智能制造时代自动化的使命:跨界技术让定制成为标准;解读机电一体化系统工程应用技术新进展

12月7日在弗戈“中国制造业2025企业家国际论坛”上,贝加莱工业自动化大中华区总裁肖维荣博士发表了“智能制造时代自动化的使命”演讲,其中包括了从产业角度对制造业发展的深刻洞见,以及对自动化在新时代的使命认知,本文将其演讲文档中予以截取,并配合演讲予以分享。

改革开放40年的发展过程

中国的改革开放40年发展,很多产业从无到有,经历了非常艰难的发展过程,中国取得的成绩是有目共睹的,这是我们一代又一代的产业人共同推进的,同时也与我们的高效政府决策与大量产业政策支持紧密相关,再次,我们有巨大的市场,让我们有机会试错,迭代而能带来高速发展,产业门类齐全也使得科技可以在不同产业间的共享,这些给了我们均摊产业成本的机会,电商、支付等的高速发展使得IT基础设施大量投资,进而为我们提供了便利的网络条件,而这又进一步摊薄成本,使得我们在众多领域未来更快的发展。

图1-制造业发展的进步与不足

然而,我们也必须看到我们所面临的挑战,存在一些问题,我们不必妄自菲薄,但要有清晰认识,我们在自主创新方面仍然有待提高,依赖于传统低劳动成本、模仿省略研发成本缺失去创新能力、牺牲环保的发展路径也是不可持续的。国家也越发重视社保的投入与监管,不断加强知识产权的保护,以及在环保方面的力度,这些都使得我们原来那些依赖低价优势的企业必须要去转型。人才是一个基础话题,今天我们要发展人工智能、智能制造、工业互联网都需要大量的高品质人才,包括现场的高技能职业工人。

变革拐点的市场需求

对于制造业而言,必须围绕客户需求,包括对品质、成本、个性化多方面的需求,今天,我们讨论智能制造都是因为“个性化”生产下如何实现高成本效率变得更为迫切与显著。

图2—需求的变化与产业链内的传递

需求是一个传递过程,从终端消费者到生产企业、再到机械制造商,再传递到自动化行业,而消费者的这种个性化需求,对于生产而言是很大的挑战,而这需要产业链上的企业共同来面对,更为灵活的产线,需要支持工艺灵活切换的设备,而同时这些依赖于自动化、信息化、智能化技术的支撑。

自动化的使命就是通过跨界技术的融合,使得定制化生产,与标准化生产接近的成本。

推进全生命周期的数字化

在具体的执行方面,肖维荣博士就数字化创新设计、工业应用技术软件化、实现数字互联、智能时代人才培养等阐述了自动化在智能时代的使命。

图3-全生命周期数字化

数字化是推进智能制造的基础,数字化涵盖了产品与系统的设计、开发、测试验证、运行与维护的整个生命周期(如图3),数字化与创新紧密相关,所谓的创新,就是在整个生命周期的每个环节,我们都要寻求技术的升级,提高效率,包括产线设计与规划、重构的效率,更为快速的开发应对变化的机器、面对变化的生产,如何实现高效的验证进入小批量生产,运行中如何降低能耗、单位产品成本,通过维护方法创新,借助于新技术来计划性的、可预测性的降低生产宕机、提升连续性。

创新的机器开发—基于模型的开发

数字化设计在于借助于建模来对物理的机器、产线进行仿真,因为在传统物理的机器与产线上进行调试耗费大量的材料,并且问题并不容易被发现以及进行快速的调整,而借助于数字化的建模仿真平台,可以对机械、控制进行仿真,可以在虚拟环境中改变变量来寻找最优的控制模型与参数。

图4-基于模型的设计

如图4,仿真建模的优势非常多,它包括以下几个方面:

虚拟调试:可以在不需要真实的机器状态下进行控制参数的最优化,可以实现测试验证环节的大量成本节省,在很多机器的开发过程中,这个验证环节是最耗费成本的,而通过数字化建模仿真可以带来成本节省,还可以缩短研发周期。

