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PLC升级换代:创新推动智能制造

2020/3/17    来源:菲尼克斯电气    作者:杜品圣博士      
关键字:PLC  智能制造  
智能制造的生产模式需要什么样的自动控制系统?这种控制系统与工业3.0中的自动化技术有什么区别?在智能制造中,自动控制技术要做什么样的演变才能满足智能制造生产模式的要求?这些都是菲尼克斯电气开发PLCnext,以及对PLC系统进行变革和优化的初衷。
        当前,我们已进入了互联网时代,互联网技术以不可阻挡的趋势进军各行各业,给各行各业的变革带来强大的动力,也对各行各业的发展产生巨大的影响。在这技术革新的历史关头,智能制造的概念诞生了。智能制造显然只有大量采用互联网时代的新技术才能实现。那么,该如何使用这些新科技为工业领域带来巨大的变革?德国在2011年提出的所谓“工业4.0”,其主要任务就是实现“智能工厂”和“智能生产”。显而易见,无论是智能工厂还是智能生产,其核心就是生产制造模式的变革。
        智能制造的目标是对目前的生产制造模式进行转型升级,从而改善和优化生产制造产业链,使得研发生产的产品质量更好、成本更低、速度更快、效率更高。
        那么智能制造的生产模式需要什么样的自动控制系统?这种控制系统与工业3.0中的自动化技术有什么区别?在智能制造中,自动控制技术要做什么样的演变才能满足智能制造生产模式的要求?这些都是菲尼克斯电气开发PLCnext,以及对PLC系统进行变革和优化的初衷。

PLC升级换代:创新推动智能制造

        要对目前的PLC控制系统(或自动化控制系统)进行改革,首先我们要了解的是:
  1. 工业4.0所倡导的智能制造模式与自动化制造模式有什么区别?
  2. 工业4.0的智能生产制造模式对于工业3.0的生产制造模式有哪些改变与延伸?
  3. 这种延伸和改变又对PLC控制系统提出了哪些新的要求?
    自动化制造生产模式
        德国工业4.0将第三次工业革命定义为以自动化技术为核心的生产制造模式。通过广泛地采用自动化技术、机器人技术、IT和通讯技术,构成自动化金字塔为核心的生产制造模式,大大提高了生产效率,降低了制造成本,提高了产品质量。在这个过程当中,PLC技术的发展起了决定性的作用。几十年来,关于PLC技术,无论其运行速度、应用范围、数据处理能力,还是与通信技术如现场总线以及工业实时以太网的整合能力都大大提高。一个成熟的PLC系统已经形成,成为推动工业3.0发展的中坚力量。
        然而此时PLC控制系统的发展原理及作用主要是对生产制造系统的运行的控制,并没有涉及到生产制造管理,企业管理乃至产品生命周期的管理,因此目前的PLC系统仍然不能很好地与生产管理系统MES和企业管理系统ERP相融合。常常出现一个企业的管理系统的制定需要有三家不同的软件公司(ERP,MES和PLC供应商)同时参加的情况。而由于各家公司专业的差异性,技术的不兼容性,其最终往往不能得到预想的效果。尤其是整个系统的工业安全(信息安全、功能安全、软件安全)难以保证。
        因此MES和ERP技术并没有在工业生产制造领域得到广泛的应用,其价值也没有得到市场的普遍认可。另一方面,PLC控制系统的任务目前仅仅限于生产制造流水线运行控制监视和维护,并未涉及对产品生命周期的整个管理过程的挑战,因此这种PLC系统远远不能满足互联网时代的生产制造模式对于降低成本和提高效率的要求。
        那么,智能制造所要求的目标是什么?
    智能制造生产模式
        智能制造是工业3.0生产制造模式的升级版和创新版,其目标就是对目前的生产制造模式进行转型升级,解决目前采用自动化制造生产模式所不能解决的问题。在互联网时代,科学技术的迅猛发展使得人们对产品的需求愈来愈高。产品的生命周期越来越短;对产品更新换代的快速响应的要求越来越高;因产品全生命周期的缩短又使得生产制造产品的批量、数量越来越少;多品种、小批量成为目前产品市场需求的发展趋势。而产品数量的减少又大大提高了产品的成本和产品价格的竞争压力。更主要的是由于经济的周期性变化,使得投资回报要求的时间周期越短越好。与此同时对能源使用效率、节能减排等方面的要求都遇到了巨大的瓶颈与困难,使生产制造业面临前所未有的新挑战。互联网时代的这些新的挑战,都迫切要求建立一个更加智能化的生产制造模式。
        智能战略的基本思路就是如何利用迅速发展的IT技术、互联网技术对传统的生产制造模式进行变革,即通过将IT技术、互联网技术有机地融入自动控制系统,并应用于传统的生产制造领域,改变传统生产制造的基本模式。按照灵活性、快速应变性、成本效率性以及回报短期性,建立一个高度灵活的、个性化的、数字化的制造系统,并将制造体系与产品生命周期管理相整合,产生以产品全生命周期为核心的智能制造生产模式。

