對于許多制造商來說,諸如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)、信息物理系統(tǒng)（CPS）、云機器人、霧計算和大數(shù)據(jù)等概念已經(jīng)開始與其智能工廠的愿景緊密相連。智能工廠是將信息技術(shù)（IT）的數(shù)字世界與運營技術(shù)（OT）的物理世界連接起來,也就是實現(xiàn)IT與OT的融合。

云連接的焊接機器人，該汽車裝配線幫助實現(xiàn)工業(yè)4.0的愿景,通過監(jiān)測潛在停機問題,并促進預(yù)測維修。圖片來源:美國機器人工業(yè)協(xié)會(RIA)/發(fā)那科

對于未來工廠來說，工業(yè)4.0不再是一個遙遠的愿景，它就在這里，就在當下。如今，機器人網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)連接到云端，可以提供大量高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。制造商正在使用這些信息渠道來簡化資產(chǎn)管理和維護,最大限度地提高設(shè)備和流程效率,并改善產(chǎn)品質(zhì)量。

預(yù)測維護與減少停機

通用汽車公司正在將物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的基礎(chǔ)設(shè)施布局到生產(chǎn)制造中。其機器人供應(yīng)商和戰(zhàn)略合作伙伴發(fā)那科美國公司，正在幫助通用汽車為實現(xiàn)智能制造打下堅實的基礎(chǔ)。通用汽車、發(fā)那科公司和思科共同開發(fā)了“零停機功能(ZDT)”解決方案,該方案使用基于云計算的軟件平臺，來分析通用工廠機器人收集的數(shù)據(jù),以便發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致生產(chǎn)停機的潛在問題。

云連接軟件平臺收集和分析從數(shù)以千計的機器人上獲得的大量數(shù)據(jù),以預(yù)防停機、預(yù)測維護、并優(yōu)化流程效率。圖片來源:機器人工業(yè)協(xié)會(RIA)/發(fā)那科

在汽車制造業(yè)中,每60或90秒鐘就有一輛整車從裝配線上下線,每停機一分鐘，就會為制造企業(yè)帶來2萬美元的損失。一次停機事件，可能就會造成數(shù)以百萬美元的損失。當生產(chǎn)線突然停止時,可能會影響整個供應(yīng)鏈,從而進一步加重損失。這些延誤也會進一步向下延伸到客戶、汽車經(jīng)銷商、車隊用戶以及購買汽車的消費者。

“我們已經(jīng)主動采取了一段時間的措施，試圖更好地預(yù)測和維護我們的制造設(shè)備的健康狀況。”通用汽車底特律公司自動化技術(shù)和機器人的首席工程師MartyLinn說道?！拔覀兒桶l(fā)那科一起合作，討論在生產(chǎn)過程中，我們可以采取哪些措施來避免事故發(fā)生。這不是工業(yè)4.0的偉大愿景，是關(guān)于在預(yù)測性維護方面，我們可以做哪些工作，來切實消除工廠不可預(yù)見的停機時間。”

2014年，通用汽車啟動了一個ZDT試點項目。通用汽車和發(fā)那科之間建立了戰(zhàn)略伙伴關(guān)系，這是走向成功的關(guān)鍵因素。這兩家公司合作的歷史，可以追溯到20世紀80年代初期,當時通用汽車與日本的機器人制造商合作成立合資企業(yè),組建了通用發(fā)那科機器人公司,在美國開發(fā)和銷售機器人。該公司后來獨立出來,但雙方的合作關(guān)系仍然存在。

“正如我們所說的，我們在整合機器人。由于我們正在不斷引入新的產(chǎn)品和新的項目，因此每天都有來自集成商的機器人和系統(tǒng)運抵工廠?！盠inn說。

實現(xiàn)預(yù)期的投資回報

ZDT對企業(yè)車間帶來的影響是持續(xù)的。Linn說,自該項目成立以來,通用汽車已經(jīng)成功的避免了超過100起重大的非計劃停機。

根據(jù)發(fā)生故障類型的不同，可以避免6到8小時的意外停機時間。對于任何設(shè)施來說,都是一件大事,尤其是在大型卡車和SUV工廠里,每個停機事件都很重要。

