案例研究。在中小企业环境中迈向IIoT的第一步

IIoT世界

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IIoT和工业4.0是当今行业展会和博客文章中无处不在的话题。很多产品承诺帮助你实现生产流程和数据与ERP等企业软件的垂直整合。但通常情况下,也有一个陷阱:要么你得到非常复杂的产品,价格也同样令人震惊--要么尽管IIoT承诺完全跨供应商的互操作性,但你会变成供应商锁定,特别是如果你考虑由生产机器供应商与其设备一起销售的软件解决方案。

对于资源有限、IT部门规模较小或只有一人的小公司来说,这是一个两难的问题。虽然这类公司依靠灵活性与大企业竞争,因此需要采用工业4.0这样的模式,但这通常伴随着巨大的投资和一堵看似不可逾越的技术复杂性。

在这个案例研究中,首先,我将展示一个带有预置机器数据通信连接器的软件集成平台如何帮助克服这些限制。其次,在一个开始迈向工业物联网的小工厂里,实时机器数据的第一个实际应用是什么。

关于客户和他的要求

客户是一家小型工业供应商,主要提供不锈钢金属板产品,批量小,产品组合复杂。

为了能够在这一领域与其他制造商竞争,工厂需要技术的进步和生产过程的不断发展。因此,客户已经开始在生产过程中引入最先进的机器人激光焊接。

除了工艺本身,将这样的机器人焊接解决方案整合到生产计划中,为成本计算和质量控制等获得必要的数据是另一个挑战。

客户的IT环境

客户的IT环境是一个自然成长的环境,因此本身就很复杂。在它的基础上,它使用了一个传统的ERP系统,该系统通过定制的PHP网络应用和其他软件产品的接口(如CAD,CAM,如激光打样软件......)和客户系统进行直接的数据交换。所有这些都是在一个Windows/Linux混合的服务器环境和一个几乎完全基于Windows的活动目录的客户池中进行的。文件服务主要基于Windows共享和Dropbox(在较小程度上)。

一般来说,客户的策略是通过尝试减少不同技术的使用量(LAMP堆栈、AD、Windows、O365、遗留系统等)来降低其IT基础设施的复杂性,从而提高可管理性,降低整个生态系统的维护成本。

生产环境

生产机械通常有一个固有的长使用期。因此,并不是所有的机器都配备了工业4.0的应用,或者在这个领域提供非常有限的功能。因此,本文只关注机器人焊接应用及其集成需求。

该焊接系统是一个知名制造商提供的交钥匙解决方案,包括一个固态激光源、一个带旋转倾斜台的机器人、一个带摄像系统的加工头、高功率激光应用所需的保护单元、控制系统和辅助系统(抽吸、集尘、冷却)。

该系统的组件通过各种标准工业互连(数字IO、Profinet、EtherCat、标准以太网)进行通信。根据供应商的规范,只有一个标准的以太网接口暴露在客户的网络基础设施中。这个接口连接到机器供应商的整体PLC系统,只提供对机器数据和控制系统的非常有限的访问。它提供了一个OPC UA接口,只有在工厂使用机器供应商的生产计划软件在机器的PLC上运行时才会有数据点填充。因此,这个接口现在对我的客户来说证明不是太有用,不过情况可能会改变。

第一个步骤

第一步,目标是直接从机器的部件中获取数据。

客户选择了OPC UA通信协议,这在当今的PLC和机器中越来越普遍。虽然该标准可用于建立实时通信,并因此取代目前由工业现场总线系统实现的功能,但在我们的方案中,实时功能是没有必要的。虽然有SDK可用于直接集成OPC UA协议栈,但它们通常很复杂,因此与降低复杂性的目标相矛盾。

因此,客户没有选择自定义编码,而是选择了一个集成平台,该平台有一个预建的OPC UA连接器,具有易于使用的界面和连接到后台系统的可能性,如ERP、CRM、各种文件管理系统或数据库--基于本地和云的,并且价格合理。

