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admin 优德88手机客户端 2019-07-18 273 0

跟着6月6日5G商用车牌的发放,我国5G的开展毫无意外地开端加快。我国移动2019年估计将投入192亿人民币,三大运营商估计本年建造8至9万个基站(比照一下,美国现在只要几千个 )。相关数据标明,2026年ICT运营商5G的数字化收入估计将超越12000亿美元,其间约2340亿美元来自相应的笔直制作范畴

工业正在迎来夸姣的通讯年代,而工业4.0背面需求的通讯体系,也开端浮出水面。

工业4.0的新通讯

工业4.0一开端就界说了本身的顶层架构RAMI,它从三个维度对工业4.0进行了结构描绘,代表了德国对工业4.0所进行的大局式考虑。有了这个模型,各个企业尤其是中小企业,就能够在整个体系中寻觅到自己的方位。这是一股史无前例的激流交融,万物、人机、软硬、真假都要衔接,需求一种全新的通讯观,才干完结这种集成。从国外的工业巨子如西门子的实践来看,根本是依照这样的通讯结构进行全域构建。

图1:工业4.0架构RAMI与通讯


(来历:弗劳恩霍夫IOSB-INA和VDMA一起出书的《工业4.0通讯攻略》)

但是,通讯作为工业4.0体系中至关重要的子体系,并不是只需求完结通讯体系的实时功用就能够——这很简略被误解是仅有重要的点。更大的应战是,把通讯要求所包括的全部网络进行无缝的集成。这些网络包括从有严厉承认性要求的就地操控网络,到工厂内部的运转操作办理网络,到企业出产的方案调度网络,并延伸到全球衔接的跨企业的通讯,以及依据网络通讯的自组态和各类网络办理的集成。一起,需求拟定不同以往的晋级搬迁、集成和保护,考虑与上下游企业的相关和衔接或许性等杂乱的实时战略。

要从底层的传感器传递到云端,数据需求有多样化的途径。从厂房地板,到企业高管天花板,一路穿越的网络和衔接管道的数据,怎么完结通讯的无缝集成,将成为一个最大的现场应战。

工业4.0正在呼喊一个全新的通讯局势,OPC UA和TSN应声而出。

数字化工厂的通讯赢家

以往,工厂处处都是机器,它们挨着多年,但生成的信息却彼此阻隔,很少“攀谈”,也很少被运用。但是在离散型工厂或进程主动化工厂中,信息沟通有各种不同的流量类型和传输要求。主动化操控设备与工厂级体系和运用之间存在笔直通讯需求,而从操控器到操控器、从操控器到现场设备(例如执行器、传感器和驱动器)、输入和输出等则有水平通讯需求。以往,各种类型的现场总线和工业以太网支撑这些不同的通讯需求,然后将流量划分到各个独自的网络上。这种数据“各自为营”的数据办理局势的构成固然有其前史的必定性,但是当时却正在成为约束万物互联的“桎梏”。

作为一种打造万国设备的工厂级世界语,OPC UA呈现了。

近几年来, 敞开渠道通讯一致架构OPC UA的规范开展速度很快,一路领跑。2017年末,德国机械制作协会VDMA与弗劳恩霍夫IOSB发布了针对中小型机械制作企业怎么导入OPC UA及其战略的导则。导则清晰的侧重,OPC UA不是主动化实时通讯的另一个规范,而是一种为现在尚处于信息孤岛的设备之间树立附加通讯通道的东西, 为不同出产厂商出产的成套设备、机械设备和部件之间供给一种一致的通讯方法。

OPC UA不是来替代现有的通讯协议,而是完结通讯进行一致对话的东西。换言之,这次来的不是抢地盘的,而是劝和使者。更重要的是,它是将设备从暗淡地带、乃至是至暗旮旯,带向一个高光时刻。

从传感器到设备、到云端,那是一路阴险的火焰山。取经途中需求处理的问题包括:一致的语义(各种通关文牒)、实时(跑得快)、大数据量传递(个子大)、海量并发(拥堵)、异构数据(不同肤色)。OPC UA作为一种面向服务的架构SOA,为机械数据(比如设备描绘、丈量数值、参数和操控变量)信息交流的规范化,成为西天取经的重要法宝。但是它只处理了上层问题,关于底层接连不断的数据,好像从山沟里杀出多个军种的千军万马,网络体系怎么招架?

