數(shù)字化工廠智能制造是這幾年熱門的話題，這兩年我們從網(wǎng)絡(luò)上來了解國際上工業(yè)制造的行情變化，今年十月初從網(wǎng)上看到了日本大阪工業(yè)展的圖片，其中在數(shù)字化工廠、智能制造、碳中和節(jié)能等等大題目下，大阪展會上人頭攢動，熱鬧非凡。從而感覺到全球以智能制造數(shù)字化工廠的概念，來解答工廠制造少人化與制造業(yè)節(jié)能等現(xiàn)實題目已真正的到來了。

　　而智能制造數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)，是工廠數(shù)字化能夠在底層設(shè)備CPS物理的建立，也稱為賽博物理系統(tǒng)。(Cyber-Physical Systems)，一個包含計算、網(wǎng)絡(luò)和物理實體的復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C( computing 、 Communication 、 Control )技術(shù)的有機融合與深度協(xié)作，通過人機交互接口實現(xiàn)和物理進程的交互，使賽博以遠程、可靠、實時、安全、協(xié)作和智能化的方式操控一個物理實體。

　　機器與生產(chǎn)物料的傳感器感知層反饋數(shù)據(jù)，以及大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓I(yè)通信層，是“遠程、可靠、實時、安全、協(xié)作和智能化”，實現(xiàn)智能制造的基本要求。

　　智德圓融

　　智能制造的實現(xiàn)，第一個字是智，前提是要有大量感知數(shù)據(jù)獲得數(shù)據(jù)信息的學(xué)習(xí)積累，邊緣計算分析，在數(shù)字云端的不斷的智能化AI自學(xué)習(xí)進化，并在更加廣大的工廠實踐活動驗證、反饋、改進、提高、推廣，而形成社會化推廣應(yīng)用，為人類社會的進步帶來有利性與發(fā)展前景。這就是智德圓融的功德圓滿。

　　我們大約對于智能制造是需要什么樣的工業(yè)CPS先有個粗略的了解：

　　我畫了三張大餅

　　智能制造數(shù)字化工廠的數(shù)字化通信有三層:

　　最高一層是人與人的通信，也就是我們現(xiàn)在熱門的IT、5G通信，這是提供工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，為制造工廠能適應(yīng)全球化市場經(jīng)濟的快速變化;

　　再下一層是人與機器和生產(chǎn)加工物料的人機通信、人料通信，信息量巨大，上傳下達都需要經(jīng)過AI邊緣計算，這是AI邊緣計算技術(shù)爆發(fā)后我們看到的光;

　　最底層是機器與機器的現(xiàn)地自動化、少人化，遠程的數(shù)字化感知、通信大數(shù)據(jù)采集積累，這是智能制造融入到底層的CPS。

　　說到智能制造，就離不開制造機器的數(shù)字化感知與通信的CPS。

　　制造業(yè)若脫離加工機器而談智能制造，沒有了“融”的虛空了。

　　機器與機器的數(shù)字化通信，首先就是要有機器的數(shù)據(jù)化的來源，這就是傳感器層。比如機械位置傳感器絕對值編碼器;

　　人與物料的感知與“通信”，同樣的數(shù)字化來源首先需要傳感器的感知，比如機器視覺傳感器。

　　工廠數(shù)字化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，與現(xiàn)有的商業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的不同，就是多出了人與生產(chǎn)中物料的數(shù)字化“通信式”感知，機器與機器的數(shù)字化通信感知。

　　那么，在于底層物理的機器感知傳感器以及工業(yè)以太網(wǎng)，就成為了智能制造數(shù)字化工廠的底層賽博基礎(chǔ)(Cyber-Physical Systems)。

　　加工設(shè)備的機械運動，有絕對值多圈編碼器作為傳感器感知;

　　被加工的物料零部件，有機器視覺傳感器感知;

　　感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，都要?jīng)過工業(yè)以太網(wǎng)層，比如工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET，無論是經(jīng)過PLC，還是不用經(jīng)過PLC的直接上云。

　　無論這些感知層通信層的數(shù)據(jù)是到底層現(xiàn)地自動化控制的PLC，還是到人機界面HMI，再到遠程數(shù)字化監(jiān)控、數(shù)據(jù)的積累自學(xué)習(xí)，都需要一個可靠的、高效的、連的多而廣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通信。

　　5G移動通信無法到達底層設(shè)備，5G只是移動設(shè)備之間通信，會有延時，會有周邊電磁環(huán)境影響可能，這對于工業(yè)設(shè)備的應(yīng)用要求而言，移動通信5G在工業(yè)機器層應(yīng)用可靠性還沒有經(jīng)過驗證。