自动代码生成:通过MATLAB/Simulink、MapSim等软件的接口,可以将其仿真的模型自动生成C、ST代码直接下载到控制器,实现硬件在环测试,这样就可以节省大量编程工作。

图5-采用建模仿真开发岸桥防摇系统

肖维荣博士以港口集装箱吊装过程的建模仿真为例,通过对其物理系统和控制系统进行建模,可以仿真整个集装箱吊装过程,实现对集装箱的摇摆和扭转的抑制,可以快速定位,使得港口的集装箱吊装过程实现无人化,并缩短其过程,进而提高港口的吞吐能力,降低人工消耗。

模块化机器开发响应生产的变化能力

为了更为快速的构建系统,原有的开发模式已经不能响应快速的市场变化,对于机械制造业、工厂自动化而言,软件将扮演越发重要的角色,通过软件的复用与组件技术,我们可以将行业工艺知识封装为一个个的APP,这些APP将提高机器与产线的开发效率,未来我们更多的工作将在“规划”、“配置”而不是传统的大量的编程调试。

图6-模块化软件设计举例:mappMOTION

贝加莱的mapp即是引领这一潮流的典型技术,它不仅提高开发效率,对于那些拥有自主知识产权的企业而言,软件也是一种知识产权保护的容器。

如图6的mappMOTION是mapp技术中对于运动控制的规划,基本的机电对象如轴、轴组,以及专业的模块如CNC、机器人,第三个部分就是客户相关机器的操作运行如OEE、能耗、趋势、报警等。这些复用模块可以快速配置机器,应对变化。

图7-印刷机控制的模块化软件设计

以卷筒纸印刷机为例,其色标检测、套色控制、相位调整均可通过标准化的软件封装来实现机器的快速配置,针对不同的印刷材料的张力变化、色标类型、速度、加减速时间、的变化,智能的套色模块可以智能的计算控制工艺曲线来实现高精度、高速的套色控制。

数字化协同的基础—基于OPC UA TSN的互联

图8-OPC UA TSN构成了数字化连接的基础标准与规范

OPC UA TSN技术是未来实现制造协同的关键,OPC UA主要来协同机器与机器、机器与管理系统乃至管理系统之间的数据交互,通过全局的语义互操作来实现数据在横向、纵向与端到端的集成,这样数字化的连接后,进一步要实现的智能化才有了基础(如图8)。

TSN则解决在异构网络中的数据传输问题,对于现有的工业现场大量的现场总线使得数据的连接出现障碍,周期性与周期性数据无法衔接,而TSN则通过全新的机制来协同这些数据。

OPC UA TSN是整个工业物联网(IIoT)实现的基础,它也使得制造得以协同,机器、机器人、MES/ERP等可以实现数据的透明以及全局的优化,贝加莱是OPC UA TSN的积极推动者,在2017年SPS即发布TSN演示系统并即将投入批量化应用。

图9-数字化连接到智能应用

如图9,通过集成OPC UA TSN技术的控制器,贝加莱实现控制、数据连接、汇集,以及数据的呈现、机器学习以及长周期大数据的分析,构建整个智能制造的数字化框架。

极致柔性制造提升成本效率

在跨界技术中寻找可以融入到自动化方案中的技术,自动化正在往软件、通信方向延伸,而另一个方向则是机械,具体在于机电的融合方向,因为“软件定义智能”,但机械却有瓶颈,这是贝加莱之所以开发SuperTrak/ACOPOStrak的原因,通过柔性电驱输送系统,控制工艺的柔性可以被“柔性”的执行,不仅如此,新的输送系统还可以大幅简化机械系统的设计,提高产线的复用性,这些都为制造业的协同效率提升带来帮助。