时刻灵敏网络TSN开端上台,它专门针对不同数据呼应速度要求的特色,供给了一种网络弹性的确保机制。例如,在现代工厂操控中,既有许多实时数据的通讯与操控,也有许多监视器的监测,以及各种无线数据,使得现场的数据构成了拥堵的跑道,充满了许多结构化实时信息和非结构化信息(如音频、视频流)等各种不同类型的数据,对数据同步的精度要求比较高。在操控器之间进行通讯时,能够运用TSN的功用按信息传输的优先级加以调和,然后在杂乱的现场情况下确保各种通讯的调和一致性。

图2:各种数据挤上跑道

能够说,TSN搭建了一个数字世界的龟兔赛跑的新场所。这种龟兔同赛道的规矩,不再是谁快谁慢,而是供认数据多样性的一种理性挑选。

现在,TSN已达到了有用所需的技能成熟度,具有TSN功用的网络组件、通讯处理器、软件和网络办理体系都现已问世。其实,TSN也并非全新的技能,其来历于AVB(Audio Video Bridging)音视频桥接,是由AVnu联盟安排所倡议开发的协议。AVB协议是为确保完结音频和视频数据供给时刻同步的、低推迟的和确保带宽预留的流媒体功用。TSN是AVB的进化版,在原有规范的根底上扩展了规范的规模、功用和运用程序。在2017年,工业互联网联盟(IIC)和Avnu联盟宣告联手,一起推进TSN敞开规范设备的布置。这也意味着TSN正在工业范畴得到广泛认可。

这样一来,OPC UA在上层,而TSN首要在基层,二者构成了地板与天花板之间的彼此照应。

图3:依据TSN强化工业通讯(来历:西门子)

TSN增强了以太网的功用,也使得其更适合于工业运用。即便在高网络负载条件下,TSN也能在机器和工厂之间完结愈加强大和牢靠的以太网通讯。这种牢靠性使得轿车、机械工程等职业的主动化运用具有明显优势。

5G工厂的数据观

OPC UA是在作为物理层和数据链路层的以太网的根底上作为运用层的协议,而TSN则是为了改善现有数据链路层的协议。现在工厂里的以太网能够是有线的,也能够是无线的。现在大部分的OPC UA均运转在有线以太网中。但是,关于万众瞩目的5G,作为无线通讯的根本载体,正在引起工业范畴的全新爱好。

在以引领职业未来著称的2019年德国汉诺威工业饱览会上,5G第一次以专门展区方法呈现,多家企业进行了会集展现与宣讲。5G和上一代蜂窝网络的首要差异之一是,5G能够直接运用于机器之间通讯和物联网。包括5G和工业wifi6在内的无线通讯,将大幅度进步智能工厂的灵敏性、通用性和出产率。

世界规范化安排3GPP界说了5G的三大场景,其间每个场景都与制作业相关。增强型移动宽带eMBB,能够用于增强或虚拟实际、3D/超高清视频等大流量高速移动宽带事务;而海量机器类通讯mMTC,用于智能抄表、智能农业、进程主动化等大规模物联网事务;而超牢靠低时延通讯URLLC,则能够用于无人驾驶、工业主动化操控、移动机器人,长途制作等需求低时延、高牢靠衔接的事务。而在全部工业运用中,运动操控应该是最具应战性和高要求的。这就落在URLLC的头上。

图4:5G三大场景在未来工厂的运用(来历:ZVEI)

新的数据自治次序,呼之欲出。

看上去,工厂里的无线数据,正在处于预备炸锅的局势。5G在制作业中的运用,变成了一种等待。一些企业开端期望未来把5G融到工业运用范畴中去。

不过且慢,需求泼点冷水的是,5G在工厂现在依然处于不断测验,寻觅场景运用的芳华萌发期。三大场景频率资源,其实是不或许一起进行的。用规范的协议与工业运用去做对应和适配,依然是相对实际的做法。

较之有线通讯体系来说,无线体系显然能快速打破技能和经济上的约束。未来会在工业出产中运用数量巨大的低成本传感器和执行器,除了运用有用的无线体系,别无它法。蓝牙和无线局域网都在开发低成本的结构,但至今停止仅有十分有限的机制来处理抗干扰、信息安全和呼应时刻等问题。单一的无线工业处理方案局限于很少的频带,由于只能容纳数量不多的传感器和执行器,不太或许有很好的经济效应。因而,或许依然需求5至10年,5G才会在工业运用中起到巨大作用。

