如今，智能及數(shù)字化被眾多企業(yè)重視，點明了未來的發(fā)展方向：自動化和驅(qū)動領(lǐng)域的數(shù)字化轉(zhuǎn)型已勢不可擋。
不過對于工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)領(lǐng)域的應(yīng)用而言，當(dāng)務(wù)之急是奠定必要的基礎(chǔ)，其中一個重要的先決條件是數(shù)據(jù)的通暢。開放接口、管理程序框架中統(tǒng)一信息模型的使用以及OPC UA、MQTT和OMAC/Pack-ML等跨越供應(yīng)商標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用已經(jīng)集成在一些自動化平臺中，例如自動化專家Lenze推出了可擴(kuò)展的硬件、模塊化的集成軟件和相關(guān)的聯(lián)網(wǎng)，同時可以通過其子公司Encoway和Logicline為客戶創(chuàng)建個性化的應(yīng)用程序。Lenze的合作伙伴和客戶通過這種方式已經(jīng)可以實現(xiàn)從生產(chǎn)到云的連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸。
數(shù)據(jù)是21世紀(jì)的中心
Dassault Systemes公司歐元區(qū)董事總經(jīng)理Klaus Lockel不久前表示，“21世紀(jì)的創(chuàng)新和推動力并非產(chǎn)品，而是數(shù)據(jù)和信息。”為了能夠受益于數(shù)字化的所有優(yōu)勢，企業(yè)必須首先實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完全通暢，不僅僅是針對內(nèi)部流程，完整的數(shù)字化的業(yè)務(wù)流程(包括供應(yīng)商)有助于創(chuàng)建整個價值鏈的數(shù)字圖像，這需要工業(yè)軟件和自動化的集成、通信網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展、自動化的安全性以及業(yè)務(wù)相關(guān)的工業(yè)服務(wù)。
隨著數(shù)據(jù)的日益重要，數(shù)字雙胞胎發(fā)揮著越來越重要的作用，ISG工業(yè)控制技術(shù)推出了一方案，該方案借助公司的軟件、機(jī)器和設(shè)備，制造商創(chuàng)造出了包括組件在內(nèi)，與真實機(jī)器別無二致的數(shù)字雙胞胎，通過模擬實時控制，可以預(yù)先驗證方案或進(jìn)行虛擬調(diào)試，此外公司還可以在整個生產(chǎn)周期中進(jìn)行測試。該公司還推出了一款測試自動化的工具ISG-Dirigent，該工具可以讓目前還在手動實施的必要測試自動化，從而及早優(yōu)化數(shù)字雙胞胎的控制軟件質(zhì)量，測試工作量因此大幅度減少。
圖1 眾多組件和機(jī)器的聯(lián)網(wǎng)使工業(yè)成為黑客的目標(biāo)，因此企業(yè)面臨保護(hù)其智能系統(tǒng)的挑戰(zhàn)
數(shù)字三胞胎的提出
西門子使用了三胞胎的概念：產(chǎn)品、生產(chǎn)以及產(chǎn)品和生產(chǎn)性能。數(shù)字雙胞胎是產(chǎn)品或生產(chǎn)設(shè)備的精確虛擬模型，在產(chǎn)品開發(fā)階段借助CAD軟件創(chuàng)建。它反映整個使用壽命周期內(nèi)的發(fā)展，可以預(yù)測設(shè)備的表現(xiàn)，優(yōu)化性能，同時將以前設(shè)計和生產(chǎn)中積累的知識用于實踐。通過觀察“假設(shè)”情景以及使用數(shù)字雙胞胎預(yù)測未來表現(xiàn)，可以獲得真正的附加值，因為它將產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)計劃這一虛擬世界與生產(chǎn)系統(tǒng)和產(chǎn)品性能這一真實物理世界聯(lián)系起來，這種組合使得人們能夠利用在物理世界獲得的知識，在整個產(chǎn)品和生產(chǎn)周期中做出明智決策。
三胞胎方案的意義非比尋常：例如，驅(qū)動器的虛擬映像包含模擬和驗證復(fù)雜產(chǎn)品所需的所有數(shù)據(jù)，包括機(jī)制、物理表現(xiàn)、電子和軟件管理，這樣物理原型的數(shù)量可以大大減少。通過PLC代碼的自動生成進(jìn)行數(shù)字規(guī)劃、仿真和生產(chǎn)優(yōu)化，形成了生產(chǎn)的數(shù)字雙胞胎。機(jī)電一體化和自動化的協(xié)同仿真創(chuàng)建了一個整體仿真模型，成為虛擬調(diào)試的基礎(chǔ)，這樣故障或干擾源在生產(chǎn)開始之前就能夠識別和避免。
