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自动化的脱胎换骨术

日期: 2021-06-17
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自动化的脱胎换骨术


  


数字化,正在成为工业转型的关键要素。而在工厂现场,它则是通过硬件和软件的嵌合,不动声色地带来了全新的形态。这其中,原来就和平相处的电气、自动化和软件,经由物联网和数据分析的催化,形成了一种全新的力量,从而推动了绿色智能制造的大发展。


而用户的价值观,则一手推动了自动化的进化。



自动化与电气的融合



早期的自动化,电气占了很大的比重,尤其是检测、调节控制等部分。在当时机器人和PLC用量还很少,很多场景就是电气回路,靠电芯能力来控制。


而随着PLC的诞生,也就是莫迪康Modicon的PLC诞生而开始,自动化迎来了大发展。由于电气具有简单、抗干扰强的一些独到优点,仍然保持了强劲的生命力。可以说,中低压配电与自动化系统,一开始就有着先天性的结合点,二者有着强劲的连接通道。


随着自动化进程加速,信息化也接踵而至。DCS/PLC等自动化产品,让现场人工操作大幅度减少。在完成了现场的自动化改造之后,阀门由手动开启变成了自动开启,通过人工现场测量的手工抄表改成了智能上传,信息化也同步开启了它的旅程。众多信息管理系统,小到维修工单,大到资产管理,各种流程的信息,都进行了集中性的管理。既实现了从现场数据的自动采集,而工作流程也被有效地打通,自动化与信息化的结合,大大减少了人工操作,提高了运维效率。


从传统自动化与信息化的阶段,人们的决策受限于很多的数据孤岛。电气系统、自动化往往是分开的,信息化系统也自有一套架构。这些子系统之间,很少建立联系。而在当下,工业领域正在坚定地向数字化转型发展。从某种意义而言,可以看成是一个高级的自动化。原先的自动化,更多的是把人从体力劳动中解放出来;而现在,数字化把一些脑力劳动也解放出来,让机器来实现,从而大大增加了工业智能化。


由于计算、通讯的能力都得到加强,数据开始加速流动,不同来源的异构数据,终于找到了融合点。电气、自动化、各种软件系统,都需要综合到一个高级自动化的战略平台。而其核心价值的实现,正是靠工业软件的应用。然而这种融合,并不能单纯靠外部购买,来进行组合。苹果手机优良的性能,并不在于它的硬件本身,而是因为硬件和软件,都进行了一对一的优化。这就是“数字原生态”的力量,只有从底层就开始的融合,才能产生最大效果的优化。


与此同时,过程自动化与配电管理,也正在进行深度打通。它将电气设备、自动化和软件,也就是软件、硬件都囊括在里头。


电气与自控,既可以在做好安全的控制的时候,实现能耗的优化;也可以更好地与流程模拟软件如PRO/II的融合,实现工艺最大的优化。这二者都是流程行业最为看重的效率提升的主战场。这两个现场级的融合,使得子系统需要有更强劲的连接能力和自洽关系。


电气、自动化和软件三者在一起,就像是水、面和酵母。当酵母开始发力的时候,电气与自动化的融合,形成了更大的蓬勃之势,而软件正在重塑硬件的特性。这三者比例是一个动态调整过程,但三者并非替代关系,而是兼容向上发展的深层嵌入。可以说,软件的一个重要属性,就是提升硬件的价值。每一个自动化厂商,都无法忽视这一点。如施耐德电气在完成生产整合之后,目前已经拥有大概数百种软件。这些无处不在的软件,将传统部门割裂之间的缝隙,逐一填满。数据的自由流动,改变了自动化的形状,改变了硬件特征,也改变了用户的业务效率。



硬件更加智能,为物联而生



数字化的基础是数据。数字化拼的是对数据价值的挖掘,如果数据收集上来没有分析产生洞察,来影响生产决策,那数据就是死的。而数据来源最多的地方,还是来自于设备。电气设备现在也开始走向强大的通讯功能,一个开关设备,既可以连接网线,也有USB接口,现在还可能看到无线WIFI等。底层的硬件激活,后续的自动化和信息化,将有着更大的空间。


控制系统正在发生变化。硬件纷纷武装,实现鸟枪换炮。传统的工控机或者PLC这些硬件产品的数据,都要跟物联网结合。许多数据或者以边缘计算的方式,或者上云。这使得,工控机、PLC、变频器等,都需要提供上云的接口。很多自动化系统,包括电气设备,都在追求“一键组态”。组态方式只需要调用,而无需通过通讯软件来定义接口。这使得现场调试时间,大幅度缩减。


这背后,其实是专业知识的复用。许多新兴的知识专家系统,包含了诸多决策支撑软件,直接与硬件结合在一起,离不开现场部署的工控机和边缘网关。这种以知识复用为特点的“边缘自动顾问”的形态,是传统自动化硬件最需要跟上来的一种思维。