产品全生命周期管理的整体视角

  产品全生命周期管理的整体视角

        智能制造不仅仅从生产制造这一维度来解决成本、效率、速度、质量和灵活性的问题,而是从产品全生命周期管理的整体视角来全面地解决这些问题。使得研发、生产的产品:质量更好、成本更低、速度更快、制造效率更高。也就是说高效率、低成本不能仅仅单一的从生产制造的角度来看待,而应该从产品全生命周期的整体视角来分析。
        我们可以看到,相对于传统的生产制造模式,智能制造已有了本质上的变革和提升:在互联网时代智能制造延伸了生产制造的含义,从单纯的生产制造链延伸到产品的设计、分析、加工、装配模拟,预测产品的综合性能、成本、市场响应和服务(采购、库存、销售、发送、维护、报废、回收)的全过程。它既考虑了产品的质量、成本,又考虑了企业内部的管理模式、企业的运维能力,以及企业与企业之间的关系等,因此,可以最大限度地节约时间与经济成本,提高产品的质量,同时快速地把高质量、低成本的优秀产品投放市场,而获得巨大的经济与社会效益。
    智能制造中的“提高速度”
        智能制造中的速度可以分成研发速度、生产速度和响应速度。要提高生产速度,需要采取深度自动化的方法,使得生产制造自动化程度更高,生产流程更加精细化,制造工艺适应性更强和制造方法更加灵活。但是研发速度和响应速度的提高要采用互联网的技术、大数据、云计算的方法,通过分析、归纳和总结来预测产品更新换代的时间点,尽早开发新一代产品。另外,还可以利用大数据来了解产品在市场中的运行动态,并及时改善产品的性能特性来满足市场的需求。
    智能制造中的“减低成本”
        智能制造中产品成本包括生产成本、运行成本和管理成本。其中生产成本可以通过自动化技术和原材料的优化来实现,但是运行成本和管理成本则必须应用IT技术、软件管理技术以及互联网技术来实现,比如利用大数据来提高市场的响应能力,优化服务。通过精益管理、6S管理以及企业生命周期的管理来降低管理成本。利用大数据来分析市场对于产品更新换代的期待,并提出预见性的决策。在服务端利用大数据分析产品在市场应用的动态和客户的反馈,并采取相应的营销手段来增加产品的销量。为了实现智能制造,必须将工业自动化技术与互联网技术有机融合,才能从产品生命周期管理的角度来更好的提高生产效率及产品质量,同时降低成本。

智能制造中的“灵活多变生产制造”

    智能制造中的“灵活多变生产制造”
        智能制造不仅需要应用新的技术,同时也对生产制造系统提出了新的要求。由于社会生活的日益多元化,用户意识更加个性化。无论是研发与设计、生产与制造,还是营销与服务,都必须以满足消费者的需求作为出发点和归宿点。同时由于用户体验式的参与设计,制造和服务彻底颠覆了传统生产的垂直分工体系。机械制造生产线也需向模块化、适应化、个性化、透明化的新型智能制造生产流水线转变。
        智能制造的工业自动化控制要保证模块与模块间、设备与设备间透明的信息交互,互联网技术和无线通信技术能被整合在当前的控制系统中;为了使得智能化的生产制造系统具有自适应功能,信息技术和控制技术必须实现整个制造系统不仅能够按照流程管理的要求执行,而且具备了柔性灵活、能够快速重构的特点。智能制造具有大规模生产的能力,而且还可具备快速、小批量、多品种的定制生产能力,满足互联网经济下快速迭代的客户个性化需求,使得企业快速赢得客户、占领市场先机。
        我们可以清楚地看到,在互联网时代,传统的以自动化技术为导向的生产制造模式面临着四个方向的渗透和交融。