　　以目前的實際工業(yè)應(yīng)用來看，數(shù)字化工廠底層機器設(shè)備和傳感器的數(shù)據(jù)通信，以后很可能都是走工業(yè)以太網(wǎng)通信了，這是大勢所趨。

　　工業(yè)以太網(wǎng)得以落地推廣發(fā)展的幾個商業(yè)邏輯

　　多年以前我問過一位美籍華人科學(xué)家，他也是我大學(xué)的同班同學(xué)，他曾是美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)計劃制定時，向各行業(yè)專家征集計劃書的參與者之一，

　　“為什么以太網(wǎng)能夠進入工業(yè)，成為工業(yè)以太網(wǎng)去替代過去已經(jīng)成熟的工業(yè)現(xiàn)場總線，它如果想要落地推廣的商業(yè)邏輯是什么?”

　　他的回答：第一是“經(jīng)濟性”，第二是“可以連的多”。

　　工業(yè)以太網(wǎng)第一商業(yè)邏輯：經(jīng)濟性。

　　商用以太網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展與眾多的應(yīng)用，所帶來的商業(yè)效果是每個節(jié)點成本的大幅度降低，以及技術(shù)成熟性易用性。而如果把這項已經(jīng)成熟而又經(jīng)濟的技術(shù)轉(zhuǎn)向用于工業(yè)設(shè)備，是否也可能獲得此經(jīng)濟便利?

　　工業(yè)以太網(wǎng)第二商業(yè)邏輯：可以連的多。

　　只有連的節(jié)點足夠的多，才能夠稱為“網(wǎng)”;只有連的節(jié)點足夠的多，才能發(fā)揮“網(wǎng)”的群技術(shù)優(yōu)勢，而體現(xiàn)出經(jīng)濟價值。

　　在目前的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中，PROFINET協(xié)議是發(fā)展較早而目前應(yīng)用最廣的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

　　PROFINET是從早期的PROFIBUS-DP的現(xiàn)場總線應(yīng)用，發(fā)展到基于早已普及成熟以太網(wǎng)物理層結(jié)構(gòu)的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。很顯然，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，早期的現(xiàn)場總線模式，連接點有限，傳輸數(shù)據(jù)容量有限，再向上層傳輸數(shù)據(jù)直達云端的可能性小。從技術(shù)發(fā)展的歷史軌跡而言，必然會進化到基于已有成熟技術(shù)的以太網(wǎng)物理層，尤其是數(shù)字化工廠數(shù)字云AI芯片邊緣計算概念的出現(xiàn)，PROFINET也就應(yīng)運而生得以大量使用。

　　PROFINET RT——real time(實時)的意義

　　國際ISO定義了網(wǎng)絡(luò)通信的7層，如下圖是目前民用商業(yè)以太網(wǎng)的7層圖

　　民用商業(yè)以太網(wǎng)不可直接用于工業(yè)，在于對工業(yè)應(yīng)用而言發(fā)現(xiàn)了幾個問題，例如：1，對于識錯糾錯的方式，商用網(wǎng)可以用斷點后臺再續(xù)的方法，而對于工業(yè)設(shè)備需要實時監(jiān)測控制管理的安全性，就不可以斷點再續(xù);2，對于IP地址-循環(huán)應(yīng)答的模式，原通信速度太慢，不適于工業(yè)制造機器所要求的速度。人的反應(yīng)是以100ms計算的，而工業(yè)設(shè)備至少要求快于10ms，有些都要求在1ms以下了。3，AI邊緣計算技術(shù)的出現(xiàn)，希望從生產(chǎn)現(xiàn)場采集更多節(jié)點，可獲得更大量的數(shù)據(jù)信息。

　　為此，PROFINET協(xié)議打掉了第三第四層的TCP/IP層，重新架構(gòu)了網(wǎng)絡(luò)層：

　　此圖由PI-CHINA協(xié)會提供

　　優(yōu)化的實時數(shù)據(jù)通信的比較：

　　此圖來自于網(wǎng)絡(luò)

　　如上圖，實時通信的優(yōu)點是顯而易見的，以用戶數(shù)據(jù)為優(yōu)先的通信速度加快了。

　　但是由于拿掉了IP首部，網(wǎng)絡(luò)上總站對于從站的地址與數(shù)據(jù)調(diào)度，就需要專用的PROFINET芯片和附帶協(xié)議棧了，而且這顆芯片內(nèi)部是有高速并行計算功能，芯片的成本也就不會低，這似乎又違背了“工業(yè)以太網(wǎng)商用邏輯一”，并且現(xiàn)在芯片供應(yīng)也出現(xiàn)緊張，對這個疑問我們也一直困惑，有待解答。

