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            工業4.0給流體技術行業帶來的機遇和挑戰

            2018-10-13 11:24| 發布者: 液壓哥| 查看: 3898| 評論: 2 |原作者: 張海平

            簡介:赫爾杜舍教授:“O+P”科學技術顧問 施讓克先生:Parker Hannifin 公司總裁 哈克博士:Bosch Rexroth 集團董事會成員,分管工業應用與銷售 薩服博士:Aventics 公司 銷售戰略副總裁 巴特博士:Hydac 電子公司市場戰 ...

            赫爾杜舍教授:“O+P”科學技術顧問

            施讓克先生:Parker Hannifin 公司總裁

            哈克博士:Bosch Rexroth 集團董事會成員,分管工業應用與銷售

            薩服博士:Aventics 公司 銷售戰略副總裁

            巴特博士:Hydac 電子公司市場戰略主管

            泊斯特教授:Festo公司技術與研究協調領導人,流體技術研究基金主席

            西耐克先生:德國VDMA機械設備協會流體技術分會副會長

            克萊林先生:Argo Hytos公司狀況監測與電子部門領導人

            普茨教授:德國應用技術研究院IWU機床與成形技術研究所所長

            傅科飛克先生:亞琛工大流體動力與控制研究所IFAS系統與控制技術研究組組長

            主持人開場白:

            在產品開發和制造中使用電腦輔助,在流體技術行業已有幾十年的經歷了。機電一體化的系統性思維方法已經為流體動力技術人員指出,越來越多地把功能結合入一個機電一體化的整體系統中去,會比傳統的獨立功能單元,功能更強,成本更低,更便利用戶。那么,“工業4.0”還會帶來什么改變?

            工業4.0優先關注在制造自動化中使用互聯網技術。在此戰略意義上制造的技術基礎指的是智能的功能單元及其聯網。2015年4月,德國工程師協會(VDI)、德國電氣協會(VDE)、測量和自動控制技術分會(GMA)發表了一篇與德國電子中央聯盟和德國電子技術委員會共同制定的“工業4.0參考架構模型”的狀況報告。其中有很多有用的提示和示例,以及術語和標準的解釋。據此,智能功能單元的電子硬件和軟件被概括為一個所謂的管理殼中,這主要允許各類數據,例如,設計和制造信息、加工狀態、生命周期數據等的儲存,并通過互聯網與其他功能單元進行實時通信。在工業4.0的術語集中,智能功能單元的機械部分被稱為對象。對象和管理殼的結合構成了一個工業4.0的元件。這還可以是由多個對象組成的一個子系統與一個管理殼的結合。因此,一個工業4.0元件可以是單一的功能性單元(例如,一個閥),一個組件(如電液作動器),一臺機器中的一個工作站,一臺獨立的機器或者甚至一個完整的生產系統。工業4.0元件是專門為某一個任務設計的信息物理系統(CPS)。CPS的特征是物理(真實的)對象和信息處理流程(虛擬的)對象的組合,并具有開放并隨時可以相互連接的,甚至與全球信息網(例如,數據云)。

            一個廣泛的CPS聯網可能帶來這樣的情景:眾多互相聯網交流的智能物體根據它們殼內預設的程序,以及通過傳感器獲得的當前數據及信息自主地工作,甚至自動優化(智能工廠)。這就是物聯網:可識別的物體通過網絡相互溝通和自主安排自己的行動。

            在工業4.0工廠,整個生產不再是今天常見的集中組織和層次型控制,而是被分散組織和控制。每個工件在管理殼里具有高性能的微型電腦,所有的產品信息都以數字形式存儲。電腦知道工件的當前狀態,還要進行的制造和裝配步驟,以及交貨,甚至使用信息。它能以機器可理解的方式提供它的對象的信息,并接收和處理新的信息。信息交換通常通過無線電進行。工件可以與下一步要加工的機器或加工裝配中心實時通訊。智能工件能自主控制自己的加工途徑,在個別機器出現故障時自行重新組織生產過程。

            這種生產重新組織的最重要的優勢是,制造過程非常靈活,交貨周期短,庫存低,可提供具有競爭力的、個性化的產品。新方法可以制造大量產品的變型,批量小至1,而不需要較高的成本或較長的交貨時間。如果對一產品的經濟生產不以數量為先決條件,那么很多新發明的產品就能以合理的成本小批量生產投放市場試用。這將導致“面向顧客的個性化生產”,并帶來產品快得多的更新換代。

            現在,不一定要立刻進行液壓氣動元件和系統生產流程的重組。可以考慮,通過CPS逐步取代傳統的自動化技術的層次體系結構(例如,現場層、控制層、過程控制層、運營管理層和企業層),同時,向著網絡化、分散組織智能部件、或甚至服務自我組織發展。這個過程中,在自動化金字塔高層的控制和監測功能將逐漸下移至現場層。工業4.0的傳動與控制元件可以具有這樣的能力,直接接收訂單,并通過與其他智能對象協調,自主完成訂單。這些就輔助了帶集成傳感器和執行器的智能機電一體化功能單元的開發。

            主持人:應用技術研究院已在開姆尼茨建成了一個非常有趣的樣板工廠——“E3-資源高效生產研究型工廠”。那里,在新研發理念的基礎上為明天的制造研究可持續的解決方案。關于這個大項目以及工業4.0對它產生的影響,普茨教授能告訴我們什么嗎?

