發布日期：2022-04-26 點擊率：88
如今，智能及數字化被眾多企業重視，點明了未來的發展方向：自動化和驅動領域的數字化轉型已勢不可擋。
不過對于工業4.0和工業物聯網(IIoT)領域的應用而言，當務之急是奠定必要的基礎，其中一個重要的先決條件是數據的通暢。開放接口、管理程序框架中統一信息模型的使用以及OPC UA、MQTT和OMAC/Pack-ML等跨越供應商標準的應用已經集成在一些自動化平臺中，例如自動化專家Lenze推出了可擴展的硬件、模塊化的集成軟件和相關的聯網，同時可以通過其子公司Encoway和Logicline為客戶創建個性化的應用程序。Lenze的合作伙伴和客戶通過這種方式已經可以實現從生產到云的連續數據傳輸。
數據是21世紀的中心
Dassault Systemes公司歐元區董事總經理Klaus Lockel不久前表示，“21世紀的創新和推動力并非產品，而是數據和信息?！睘榱四軌蚴芤嬗跀底只乃袃瀯荩髽I必須首先實現數據的完全通暢，不僅僅是針對內部流程，完整的數字化的業務流程(包括供應商)有助于創建整個價值鏈的數字圖像，這需要工業軟件和自動化的集成、通信網絡的擴展、自動化的安全性以及業務相關的工業服務。
隨著數據的日益重要，數字雙胞胎發揮著越來越重要的作用，ISG工業控制技術推出了一方案，該方案借助公司的軟件、機器和設備，制造商創造出了包括組件在內，與真實機器別無二致的數字雙胞胎，通過模擬實時控制，可以預先驗證方案或進行虛擬調試，此外公司還可以在整個生產周期中進行測試。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，從而及早優化數字雙胞胎的控制軟件質量，測試工作量因此大幅度減少。
圖1 眾多組件和機器的聯網使工業成為黑客的目標，因此企業面臨保護其智能系統的挑戰
數字三胞胎的提出
西門子使用了三胞胎的概念：產品、生產以及產品和生產性能。數字雙胞胎是產品或生產設備的精確虛擬模型，在產品開發階段借助CAD軟件創建。它反映整個使用壽命周期內的發展，可以預測設備的表現，優化性能，同時將以前設計和生產中積累的知識用于實踐。通過觀察“假設”情景以及使用數字雙胞胎預測未來表現，可以獲得真正的附加值，因為它將產品開發和生產計劃這一虛擬世界與生產系統和產品性能這一真實物理世界聯系起來，這種組合使得人們能夠利用在物理世界獲得的知識，在整個產品和生產周期中做出明智決策。
三胞胎方案的意義非比尋常：例如，驅動器的虛擬映像包含模擬和驗證復雜產品所需的所有數據，包括機制、物理表現、電子和軟件管理，這樣物理原型的數量可以大大減少。通過PLC代碼的自動生成進行數字規劃、仿真和生產優化，形成了生產的數字雙胞胎。機電一體化和自動化的協同仿真創建了一個整體仿真模型，成為虛擬調試的基礎，這樣故障或干擾源在生產開始之前就能夠識別和避免。
產品和生產性能的數字雙胞胎不斷提供來自生產設備和產品分析的數據，通過集成自動化組件的深入滲透，車間層面有所有的相關數據可供使用。
圖2 最近的一項研究揭示了迄今為止數字化在企業中的用途
生產數據的集中管理
氣動和自動化專家SMC使用數字雙胞胎展望未來：雙胞胎是物理系統的虛擬圖像，同時也具有功能性，與真實系統之間只有很小的時間差，一旦出現故障，例如電纜斷裂，就會被檢測到并快速報告給維護工程師，工程師在進行維護時又能夠通過數字雙胞胎馬上訪問所有產品特定信息(CAD數據、手冊、訂單信息)。
通過將機器彼此聯網以及與更高級別的系統聯網，可以集中管理資源和生產數據，整個公司都可以訪問訂單數據，例如可以找到在公司的哪個加工廠生產哪些訂單的最佳策略，此外還可以快速了解并有效協調物料庫存、物流流程或工具的可供使用性。
數字雙胞胎通過更好地記錄制造過程和質量管理的生產參數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品中，就能夠對可能出現的問題做出有針對性的反應并優化流程。
云應用提供維護幫助
B&R公司第一個用于機械制造商的云應用程序，它可在全球范圍內全天候采集機器數據，讓人們可靠了解現場所有機器的概況。B&R承諾，機械制造商能夠識別優化需求，改善客戶服務并開發新的銷售潛力。此外，云應用程序還能顯示有待實施的維護，同時提供量身定制的維護服務。