图10-ACOPOStrak实现柔性制造

图10的ACOPOStrak是全新机电设计变革的动力,它可以让产线变得更为柔性,满足个性化定制的需求,提升生产效率。

人才培养是长期战略

人才是实现智能制造推进的战略性保障力量,我们需要的不仅是研究型人才,我们也需要数字化时代发展所需的设计、工程应用、具体操作的人员,这些需要我们产业与学界的紧密合作,需要将产业对人才的需求、最新的前沿技术传递到学界,并使得学界可以紧密结合产业发展需求进行人才的培养。

贝加莱的EC是一个完全按照“复合型人才”培养思想而建立的,他以严格的工程师思维训练工程师,在机电工程、软件工程、工业通信、项目管理多个方向进行综合性的技能训练(如图11),并将其融合为解决一个个实际的机器全局开发项目的能力。通过EC的训练,我们可以将工程师快速成为提供高回报的人力资源,也是贝加莱的竞争力。

图11-智能时代的工程师能力训练

肖维荣博士总结道“人才培养是一个企业发展持续竞争力的来源,建立产学合作也是为社会培养人才的渠道,自动化专业作为一个应用学科,这种结合是非常必要且回报丰厚的”。

自动化借助跨界技术融合解决客户问题

肖维荣博士对自动化行业的使命概括为“借助于跨界技术融合来解决客户的生产中的问题,在智能制造时代,我们要解决个性化生产的

高成本效率”,横向技术,来自于IT技术领域的技术如建模仿真软件、传感器技术、通信技术、AI、云计算等都可以为自动化所用,我们无需自行开发,而是建立接口,这样可以实现“经济性”的解决产业实际问题,让定制化生产也能达到标准化的成本优势”。

解读机电一体化系统工程应用技术新进展

导读:本文为EPLAN战略市场总监张俊在2018中国制造业产品创新数字化国际峰会上的发言。

作者: EPLAN 张俊 | 来源:EPLAN

2018年11月28-29日,由e-works数字化企业网举办的2018(第十四届)中国制造业产品创新数字化国际峰会在江苏无锡富力喜来登酒店召开,作为本次会议重要的服务商,EPLAN应邀参加本次会议,并由EPLAN战略市场总监张俊在主会场做了题为《机电一体化系统工程应用技术新进展》的主旨演讲,从机电一体化系统工程技术解读、工程应用技术实践方法论以及工程应用技术新进展三个方面深入阐述了当前机电一体化系统工程技术、应用及前沿进展。

张俊的演讲核心内容为:真正的机电一体化系统工程实现需要在功能上解决快速响应客户需求、机械、电气、软件/控制跨学科交叉、跨信息化平台集成、全生命周期协同、建立硬件与软件的边界互联等问题,在实施部署上要以构建企业数字化生态为蓝图,这才是能够在实施短期内改进企业研发生产效率,在长期能支撑企业智能制造战略的卓有远见的企业信息化系统建设方案。

张俊的演讲内容解读如下。

智能&数字化制造背景下的“机电一体化”

“机电一体化”这个词最初是由安川电机公司的工程师Tetsuro Mori创建并在1971年由日本公司注册为商标,本质是一个多学科的工程领域。随着当前工业产品的智能化发展,现在我们探讨的机电一体化融入了计算机技术、信息技术、机械技术、电子技术、控制技术和光学技术等多学科相融合构成的一门独立交叉学科。

张俊提到智能&数字化制造背景下的“机电一体化“在跨学科交叉基础上关注到产品的全生命周期,其所面向的领域从我们传统理解的生产制造域,扩展到了供应链生态域,甚至用于需求与服务域。其所要贯穿的制造企业业务包含核心研发、核心制造、核心服务。关联词围绕信息化建设的智慧与互联。

因此我们再来解读机电一体化系统工程应用技术的时候必定从智能&数字化制造的背景出发,除了基础学科外,行之有效的机电一体化系统工程构建又增加了用户需求、服务等这些新的关键词。