            普茨教授:自從25年前我們在開姆尼茨作為應用技術研究院在德國東部創辦的第一個制造技術研究所以來,研究所的工作主要集中在成形技術。在我們的E3樣板廠,我們在“車身制造”、“動力總成”和“成形和加工”領域研究三方面的內容:節能技術和裝備,無排放的工廠和物流,以及人們在制造中的參與。這很多與工業4.0有關,但未涵蓋全部。一方面,我們所關注,并直接關系到工業4.0的,是數據的處理:如何贏得有用的數據?如何處理數據,技術生產數據或能源消耗數據?如何安全地交流和管理數據,特別是如何從數據中獲得有用的信息?我們應該避免成為數據的墓地。數據透明度(數據可見性)的問題也非常重要:要保證,一個10年前制造的產品,我們還可以找到它的制造信息。

            主持人:數據及其處理毫無疑問是工業4.0的一個關鍵問題,同時還有智能系統的電子聯網。

            普茨教授:是的。2015年的漢諾威展會已經表明,工業博覽會幾乎是一個信息博覽會,而Cebit計算機博覽會則是一個生產技術博覽會。工業4.0本質的問題是,我們如何把傳統的制造技術與現代信息和通信技術的可能性結合起來——從技術和人兩方面。一個特殊點是溝通方法學。數據和信息技術不再需要集中存儲,而是可以被分散存儲。而這種分散化還包含可移動,這是我們在E3研究型廠工作和展示的另一個重點。順便說一句:數據和信息處理的分散組織及其流動性和把人結合入工業4.0是相對20世紀70年代所推崇的目的在于全面自動化的計算機集成制造(CIM)的決定性差別。

            主持人:大家如何評價這樣一種看法,使用工業4.0,單件能與大批量件同樣高效率地制造?如何回答這個中心問題:“工業4.0對我們意味著什么”?我們對新的發展已經做好準備了嗎?

            普茨教授:我不相信一個在做到具有100%靈活性的同時還能做到成本相同。我們應該一直意識到,總是要適當折衷妥協。

            我曾是個搞液壓的,在東德改革時,我用成型技術“救”了我,因為我相信在5000t的大壓機上液壓驅動和控制總會有用。現在我們是一個大型研究所,與合作伙伴一起研究成形技術中的液壓和氣動。我確信,流體技術可以自信地和令人信服地出現在工業4.0中,流體技術在過去20~25年的許多發展可以完美地配合工業4.0:非線性的電子元件,使系統成套,并具有通信能力的技術。流體工程師可能對此有別樣的稱呼,但可以有意識地應用這一技術。

            泊斯特教授:在費斯托,工業4.0意味著長時間以來一直在討論的擴展工業制造的需求。要考慮信息技術就像我們在日常生活中也體驗到的越來越大的影響:更多聯網的機會,更多的溝通能力和靈活性。然而我們如何在工業環境中應用,這涉及到如實時性和數據安全等問題。而我,像普茨教授一樣堅信,長期以來一直立足于機電一體化的流體技術是在正確的軌道上:我們的元件通過和傳感器、控制器的功能和空間方面的結合,已經支持分散式結構。隨著我們現在提供的許多解決方案,對我們來說,在應用中實現工業4.0的結構并不難。流體設備和系統的分散式控制結構已經討論了很長時間,并已建立了技術前提。無論是一個液壓驅動還是一個伺服氣動驅動,控制功能都能直接根據驅動需求實現。許多今天的流體技術解決方案都注定會被我們的客戶在生產環境中用于實現工業4.0。

            主持人:液壓氣動元件和系統實際上已經準備好被用于工業4.0。一個分散在機器和設備中的控制結構對應用流體技術的機電一體化功能單元是有利的。例如,把電子控制設備集成到一個控制閥的管理殼中,它提供了硬件平臺,以實現用戶友好的專用控制和調節算法和結構。我們可以期待部件和系統的什么新的發展?

            薩服博士:我們Aventics公司把工業4.0看作能為客戶提供特殊服務的契機。我們的元件在技術上相當簡單,并應繼續保持這樣。我們不相信它們只會與機器通信。我們期待著用戶和元件制造商之間的數據交換,從而大幅度改進我們作為供應商所提供的。在未來應用數據的基礎上,我們可以例如對客戶說:“請更換這個閥”。就是說,我們可以向用戶提供一個功能,以增加其設備的可用性。這樣,我們不僅在供貨前,而且在使用中,為客戶提供建議。為此所需要的所有信息,可以通過在我們的元件或用戶控制器中的一個有聯網能力的接口獲得。

            主持人:在這里,我們再次遇到數據處理問題。客戶給你的數據是否有安全保護?

            薩服博士:數據安全是一個棘手問題,從來沒有完全解決過。盡管有一些安全措施,絕對安全的數據保護目前是不可能的。但如果我們希望提供某些功能的話,那從元件來的數據對我們是不可缺少的。在不久的將來,我們就能夠更好地了解我們已投放市場的產品的應用環境。我最喜歡的例子是智能手機應用程序,使用它可以確定車的當前位置。這不僅對用戶很有用,而且對車輛制造商也很有用,因為制造商可以由此獲得車的使用工況。對我們而言,我們不僅需要設備間的數據交換,而且希望通過與我們的元件通信和收集數據,為客戶提供服務。

            主持人:聯網產品運行數據的智能評估可能成為一個新的、有成果的服務項目。但現在氣動產品中已經帶有可以聯網的接口了嗎?

            薩服博士:沒有,我們的普通元件沒有。工業4.0專用產品我們是作為特殊訂貨的。我們當然必須確保客戶愿意為額外的電子器件付費。我們的普通氣動元件必須保持簡單和便宜。但我相信,新技術會被廣泛接受。

            泊斯特教授:現在市場上已有一些智能的氣動現場設備,它可以通過開放平臺通訊統一架構(OPCUA——Open PlatformCommunications Unified Architecture)的接口交換數據,實施結構規范。通過這個,可以直接把分散的電動和氣動功能結合起來,或者和機器的控制器通信。一個例子是Festo的閥島技術:這些器件完全具有通過互聯網實施通信的能力。但一個工業4.0元件不一定要具有完整的聯互聯網的能力。例如,智能設備維護單元,它們能夠分析系統的實際狀態,檢測與目標狀態的偏差,并向操作人員發出警告。另一個例子是分散的微控制器。這些可編程控制器可以把控制功能從控制金字塔的中層移到元件層,這就符合工業4.0了。這樣的解決方案需要我們制造商通過強有力的工程工具支持。我們需要大大降低目前的調試和維護成本。有這樣的設想,這些模塊要易于配對,然后控制程序可以通過“拖-放”圖形方式開發,而不需要手工編寫代碼。在標準的進一步發展,簡單的控制架構,易于編程和調試等這些課題方面,我們正在與其他公司和研究機構合作。

            主持人:看來氣動已經開始向著工業4.0研發元件和系統了,液壓怎么樣?

