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科学瞎想系列之一〇三 工业4.0背景下的工业产品发展趋势

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所谓工业4.0(Industry4.0)最早是由德国提出的一个概念,2013年德国汉诺威工业博览会上德国正式推出工业4.0规划,其主要目的是为了提高德国工业的竞争力,在新一轮工业革命中占领先机。其核心是旨在提升制造业的智能化水平,利用信息化技术促进产业变革。这个概念提出后,各国纷纷效仿,提出了各自的工业提升规划,中国叫“中国制造2025”,美国叫“工业互联网”。。。虽然名称不同,但核心内容大同小异,都是利用信息技术提升各自国家工业制造的智能化水平,实现工业进程的再一次大变革。从目前国际上对这次工业革命的理解和具体内容看,“工业4.0”这个提法获得了国际上更广泛的认同,在涉及这次工业革命相关内容时,更愿意使用“工业4.0”这个概念,因为它的含义更加丰富和贴切。

之所以叫工业4.0,是延续前三次工业革命排序而来的,与前三次工业革命一样,每次工业革命都有其标志性的成果和时代象征,第一次工业革命带来了“蒸汽机时代”;第二次工业革命带来了“电气化时代”;第三次工业革命带来了“计算机和信息化时代”,那么这工业4.0又将会给人类带来哪些革命性成果呢?对此人们充分发挥想象,给出了各种解读。近年来,大数据、云计算、5G、物联网、人工智能、互联网+、区块链。。。各种新鲜词汇、新概念层出不穷,这些新的设想都赋予了工业4.0的内含,其核心就是运用上述信息新技术实现万物互联,使原为呆板被动的万物智慧起来,因此,可以称未来工业4.0的时代为“万物互联的智能时代”。

我们目前所处的时代,已经实现了人际互联,通过人手一部手机或电脑终端作为人际间的智能接口将人与人互联起来,人们可以通过一部手机实现一键下单,随手网购不必到实体店;随手点外卖不必亲自下馆子。我们可以称之为“消费品物联网”。工业4.0时代,要打造的是“工业物联网”,使整个世界智能起来,要实现这些除了需要一些新兴的高科技产业创新、研发,搭建起智慧的工业物联网络平台之外,传统产业及其产品也必须进行相应的技术研发升级,和人手一部手机一样给传统的工业产品装上智能的接口,使之能够与智慧的网络平台联接起来,这样才能使万物长出智慧的翅膀,整个世界才能智能起来。

传统的工业产品,大多是只需给它输入能量,它就能按照预先设计的功能为我们作功,而它的工作流程、运行方式、运行状态以及其健康状况等方面,都需要人为参与。一旦其健康状况出现问题,无法预判,直至发生故障停机,再由人到现场进行维修处理。也就是说,传统的工业产品通常只有能量接口,并无智能接口,所有的运行、控制、状态监测、评估、维护等方面均需人为参与。工业物联网就是将这些工业品通过各自的智能接口联接起来,实现运行、监测、控制、维护的无人化和智能化。

所谓“智能化”主要体现在三个方面:一是智能感知;二是智能决策;三是智能执行。以我们从事的电机产品为例,电机是有着一百多年历史的传统工业产品,一百多年的设计、生产和应用实践,其理论和技术已非常成熟。对于这样一种典型的传统工业产品,在工业4.0背景下,如何实现对电机的智能感知、智能决策和智能执行是摆在电机从业者面前的一个新课题。

首先,智能感知就是为电机装上各种高精度的智能传感器,以实时获取电机运行过程中的各种状态信息,并将这些状态信息通过无线或有线网络实时传送给上一级的智能决策装置。这里存在两个方面的技术问题需要解决,一是智能传感装置的深入理论研究和产品研发;二是通讯技术的研究和研发。在传感方面,我们通常是用电压、电流、温度、流量、流速、振动、扭矩、转速、位置等各种传感器来实现对电机运行过程中的电量和非电量参数的检测感知,这类传感器都已有成熟的技术和产品,似乎没有更多需要研究和开发的内容,其实不然,这些常规的传感器只能用来检测电机的运行状态信息,而不能提供或不能准确全面提供电机的健康状况、预期寿命等方面的信息,更难以实现对绝缘健康状况进行在线检测。对一个庞大复杂的工业传动系统,除了应实时了解系统的运行状态,及时了解掌握系统各设备的健康状况,故障隐患的预判显得更加重要,这就要求我们深入研究设备的故障机理、故障隐患的显著特征提取,开发出对故障隐患更加敏感的专门传感装置。以电机为例,电机的绝缘故障是常见故障,也是最致命的故障。反映电机的绝缘故障隐患最显著的特征往往是绝缘漏电流的大小、波形、相位等信息。传统的电流传感装置通常是检测电机的主回路电流,这个电流值往往很大,从数安培到数千安培,而漏电流的量级往往是毫安甚至是微安级的,要想从如此大量级主电流中识别出毫安、微安级的漏电流信息显然是不现实的,因此就需要研发一种对极小漏电流敏感而对大量级的主电流不敏感的专门传感装置。下图即为该传感装置的实例。