从企业数字化底层基础理解机电一体化系统工程的工作核心和产出内容

张俊从机电一体化系统工程的底层信息化基础开始解读企业实践机电一体化的策略。任何企业的最终智能制造或数字化建设目标的实现一定是基于企业信息物理系统总线(CPS)的构建,于是我们可以清晰地看到,这一构建目标正好与机电一体化的构建目标完全契合。

随着产品的智能化发展,以及信息化集成度越来越高,越来越多的产品设计与研发过程涉及到的机械、电子、软件、液体等跨学科的交叉功能融合,给传统的设计与制造过程带来越来越大的挑战。在机电一体化设计过程中,除了需要产品的外在几何信息、原理和连接信息,还需要更为复杂的隐藏在产品内部的信息,比如产品结构的内外部关联信息、工艺信息、设计BOM、软件与控制、制造与加工等信息来支撑企业智能数字化系统的构建。也就是通过构建结构化数据模型,打通软硬件边界,实现数据的交互、协同以及跨学科的集成,这是机电一体化系统工程的构建目标及行业需求所在。

MBSE“双V”流程模型指导研发体系构建

张俊认为,企业只有建立高效的研发体系,才能适应机电一体化产品多样化的市场需求,快速形成企业的创新竞争力。

关于制造业企业如何通过构建去伪存真的机电一体化系统工程研发体系来推动产品研发创新和企业数字化转型,张俊提出了自己的方法论。其理论基础源于是基于模型的系统工程(MBSE)。机电一体化系统越来越复杂,不同学科、不同领域之间相互交叉、相互融合,任务系统的设计与集成、验证与确认也面临着沟通、效率、周期、成本等诸多挑战。

基于模型的系统工程以建立系统的不同视角模型为中心,结合“双V”流程模型,驱动仿真、产品设计、实现、测试、综合、验证和确认环节,从而能够更容易构建满足用户要求的机电一体化产品。

基于MBSE的机电一体化系统工程研发体系系构建从概念设计阶段开始,贯穿整个开发过程及后续的生命周期阶段。目的是打通系统不同组件、不同学科之间的联系,提高设计的准确性,构建能重用的知识系统,实现系统设计的集成。不难看出,机电一体化的本质就是多学科系统工程。

基于MBSE的EPLAN机电一体化系统工程解决方案

对于如何建立起基于MBSE的机电一体化工程设计?张俊认为,首先一点是必须构建统一的主数据系统,而这正是EPLAN的优势所在。在EPLAN工程设计元器件库中已经包含了超过100万种电子元器件数据,几乎包含了全球所有主流的电子元器件厂商的工程元器件模型数据,即除了图纸之外,还包含有生产、安装、制造等信息,用户在设计过程中可随意调用,极大的加速机电一体化的设计效率。

其次,在企业完成基于模型的工程定义过程中,EPLAN提供一系列的设计工具和方法帮助企业高效完成。比如预规则、机械设计、PLC程序开发、流体与电气设计、工艺设计与热分析设计、生产制造以及运行调试和维护等。EPLAN的解决方案可以完整的涵盖从概念设计、基础设计、机械、控制、制造、安装以及交付的整个机电一体化设计过程,实现跨学科的机电一体化基础设计和系统工程设计。

最后,张俊结合汽车涂装产线的应用案例,深入解读了EPLAN机电一体化系统工程的技术应用优势,包括实现跨多学科基础设计和系统工程设计、跨软件和平台集成、连通软件和硬件边界等。对于未来机电一体化工程设计的趋势,张俊认为应该重点从服务驱动、数据驱动、AI及机器学习、跨平台和生态系统5个方向进行突破。

张俊本次在会议上的演讲也得到了现场专家的高度关注,而在EPLAN的会场展区也迎来了大量的企业专家交流,就自身在机电一体化设计过程中碰到的问题与EPLAN专家进行深入交换意见。EPLAN作为全球机电一体化领域的领导者,未来将秉承不断开拓创新的原则,积极拥抱最新的技术和发展方向,继续优化和丰富现有的机电一体化平台功能,为客户提供效率更高、技术更先进、功能更完备的产品与解决方案。

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