            哈克博士:工業4.0將應用于對客戶有價值的地方,例如提高設備可用性和生產效率。在博世我們目前集中于約100個項目,希望以此來證明這一點。博世力士樂有九個具體的帶有工業4.0特征的價值流。一個熟悉的例子就是我們的移動液壓閥裝配,一條生產線可以組裝眾多的變型,并在其中融入我們最新的外部供應商。其中應用了我們自己獨特的裝配技術、驅動和控制技術,以及我們自己的擰緊技術。到目前為止,我們能夠提高生產率10%左右,同時降低約30%的庫存。在那里我們還正在建造一個帶有實時功能的以太網接口的變速液壓站,以便獲得互動的實踐經驗。

            但是,我們作為一個流體技術,液壓和氣動的生產廠,憑什么去和電子技術競爭?電氣系統目前早已是多個互聯的,因為他們使用現場總線系統工作已有多年,而我們的普通液壓元件沒有。在比例閥伺服閥,閉環的驅動軸或變速泵驅動中值得加入額外的電子元件,而普通閥不值得。在這里,我們遇到了工業4.0經濟上的挑戰。如果你希望搞聯網和分布式智能,那就必須明確回答應用價值問題。

            傅科飛克先生:我相信,讓所有的流體技術元件具有工業4.0的能力是不現實,不經濟的。液壓傳動與控制技術使用液壓-機械調節可以提供非常漂亮、簡單和低成本的方案。讓每個元件都有完整的工業4.0功能的電子接口,是沒有意義的。需要有更好的解決方案。我們的流體技術工程師需要繼續使用我們經過實踐驗證的長處。

            克萊林先生:這是正確的,一個技術的應用價值必須放在首位。在這里的問題恰恰是,工業4.0能給用戶帶來的價值。從這個意義上講,工業4.0更是自動化和信息技術對自己的一場革命。這將導致新的合理化,并在設備中增加靈活性。一個已被實踐證明可行的增值領域是新的服務方案,如,預測性維護。從關于機器或設備的狀態中獲得的信息使得有可能增加容量,改善服務措施,減少停機時間。如果我們討論,單個元件必須達到怎樣的智能化,那么在我看來,必須回答能給用戶帶來多大價值的問題。

            施讓克先生:其實,很重要的一點,從哪里開始工業4.0經濟上是恰當的?我們從一個簡單的傳感器(溫度,壓力,速度,振動)開始。我們從工作過程中收集數據,并對其進行評估。只有安裝了一個小天線或現場總線接口才算是工業4.0?普通開關閥加裝集成電子是不經濟的。但從售后服務的角度來看,就不同了。技術上可以做到什么,它單獨并不重要,重要的是真正帶來經濟效益。我們的客戶不會追求別的,他們要求使用價值,否則我們就什么也賣不了。

            主持人:對于液壓工程師來說,目前工業4.0元件似乎不是一個開發重點。雖然應該提倡,把元件,如傳感器或子系統與互聯網相連,但是更重要的是,獲取信息以改進維護和服務。是這樣嗎?

            哈克博士:我相信,真正好的經營思路其實來自于服務。這里的關鍵詞是:通過狀態監測和預測性維護提高設備的可用性。這就對我們提出了數據收集,從而是傳感器的問題。我們最需要的,就是測量如壓力、溫度、流量、污染顆粒數等。而測量機械量如振動等,可能還不是我們中很多人經常需要的。如何處理評估數據,即:什么時候泵或缸要失效了?這對我們這個行業還是比較新的問題。如果使用一個采樣頻率為50kHz的壓力傳感器采樣,如何最佳地評估幾十億字節的數據?什么是真正重要的?這些問題可能對相當大部分液壓元件生產廠還是新的。我們現在專注研究的,不僅是從廠內自有測試臺上獲得的,更是在客戶現場在我們服務合同范圍內的那部分數據。

            克萊林先生:對客戶真正增值的是,元件或子系統的狀況,至今還沒監控到的,通過不同的交互信息,可以簡單地觀察到了。通過這種虛擬傳感器可以從例如溫度、負載周期、壓力或其他可測變量和次級控制回路信號了解一臺設備的狀況,所產生的價值將直接顯示出客戶投資的價值。

            主持人:液壓元件的研發目前不那么集中于為工業4.0元件開發機電一體化系統,而是更注重于讓重要的標準元件和傳感器通過現場總線來進行數據通信,從而監控設備,提供服務。是這樣的嗎?

            哈克博士:我們兩方面都做:把復雜的機電一體化系統發展成為“工業4.0元件”;為了服務把傳感器裝入液壓產品和系統中并聯網。緊湊的伺服液壓驅動軸含有調速泵、伺服電機、液壓缸、傳感器和具有以太網接口的數字電子控制裝置,我們在其中加入了很多局部的智能。這已經是工業4.0元件了。與電氣傳動相比,電液驅動軸原則上與機電一樣處理:使用相同的調試工具。調試員很難感覺到,這是一個液壓驅動。但用戶同時獲得了液壓系統的優點,如魯棒性、過載保護和功率密度。