為工業(yè)4.0準備就緒的軟件平臺，將機器人連接到云端,并提供觸手可得的性能數(shù)據(jù)。圖片來源:庫卡

隨著數(shù)以千計的機器人連接到云端，并與之建立通信,不久以后，通用汽車就獲得了預(yù)期的投資回報。

“這是對大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、新算法、計算機功能等技術(shù)的運用，所有這些新興技術(shù)在過去幾年中都獲得了長足的發(fā)展,并以最有效的方式得以應(yīng)用?！盠inn說。這使得制造企業(yè)可以實現(xiàn)預(yù)測性維護，并有效的減少停機事故，甚至放棄原有的維護計劃，直到需要的時候再采取措施。

按需維護計劃

在初始階段，通用汽車進展緩慢,在最初的兩年內(nèi)，總計只連接了上千臺機器人。然而到2017年,就有超過8500臺發(fā)那科機器人被連接在一起。“在開始部署時，我們進展緩慢,”Linn說。“發(fā)現(xiàn)問題后,我們就會介入并更換零件。然后研究這些部件。非常確定的是,我們已經(jīng)能夠驗證和確認這些部件是否會失效。對那些可能會造成停機事件的問題部件及時處理。正基于此,當我們能夠減少不定期的維護事件時,這讓每個員工都很興奮?！?/p>

通用汽車公司開始使用ZDT來制定按需維護計劃,而不是依賴日常維護計劃。“例如,機器人的設(shè)計是運行1000小時后，進行例行維護。以前我們根據(jù)計劃在該時點對機器人進行維護?！盠inn說道，“但它實際上可以持續(xù)工作1250小時,直到需要時才對其進行維護。因此,現(xiàn)在我們正在努力擺脫固定的維護計劃,而是按需計劃。這就是你所能找到的、帶來巨大成本節(jié)約的方式中最主要的途徑。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)軟件可以隨時隨地在任何設(shè)備上提供機器人的資產(chǎn)信息、狀態(tài)監(jiān)視和維護警報。圖片來源:庫卡

機器學(xué)習

ZDT不僅適用于機器人，也適用于加工設(shè)備，以及由機器人直接控制的過程，如焊接、噴涂和一些分配應(yīng)用。“通過查看空氣壓力下沉壓力、分配涂料執(zhí)行機構(gòu)的速度，查看大量的涂料工藝和參數(shù)，我們能夠監(jiān)測設(shè)備的健康狀態(tài)，進而了解工作質(zhì)量?！盠inn說道。

在汽車噴漆車間,成品質(zhì)量至關(guān)重要。所有的發(fā)那科油漆機器人都具有ZDT功能，這意味著它們可以監(jiān)控各種功能,包括油漆罐、噴霧噴頭、調(diào)節(jié)器和驅(qū)動器的健康狀態(tài)。

如果統(tǒng)計一下與汽車噴漆有關(guān)的運動部件總數(shù)，就會發(fā)現(xiàn)每個機器人有200多個運動部件。有相當數(shù)量的這些運動部件與控制槍、調(diào)節(jié)器和壓力等特定過程裝置有關(guān)。如果這些設(shè)備中的任何一個過早出現(xiàn)故障，就可能會出現(xiàn)質(zhì)量問題或?qū)е律a(chǎn)停機。

目前,通用汽車更多的將ZDT作為一種預(yù)測性維護工具,而不是進程內(nèi)的自適應(yīng)工具。但是隨著技術(shù)的發(fā)展,收集和分析的數(shù)據(jù)也越來越多,而且算法也變得更復(fù)雜,用戶可以發(fā)現(xiàn)利用機器學(xué)習，它如何成為自適應(yīng)工具,用于實時過程改進。

“我們希望擴大這一戰(zhàn)略,使設(shè)備智能化,能夠自我診斷,在性能發(fā)生變化時可以通知我們，以便能按需做出調(diào)整或維修?！盠inn說道。