　　但如果從另外一個角度思考，如果PLC已經(jīng)內(nèi)置了PROFINET主站的成本，增加的從站(例如傳感器)可以從其連的多的經(jīng)濟獲益思考它的經(jīng)濟性，那就需要增加的從站多多益善，才能體現(xiàn)出其“可以連的多”成為網(wǎng)絡(luò)群效應(yīng)后的經(jīng)濟獲益。比如多個PN絕對值多圈編碼器對于設(shè)備機械運動的同步協(xié)作的自動化控制與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸至遠程積累的長期經(jīng)濟效益。

　　然后，由于AI自學(xué)習(xí)技術(shù)的爆發(fā)，在數(shù)字化工廠的題目中，我們需要遠程的對于底層設(shè)備機械運動的感知與數(shù)據(jù)積累和AI自學(xué)習(xí)，才能實現(xiàn)大數(shù)據(jù)工藝建模的智能制造，這就是出現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)商業(yè)邏輯三。

　　工業(yè)以太網(wǎng)商業(yè)邏輯三：大量底層傳感器層的感知數(shù)據(jù)，通過工業(yè)以太網(wǎng)上傳，可以同時實現(xiàn)現(xiàn)地自動化協(xié)作、安全與少人化，遠程數(shù)字化上云的AI自學(xué)習(xí)建模，從而奔向更廣闊的智能制造遠景。

　　我們再回憶一下賽博關(guān)鍵詞：遠程、可靠、實時、安全、協(xié)作和智能化。

　　PN絕對值編碼器的意義

　　PN是我們對PROFINET的簡稱。PN編碼器就是PROFINET絕對值(多圈)編碼器

　　智能制造的工藝模型，并不會無緣無故的產(chǎn)生，需要有大量感知數(shù)據(jù)的積累，AI邊緣計算，才能建立模型框架，并在各種實踐活動中驗證。作為加工設(shè)備的機械運動，其中的位移變化量，就需要有很多用上絕對值多圈編碼器感知。

　　光電開關(guān)類別的感知信息量只有“通斷”的0/1一位數(shù)據(jù)，信息量太小了，不可能以此微小的數(shù)據(jù)量可以實現(xiàn)大數(shù)據(jù)建模;機器視覺也只是對移動加工物件的感知，由于其圖形處理時間延遲，及芯片花銷所造成的高成本。

　　工業(yè)以太網(wǎng)的絕對值編碼器(絕對值單圈與多圈編碼器)，信號不僅僅可以直接參與現(xiàn)地PLC連接，能夠滿足現(xiàn)地自動化控制要求，多設(shè)備的同步運動協(xié)作，也可以通過網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備直接上數(shù)字云端。除了增加一顆含有工業(yè)以太網(wǎng)通信功能的芯片成本，其他似乎都已滿足了三個工業(yè)以太網(wǎng)商業(yè)落地邏輯。

　　說到經(jīng)濟性，這里就會有一個問題，伺服電機上都已有一顆伺服電機編碼器了，可以從伺服放大器路徑上傳數(shù)據(jù)，是否還需要外部機械再增加一顆工業(yè)以太網(wǎng)絕對值編碼器?這是否違背了第一項工業(yè)以太網(wǎng)商業(yè)經(jīng)濟性邏輯?

　　事實上相對于伺服電機的外部機械運動感知，絕對值多圈編碼器起的作用并不一樣。機械末端安裝的工業(yè)以太網(wǎng)絕對值多圈編碼器，感知的是真實的實時的設(shè)備機械運動，可以實現(xiàn)最終的自動化位置閉環(huán)控制、安全冗余、多運動執(zhí)行器的相互位置關(guān)系與同步協(xié)作，也可以通過工業(yè)以太網(wǎng)直接上傳現(xiàn)地生產(chǎn)設(shè)備的機械位置信息。

　　我們再回憶一下賽博關(guān)鍵詞：遠程、可靠、實時、安全、協(xié)作和智能化。

　　此圖中PROFINET LOGO由PI-CHINA協(xié)會提供

　　關(guān)于絕對值多圈編碼器，我已經(jīng)講過很多了，再多就是廣告了，為避免讀者的審美疲勞，這里就不再多寫了。

　　來自于百度