            泊斯特教授:這也正是我們在氣動中走的道路。這樣做的目的是為了在一個具有良好的積木式元件結構的基礎上,生成多種可能的解決方案,實現自動化。在各處已經安裝了傳感器,通過IO-Link(輸出入鏈接)集成到相應的節點。IO-Link的架構可以自動識別傳感器:甚至可以在維修設備時,簡單替換或更換成另一種。在傳感器附近具有信號預處理,或許連同一系列其他設備,提供系統信息。從而可以獲得關于設備狀態的第一手信息。濃縮的信息被發送到下一個,更高級的控制層,在那里組裝成設備狀況的總體圖像。這樣,我們就處在工業4.0的架構考慮中:應該如何配置接口?根據哪些規則建立通信渠道?這些都只是在智能元件垂直結合必須確定的一些方面。關于工業4.0網絡架構的討論正進行得非常熱烈,一直延伸到MES(制造執行系統)和ERP層次(企業資源規劃)。

            施讓克先生:在這里,最低級別的通信已是雙向的。在這個水平上,已經可以根據應急或服務的情況作出決定。只有一些消息需要向上一層次發送,而不是極其巨大的數據流向某個中心發送,并在那里進行處理。在現場這一層,特別是當它涉及到監測或服務時,我們提供配備適當電子接口的產品。通過小型控制單元,我們也可以在一個較低的層次作出適當的決定,進行雙向通信。我們讓元件給我們提供必要的信息,信號然后再送到控制設備的PLC。

            薩服博士:當然不是信息往上送到控制器或互聯網,才是重要的。在最低級別的元件相互通信,和我們客戶的工件交換數據,也是重要的。例如,一個被設定為某個特定壓力的單元,在被維護更換時,如果能告知新更換設備,它原先的設定壓力。這也是很有益的,可以節省技術人員的調整工作。這不需要中央控制,這可以通過互聯網接口來實現。

            巴特博士:在服務領域具有幾項任務,將來使用智能元件相互間,或者與一個移動終端的無線數據交換會很有價值。HVDAC正在研發第一批產品。在一臺設備中,在更換傳感器時,通過IO-Link自動將設置傳送給新傳感器。工業4.0必將有助于更充分地利用IO-Link提供的功能。關于主持人提出的問題,我想指出,機電一體化系統自身當然也要針對工業4.0進一步研發。除了提高能效方面,還有例如,附加功能,以簡化調試,擴大診斷功能。因為診斷功能首先可以提高設備的可用性,為客戶帶來相關的利益。

            主持人:如果我們做一個簡短的回顧,我們能確定什么?

            普茨教授:隨著工業4.0,我們有機會超越傳統的專業界限去思考,去完成多種多樣的應用。我認為,工業4.0確定了4個同等重要的方面。

            首先,機器或系統的當前狀態必須以數據的形式被采集下來。

            其次,必須從許多數據中獲得信息,在工業4.0環境中這應自動進行。我們還應該意識到,在一個系統中安裝的傳感器越多,產生的數據越多,系統將越容易受干擾。在許多情況下,不需要額外的傳感器,通過結合現有的信息往往可以獲取新的信息。盡管最初的信號或數據服務于其他目的,但是從它們的結合可以構成虛擬傳感器,使一些實體傳感器成為多余。

            第三,從信息中需要產生知識。這是今天專業人士的核心競爭力。在工業4.0,我們想把這個也自動化,也許利用智能的,自學習的工業4.0元件,而不需要額外的更高層次的控制。

            第四,工業4.0戰略必須為客戶帶來價值。如之前的一些發言者已經指出,并給出美好的例子那樣:系統能自我配置或監控。我們應該問自己:哪里是新的商業模式?哪里我們還有因為對系統狀態了解得不夠好,而有固定的維護周期?元件層次的通信有沒有為我們的客戶提供真的很有價值的解決方案?我不認為工業4.0架構中很多控制層次在技術范圍內是適當的和有必要的。

            主持人:是否還有其他領域,例如機床,通過增加采集和分析數據來增值的經驗嗎?

            普茨教授:機床制造廠試圖把服務這方面的利潤,現在約為2%~3%,增加至約10%。當希望在業務模式中提供額外的服務時,就變得非常困難。因為長期以來,為了讓客戶購買自己的產品,服務都是免費提供的。服務的經濟價值沒有被利用。在這里,流體技術從一開始就應該很警惕并在工業4.0應用中有意識地構建業務模式。

            傅科飛克先生:液壓元件在最低水平已經常常彼此通信,但是是液壓的。在負載敏感控制的挖掘機中,液壓缸把負載壓力通知泵。這兩個元件已經溝通得非常好,只是沒有電信號,它們只使用液壓信號。這種各個液壓元件之間的通信技術已經很發達了。在工業4.0中需要在這里安裝電傳感器嗎?

            普茨教授:不。液壓的優點,我們必須繼續保持。我在我們討論的一開始就說到:我們不僅要為流體技術帶入工業4.0,而且相反,要易于理解地展示,流體技術已經有哪些方面可提供。這樣,我們才可以通過工業4.0進一步提高能力,并取得額外的價值。

            施讓克先生:我們現在需要不同的液壓工程師?許多人不這么認為,像他們描述的那樣。

            普茨教授:我很高興你問到不同的液壓工程師。在過去的20~25年液壓工程師已經向機電一體化工程師發展了。你必須自己決定,你僅是元件的使用者還是代表了系統的思考,超越專業邊界的思考。即使液壓工程師主要被理解為成品元件的使用者,他也可以思考,哪里存在數據、信息、知識,可以創造新的價值。我也有相當長的一段時間在思考,例如一個三位四通閥在工業4.0技術的支持下,除了開關功能以外,還可以做什么?

            薩服博士:我們甚至可以通過附加的傳感器給一個二位三通閥增加一個有趣的功能。我舉個例子:我們正在制造一個壓力傳感器,它可以通過其接口報告閥后面壓力積聚的過程。這個壓力積聚過程3年來相同,現在突然改變了。原因?泄漏!系統需要維護。這里,我們再次接近服務功能。但這些恰恰是我們客戶今天需要的,他們理解并希望有的功能。如果我們的客戶不理解所提供的功能,那么他也不想為此付錢。

            泊斯特教授:通過多樣化的流體技術元件,我們原則上已具有工業4.0的能力。它們完全可以適應各種環境,并與不同的控制結構集成。也許在某一點或某一個架構處我們需要在元件或結構里引進更多一點的功能,但這在原則上技術上是可行的。我看到兩個主要挑戰。

            第一,已經提到的“增值/業務模式”的問題,元件的“生命周期管理”問題。著眼于服務和其他額外功能,什么是可行的商業模式?什么是我們可以通過數據和附加信息得到的業務機會?