量體裁衣

發(fā)那科的分析解決方案，是監(jiān)測客戶分布在世界各地的設(shè)施內(nèi)1萬多個與云連接的機器人,并且這一數(shù)字每天都在不斷增長。雖然一開始只是在汽車行業(yè)內(nèi)使用,但據(jù)悉發(fā)那科公司已在2017底陸續(xù)為非汽車客戶發(fā)布軟件和硬件提供支持。

對小型制造商來講，安裝軟件和硬件設(shè)置需要即插即用，因為他們并沒有專門的IT部門的支持。例如，如果應(yīng)用于擁有3個機器人的一般小型工業(yè)制造商，則需要對其進行“裁剪”。

發(fā)那科和思科公司計劃使用這種專門為ZDT開發(fā)的數(shù)據(jù)通信高速公路，來連接機器人之外的其它設(shè)備。作為FANUCIntelligentEdgeLinkandDrive（FIELD）系統(tǒng)的一部分，ZDT提供了一個開放的軟件平臺,允許對數(shù)控機床、機器人、外圍設(shè)備和自動化系統(tǒng)中使用的傳感器進行高級分析和深度學(xué)習。現(xiàn)場基于邊緣計算技術(shù),在網(wǎng)絡(luò)邊緣的生產(chǎn)制造點中處理大量數(shù)據(jù),從而最大限度地減少共享數(shù)據(jù)的數(shù)量和成本。

利用ZDT云解決方案,數(shù)據(jù)從生產(chǎn)車間各處的設(shè)備流向云端,在這里可能會有一定的延遲或遲滯。使用現(xiàn)場平臺接收生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)的好處是,可以實時響應(yīng)事件,這就是現(xiàn)場所要做的。它是一個開放的軟件平臺,可以安裝到計算機硬件上,然后允許客戶訪問從機器人、可編程邏輯控制器(PLC)、或機床設(shè)備上獲得的數(shù)據(jù),并實時進行分析。它甚至可以根據(jù)行為改變生產(chǎn)。這就是實時機器學(xué)習所能提供的良好價值。

對于自動化行業(yè)來說，工業(yè)4.0不再是一個遙不可及的夢想。越來越多的機器人制造商推出自己的物聯(lián)網(wǎng)解決方案,以擁抱工業(yè)4.0所要求的連接水平。

觸手可及的機器人數(shù)據(jù)

KukaConnect是一個基于云計算的軟件平臺,它允許客戶隨時隨地在任何設(shè)備上訪問和分析庫卡機器人的數(shù)據(jù)。該解決方案提供3個主要的功能:資產(chǎn)信息管理、狀態(tài)監(jiān)視和維護警報。

"如果你是一家規(guī)模比較大的OEM廠商,在同一個設(shè)施內(nèi)，可能會有數(shù)以千計的機器人在運作。"庫卡美國公司的產(chǎn)品市場營銷總監(jiān)AndyChang說道。“今天,他們資產(chǎn)信息管理的方式是手動維護的微軟Excel電子表格。電子表格上的信息可能準確，也可能不準確,因此他們實際上可能也不知道他們擁有哪種類型的機器人?！?/p>

如果沒有正確的資產(chǎn)信息，在整個生命周期內(nèi)，就會影響對機器人的維護。“您可以輕松地查找工廠周圍數(shù)以千計的機器人,并逐個瀏覽它們,查看它們的調(diào)試時間、檢查序列號,以及當前安裝的軟件,而無需親自走到機器邊上?！盋hang說。

對于狀態(tài)監(jiān)視,KukaConnect旨在提供特定的機器人關(guān)鍵性能指標(KPI),以幫助技術(shù)人員和維護人員測量機器人的性能。

"我們提供機器人所有軸的溫度圖,"Chang說。所以,如果生產(chǎn)人員或維修人員，觀察到某一軸的溫度趨勢圖在上周已經(jīng)開始上升,那可能意味著出現(xiàn)了下面的問題。例如：出于任何原因?qū)е碌淖兯傧溥^熱；也許負載必須改變；或者是，機器人拾起的目標可能不是機器設(shè)計的范圍等。