当下ICT的达观心情和宣扬,难免会影响了言论的判别。那种认为“设备+衔接+云”就能够完结大一统的主意,不免过于简略。跟着5G的开展,工业Wifi6也开端成为随时随地动身的数据军团,无缝补齐5G所留下的空白。现已在商用范畴完结WiFi6技能的设备供货商也逐渐认识到了无线技能在工业操控运用中的特殊性。这种工业现场特性的技能差异性,是很难靠ICT厂商完结打破的。关于设备周游的实时性和牢靠性问题,ICT公司经过上层软件、驱动和会集调控的方法很难处理。许多机器人、AGV更无法构成会集资源,这就有必要从设备端、现场端来处理。ICT从一开端的态度,就现已表现出不同。这些网络设备,是不会关怀操控的,而这恰好是设备制作商和OT企业最为精心呵护的阵地。

在上海宝武冷轧车间无人“黑灯工厂”中,重载钢卷行车在漆黑而空阔的厂房高空中无声行走,转移侧重达十几吨的钢卷,给人以震慑的感觉。漆黑空间背面相同不行看见的则是西门子等多个主动化厂家供给的操控体系的支撑。在智能制作许多相似的现场都能够发现,假设没有牢靠的驱动与操控、定位体系与通讯体系的协同,难言通讯技能的单刀打破,5G在工厂级的运用和开展也不会破例。

现在来看,有线结构与无线结构将长时刻并存。或许未来10年左右,才干看到更好的交融点。

相同地,OPC UA也不是全能的。OPC UA本质上,仅仅为了处理机器之间的互联互通和互操作,关于更杂乱的软件与软件、数据与数据、人与体系等的联接性,则是力不从心的。这意味着,OPC UA之外依然需求许多的联接性协议(如DDS、oneM2M、HTTP)等加以补偿。OPC UA和TSN也是逐渐搬迁到机制上。专业通讯的架构,依然是工厂通讯的中心要害。这需求对设备有着深化的了解。

契合工业4.0要求的通讯,并无法马上全面遍及。要取得全面的运用,恐怕还需求十年左右的时刻。这关于急性的人们而言,或许显得有点长,但考虑到主动化技能的运用动辄三四十年,这现已算快速的运用了。

万物互通讯,让数字企业更精准

数据的魅力现已得到承认。在这样一个5G年代,各种数据正在四处炸开,像是叮当散落的珠子。大珠小珠落玉盘,遍地溅射的数据,更需求一个聚宝盆来盛接。

物联网渠道跟着而来,正在成为一个抱负的容器。与国内工业互联网渠道接受中小企业的赋能使命所不同,国外纷繁走向大企业的战略协作。德国群众轿车在本年3月宣告,西门子MindSphere将成为群众工业云的集成协作伙伴。其122家工厂的各种机械设备将整合到工业云中进行,数据通明和数据剖析将为群众轿车进一步进步出产功率奠定技能根底。

这个年代最令人深入的印象是,大的科技都是在一起并发。5G、Wifi6.0、NB-IoT等这些通讯技能,与物联网大渠道、人工智能都穿插行进,照应着一个数据大年代。

万物互联背面,正是通讯的年代。

在精益出产的体系中,水蜘蛛这个岗位的呈现,意味深长。水蜘蛛是出产线上专门从事出产看板、物料的预备和传递的人员。这些人被昵称为“水蜘蛛”,描述其犹如飘在水上的蜘蛛,举动快速,日本人称之为Mizusumashi。日本人一方面把现场力做到极致,另一方面便是这么拿手制作名词,成为日本制作背面的一种病毒式传达的工业文明。水蜘蛛是一种完结态势感知,然后补偿部分工位信息缺乏的一个重要岗位。

在未来智能工厂中,比如 AGV、移动机器人等各种出产物料将与人力、机器设备和体系协同作业,机器或机器人的方位会随时变化。因而,精确供给其在工厂中的方位信息,关于自我引导的高效作业流程来说至关重要。

在这种场景下,“数字水蜘蛛”呈现了。一种实时定位体系RTLS,正在开端以方位+自通讯的视界,进入了数字化工厂。它具有水蜘蛛的感知特性,但更能与上层的办理软件体系直接对话,并且能够指挥。

