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专家洞见:未来技术助力智能制造

2022年12月9日
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后疫情时代,灵活、高效、韧性和可持续发展成为焦点,如今许多行业领导者认为智能制造时代将加速到来。事实上,工业互联网 (IIoT) 正纳入越来越多新技术和新标准,如开放平台通信统一体系架构 (OPC UA FX)、时间敏感网络 (TSN)、Wi-Fi 6/7 标准、5G 以及单对以太网 (SPE)/以太网-APL 技术。

对此,两位 IIoT 领域的资深专家就智能制造的未来发展和实现途径分享了前沿洞见。贝加莱工业自动化有限公司(ABB 集团下属公司)控制系统、机器视觉和网络产品管理副总裁 Stefan Schönegger 与 Moxa 工业网络基础设施部产品经理 Jack Lin 一起解答了许多行业在规划和实施工业联网解决方案、实现智能制造过程中面临的五大问题。

1.实现智能制造的关键技术为何如此重要,它们如何相互作用?

Stefan: 智能制造的基本技术原理是通过互联网形成设备网络,无缝监控整个生产过程。在此过程中,设备不断收集和分析包括实时数据在内的各种来源的数据,通过数字信息技术提高适应力,实现快速设计变更。此外,数据科学家可以借助数据模拟制造过程,探究如何提高某些环节的效率。因此,提取并分析所有数据至关重要,这是挖掘相关知识和洞见的基础。而无缝安全的互操作性是数据提取分析的必要前提,这正是 OPC UA 标准的作用。

另外,OPC UA

  • 支持云端和现场的各类应用,如 OPC UA FX (Field eXchange)
  • 配合 TSN,支持 IEC/IEEE 60802 配置文件,使不同的 IT 和 OT 协议能够共存于通用网络基础设施中

OPC 协会还与多个组织开展合作

  • 新 5G 和 Wi-Fi 6/7 技术
  • 高级物理层 (APL) 项目组,规定流程工业要求

得益于此,OPC UA 标准日益普及,广泛用于工厂自动化和流程工业的诸多应用中。

Jack: OPC UA FX、TSN、5G、Wi-Fi 6/7 和单对以太网/以太网-APL 使用相同的通信包交换技术和以太网基础,因此可以轻松衔接,并能协调诸多标准机构和社区(如 IEEE 802.1 TSN TG、IEEE 802.3 TG、IEEE 802.11 TGbe、IETF、5G-ACIA 以及 IEC/IEEE 60802 联合项目)的所有工业合作伙伴的努力。简言之,上述技术在各种工业应用中能够高效协作。

 

2. 是否只有新建项目可以使用智能制造新技术?扩建项目可否使用?

Stefan: 牢记客户已为当前所用技术投入大量资金,无法一夜间全部换新。因此,技术升级需平稳过渡。OPC UA FX 是 OPC UA 技术的扩展升级,允许不同的既定通信协议共存于同一网络基础设施,完成技术过渡。在这一技术支持下,统一通信解决方案将代替传统的现场总线和实时以太网协议,切实可行地将现有工业操作升级为智能工厂模式。

Jack: 在考虑采用这些新技术时,我们要兼顾新建项目和扩建项目。以 IEEE 802.1 TSN TG 为例,该技术组各项新功能要与 TSN 相关,以过去 40 余年积累的技术为基础。我们历来都是在已有技术沉淀基础上继续开发新功能,确保同时向后和向前兼容。

 

3. 技术如何助力机器学习和人工智能?

Stefan: 机器学习和人工智能 (AI) 都需要接受高质量数据训练,才能做出精准预测。我从两方面看待这个问题:

  1. 得益于芯片技术和新型单对以太网连接技术的进步,更小体积的智能传感器即将问世,能够借助 OPC UA 实现以太网通信连接。智能制造的实时通信可以通过依靠 TSN 技术经由铜线实现,或依靠 5G/Wi-Fi 6/7 技术通过新型无线信号实现。下一代传感器将成为数据信息的新来源。
  2. 这些新的数据源也将通过 OPC UA 全面的数据语义为机器学习和人工智能提供高质量数据输入。下一代传感器将使用绝对时间戳,提供完整的数值、单位和阈值信息,算法预测的准确性将得到质的提升。这是所有数据科学家梦寐以求的结果。

Jack: 有价值的数据往往需要从大量信息中提取。但由于物理限制,共享信息的空间和速度有限。这时就需要发挥 TSN 和 5G 等超可靠无线通信技术的作用。TSN 提供的带宽比现有工业以太网高出 10 到 100 倍,5G 网络容量是前几代蜂窝技术的 10 倍。这些网络技术具有确定性和超低有界延迟,能够确定性传输更精确且更高质量的数据,例如高分辨率的图像和视频流。此外,借助单对以太网和以太网-APL 技术,我们可以顺畅访问最边缘的设备和应用传感器的数据,由此得到整体数据视图。

 

4. 10 年后,智能制造将会发展成什么样子?

Stefan: 未来的工厂依旧离不开人力,但人力将需要加大与机器人和智能机器的合作,使制造过程更加安全高效,尽可能实现碳中和。因此,操作技术 (OT) 将借鉴和利用切实有效的信息技术 (IT) 方案,以改良形式将 IT 技术运用到机器运作和工厂生产中。

为此,OPC UA 支持跨平台、跨行业、跨国工业通信。未来设备将智能化,能远程升级网络安全防护工具,并具有扩展的功能和特性。各类设备要能使用同一组标准实现相互通信以及与云端通信。因此,未来 OPC UA、TSN、5G、Wi-Fi 6/7 和单对以太网(SPE)/以太网-APL 技术都将继续发挥关键作用。

Jack: 如果工业 3.0 的特点是相互独立、预编程的回路和过程,那么工业 4.0 的发展方向将是相互协作、快速反应的协调单一回路。人力、机器、数据和网络等所有资源都和谐互联,能在正确的时间和地点调动并使用正确资源,达到生产目标。

 

5. 实现智能制造面临哪些阻碍?

Stefan: 我们需要打破 IT 技术和 OT 技术之间的隔阂,继续融合 IT 和 OT。应当积极推动形成跨学科开放合作的氛围,帮助 IT 和 OT 技术人员交流传播行业知识,协同合作,实现碳中和。

Jack: 前面我们讨论了这些关键技术的许多优势。但是仍需考虑一些现实问题,例如业务计划和投资回报率。有时我们会看到,客户在满足当前市场需求和为未来发展投资之间很难取得平衡。事实上,为了满足当前市场需求,他们可能会延缓对未来发展的投资计划。我建议企业积极采取措施,识别可变因素,减少风险,努力克服不可预见的障碍,引领企业走向更好的未来。

 

结论
正如 Stefan 和 Jack 所言,智能制造的未来建立在可互操作的标准之上。各行业应大力采用包括 OPC UA、TSN、5G、W-Fi 6/7 和单对以太网 (SPE)/以太网-APL 在内的新技术。如想了解更多关于智能制造和 TSN 的内容,请访问我们的 TSN 微网站

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