產(chǎn)品和生產(chǎn)性能的數(shù)字雙胞胎不斷提供來自生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品分析的數(shù)據(jù)，通過集成自動化組件的深入滲透，車間層面有所有的相關(guān)數(shù)據(jù)可供使用。
圖2 最近的一項研究揭示了迄今為止數(shù)字化在企業(yè)中的用途
生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集中管理
氣動和自動化專家SMC使用數(shù)字雙胞胎展望未來：雙胞胎是物理系統(tǒng)的虛擬圖像，同時也具有功能性，與真實系統(tǒng)之間只有很小的時間差，一旦出現(xiàn)故障，例如電纜斷裂，就會被檢測到并快速報告給維護(hù)工程師，工程師在進(jìn)行維護(hù)時又能夠通過數(shù)字雙胞胎馬上訪問所有產(chǎn)品特定信息(CAD數(shù)據(jù)、手冊、訂單信息)。
通過將機(jī)器彼此聯(lián)網(wǎng)以及與更高級別的系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，可以集中管理資源和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，整個公司都可以訪問訂單數(shù)據(jù)，例如可以找到在公司的哪個加工廠生產(chǎn)哪些訂單的最佳策略，此外還可以快速了解并有效協(xié)調(diào)物料庫存、物流流程或工具的可供使用性。
數(shù)字雙胞胎通過更好地記錄制造過程和質(zhì)量管理的生產(chǎn)參數(shù)所提供的潛力同樣令人感興趣，如果制造商清楚地知道具有何種特性的何種組件以什么樣的方式安裝在哪個產(chǎn)品中，就能夠?qū)赡艹霈F(xiàn)的問題做出有針對性的反應(yīng)并優(yōu)化流程。
云應(yīng)用提供維護(hù)幫助
B&R公司第一個用于機(jī)械制造商的云應(yīng)用程序，它可在全球范圍內(nèi)全天候采集機(jī)器數(shù)據(jù)，讓人們可靠了解現(xiàn)場所有機(jī)器的概況。B&R承諾，機(jī)械制造商能夠識別優(yōu)化需求，改善客戶服務(wù)并開發(fā)新的銷售潛力。此外，云應(yīng)用程序還能顯示有待實施的維護(hù)，同時提供量身定制的維護(hù)服務(wù)。
圖3 通過WEG Motor Scan可以進(jìn)行實時監(jiān)控，以便啟動預(yù)測性的維護(hù)措施，從而提高系統(tǒng)的可支配性
人們可以非常清楚地看到，工程、自動化和IT已經(jīng)交織在一起。繼2016年漢諾威工業(yè)博覽會上展示用于低壓電機(jī)狀態(tài)分析的智能傳感器之后，西門子2017年又推出了一款Simotics IQ傳感器盒，能夠采集重要的操作和狀態(tài)參數(shù)，在2018年的SPS IPC Drives上，WEG將帶來一種名為WEG Motor Scan的可安裝狀態(tài)監(jiān)測解決方案，該方案與之前的產(chǎn)品一樣采集運行數(shù)據(jù)，它們的共同點是在云中存儲和分析操作和狀態(tài)數(shù)據(jù)。通過一個相關(guān)的的應(yīng)用程序，設(shè)備操作人員或維護(hù)工程師接收相關(guān)信息，以便據(jù)此來規(guī)劃維護(hù)措施。
西門子的另一個重點是現(xiàn)場數(shù)字化：通過其Simatic PCS7 V9.0過程控制技術(shù)系統(tǒng)引進(jìn)整體設(shè)備的數(shù)字化，基礎(chǔ)是工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)Profinet，為實時高效的設(shè)備通信創(chuàng)造了條件，從而也為過程相關(guān)數(shù)據(jù)的連續(xù)診斷、監(jiān)控和評估創(chuàng)造了先決條件，這在大數(shù)據(jù)時代必不可少。此外，Profinet還可以實現(xiàn)靈活且易于擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，據(jù)供應(yīng)商稱，它的優(yōu)勢還包括，在設(shè)備整個使用壽命周期內(nèi)，可節(jié)省大量成本，因為布線工作量大大減少，同時還可以通過自由擴(kuò)展的冗余單獨決定設(shè)備的可支配性。