智能制造最大的一个落脚点,就是IT与OT融合。从数据流向来看,是从OT上升到IT,再返回下沉到OT。这种流动,过去自动化也一直在发生。从表面看上去,这只是服务器和云的差别。但在本质则大为不同,一个是时效性,一个是计算性。工控机不仅仅把数据采集过来,而且要学会分析,有的用于计算分析,有的用于简单呈现。因此工控机、PLC等控制器,不仅仅是承上启下要具备智慧的功能,把正确的信息,在正确的时间、正确的地点,用正确的方式传送到正确的工位(人),同时实现感知和反馈,形成有效的闭环。 


施耐德电气的Modicon M262 PLC体现了这种发展的方向和趋势。边缘控制这一层,它的边界或者它对上和对下的拓展的速度和宽度,很好地适用了IOT时代。M262 PLC对上可以通讯,直接上云;对互联互通的同级产品层,它又起到一个很好的逻辑控制与运动控制控制器的效果。


这些技术发展使得传统的对于PLC、工控机、包括一些安全模块等硬件的定位边界,随着数字化时代的到来,逐渐统一化,或者边界变得更加模糊。

而这些变化,也带动了产品设计的变化。考虑到硬件跟云的结合,以及物联网的连接通讯要求,自动化供应商在设计控制系统的时候,也开始直接与微软等云基础设施提供商 进行对话,在标准层面为硬件做特殊的一些应用开发。而在之前,都是通过第三方进行交涉。这意味着,OT与IT的融合,在底层上正在追求着最彻底的融合。


而各种自动化系统、电气设备,哪怕是开关,都需要留有数据接口和必要数据处理的功能。底层,已经敞开怀抱,迎接软件的融合。



从控制系统,转向数据流



在完成了信息的采集、存储,然后信息流的打通之后,必然有一个非常强烈的需求和数据的分析。例如,对设备运维而言,或者是基于严格机理模型的运营优化策略,或者是针对工艺生产的参数结合起来,通过先进过程分析等软件使得生产效率达到一个全装置的最优。还有一种,则是目前正在走热的基于大数据分析。这三种不同的方法,都能够使得设备在出现了明显故障之前,提前介入。这比过去的生产运营方式有了一个极大的提升。这其中,数据驱动,都起到了明显的杠杆作用。


在传统的自动化和信息化架构中,存在着很多中间层的夹板。例如运营、绩效和质量管理,可以看成是制造执行系统MES的三大最基本的功能。然而,如果最底层数据,无法到达这一层,那么运营本身的计量,就会大打折扣。


数据正在成为比控制系统本身更引人注目的焦点。以前谈论软件系统或者自动化,往往都是基于一个项目。而现在数字化转型,往往都是从一个工厂甚至一个集团的视角。过去PLC或者控制系统,往往是整个项目的核心,而现在走向了以数据流驱动的业务为核心。


换言之,从大的数字化项目来说,PLC已经不再是核心,更重要的是关注于整个厂区如何布控、机器如何运行、能耗如何管理。当这些本来各自锁在自己房间里的数据,自由闯过信息系统的墙壁,汇聚到大堂的时候,数据大合唱有了全新的旋律。


以最常见的水泥行业为例,其生产总成本的60%以上,都来自能源消耗。水泥是建材行业的能耗之王,该行业能耗约占全球的2%,而二氧化碳排放量也占到了全球的5%。现在,中国已经正式宣布,要实现“2035年碳达峰、2060年碳中和”的艰巨目标。这股刀片般锋利的倒逼寒意,水泥行业会最先感受。祁连山水泥厂已经率先行动起来。以前生产中经常面临着这样的困难:能源消耗和生产进度,二者就像是用两种电报密码同时发送过来,无法沟通。管理层就算是明明知道能源有浪费,却由于无法实时获悉设备的运行工况而无可奈何。而设备运行的优化,更是靠经验吃饭。以熟料烧成环节为例,窑操作员往往需要同时观察多达上百个工艺参数的动态情况。一旦有变化,就要在数秒内做出判断,并给出调节指令。这种靠着老师傅的心气和经验,来把控最优生产的方式,已经走到了死胡同。即使自动化控制系统再先进,也于事无补。


水泥厂的管理层已经意识到,只有将监测水电煤气的能源管理系统,与自动化设备的数据完全打通,让设备处于最优的运行状态,才能真正打开节能密码。最后按照这种思路的上马数字化系统,使得熟料标准煤耗下降1公斤,而工序电耗则下降0.7度/吨。而上线三年,从来没有发生过由于误操作而导致的失控状态。自动化与能耗的功效如双剑合璧,力出一孔。


客户关注的不再是过去能控制多少点数,而是从硬件上获取的数据,特别是生产一线的数据,所带来的价值。既然业务驱动的数据流成为核心,硬件也需要适应这种变化。无论是变频器、触摸屏的性能设计和安全认证,都要围绕着数据流的聚散而发展。