            第二,通過我們的元件和系統的生命周期管理我們可以達到什么?可惜,能聽到的大部分只是停留在關鍵詞上。對此,我們流體技術工程師仍然需要深入考慮。

            主持人:隨著新的技術的出現,將來是否可能,調試設置能夠在相當程度上獨立于操作者地自動進行?如果已經以數字形式獲得了所有需要的信息,驅動器應該能自行設置?適應另一產品和生產節拍所需的調試時間目前還取決于操作者。在這方面是否有成功的研發工作?

            哈克博士:現在,由于機電一體化,我們傳統的液壓工程師在現場已經面臨巨大的挑戰,光是一臺轉速可調驅動裝置就夠難為他們的了。我先前曾提及,博世力士樂的調試軟件對所有驅動器都是一樣的,無論是電-機驅動還是變速電-液驅動。但是,誰曾經調試過一次這樣的系統,就會知道,有1500個參數可調。這可不是個小數字,這尤其不適合我們的液壓專業人員。換句話說,我們必須把這個大大簡化。這可以通過自動學習,或者通過隨帶的調試指導軟件,可以這么說,通過一個界面,僅顯示1500個可能的參數中對我重要的50個。這樣,至少使驅動器可以開始動。目前已有的“電子銘牌”大致是朝著這個方向的。為了實現自動化調試和不依賴于操作者的優化,我們需要在元件里有局部的人工智能和狀態監測。我們正在向這個方向努力,以避免每次調試總是要至少兩個員工參與。

            薩服博士:在Aventics公司,我們也同樣正在努力研發一套新的調試輔助系統。我們很快就會讓市場見到一個系統,在調試氣動裝置時,可以在手機上啟動一個應用程序App,指導調試。該系統是交互式的,它會調用氣動系統中的傳感器,評估測量值,告訴調試員該怎么做,必須把哪個螺釘往哪個方向擰。我們一再看到,在調試氣動裝置時所必需的知識和信息往往不完全符合要求。手機上的App可以用直觀易懂的操作說明提供幫助。數字技術可以增強員工現有的專業知識,使他們有能力從事更繁重的任務。

            主持人:讓我們把流體技術的輔助元件,如過濾器、蓄能器、油箱,包括在討論之內。工業4.0對這些設備意味著什么?

            巴特博士:工業4.0再次把遠程診斷、狀態監測和預測性維護這些主題推到前臺。我們在賀德克正在研發新的狀態監測(CM)和售后服務方案。作為流體技術系統CM的數據基礎,除了通常測量的運行數據,如壓力或溫度外,一些特別的CM傳感器的測量結果也很重要。例如,“氣囊完整性傳感器”能監測蓄能器中的氣囊是否完好,差壓傳感器能檢測過濾器和金屬顆粒計數器的污染程度,可被用于,例如,變速器或泵的早期故障識別。“電子銘牌”或“電子產品信息存儲器”也可以用于元件如過濾器或蓄能器。例如在現場服務時,使用便攜式儀器及相應的App,可以顯示產品的相關信息,如技術數據和執照,或者也可以顯示以前的維護信息。電子產品信息存儲器還允許通過便攜式終端儀器儲存最新的服務信息,也可以同時把相應的服務數據發送到服務器上,從而可以獲得概況,安排維修計劃。凡是可以通過工業4.0為客戶產生足夠高的附加值的地方,配備CM傳感器的流體技術元件和系統就會增加,元件也會同樣配備一個電子銘牌或電子產品信息存儲器。

            克萊林先生:除其他項目外,我們已經研發了“智能過濾”的方案,根據系統要求的清潔度通過調節器開啟或關閉旁路過濾器。這提高了能效,同時保護了系統。在未來有可能會有這樣的過濾系統,除了完成局部的調節任務外,還發送維護信息到服務站,例如,提示油液質量變化或需要更換濾芯。典型的應用實例是風力發電機,那附近通常沒有服務站,所以旅行費用往往比維修費用還要高。有了這樣的應用,就可以在工業4.0的基礎上制定預測性維修方案,使維修計劃化。

            哈克博士:在2015漢諾威工業博覽會上博世力士樂已經第一次推出了新的緊湊型液壓動力單元系列。它們帶有一個集成的預測性維護系統,里面裝了一些傳感器,有壓力和污染度傳感器。當然,我們還通過適當的算法使用“虛擬”傳感器。它的任務不僅是連續收集和存儲數據,而且還涉及到預計壽命:什么時候哪一部分會失效。警告信息必須提前幾周或至少幾天發出,而不是在已部分失效后。預測性維護是流體技術的大領域,在這里我們不單要處理流體,還要處理機械問題。我們必須找到這些問題的答案,如:泵會失效嗎?如果會,什么時候?我必須給蓄能器補氣嗎,什么時候?什么時候應該換濾芯或換油了?我相信,這是一個真正給客戶帶來價值的專門領域,尤其是在流水線生產工廠,如鋼鐵廠、糖廠,或風力發電機。目前我們為好些顧客實時監測他們的裝置。我們也知道,從互聯網傳來多大的信息量,所以正在擴大我們的信息系統。到2016年將有100臺客戶裝置與我們的在線診斷相連。

