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2019中國智能制造發展論壇 菲尼克斯電氣Radioline無線系統
工業無線

從灰暗走向高光 |工業4.0通訊的新紀元

  2019年07月12日  

  隨著6月6日5G商用牌照的發放,中國5G的發展毫無意外地開始加速。中國移動2019年預計將投入192億人民幣,三大運營商預計今年建設8至9萬個基站(對比一下,美國目前只有幾千個 )。相關數據表明,2026年ICT運營商5G的數字化收入預計將超過12000億美元,其中約2340億美元來自相應的垂直制造領域

  工業正在迎來美好的通訊時代,而工業4.0背後需要的通訊體系,也開始浮出水面。

  工業4.0的新通訊

  工業4.0一開始就定義了自身的頂層架構RAMI,它從三個維度對工業4.0進行了框架描述,代表了德國對工業4.0所進行的全局式思考。有了這個模型,各個企業尤其是中小企業,就可以在整個體系中尋找到自己的位置。這是一股前所未有的洪流交融,萬物、人機、軟硬、虛實都要連接,需要一種全新的通訊觀,才能實現這種集成。從國外的工業巨頭如西門子的實踐來看,基本是按照這樣的通訊框架進行全域構建。

  圖1:工業4.0架構RAMI與通訊

  (來源:弗勞恩霍夫IOSB-INA和VDMA共同出版的《工業4.0通信指南》)

  然而,通訊作爲工業4.0系統中至關重要的子系統,並不是只需要完成通訊系統的實時性能就可以——這很容易被誤解是唯一重要的點。更大的挑戰是,把通訊要求所涵蓋的所有網絡進行無縫的集成。這些網絡包括從有嚴格確定性要求的就地控制網絡,到工廠內部的運行操作管理網絡,到企業生産的計劃調度網絡,並延伸到全球連接的跨企業的通信,以及基于網絡通信的自組態和各類網絡管理的集成。同時,需要制定不同以往的升級遷移、集成和維護,考慮與上下遊企業的關聯和連接可能性等複雜的實時策略。

  要從底層的傳感器傳遞到雲端,數據需要有多樣化的路徑。從廠房地板,到企業高管天花板,一路穿越的網絡和連接管道的數據,如何實現通訊的無縫集成,將成爲一個最大的現場挑戰。

  工業4.0正在呼喚一個全新的通訊局面,OPC UA和TSN應聲而出。

  數字化工廠的通訊贏家

  以往,工廠到處都是機器,它們挨著多年,但生成的信息卻相互隔離,很少“交談”,也很少被利用。然而在離散型工廠或過程自動化工廠中,信息交流有各種不同的流量類型和傳輸要求。自動化控制設備與工廠級系統和應用之間存在垂直通訊需求,而從控制器到控制器、從控制器到現場設備(例如執行器、傳感器和驅動器)、輸入和輸出等則有水平通訊需求。以往,各種類型的現場總線和工業以太網支持這些不同的通訊需求,從而將流量劃分到各個單獨的網絡上。這種數據“各自爲政”的數據治理局面的形成固然有其曆史的必然性,可是當前卻正在成爲制約萬物互聯的“枷鎖”。

  作爲一種打造萬國設備的工廠級世界語,OPC UA出現了。

  近幾年來, 開放平台通訊統一架構OPC UA的標准發展速度很快,一路領跑。2017年底,德國機械制造協會VDMA與弗勞恩霍夫IOSB發布了針對中小型機械制造企業如何導入OPC UA及其策略的導則。導則明確的強調,OPC UA不是自動化實時通訊的另一個標准,而是一種爲目前尚處于信息孤島的設備之間建立附加通訊通道的工具, 爲不同生産廠商生産的成套裝置、機械設備和部件之間提供一種統一的通訊方式。

  OPC UA不是來取代現有的通訊協議,而是實現通訊進行統一對話的工具。換言之,這次來的不是搶地盤的,而是勸和使者。更重要的是,它是將設備從灰暗地帶、甚至是至暗角落,帶向一個高光時刻。

  從傳感器到設備、到雲端,那是一路凶險的火焰山。取經途中需要解決的問題包括:統一的語義(各種通關文牒)、實時(跑得快)、大數據量傳遞(個子大)、海量並發(擁擠)、異構數據(不同膚色)。OPC UA作爲一種面向服務的架構SOA,爲機械數據(諸如設備描述、測量數值、參數和控制變量)信息交換的標准化,成爲西天取經的重要法寶。然而它只解決了上層問題,對于底層紛至沓來的數據,如同從山谷裏殺出多個兵種的千軍萬馬,網絡體系如何招架?