新兴技术进入了生产制造控制领域,并主要从纵向向下深度发展

        互联网时代科技发展日新月异,IT技术、物联网技术、人工智能、边缘计算、云技术、大数据、信息安全等迅猛地进入了生产制造控制领域,主要从纵向向下深度发展。
        ·   物联网技术与控制系统纵向融合,形成分散型智能化的现场设备网络。现场数据通信协议的通用性,数据采集的丰富性,使得人们对现场的运行状态和过程分析更为清晰。
        ·   控制系统与互联网技术的无缝连接,PLC系统不仅仅要采用IEC 61131的语言来表述控制任务,同时要用高级语言,如JAVA语言、WEB语言,直接打通互联网到生产制造的通讯通道,同时采用OPC UA来解决PLC与互联网连接通道,使得生产制造和生产管理的信息可以透明化的交换。PDM、MES等管理信息直接进入控制系统的数据库,管理数据进行分解执行。因此新型PLC系统需要新的功能和接口,即:开放的软件开发平台;开放的操作系统;开放的用户应用功能的接口;开放的网络集成环境。得益于这些功能和接口,数据可高效率的处理和分析,并让需要的数据都能及时发往对应的功能单元。最后,通过云计算实现分布式的工业控制,基于Web2.0的工业互联网技术和物理信息融合系统将在工业自动化控制系统中得以实践。

智能制造模式的核心是产品生命周期管理,其延伸了生产制造模式,即包括了三大部分,即产品研发、产品制造和产品服务

        智能制造模式的核心是产品生命周期管理,其延伸了生产制造模式,即包括了三大部分,即产品研发、产品制造和产品服务。纵向的从研发、制造,一直到服务产品全生命周期链的信息交流,无缝通信是互联网在新的生产制造模式的一大任务。同时在生产制造模式中大数据的应用也是对传统的研发方法进行本质上的改变。
        传统的研发对于常规的产品往往采用预测性的战略计划,利用多年的研发经验和对产品的理解,做出产品的研发战略,通常提前几年预测产品的推出期,及时地进行产品的更新换代。对于颠覆性的创新产品,这种传统连续性经验法的研发方法就力不从心了。特别是以客户为导向,当研发面向用户的大规模定制产品时,传统的研究方法面临着巨大的挑战。因此我们在产品全生命周期中的研发端,必须采用互联网的大数据思维形成开放性的研发产品平台。
         由此可见,智能制造改变了生产制造根本的架构及其管理模式。在智能制造的总体架构中,企业信息化建设的主流模式是企业管理、生产制造管理和生产制造控制的融合,即ERP、MES与PLC控制系统有机的结合。PLM、SCM、CRM、QMS、ERP、以及MES的一些功能通过互联网技术进行数据交换和数据管理,提供分析和判断的服务,从而可以降低创建和优化基础架构的成本、提升生产管理的智能化水平。互联网进一步延伸到控制层,不仅提高企业快速 响应市场需求的能力,同时可以实现与云技术的融合,使得高效的跨地域协同成为可能。
        根据智能制造的基本思想,结合生产制造工业的实际现状,菲尼克斯电气开发了PLCnext的IT融合OT的自动化控制系统,为实现智能制造的标提供了有力地武器,使得生产制造能够适应产品生命周期新的变化:能够快速进行产品的更新换代;产品种类多、而批量少;价格具备成竞争力;缩短投资回报时间、优化资源以及提高能源使用效率等,满足了互联网时代对智能制造的需求。(作者:杜品圣博士;来源:菲尼克斯电气
责任编辑:杨培
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