            西耐克先生:預測性維護是在工業4.0環境中的重要組成部分,將作為新的維護策略贏得越來越重要意義。可以預見可能出現的故障、錯誤和即將發生的故障,從而可以避免計劃外停機和停產。此外,提高生產率,增加機器的可用性和可靠性,也是一個有力的論據。另外,還可以減小備件的供應和存儲。預測性維護作為一個戰略性維護工具可以為提高客戶滿意度、降低客戶總成本(TCO)做出貢獻。德國機械設備制造業聯合會(VDMA)在2005年、2007年和2009年的漢諾威展會中把“狀態監測系統”作為現代化的維修策略,舉行過特別研討會,非常受歡迎。在研討會中演示了新的技術解決方案,向機械和設備運營者介紹了這種方案對生產率、可靠性和安全性方面的價值。

            目前狀況可以描述如下:客戶都知道這種監測系統的優點,但由于成本而遲疑投資。通過工業4.0預測性維護會日益成為關注焦點。

            因此,VDMA在漢諾威展覽公司和行業的支持下,將在2016漢諾威展會上把預測性維護作為特殊主題處理。在17廳企業將通過展品展示其解決方案。此外,專家將在工業自動化研討會上做關于預測性維護和其應用的深入的報告。VDMA流體技術分會將在2016年2月23日舉行“預測性維護4.0”報告會,重點是面向制造性企業,在設備和軟件解決方案的實現。

            主持人:我們應該總結一下,流體技術目前在預測性維護和狀態監測方面已經可以提供什么,在工業4.0的范圍內將會怎樣。

            巴特博士:如前所述,我們已可提供很多用于流體技術元件和壓力介質在線監測的CM傳感器:污染顆粒傳感器、油液老化傳感器,以及,當然,用于測量工作參數的傳感器。根據CM傳感器測量和計算得到的數據,評估機器或設備的狀態,目前,大多通過與閾值比較進行。

            要正確地解釋和評價CM傳感器和系統的數據,首先需要對被監測元件、系統和流體的專家知識。這些將盡可能匯入CM傳感器和算法的研發。另外,在應用中可能還需要特殊應用和設定閾值的特殊性專家知識。這經常達不到足夠的程度。我們目前正在研究,在未來,CM系統是否有可能,以及如何自己產生為狀態監測和預測所需要的“專家知識”。不過,這個問題始終要考慮經濟利益,以及如何使對客戶的價值變成金錢。在工業4.0中,在CM和服務方面也要考慮新的商業模式。

            克萊林先生:我同意巴特博士說的,傳感器的研發已是很先進了,已能夠監控所有相關的系統參數。在開發虛擬傳感器方面我們也達到了很高的技術水平。然而客戶通常感興趣的不是對測量值,而是在于延長他的機器的使用壽命。但對油的特性,如清潔度、粘度、水分含量、溫度,或使用工況對元件的使用壽命有什么樣的影響常常不清楚或僅模糊地知道。如果我們要在這一領域實現新的商業模式,那就必須簡化客戶的操作,例如,提供從傳感器、狀態評估直到顯示的完整解決方案。

            主持人:在你們為客戶實施監控功能方面,你能否給我們舉些例子?

            克萊林先生:液壓系統中的流體是反映機器或設備狀態的絕好的信息載體:污染顆粒可提供元件損壞的預兆,從油液的摩擦特性可以分析油液是否還能起到減磨功能,油液中的積水反映密封件損壞或有泄漏。測試參數和評價數據是基于多年的經驗。在那些需要高可用性,不容易通過冗余實現的系統中可以找到成功的應用。風力發電機是一個很好的例子。在近海和海事應用或者大型沖壓機流水線也可以發現應用。

            泊斯特教授:狀態監測的另一個實例以及相關的環境是大型生產設備的能量控制,如我們在開姆尼茨E3研究型工廠所做的。這樣做的目的是,通過針對設備持續測量來調查壓縮空氣消耗。但它不只是定位消耗的來源,而是以智能的方式達到對大型生產設備的整體能源管理。所有形式的能源,電動、氣動和液壓,以一個合理的搭配結合在一起了。這樣可以使一個封閉的運行區域或工廠以最佳能效工作。這樣的任務是復雜的,絕不是容易的。因此,我們在夏豪森的工業4.0技術工廠里實施這樣的方案,制定相應的策略。這將是很可惜的和不可原諒的,如果我們在討論時喜歡圍繞能效和工業4.0策略,卻忘記液壓和氣動的巨大技術優勢:高功率密度,堅固耐用,過載保護,易拆卸更換的組裝方式,這里僅列舉幾個方面而已。很重要的是,向我們的客戶展示,怎么高能效地使用我們的設備,而且要從整體來看。這樣就使得狀態監測這個題目具有不可想象的意義。

            傅科飛克先生:狀態監測可以達到多遠,有一個很好的例子,伊頓為軟管和密封件研發的“壽命感覺LifeSense”系統。伊頓公司稱之為智能軟管。通過測量電容推斷出軟管是否會在不久失效。類似地也可用于O形密封圈。該系統已經投放市場。

            施讓克先生:有無數的事,技術上是可行的。但實際上誰會為之付費?今天,幾乎所有的東西都可以想象:通過應變片,導電性、壓力、流量和溫度傳感器可以了解液壓元件及系統的所有情況。但是:誰希望擁有所有這些信息?這些數據屬于誰?誰有權使用它們,公布它們,以及在最壞的情況下,做出法庭上可被接受的證詞?這就是為什么我相信,當我們今天說客戶時,我們真的需要非常關注,整個供應鏈和客戶鏈。我們不僅在經濟上,而且在法律上用所有這些信息做些什么有意義的?

            泊斯特教授:這就是為什么建立了一個工業4.0工作組,處理法律狀況,甚至可能還缺少的法律框架。該工作組也應該管理質保問題,從牽涉到價值鏈的責任分擔,直到這些問題:這些數據屬于誰?誰從這些數據中獲取哪些信息,他對這些數據承擔怎樣的責任?這些牽涉到工業4.0的問題都是需要討論的,今天它們還沒有被解決。

            主持人:我們的討論表明,除了復雜的機電一體化單元以外,狀態監測和預測性維護是可以成為液壓和氣壓工程師進入工業4.0結構很好的兩條途徑。然而,恰恰在這些問題上碰到了大量的數據(大數據),它在任何情況下都不應該對所有人開放。數據安全的問題,在元件、機器和工廠連接到互聯網時,顯得尤為重要。

            所謂安全,意味著保護機器、數據不讓未經授權的人員接觸。如何評價數據安全問題,如何防止篡改?

