案例研究。在中小企业环境中迈向IIoT的第一步

工业物联网（IIoT）和工业4.0是当今工业展会和博客文章中无处不在的话题。 众多产品宣称能助您实现生产流程与数据的垂直整合，并对接ERP等企业软件。但通常存在隐忧：要么获得极其复杂且价格惊人的产品——要么尽管工业物联网承诺实现跨供应商全面互通，您仍将陷入供应商锁定困境，尤其当您考虑购买由生产设备供应商捆绑销售的软件解决方案时。.

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架构是自然演变形成的，因此具有固有的复杂性。其基础架构采用传统ERP系统，并通过定制的PHP网络应用程序进行扩展，同时与其他软件产品（如CAD、CAM类激光套料软件等）及客户系统建立接口以实现直接数据交换。 整个系统运行于Windows/Linux混合服务器环境，客户端池几乎完全基于Windows系统并部署在Active Directory域中。文件服务主要依托Windows共享目录，辅以少量Dropbox存储。.

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）。

该系统的组件通过多种标准工业互联接口进行通信（数字I/O、Profinet、EtherCat、标准以太网）。根据供应商规格，仅向客户网络基础设施暴露一个标准以太网接口。 该接口连接至设备供应商的整体PLC系统，仅提供对设备数据和控制系统的有限访问权限。其OPC UA接口包含少于10个数据点，且仅当工厂使用设备供应商的PLC端生产计划软件时才会填充数据。因此该接口目前对客户实用性有限，但未来情况可能发生变化。.

第一个步骤

作为第一步，目标是直接从机器的组件中获取数据。.

客户选择了OPC UA通信协议，该协议在当今的PLC和机器中日益普及。虽然该标准可用于建立实时通信，从而替代当前由工业现场总线系统实现的功能，但在我们的场景中，实时能力并非必需。 虽然现有SDK可实现OPC UA协议栈与客户应用的直接集成，但这类工具通常结构复杂，与降低系统复杂度的目标相悖。.

因此，客户选择采用集成平台替代定制编码方案。该平台配备预构建的OPC UA连接器，拥有简易操作界面，可连接ERP、CRM等后台系统，兼容各类文档管理系统及本地/云端数据库，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，新技术正处于适应阶段，因此机器人焊接系统仅实行单班制运行，即便在工作时间内设备也并非持续运转。因此当前采集的数据虽具参考价值，但可能无法满足未来应用或预测需求。此结论基于客户在其他生产设备（如激光切割机）数据采集中的经验。 某些关键因素——例如数据采集触发时操作员是否在场、生产周期是否已完成——证明了看似高度精确的数据也可能呈现错误图景，且评估生产流程效率时并非总是需要精细粒度数据。.

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，目前仅能连接激光源。其他组件无法集成：机器人的PLC仅配备OPC Classic接口，向统一架构的迁移目前存在挑战；而摄像系统与整台机器的PLC绑定，似乎无法被外部客户端访问。.

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、功耗、……

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

第一个宝贵的见解是关于机器日志信息的汇总。我客户过去的经验表明，并非所有机器都能在重启后保留日志文件。此外，机器操作员也未必会准确向主管报告故障和错误。这可能导致在发生严重故障时，机器停机时间超过必要时长。关键问题在于：这台机器当天是否曾运行过？.

为便于公司技术管理层查阅，此类每日报告均以PDF格式生成并存储于共享Dropbox中，以备向设备供应商发起支持请求时调用。.

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。

连接至机器人的PLC（若无法通过其他方式连接，则通过数字I/O接口）以获取生产周期的精确启动/停止时间点。.

结合公司的工时记录系统，这将有助于更清晰地了解机器实际投入生产的时间，以及用于编程（机器人编程）和/或装卸/维护的时间占比。;

摄像系统访问权限：由于激光焊接属于不同的焊接工艺，客户方需在交付实际产品前对该生产方法进行认证。若能持续自动提供完整的焊接过程记录，此类认证流程将显著简化。.

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。

关于理查德·马杰

理查德·马耶尔，flupo系统技术有限公司创始人，专注于为中小企业提供工业IT与自动化技术解决方案。 在创立公司前，理查德曾任职于高功率激光应用研发机构（积累了激光技术、有限元仿真、工业机器人、PLC编程及工业现场总线系统的经验），并在中小企业环境中拥有逾十年通用IT经验，专注于软件开发（主要涉及不同软件产品与生产计划应用程序的接口集成）。他持有维也纳大学数学硕士学位。.