将电机每相绕组的首末端同时引出,并穿入同一个电流互感器,这样检测到的电流就仅为该相绕组的漏电流,而屏蔽掉了大量级的主电流。电机的每相绕组与机壳之间都可看作是一个电容,该电容两极板之间即为绕组的绝缘结构。通过该绝缘结构的漏电流可分为电容电流和绝缘电阻漏电流两部分,因此漏电流的波形和相位等信息就反映了绝缘结构内部的局部放电、绝缘电阻等健康状况。运用这些漏电流的信息,通过大数据、专家系统等分析手段即可实现对电机绝缘健康状况进行分析和评估、预判,给出故障隐患的预警信号。

再举一例,电机绕组的直流电阻往往能够反映电机的匝间故障和绕组实时温度等信息,而绕组的直流电阻通常是不能在线实时监测到的,通过下图所示的在线检测装置即可实现对绕组直流电阻的在线实时检测。

在绕组主回路中串联一个双向导通的可控电力电子器件,通过控制该器件的通断在电机正常运行时定时注入一个微小的直流电流信号,同时检测绕组电压的直流响应信号,就可在线得到绕组直流电阻的实时信息,通过上层分析软件分析这些信号即可得到绕组的匝间故障和绕组温度。用这种方法检测绕组温度进行温度保护要比用温度传感器检测要准确及时得多。

以上实例主要是想说明,作为电机这样一种典型的传统工业产品,要想适应工业4.0的大背景,需要与时俱进,积极拥抱工业4.0时代,进一步研发出智能的传感装置。除了智能感知,还要将感知到的信息传送出去,因此还需要在通讯技术方面进行深入的研究和开发。关于通讯这里不再赘述。由此可见在工业4.0的大背景下,传统的电机行业从业者,特别是技术人员肩上的担子很重,需要不断更新知识充实自己,才能不被时代淘汰。

说完智能感知再说说智能决策。智能决策就是将智能感知所获得的各种信息,通过海量的大数据、云计算、专家系统等进行分析、处理、判断、评估,形成各种操作指令和故障预警。这需要深入研究各种基础理论,搭建各种数学模型、研究各种算法并形成软件,关于智能决策包括两个层面的内容。一是系统级的智能决策平台,这是新兴高科技公司及科研单位的事情,不多赘述;二是设备级的智能决策系统,需将设备感知到的信息运用专业知识和专家系统、经验数据进行分析处理,形成设备级的操作指令和上传报告。这些同样需要传统行业进行创新和研发。

最后再说智能执行,电机就是工业系统中最常见的执行装置,智能执行同样包括两个层次,一是上层系统,通过系统智能决策,对下层的执行机构发出的各种科学的执行指令组合;二是各执行机构和设备接到执行指令后如何科学合理地用最佳的控制策略和控制算法,以最经济的资源配置,最小的代价完成上层下达的执行指令。这就涉及到电机的各种控制策略控制算法的研究及控制装置的产品研发。

从历次工艺革命的历史看,每次工业革命都会催生一些新兴产业的崛起,同样也会淘汰掉大批不适应新的工业体系的传统产业,只有传统产业及其产品的与时俱进,技术不断的创新转型升级,才能确保不被淘汰,即将到来的工业4.0时代,智能感知、智能决策、智能执行就是传统工业产品的未来发展方向,只有牢牢把握这个方向,不断创新升级自己的产品才能跟上时代的发展步伐。面对扑面而来的工业4.0匆匆的脚步,传统制造业您准备好了吗?

本文分享自微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e),作者:龙行天下 标准答案 李保来

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原始发表时间:2019-12-06

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