  時間敏感網絡TSN開始登場,它專門針對不同數據響應速度要求的特點,提供了一種網絡彈性的保障機制。例如,在現代工廠控制中,既有大量實時數據的通訊與控制,也有許多監視器的監測,以及各種無線數據,使得現場的數據形成了擁擠的跑道,充滿了大量結構化實時信息和非結構化信息(如音頻、視頻流)等各種不同類型的數據,對數據同步的精度要求比較高。在控制器之間進行通訊時,可以利用TSN的功能按信息傳輸的優先級加以協調,從而在複雜的現場情況下保障各種通訊的協調一致性。

  圖2:各種數據擠上跑道

  可以說,TSN搭建了一個數字世界的龜兔賽跑的新場地。這種龜兔同賽道的規則,不再是誰快誰慢,而是承認數據多樣性的一種理性選擇。

  目前,TSN已達到了實用所需的技術成熟度,具有TSN功能的網絡組件、通訊處理器、軟件和網絡管理系統都已經面世。其實,TSN也並非全新的技術,其來源于AVB(Audio Video Bridging)音視頻橋接,是由AVnu聯盟組織所倡導開發的協議。AVB協議是爲保障實現音頻和視頻數據提供時間同步的、低延遲的和保證帶寬預留的流媒體功能。TSN是AVB的進化版,在原有規格的基礎上擴大了標准的範圍、功能和應用程序。在2017年,工業互聯網聯盟(IIC)和Avnu聯盟宣布聯手,共同推動TSN開放標准設備的部署。這也意味著TSN正在工業領域得到廣泛認可。

  這樣一來,OPC UA在上層,而TSN主要在下層,二者構成了地板與天花板之間的相互呼應。

  圖3:基于TSN強化工業通訊(來源:西門子)

  TSN增強了以太網的功能,也使得其更適合于工業應用。即使在高網絡負載條件下,TSN也能在機器和工廠之間實現更加強大和可靠的以太網通訊。這種可靠性使得汽車、機械工程等行業的自動化應用擁有顯著優勢。

  5G工廠的數據觀

  OPC UA是在作爲物理層和數據鏈路層的以太網的基礎上作爲應用層的協議,而TSN則是爲了改進現有數據鏈路層的協議。目前工廠裏的以太網可以是有線的,也可以是無線的。目前大部分的OPC UA均運行在有線以太網中。然而,對于萬衆矚目的5G,作爲無線通信的基本載體,正在引起工業領域的全新興趣。

  在以引領行業未來著稱的2019年德國漢諾威工業博覽會上,5G第一次以專門展區形式出現,多家企業進行了集中展示與宣講。5G和上一代蜂窩網絡的主要區別之一是,5G可以直接應用于機器之間通訊和物聯網。包含5G和工業wifi6在內的無線通訊,將大幅度提高智能工廠的靈活性、通用性和生産率。

  國際標准化組織3GPP定義了5G的三大場景,其中每個場景都與制造業相關。增強型移動寬帶eMBB,可以用于增強或虛擬現實、3D/超高清視頻等大流量高速移動寬帶業務;而海量機器類通訊mMTC,用于智能抄表、智能農業、過程自動化等大規模物聯網業務;而超可靠低時延通訊URLLC,則可以用于無人駕駛、工業自動化控制、移動機器人,遠程制造等需要低時延、高可靠連接的業務。而在所有工業應用中,運動控制應該是最具挑戰性和高要求的。這就落在URLLC的頭上。

  圖4:5G三大場景在未來工廠的應用(來源:ZVEI)

  新的數據自治秩序,呼之欲出。

  看上去,工廠裏的無線數據,正在處于准備炸鍋的局面。5G在制造業中的應用,變成了一種期待。一些企業開始盼望未來把5G融到工業應用領域中去。

  不過且慢,需要潑點冷水的是,5G在工廠現在仍然處于不斷嘗試,尋找場景應用的青春萌動期。三大場景頻率資源,其實是不可能同時進行的。用標准的協議與工業應用去做對應和適配,仍然是相對現實的做法。

  較之有線通訊系統來說,無線系統顯然能快速突破技術和經濟上的限制。未來會在工業生産中運用數量巨大的低成本傳感器和執行器,除了使用有效的無線系統,別無它法。藍牙和無線局域網都在開發低成本的結構,但至今爲止僅有非常有限的機制來解決抗幹擾、信息安全和響應時間等問題。單一的無線工業解決方案局限于很少的頻帶,由于只能容納數量不多的傳感器和執行器,不太可能有很好的經濟效應。因此,可能仍然需要5至10年,5G才會在工業應用中起到巨大作用。