KukaConnect適用于臺式機以及移動設(shè)備、智能手機、平板電腦或任何支持web瀏覽器的設(shè)備。直觀的儀表板可幫助用戶根據(jù)特定的標準對數(shù)據(jù)進行可視化。無論您是要優(yōu)化維護計劃還是管理備件庫存,所有數(shù)據(jù)都在您的手邊,因此您可以預(yù)測潛在的停機時間,并在停機之前采取步驟修復(fù)問題。

“現(xiàn)在，庫卡連接通過兩種方式提供信息,”Chang說，“一種是非常直接的方式。當出現(xiàn)控制器錯誤消息時,我們會向用戶提供錯誤代碼和錯誤描述的實時通知，因此非常動態(tài)。第二種方式相對間接。我們將數(shù)據(jù)提交給最終用戶,然后他們需要對這些數(shù)據(jù)進行插值，以便獲得對他們的機器人、生產(chǎn)線,以及工廠有意義的數(shù)據(jù)。”

該軟件平臺不僅可以與機器人接口,還能夠監(jiān)控由機器人控制器控制的自動化設(shè)備，如焊接槍或膠合槍，如果機器人在軌道上，甚至可能還有一個額外的軸。

“任何由機器人控制或輔助的信息，都是平臺的一部分,"Chang說?！斑@是我們目前正在進行的工作,該功能可以實現(xiàn)可視化機器人數(shù)據(jù)與特定過程數(shù)據(jù)的功能,所以最終用戶不僅可以了解機器的機械健康狀況,而且還可以了解過程本身的關(guān)鍵性能指標?！?/p>

助力工業(yè)4.0人才開發(fā)

要真正實現(xiàn)工業(yè)4.0和智能工廠的愿景,我們需要跨越多個地理區(qū)域和行業(yè)的龐大人才庫來彌合日益增長的技術(shù)差距。作為世界領(lǐng)先的工業(yè)教育技術(shù)培訓(xùn)機構(gòu)，F(xiàn)estoDidactic正幫助用戶建立工業(yè)4.0人才庫,并培養(yǎng)工程師們掌握未來工廠所需的新技能。

FestoDidactic美國公司的工程開發(fā)經(jīng)理TedRozier介紹，可能有將近30萬多個美國制造業(yè)就業(yè)崗位因缺乏合格候選人而找不到合適的人選。而且這一數(shù)字有望繼續(xù)增長。

“讓學(xué)生熟悉自動化硬件和軟件的完整組合非常重要。”"Rozier說。他們需要了解機器人和PLC的集成過程,并熟悉物聯(lián)網(wǎng)是如何改善整個過程的。這是歐洲的普遍做法,我們希望提高這類培訓(xùn)在北美的知名度。

Rozier強調(diào)了多學(xué)科學(xué)習的重要性,尤其是要注重機電一體化?！盀榱私o工業(yè)4.0帶來活力，物聯(lián)網(wǎng)必須蓬勃發(fā)展。要做到這一點,需要一個強大的IT背景和強大的機電一體化背景。我們有機會培育不僅能理解,而且能夠從管理層到車間層、從IT層向下直到傳感器等各個方面影響自動化制造過程，幫助機器人做決定的人才。這是一個重要的技能發(fā)展?！?/p>

模塊化的網(wǎng)絡(luò)物理學(xué)習平臺，模擬真實生產(chǎn)工廠中的工作站,向?qū)W生傳授對工業(yè)4.0和智能工廠所必需的多學(xué)科技能。圖片來源:FestoDidactic

學(xué)習工廠模塊

FestoDidactic提供了“學(xué)習工廠模塊”,用于實際的機電一體化、控制技術(shù)和自動化技術(shù)的工業(yè)培訓(xùn)。該系統(tǒng)從一個模塊：單一項目工作站I4.0開始，用于培訓(xùn)控制技術(shù)的基本原理。然后可以添加數(shù)個模塊,創(chuàng)建一個完整的學(xué)習網(wǎng)絡(luò)-實體(CP)工廠,其中包括一個現(xiàn)實的工業(yè)托盤循環(huán)系統(tǒng)和一個自主移動機器人來連接不同的工作站。

