防性的維修能力預防生產時的故障或停機的可能性。

  這是PLC還是電腦?都是!

  最近發展最火的一個概念就是開放式控制器。開放式控制器和傳統的PLC在功能和形狀方面都相近,但是同時也是一臺真正的工業電腦。一方面它具備目前電腦所有的連接性,同時它還擁有PLC上才有的I/O卡槽。因此開放式控制器可以與普通的工業現場設備和商業化的周邊產品無縫合作,無論他們使用的通訊協議是否一樣。

  開放式控制器可以同時具備PLC和PC兩者的功能。當它作為控制器在機器上運行時,管理程序把Windows系統從控制器系統功能隔離開來,使操作員在Windows系統上同時執行完全不同的任務。實時操作系統與雙核處理器合作,把PLC和Windows系統完全分開,因此操作員可以通過冷重啟動開啟Windows,而不會影響機器的控制功能。如有需要,控制器的兩種功能可以與企業水平系統集成。

  從功能的角度來講,現代工業電腦可以做PLC可以做的任何事情達到同樣的完成效率和診斷能力。隨著更多的設備開發更多的功能,不同類型控制器之間的界限越來越模糊。

  工業用戶希望延長設備的使用期限,像電腦技術這樣演化太快的東西,更新升級的成本很大。在IT的世界,如果一個東西運行超過兩年會被認為太舊了,超過4年就可能完全過時。比如西門子,就與英特爾達成協議,要求英特爾提供的設備能使任何工業電腦平臺運行至少達10年。對于大部分工業電腦來講,其實10年的意思是活動的銷售期5年,加上另外的5年維修期。

  展望未來

  所有這些元素智能設備、基于電腦的控制器、信息物理系統和互聯網通訊正在相互結合支持工業4.0和目前的數字制造革命。

  產品設計者將在電腦上開發新產品,包括所有的零部件。設計平臺將需要理解每個零件的特性、結構材料和制造過程。

  一件產品可能涉及注塑塑料零件、機械金屬部件以及其他金屬粉末或添加處理。系統會考慮所有這些元素如何相關,以及如何聯系起來、每個元素是否結構完整,經過預設的處理是否可以被有效構建并組裝。

  設計平臺下一步將決定生產和最終組裝需要什么,目前的生產設施是夠足夠完成生產的任務,某個零件是否需要調整,是否需要創造新的生產線等問題。設計的結構將會是非常清晰詳細的藍圖,解決產品如何生產包括降成本和提高生產率的問題。

  一旦開始生產,所有開發服務程序的信息將完整呈現,在產品的整個生命周期里支持這個產品。產品和產品的制造流程都使用兼容軟件虛擬設計而成,生產設施也可以使用生產設備、控制器和軟件構建。

  制造車間

  如此設計的生產設施將達到前所未有的集成程度。每個設備(細化到每個傳感器和驅動器)都將使用IP通訊,每個設備都有自己的IP地址。任何經過授權的人都可以在任何地方通過互聯網訪問設備,獲得診斷和生產相關的信息。

  通過輸送到維修程序的診斷信息,生產將會達到高度穩定水平,意外狀況將成為過去時。制造系統將無縫集成,并受周全的網絡安全戰略保護。多家分公司的企業在任何地方都可以共享信息。

  實現以上描述的智能制造系統的技術很多已經被研發出來了。運行于工業電腦的產品設計軟件主導創造設計,同樣的平臺可以啟動和控制制造設施。最后我們需要的元素就是可以通過工業以太網通訊的工業傳感器和驅動器。一大批工業傳感器和驅動器已經設計出來,還有更多的正在設計當中。工業4.0所需的技術元素已經萬事俱備,現在制造商只需要具備想象力和創造力來運用它。

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