不仅仅是装备升级、线控系统升级,而是利用大数据资源,实现有力的辅助决策。水泥工厂将不再是一个完全依赖于人组织生产的工厂,而是一个复杂的人机组合的智能混合体。



软件粘合,成就混合控制系统



快速消费品如食品饮料CPG 以及医药等行业,往往呈现了一种混合型的生产形态。前端处理是流程工艺,涉及到DCS控制系统,多用于模拟量控制;而后边工序的包装和物流,则呈现离散特征,需要可编程控制PLC来完成逻辑控制、顺序控制等。这两种不同的控制器,本来就像是两个试管,一个注油,一个注水,各有分工,并不相同。一种实时性要求更高,常于单机控制;一种比较封闭,强调多设备协同,与机理模型配合多。


要想让混合型行业的工程和调试方面,更加有效率,就需要有一个平台,兼顾DCS和PLC的优势,这也正是对控制系统柔韧性的一个考验。同一套软件编程平台,正在起到这样的作用,就像U型连通器一样,DCS和PLC的功能,被连接在一起。施耐德电气发布的EcoStruxure过程控制专家,正是这样一个连通器式的控制系统,它吸收了PLC和DCS的特点,实现了各自的优势。无论是前端的流程特性,还是到后端的离散特性,都可以有一个全套的解决方案。


DCS和PLC这两种控制器的界限在逐渐模糊,由一套基础技术架构形成产品系列的时代正在到来。而配套的软件,也逐渐有了更多的共同点。



数字化交付



如果说前面三个角度都是显微镜的微观能力,那么对于经营者而言,更要有一种望远镜般的长焦能力,那就是实现工厂的数字化交付。这是从更长的工厂生命周期来看,企业的万千要素集合在一个框架之下,在过去这一般是有几十个孤立的系统相互嵌套而成。它也意味着需要将现场如此众多的硬件和软件,都由同一个架构来驾驭,这一度是一个乌托邦式的理念。


但作为一个数字化的结果,平台式的数字化交付的出现,却是水到渠成。平台就像一栋楼房的钢筋骨架,多姿多彩的空间布局,都可以在上面自由完成。自动化平台决定了所有附着在上的子系统,具有先天的自洽性。


而现在,借助于软件的连接,和对于数据自由流动的需求,企业用户需要将各种维度的信息系统,进行连通式的管理。平台化,将具有一个最重要的选择。


一个工厂的诞生从设计端的三维工厂开始设计,然后通过建造方,最后才转交到业主进行运维服务。这其中,涉及到不同的组织,在不同的时间和空间进行切换,中间必然有大量的设备信息、备件信息、施工信息等的流失。过去一个中等规模的石化工厂交付的时候,可能是好几卡车的资料。图纸数据量是非常大的;而且这些图纸资料存档的数据,在交付之后,很难维护。由于装置不断在变,经过一两年之后,不管是IT系统,还是图纸资料,装置数据的准确率会衰减得厉害,大概只有50%的准确率。没有望远镜,还真找不到这些草蛇灰线。而数字化交付,则试图一统信息流,让不同节点下的数据,都能重新组合。工厂建造软件在交付工厂模型的时候,同步留下一个数字孪生空间,与其它许多供应商提供的数字孪生设备,有机地在数字世界,形成逻辑自洽。当运行过程中,图纸文档等静态数据,与控制系统的实时动态数据,可以有效地动静结合,从而为业主提供最大的价值的数字工厂。


这是一场雄心勃勃的尝试。而这些,都需要一种平台化的支撑。


用户并没有浪费更多的时间,他们想用一个平台,来统一斑驳多样的设备和系统草蛇灰线,成为了建造数字工厂的最大推动力。用户也开始迁移,而既有品牌的粘性,业已形成的价值观认同,也加快了集成的速度。如传统的制药行业,由于以前使用Intouch的SCADA软件,已经融合到生产系统中去。而现在,随着这些软件升级为系统平台(AVEVA),同时带动底层控制系统如Modicon PLC的同步跟随,就可以无缝切入到基于软件系统的EcoStruxure过程控制专家。可以说,“软件先行,硬件同步,平台打底”的整体解决方案,更容易正中用户心怀。


随着对于数字化转型价值的预期,用户要求的方案,往往都是电气设备,自动化系统、设备、软件的联合方案。只有通过咨询顾问式的能力,提供整体方案,才会让用户的数字化工厂的预期,有了更清晰的判断。这是一种集成的优势,也是传统自动化厂商正在优化的脚步。



小记


开创了世界戏剧三大表演体系的德国戏剧家布莱西特(Brecht)曾经说过,提倡进步的人们,对于已经存在事物的看法往往过于肤浅 。换句话说,新生事物来临的时候,我们往往给予神奇的天外飞山的力量。然而在那些传统的基本盘,也有着巨大的成长生命力。事物都在自我进化。脱胎换骨,自动化本身正在快速奔跑,依然是数字化工厂大浪中的关键中坚力量。


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