系統(tǒng)是模塊化的,因此可以根據(jù)學(xué)習需求的變化，添加、刪除和移動各個工作站。培訓(xùn)主題包括:PLC項目工程，與人機接口(HMI)和射頻識別(RFID)傳感器協(xié)同工作，調(diào)試Web服務(wù)器和TCP/IP和OPC-UA接口、能源監(jiān)測和管理，與智能流程數(shù)據(jù)模塊、企業(yè)資源計劃(ERP)系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)和快速原型協(xié)同工作。

一些制造業(yè)和STEMtracks的社區(qū)學(xué)院正在使用Festo的CP工廠模塊來培訓(xùn)學(xué)生，以便其在畢業(yè)后能夠立即投入工作。位于美國南卡羅來納州巖石山的約克工學(xué)院有一間專門用于CP工廠的房間,大約有6個模塊。像位于阿拉巴馬州萬斯的梅賽德斯-奔馳工廠，正在使用Festo學(xué)習設(shè)備,以提高工人的知識水平。我們必須為人、機器和數(shù)據(jù)在高度互聯(lián)的世界中互動的新方法做好準備?，F(xiàn)在,您可以采取一些步驟來為工業(yè)4.0和智能工廠做準備。

GuardianS機器人移動物聯(lián)網(wǎng)平臺，包括一個靈巧的,可遠程操作的機器人,用于不可預(yù)知和非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境,如爬樓梯或不均勻傾斜。圖片來源:Sarcos機器人公司

集成IIoT平臺的移動機器人

大多數(shù)機器人都是針對具體功能設(shè)計的。它們專注于做一件事，不停的重復(fù)，而且做得很好。另一方面,移動工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）機器人更多的則是通才。在某種程度上，它可以看作是無人自動駕駛車輛(UAV)，甚至可以認為是一種地面無人機。有一種機器人的外形類似于蛇,這讓它變得特別有趣。

"蛇形機器人"已經(jīng)出現(xiàn)大約十年了,最初被用于復(fù)雜地形環(huán)境下的搜救行動,其中可能包括布滿泥漿的環(huán)境、地震或礦難坍塌現(xiàn)場等。SarcosRobotics公司最近發(fā)布了其GuardianS機器人移動物聯(lián)網(wǎng)平臺,該款機器人是一個靈巧的、可遠程操作的機器人，主要在不可預(yù)知和非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中使用。一個基本裝置的成本約為6萬美元,或可以簽訂服務(wù)合同，每月2000美元。

該機器人集成了微軟Azure云計算平臺和微軟AzureIoT套裝,并將Windows10作為平板控制器。云計算平臺使客戶能夠在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中收集、存儲和分析傳感器數(shù)據(jù),或者在不可行的區(qū)域部署固定傳感器。

"在大范圍開放環(huán)境下，無人機在收集有用數(shù)據(jù)方面完成了一項令人難以置信的工作,但我們發(fā)現(xiàn)在某些應(yīng)用環(huán)境有對數(shù)據(jù)收集更高的需求，例如在密閉或封閉的空間、或者需要數(shù)小時而不是幾分鐘來收集數(shù)據(jù)、或者數(shù)據(jù)只能將傳感器布置在附近、或與表面接觸的環(huán)境下收集數(shù)據(jù)的機會。"SarcosRobotics公司的董事長兼首席執(zhí)行官BenWolff如是說。

GuardianS機器人就像一種多用途、無線控制、無人駕駛的地面車輛,可作為移動物聯(lián)網(wǎng)平臺運載多個傳感器有效載荷。這款重13.5磅的機器人可以遠程操作和跨越具有挑戰(zhàn)性的地形，包括樓梯、涵洞、管道、水箱、垂直的鐵磁表面和密閉空間,同時還可以促進雙向?qū)崟r視頻、語音和數(shù)據(jù)通信。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器和云服務(wù)的結(jié)合，對于評估所布置的各種工業(yè)機器的性能和預(yù)測所需的維護非常有價值。搭載了物聯(lián)網(wǎng)平臺的機器人，通過利用Azure云計算功能和分析來收集和分析與機器人周圍環(huán)境有關(guān)的數(shù)據(jù)，從而提高了云的效率。