  當下ICT的樂觀情緒和鼓吹,難免會影響了輿論的判斷。那種以爲“設備+連接+雲”就可以完成大一統的想法,未免過于簡單。隨著5G的發展,工業Wifi6也開始成爲隨時隨地出發的數據軍團,無縫補齊5G所留下的空白。已經在商用領域實現WiFi6技術的設備供應商也逐漸意識到了無線技術在工業控制應用中的特殊性。這種工業現場特性的技術差異性,是很難靠ICT廠商實現突破的。對于設備漫遊的實時性和可靠性問題,ICT公司通過上層軟件、驅動和集中調控的方式很難解決。很多機器人、AGV更無法形成集中資源,這就必須從設備端、現場端來解決。ICT從一開始的立場,就已經表現出不同。這些網絡設備,是不會關心控制的,而這恰好是設備制造商和OT企業最爲精心呵護的陣地。

  在上海寶武冷軋車間無人“黑燈工廠”中,重載鋼卷行車在黑暗而空曠的廠房高空中無聲行走,搬運著重達十幾噸的鋼卷,給人以震撼的感覺。黑暗空間背後同樣不可看見的則是西門子等多個自動化廠家提供的控制系統的支撐。在智能制造諸多類似的現場都可以發現,如果沒有可靠的驅動與控制、定位系統與通訊系統的協同,難言通訊技術的單刀突破,5G在工廠級的應用和發展也不會例外。

  目前來看,有線框架與無線框架將長期並存。也許未來10年左右,才能看到更好的融合點。

  同樣地,OPC UA也不是萬能的。OPC UA本質上,只是爲了解決機器之間的互聯互通和互操作,對于更複雜的軟件與軟件、數據與數據、人與系統等的聯接性,則是無能爲力的。這意味著,OPC UA之外仍然需要大量的聯接性協議(如DDS、oneM2M、HTTP)等加以補充。OPC UA和TSN也是逐步搬遷到機制上。專業通訊的架構,仍然是工廠通訊的核心要害。這需要對設備有著深入的了解。

  符合工業4.0要求的通訊,並無法立刻全面普及。要獲得全面的應用,恐怕還需要十年左右的時間。這對于急性的人們而言,或許顯得有點長,但考慮到自動化技術的應用動辄三四十年,這已經算快速的應用了。

  萬物互通訊,讓數字企業更精准

  數據的魅力已經得到確認。在這樣一個5G時代,各種數據正在四處炸開,像是叮當散落的珠子。大珠小珠落玉盤,各處濺射的數據,更需要一個聚寶盆來盛接。

  物聯網平台隨著而來,正在成爲一個理想的容器。與國內工業互聯網平台承接中小企業的賦能任務所不同,國外紛紛走向大企業的戰略合作。德國大衆汽車在今年3月宣布,西門子MindSphere將成爲大衆工業雲的集成合作夥伴。其122家工廠的各種機械設備將整合到工業雲中進行,數據透明和數據分析將爲大衆汽車進一步提高生産效率奠定技術基礎。

  這個時代最令人深刻的印象是,大的科技都是在同時並發。5G、Wifi6.0、NB-IoT等這些通訊技術,與物聯網大平台、人工智能都交叉前進,呼應著一個數據大時代。

  萬物互聯背後,正是通訊的時代。

  在精益生産的體系中,水蜘蛛這個崗位的出現,意味深長。水蜘蛛是生産線上專門從事生産看板、物料的准備和傳遞的人員。這些人被昵稱爲“水蜘蛛”,形容其猶如飄在水上的蜘蛛,行動快速,日本人稱之爲Mizusumashi。日本人一方面把現場力做到極致,另一方面就是這麽擅長制造名詞,成爲日本制造背後的一種病毒式傳播的工業文化。水蜘蛛是一種完成態勢感知,從而彌補局部工位信息不足的一個重要崗位。

  在未來智能工廠中,諸如 AGV、移動機器人等各種生産物料將與人力、機器設備和系統協同工作,機器或機器人的位置會隨時變動。因此,精確提供其在工廠中的位置信息,對于自我引導的高效工作流程來說至關重要。

  在這種場景下,“數字水蜘蛛”出現了。一種實時定位系統RTLS,正在開始以位置+自通訊的視野,進入了數字化工廠。它具有水蜘蛛的感知特性,但更能與上層的管理軟件系統直接對話,而且可以指揮。