通过集成平台直接控制这些系统不是一个目标,因为它有可能违反机器安全所需的单点控制原则。

数据调查的频率

在这家工厂,新技术正在经历适应过程,所以机器人焊接系统只在单班运行,即使在工作时间内,机器也不会持续运行。因此,此时获得的数据可能是有用的,但也可能证明对于未来的使用或预测目的是不可靠的。这是基于客户从其他生产机器(如激光切割机)上采集数据的经验。某些因素--当一个生产周期结束时,机器操作员是否在场,数据采集何时被触发--证明了即使是看似高度准确的数据也可能描绘出错误的画面,而且细粒度并不总是判断生产过程效率的必要条件。

因此,目前采用了30秒的相当低的轮询频率来获取数据。

在这第一步中,客户希望从这3个主要部分中进行数据调查。

激光源。

机器人的PLC。

摄像系统。

然而,目前只有激光源可以连接。其他组件无法集成:机器人的PLC只有OPC Classic接口,目前向统一架构的过渡具有挑战性;摄像系统与整个机器的PLC绑定,似乎不能被外部客户访问。

激光源的OPC UA

这就剩下激光源了。幸运的是,这个系统配备了一个最先进的控制器,它集成了一个复杂的OPC UA接口,有几个级别的访问:具有有限读取能力的匿名访问、只读、读和写。如前所述,出于机器安全的考虑,读写访问是不可能的。因此,选择了只读访问。

这个界面提供了大量的数据。

激光系统的整体状态

运行周期、使用功率、...

错误和维护信息

通过集成平台,客户在C#中开发了一个Windows服务,定期轮询数据,并将其编入几个SQL数据库表格,以供将来使用。这些表格可以提供诸如一般数据、设备使用情况、激光源产生的维护/错误信息的表格等信息。

一个大问题:如何使用这些机器数据

第一个有价值的见解是对机器日志信息的编撰。我的客户过去的经验是,并不是所有的机器都能在重新启动时保持其日志文件。另外,机器操作员并不总是准确地向他们的主管报告故障和错误。这可能会导致在发生严重故障时,机器停机时间超过必要的时间。如果这一天机器根本就在运行--这是一个重要的问题。

为了方便公司技术管理部门的访问,这样的日常报告会被生成PDF文件,并存储在共享的Dropbox中,以备需要打开机器厂商的支持电话。

当然,目前这只是OPC UA连接器巨大能力的一个非常有限的应用。客户正在开发的下一个步骤是。

连接到机器人的PLC(如果不能通过数字IO,则通过数字IO),以获得生产周期的精确启动/停止时间。

结合公司的时间表系统,这将使我们更好地了解机器实际生产的时间,以及有多少时间是用于教学(机器人编程)和/或装载/卸载/维护的。

摄像系统接入:由于激光焊接是一种不同的焊接工艺,我的客户在交付任何真正的产品之前,需要对这种生产方式进行认证。如果能够不断地、自动地交付完整的焊接过程文件,这样的过程将更容易实现。

此外,随着计划中使用的复杂性和服务的减少,一旦在所有相关客户上推出,从Dropbox-Shared转向OneDrive就迫在眉睫。该客户还对可能的数据分析感兴趣,以便进行预测性维护。

结论

如上所述,这个项目正处于研究阶段,距离成为一个功能齐全的IIoT解决方案还有很长的路要走。使用具有预建连接器的集成平台,而不是对整个集成进行编程,这有助于我避免进入另一个连接栈的细节(如OPC UA或Dropbox API)。对我的客户来说,它为未来的应用提供了一个集中的通信栈。

关于Richard Majer

Richard Majer,flupo Systemtechnik e.U.的创始人,专注于中小企业的工业IT和自动化技术。在创办自己的公司之前,Richard曾在一家高功率激光应用的研发机构工作(在激光技术、有限元模拟、工业机器人、PLC编程、工业现场总线系统方面积累了丰富的经验),在普通IT领域有超过10年的经验,专注于中小企业环境的软件开发(主要是不同软件产品和生产计划应用之间的接口)。他拥有维也纳大学的数学硕士学位。