另外，西門子新的Simatic CFU(緊湊型現(xiàn)場單元)可以簡化以前極為復(fù)雜的現(xiàn)場設(shè)備集成，緊湊的創(chuàng)新硬件會自動完成所連接現(xiàn)場設(shè)備的初始化并將它們集成到過程控制系統(tǒng)中，以前需要花費30分鐘的工作現(xiàn)在不到一分鐘就能完成。CFU將數(shù)字現(xiàn)場總線與傳統(tǒng)I/O結(jié)合起來，無需安裝在控制柜中。Rittal和Eplan也以此為起點：以控制柜布線為例，展示控制和開關(guān)設(shè)備的產(chǎn)品生產(chǎn)過程如何通過數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化和自動化實現(xiàn)工業(yè)化，從電路圖、3D布線規(guī)劃路徑到各種電線的自動生產(chǎn)以及最后的安裝和測試都將被清晰呈現(xiàn)出來。
在此過程中，企業(yè)將展示整個價值鏈上的集成解決方案：從數(shù)字商品數(shù)據(jù)和產(chǎn)品配置的提供、工程和工作準(zhǔn)備流程、到控制柜的數(shù)字雙胞胎的形成、直至數(shù)字化生產(chǎn)。
圖4 B&R的云應(yīng)用資產(chǎn)性能監(jiān)控器全天候采集機(jī)器數(shù)據(jù)、做好處理并清晰展示
物聯(lián)網(wǎng)成為黑客的目標(biāo)
物聯(lián)網(wǎng)(IoT)基于一種已被使用過數(shù)百萬次的技術(shù)，而黑客恰恰將目光越來越多地對準(zhǔn)工業(yè)領(lǐng)域的眾多目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)攻擊司空見慣，保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境成為目前正在探索該技術(shù)的IT主管們面臨的主要挑戰(zhàn)。由于機(jī)器和設(shè)備與企業(yè)IT連接，這些區(qū)域也處于危險之中。黑客可以操縱數(shù)據(jù)，從而使部分生產(chǎn)陷入癱瘓。
從預(yù)測性維護(hù)到流程自動化，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)成功實施的關(guān)鍵是將機(jī)器連接到云的能力，這是操作技術(shù)(即OT系統(tǒng))與IT系統(tǒng)(通常是云)之間的連接，如同以前大部分物聯(lián)網(wǎng)安全事件，這種連接很容易受到攻擊，安全的替代方案是在沒有TCP/IP(傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)的情況下進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)連接，即“沒有互聯(lián)網(wǎng)”。現(xiàn)如今的移動網(wǎng)絡(luò)GSM(2G和3G)已經(jīng)能夠做到這點，與此同時，移動行業(yè)也將新的5G標(biāo)準(zhǔn)與物聯(lián)網(wǎng)緊密聯(lián)系起來，以便促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，實施此項技術(shù)可以更加輕松地將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與移動網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，5G即將全面覆蓋是一個優(yōu)勢。
網(wǎng)絡(luò)安全得到重視
物聯(lián)網(wǎng)交流中最常見的協(xié)議是消息隊列遙測傳輸(MQTT)，它是為低帶寬環(huán)境中的M2M(機(jī)器到機(jī)器)遙測開發(fā)的，使用MQTT可以快速、安全、可靠和低成本地發(fā)送少量數(shù)據(jù)，這一連接方案還支持不受限制的雙向通信，這樣便能開發(fā)出緊湊和節(jié)能的設(shè)備，這些設(shè)備如今已經(jīng)可以使用大范圍的全球網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開發(fā)人員由此能夠克服以前阻礙了許多物聯(lián)網(wǎng)項目的關(guān)鍵連接障礙，據(jù)專家介紹，這種解決方案比云連接安全得多：沒有移動數(shù)據(jù)也意味著沒有TCP/ IP，這增加了網(wǎng)絡(luò)安全性并實現(xiàn)了安全連接。
西門子公司在此選擇了不同的方法，采用“深度防御”，這是一個在多個層面上全面保護(hù)工業(yè)設(shè)備免受外部和內(nèi)部攻擊的解決方案。網(wǎng)絡(luò)安全涉及所有接口的控制，例如辦公室和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)之間或者遠(yuǎn)程維護(hù)訪問的控制，可以使用防火墻和安全屏蔽區(qū)域的構(gòu)建來完成。