            哈克博士:我們的做法是這樣的:我們已經與客戶約定,傳輸數據不通過公共數據云,而是通過我們公司的服務器。這是封閉的系統,其中數據像單向道似地只是被存儲。這就向設備運營商確保了,不會有惡意軟件通過這條途徑進入他的設備。我們通過自主學習的方法對數據進行評估,然后做出適當的預測。設備運營商每天從他的平板電腦上收到關于他的設備狀態的信息。我們的系統現在已經達到了這么好的水平。每新連接上一臺設備,我們的評價軟件就會繼續學習,改進自己。

            主持人:該方案繞開了通過互聯網通訊,也許為服務任務提供了充分的數據安全。但如果需要相互通訊時如何保證安全?

            哈克博士:一旦兩臺設備要通過互聯網進行交流,還是有安全問題的。然而,對我來說,根據我們前幾年引入現場總線的經歷,目前還有一個意義更大的一步要走。現場總線受各公司利益的影響非常強烈:有多種互不兼容的解決方案。有些產品,出現時短時間很潮流,但不久就從市場上消失了。在一個較長的過程后,市場會由使用者接受程度決定。我看到了巨大的風險,類似的東西可能在我們身上再次發生。在歐洲、美洲、亞洲從事互聯網通信的國際機構,是否都同意一個統一的標準,這在目前還不清楚。一些人已經同意了由OPC基金會提出的OPCUA通信協議。美國人和亞洲人會加入嗎?我有一個擔心。我們首先要過這一關。希望我們這次可以比現場總線做得好。當然,安全問題還是存在。

            泊斯特教授:誰與他人相互通信,就是交流信息。這個信息應該只給確定的人,而不讓其他人無意或有意地偷聽,這正是最難的地方。我可以想象,工業4.0的解決方案需要從一臺設備上能夠保證其元件獨一無二性的電子銘牌開始,一直到在芯片級的通過設計保證安全。這方面正在制定幾個解決方案,以便結合入我們的元件。這些方案應該保證安全,然后與上層系統進行通信。

            主持人:一臺機器必須通過互聯網從外部獲取數據?只有當數據從外部輸入到生產單元時,才會出現危險。傳出的數據可能被濫用,但對該設備沒有影響。

            薩服博士:互聯網連接是沒有方向性的,信息交換總是在兩個方向上的。因為它不能安裝一個“單向閥”。如果你用一臺PC(個人電腦)和設備通過互聯網相連,希望改變開關或其他功能,那么你立刻就遇到這個問題了。工業4.0的安全性有三個方面:

            首先是數據安全,這點我們已經提到了。

            第二方面是篡改:可能會有人訪問設備,例如,修改速度,以至設備崩潰。

            第三方面是可用性:如果不能連互聯網了,會發生什么?這點我們一定要考慮到,可能完全得不到數據了,因為一個發射站偶爾停了。我擔心,對此我們還沒有仔細考慮過,我們很自然地認為,一切都始終可用。我們需要在網絡不可用時也安全的方案。但這可能不單是液壓或氣動的問題。

            另外,從許多數據中必須獲取信息,在工業4.0環境下這應該是自動完成的。我們還應該意識到,在一臺設備中,傳感器安裝得越多,獲取的數據就越多,設備就越容易發生故障。在許多情況下,不需要增添額外的傳感器,通過將現有的信息結合往往能獲得新的信息。盡管原始信號或數據可能用于其他目的,但是從它們的結合,就可以得到虛擬傳感器,使一些硬件傳感器成為多余。

            普茨教授:因為信息是在互聯網中傳送的,如果任何人都可以從某臺設備獲知,某天需要備件,那么可能突然一個競爭對手不請自來地提交報價,我們必須小心。應用技術研究院除了制造技術外還有其他許多領域,例如,信息。那里信息和物流研究所現在開始構建所謂“工業數據基地”。它涉及到很多我們已經提及的問題:數據主權——數據所有者確定,數據可以做什么,數據如何保護;共同管理者——用戶確定游戲規則;網絡架構——例如,數據存儲在何處以及如何存儲,等等。正在為所有重要的信息技術問題制定解決方案。我認為,流體技術工程師現在參與這種活動,是有益的和恰當的,能夠在這種機構里以自己的意見來影響研發。

            主持人:關于工業4.0參考裝置我們在討論中已經初步涉及,有這樣的實例嗎,其中流體技術發揮著重要的作用?

            泊斯特教授:一個不錯的參考裝置,其中,流體技術起著重要作用的,是在凱澤斯勞滕的工業創新智能工廠。那里研發了一個獨立于制造的示范和研究平臺,示例了一個創新工廠系統,實現了工業4.0的策略。一些流體技術公司也參與了。在那里,你可以看到工業4.0如何工作。該系統具有模塊化的系統結構,可靈活和快速地組建生產線。有通用的電力、壓縮空氣、工業以太網和急停插口,以及統一的機械,電-機和信息技術接口。這使保證了跨供應商的兼容性。來自不同制造商的單獨的模塊可以相互替換,并在高一層上互相連結。智能產品通過RFID射頻識別控制其自己的制造過程。通過全面的標準,建立了一個靈活的生產環境。來自不同制造商的智能的工業4.0元件和它們的相互聯網可以在真實的條件下測試和進一步改進。

            哈克博士:博世力士樂已經啟用了多臺設備,其中實施了工業4.0的措施。比如,我們在洪堡工廠用于移動液壓閥的組裝線,這是在大約一年半前投入運營的。第二個例子是在印度尼西亞一個糖廠中一臺帶有很多電液驅動系統的裝置,其中我們用了很多具有工業4.0特征,預測性維護的措施。第三個例子是加拿大的一家鋸木廠。然而,所有這三個實例都沒有考慮用作為其他公司的參照,那還為時過早。

            主持人:未來項目“工業4.0”的想法起源于德國的機械制造和電子工程。但是,我們美國和亞洲的競爭對手很快就理解,它為了什么,生產單元的如此高度自動化能提供什么巨大的經濟潛力。近年來,我們或許形式上有點過于關注此主題,并由此失去了有前瞻性、有競爭力的研發的時間。這也在聯邦政府對“工業4.0平臺”迄今所做工作的評論中體現出來。

            在美國,旨在美國推進工業4.0的“工業互聯網聯盟(IIC)”現已成立,西門子已經進入該聯盟,因為他們不滿于我們的進展。你如何評價這種情況?