  一方面智能系統如移動機器人、自動導引車AGV會隨時報告自己的地點和時間信息;而相關對象 (如工件、工裝夾具、AGV 或機器人)都可以綁定電子標簽。標簽信號將由上位系統采集,並計算其位置,然後將信息反饋給自動化系統和制造單元。

  圖5:實現整個公司內的全景定位(來源:西門子)

  實時定位系統(RTLS),能引導物料、控制移動機器人、監測工件使用,並完整記錄追溯最終産品裝配的實時定位系統。從而實現高度靈活、自我組織的生産與物流解決方案,提高生産與物流傳統工作流程的動態性能。小批量生産,變得更加可行。而西門子厘米級的SIMATIC RTLS,則通過MES系統與業務點的精確數字化映射,從而涵蓋從物料入庫到進一步加工和最終裝配。

  一曲萬物大合唱的數據之歌,開始上演。而RFID、讀碼器,這種傳統的不能再傳統的標識工具,突然間有了靈魂。它們不再孤獨作戰,不再局部交換信息,而是組合建立了一個全廠級的兵團。這是水蜘蛛最有意義的事情了。

  在寶馬、奔馳的車間中,原來是通過單個的傳送帶將車體送到不同位置進行加工。而通過生産工藝改進和對于RTLS的應用,單軌運輸的固定輸送線有可能被解放出來。這意味著生産路線可以靈活地進行調適,工廠整個工藝生産布局可以快速調整,柔性化生産將變得更加容易,廠房空間也可以大幅度壓縮。這背後需要准確捕捉每個設備、每個工件物料的位置信息,並提供相應服務。

  工具開始變得更加有點像藍精靈一樣“調皮”了,可以自行動手動腳了。在汽車的加工工藝中,汽車安裝的時候有很多擰緊的動作,可以采集工具運動的動作和運動次數,以及分析在某個工位如何能裝配得更快。假如這個工位的零件需要轉三圈緊固,那麽工人不用去翻看操作手冊,甚至也不用有記憶,而只是拿著帶定位的工具。這個設備,會自動轉三圈;而到了下一個工序位置,則根據定位可能自動旋轉十五圈。在不同的位置點可以分配不同的任務。當生産線上的車型更換了,安裝順序、工藝流程不同了,都可以輕松調整,靈活應用。

  就這樣,借助于超寬帶UWB技術和2.4G無線通訊,實時定位系統只是把位置信息發給任務分配設備,任務分配設備再根據有線的或者無線的通訊方式把任務發送到操作工具,操作工具就自動完成工作了。

  智能工廠往往過分強調智能設備和軟件,但工廠對象的智能化,例如傳感器、物料等,同樣無比重要。任何數據的發出源,都能借助全新的通訊體系,通過光學、機械和聲學等手段,將工廠對象,轉換成智能對象。一輛輛汽車的平淡無奇,由于GPS導航而重新定義車與路的關系。路盲的標簽,徹底地從每個人身上撕掉。而RFID這些早已在工廠默默多年的標簽,突然變得“視野開闊”,從“標簽對象”成爲“智能對象”,這正是拜實時定位系統所賜。實時定位系統激發了現場所有可能信息的釋放,讓一個數字化企業變得更加觸手可及。

  這種數字化企業的無線定位平台,配置簡單,激活了傳統存量設施,也激活了一個“空中之城”:那些實時、精准和動態的數據,在繁忙的物理設備的上空,也在大張旗鼓地處理和分析之中。

小記

  萬物互聯引發了數據像雪崩一樣地四處翻滾,將是未來數字化工廠最爲壯觀的一個場景。如何指揮這些數據、連同各種信號和指令,統一成一個和諧的人機協同的智能工廠?如果仔細觀察西門子這樣的數字化急先鋒,你會發現它背後是對工業通訊的一個複雜多樣的全面布局。因爲工業通訊正是打開智能工廠大門的一把超級鑰匙。在5G時代,讓人們對智能工廠有了更多的想象空間,那些看不見的數據則紛紛掙脫了設備的束縛,從機器的暗處紛紛走向明亮的屏幕之上。而工業通訊,這一傳統的角色正以前所未有的包容,不動聲色地在背後指揮著一切數據的自由流動。

  (鳴謝上海工業自動化儀表研究院、PLCopen中國組織的彭瑜先生在本文撰寫中給予的支持與幫助!)

標簽:工業40 5G我要反饋
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