圖3 通過WEG Motor Scan可以進行實時監控，以便啟動預測性的維護措施，從而提高系統的可支配性
人們可以非常清楚地看到，工程、自動化和IT已經交織在一起。繼2016年漢諾威工業博覽會上展示用于低壓電機狀態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參數，在2018年的SPS IPC Drives上，WEG將帶來一種名為WEG Motor Scan的可安裝狀態監測解決方案，該方案與之前的產品一樣采集運行數據，它們的共同點是在云中存儲和分析操作和狀態數據。通過一個相關的的應用程序，設備操作人員或維護工程師接收相關信息，以便據此來規劃維護措施。
西門子的另一個重點是現場數字化：通過其Simatic PCS7 V9.0過程控制技術系統引進整體設備的數字化，基礎是工業以太網標準Profinet，為實時高效的設備通信創造了條件，從而也為過程相關數據的連續診斷、監控和評估創造了先決條件，這在大數據時代必不可少。此外，Profinet還可以實現靈活且易于擴展的網絡結構，據供應商稱，它的優勢還包括，在設備整個使用壽命周期內，可節省大量成本，因為布線工作量大大減少，同時還可以通過自由擴展的冗余單獨決定設備的可支配性。
另外，西門子新的Simatic CFU(緊湊型現場單元)可以簡化以前極為復雜的現場設備集成，緊湊的創新硬件會自動完成所連接現場設備的初始化并將它們集成到過程控制系統中，以前需要花費30分鐘的工作現在不到一分鐘就能完成。CFU將數字現場總線與傳統I/O結合起來，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，展示控制和開關設備的產品生產過程如何通過數字化、標準化和自動化實現工業化，從電路圖、3D布線規劃路徑到各種電線的自動生產以及最后的安裝和測試都將被清晰呈現出來。
在此過程中，企業將展示整個價值鏈上的集成解決方案：從數字商品數據和產品配置的提供、工程和工作準備流程、到控制柜的數字雙胞胎的形成、直至數字化生產。
圖4 B&R的云應用資產性能監控器全天候采集機器數據、做好處理并清晰展示
物聯網成為黑客的目標
物聯網(IoT)基于一種已被使用過數百萬次的技術，而黑客恰恰將目光越來越多地對準工業領域的眾多目標，網絡攻擊司空見慣，保護物聯網環境成為目前正在探索該技術的IT主管們面臨的主要挑戰。由于機器和設備與企業IT連接，這些區域也處于危險之中。黑客可以操縱數據，從而使部分生產陷入癱瘓。
從預測性維護到流程自動化，大多數物聯網成功實施的關鍵是將機器連接到云的能力，這是操作技術(即OT系統)與IT系統(通常是云)之間的連接，如同以前大部分物聯網安全事件，這種連接很容易受到攻擊，安全的替代方案是在沒有TCP/IP(傳輸控制協議/互聯網協議)的情況下進行物聯網連接，即“沒有互聯網”。現如今的移動網絡GSM(2G和3G)已經能夠做到這點，與此同時，移動行業也將新的5G標準與物聯網緊密聯系起來，以便促進網絡的擴展，實施此項技術可以更加輕松地將物聯網應用與移動網絡聯系起來，5G即將全面覆蓋是一個優勢。
網絡安全得到重視
物聯網交流中最常見的協議是消息隊列遙測傳輸(MQTT)，它是為低帶寬環境中的M2M(機器到機器)遙測開發的，使用MQTT可以快速、安全、可靠和低成本地發送少量數據，這一連接方案還支持不受限制的雙向通信，這樣便能開發出緊湊和節能的設備，這些設備如今已經可以使用大范圍的全球網絡，物聯網設備的開發人員由此能夠克服以前阻礙了許多物聯網項目的關鍵連接障礙，據專家介紹，這種解決方案比云連接安全得多：沒有移動數據也意味著沒有TCP/ IP，這增加了網絡安全性并實現了安全連接。
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工業設備免受外部和內部攻擊的解決方案。網絡安全涉及所有接口的控制，例如辦公室和設備網絡之間或者遠程維護訪問的控制，可以使用防火墻和安全屏蔽區域的構建來完成。