            普茨教授:應用技術研究院現在作為一個整體也加入IIC,雖然我們有自己的提案。必須考慮,哪里是利益所在,哪里發生方案的競爭。

            泊斯特教授:關于IIC的討論目前正在火熱進行。我們在德國,在各大協會的工作組和由聯邦政府推動的工業4.0平臺,集中地并以建設性的方式制定工業4.0的技術實質:網絡架構可能是什么樣的?具體在哪里需要一個標準,有什么建議可以給標準化組織?目前的討論都是以相當的專業水平和參與進行的。同樣重要的是,已經引用的實例展現了一定程度上無沖突的整個景觀。我們需要在規范化,標準化方面加快點,因為正是這些德國參與者基本上都同意的標準,應該保持不變,并繼續以一個自由開放的標準實施。

            施讓克先生:在德國我們非常關心技術、技術方案的研發。我們希望隨著標準化和規范化,把我們所熟知的和安全所要求的法規固定下來。而在大西洋和太平洋另一邊的人則是更關心利益。他們不是很了解技術,但更接近應用。公司如谷歌和微軟在專注研究工業4.0,并考慮用那些合法或非法收集的數據可以做什么,可以提供哪些服務?關于客戶的價值,對此,我們今天甚至可能沒有想到,可能成為一個利潤豐厚的市場,我們可能沒有如我們希望地那么參與。我們還在忙于我們的優勢技術的標準化和規范化,而另一些已經在用這個做生意賺錢了,這不應當允許發生。

            哈克博士:我們有這樣的經驗,特別是在亞洲。我覺得亞洲人處理顧客價值導向的問題更務實。

            泊斯特教授:我覺得,特別重要的一點是:工業4.0存在允許每個人靈活解釋的余地。這個余地需要我們繼續來填補。流體技術中許多現在已經可以看到的解決方案我們今天討論了。工業4.0對于機械制造、電子技術及供應商行業,如流體技術,是一個巨大的機會,來與德國和國際市場上的智能解決方案競爭。我們的工業通過工業4.0得到的公眾的普遍關注浪潮,我們需要積極地利用,而不是遲疑地搖頭說:什么是工業4.0啊?這樣我還根本不能開始啊。這就喪失了競爭力。而其他人無論如何是更快。其實我們很可以開始了。我們通過我們多年的思考探索,已經為有通訊功能的智能流體技術元件準備了堅實的基礎。

            主持人總結:

            “工業4.0”的愿景開始變為現實,它會改變機械制造和生產工藝。自動化的程度將繼續顯著增加,因特網的通信技術將進入生產技術。

            關于工業4.0戰略討論的重點是:把機電一體化功能單元進一步發展成智能化,自學習的系統和它們與分散,獨立自主工作單元的聯網。在明天的工廠,幾乎所有需要的數據(大數據)都可用。隨著智能元件,提供了實現這些的可能性:自優化算法,支持調試運行的算法,自診斷,預測性維護和狀態監測(如能源消耗,磨損數據,維修要求)。機械設備的使用和維護,可以獨立安排,不再需要遵循某個固定的時間表。

            是否原來對工業4.0的所有預期都可滿足,現在仍然不清楚。但對于流體技術是一個很好的機會,展示智能化,具有通訊功能的元件和新的基于互聯網的服務。對于中型的流體技術供應商,重要的是,在技術可能和經濟上有利之間取得平衡。聯網設備的運營數據的智能處理可能推動新的商業模式。系統性思考——機電一體化,在我們行業在過去20年里已經被廣泛接受了,這也為新的方案鋪平了道路。當流體技術工程師,使用工程師的方法學,利用流體技術固有的物理上的優勢,經過深思熟慮,用大膽創新去競爭,流體技術一直能取得豐富的成果。

            我代表O+P編輯部非常衷心地感謝你們極有意義的討論。

            譯者感言:

            高度自動化、無人車間是歐美工業20世紀追求的目標,并不等同于工業4.0。為客戶創造價值,從而獲得自己的利益是德國企業活動不言而喻的出發點和中心任務,即使在搞工業4.0時也是這樣。物聯網、分散型智能等等,只是手段而已。

            即使在德國,工業4.0也還是處于探索之中……

            (本文由中國液壓氣動密封件工業協會專家委員會特別顧問張海平博士翻譯)

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            會員評論

            • 引用 Use 2019-5-30 11:24
              這篇文章非常豐富的介紹了各個大佬對工業4.0的看法,從發言中,已經看出液壓實現4.0還相當困難,不但價格昂貴,而器還沒有找到好的方法,首先是現有的伺服系統過于麻煩,價格昂貴,并且模擬系統本身與數字化矛盾,所以沒有找到好方法,這就是目前液壓屆的現狀。
              數字液壓幾乎突破了所有障礙,才是真正為工業4.0打下了堅實的基礎。如果中國自己處理正確,中國在液壓4.0上將率先圖譜,引領性潮流。
            • 引用 數字液壓 2018-10-31 20:22
              前景是美好的,現實是殘酷的。液壓元器件首先能精確受控,才是工業4.0、信息化和智能化的基礎保障,否則就是無米之炊、空中樓閣。。。

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