一方面智能体系如移动机器人、主动扶引车AGV会随时陈述自己的地址和时刻信息;而相关目标 (如工件、工装夹具、AGV 或机器人)都能够绑定电子标签。标签信号将由上位体系收集,并核算其方位,然后将信息反馈给主动化体系和制作单元。

图5:完结整个公司内的全景定位(来历:西门子)

实时定位体系(RTLS),能引导物料、操控移动机器人、监测工件运用,并完好记载追溯终究产品装置的实时定位体系。然后完结高度灵敏、自我安排的出产与物流处理方案,进步出产与物流传统作业流程的动态功用。小批量出产,变得愈加可行。而西门子厘米级的SIMATIC RTLS,则经过MES体系与事务点的精确数字化映射,然后包括从物料入库到进一步加工和终究装置。

一曲万物大合唱的数据之歌,开端演出。而RFID、读码器,这种传统的不能再传统的标识东西,忽然间有了魂灵。它们不再孤单作战,不再部分交流信息,而是组合树立了一个全厂级的兵团。这是水蜘蛛最有含义的工作了。

在宝马、奔跑的车间中,原来是经过单个的传送带将车体送到不同方位进行加工。而经过出产工艺改善和关于RTLS的运用,单轨运送的固定输送线有或许被解放出来。这意味着出产道路能够灵敏地进行调适,工厂整个工艺出产布局能够快速调整,柔性化出产将变得愈加简略,厂房空间也能够大幅度紧缩。这背面需求精确捕捉每个设备、每个工件物料的方位信息,并供给相应服务。

东西开端变得愈加有点像蓝精灵相同“狡猾”了,能够自举动手动脚了。在轿车的加工工艺中,轿车装置的时分有许多拧紧的动作,能够收集东西运动的动作和运动次数,以及剖析在某个工位怎么能装置得更快。假设这个工位的零件需求转三圈紧固,那么工人不必去翻看操作手册,乃至也不必有回忆,而仅仅拿着带定位的东西。这个设备,会主动转三圈;而到了下一个工序方位,则依据定位或许主动旋转十五圈。在不同的方位点能够分配不同的使命。当出产线上的车型更换了,装置次序、工艺流程不同了,都能够轻松调整,灵敏运用。

就这样,凭借于超宽带UWB技能和2.4G无线通讯,实时定位体系仅仅把方位信息发给使命分配设备,使命分配设备再依据有线的或许无线的通讯方法把使命发送到操作东西,操作东西就主动完结作业了。

智能工厂往往过火侧重智能设备和软件,但工厂目标的智能化,例如传感器、物料等,相同无比重要。任何数据的宣布源,都能凭借全新的通讯体系,经过光学、机械和声学等手法,将工厂目标,转换成智能目标。一辆辆轿车的平铺直叙,由于GPS导航而从头界说车与路的联系。路盲的标签,彻底地从每个人身上撕掉。而RFID这些早已在工厂静静多年的标签,忽然变得“视界开阔”,从“标签目标”成为“智能目标”,这正是拜实时定位体系所赐。实时定位体系激发了现场全部或许信息的开释,让一个数字化企业变得愈加触手可及。

这种数字化企业的无线定位渠道,装备简略,激活了传统存量设备,也激活了一个“空中之城”:那些实时、精准和动态的数据,在繁忙的物理设备的上空,也在声势浩大地处理和剖析之中。

小记

万物互联引发了数据像雪崩相同地四处翻滚,将是未来数字化工厂最为壮丽的一个场景。怎么指挥这些数据、连同各种信号和指令,一致成一个调和的人机协同的智能工厂?假设仔细观察西门子这样的数字化急先锋,你会发现它背面是对工业通讯的一个杂乱多样的全面布局。由于工业通讯正是翻开智能工厂大门的一把超级钥匙。在5G年代,让人们对智能工厂有了更多的幻想空间,那些看不见的数据则纷繁挣脱了设备的捆绑,从机器的暗处纷繁走向亮堂的屏幕之上。而工业通讯,这一传统的人物正以史无前例的容纳,泰然自若地在背面指挥着全部数据的自在活动。

(道谢上海工业主动化外表研究院、PLCopen我国安排的彭瑜先生在本文编撰中给予的支撑与协助!)

作者(林雪萍:南山工业书院发起人,北京联讯动力咨询公司总经理)

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