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工業(yè)蜂窩網絡+算力平臺“雙擎”加持,讓開放自動化愿景更進一步

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2024-09-25     來源:施耐德     瀏覽次數:98
核心提示:多年來,與日新月異的IT領域相比,人們在談論工業(yè)和OT時往往會聯(lián)想到封閉和專有等刻板印象。誠然,這些經年累月的生態(tài)壁壘難以在
 多年來,與日新月異的IT領域相比,人們在談論工業(yè)和OT時往往會聯(lián)想到“封閉”和“專有”等刻板印象。誠然,這些經年累月的生態(tài)壁壘難以在短期內徹底打破,但在開放自動化浪潮的引領下,變化已悄然發(fā)生——在一些領先的數字化工廠,原本繁雜的線纜被無線網絡所替代,快速搭建柔性產線變得更加高效便捷;工程師可以基于預先封裝好的AGV或機械手等功能模塊實現(xiàn)快速開發(fā)和測試,且無需重復做工......

自施耐德電氣2020年推出EcoStruxure開放自動化平臺(EAE)平臺,在業(yè)界打出響亮的一槍以來,短短四年間,開放自動化已經從概念逐步深入實踐,越來越多的主流廠商從觀望轉向積極參與,技術與場景的融合成果也不斷涌現(xiàn)。對此,中國信息通信研究院技術與標準研究所主任工程師王哲表示:“數字化價值正從工業(yè)外圍輔助環(huán)節(jié)向生產控制核心環(huán)節(jié)不斷滲透。尤其是隨著5G、邊緣計算、人工智能等信息通信技術在工業(yè)領域的逐步深入,工業(yè)控制領域正經歷一場‘網絡化、開放化、智能化、協(xié)同化’的新型工控革命。對于整個工業(yè)界來說,采用新的技術和架構,構建開放化的自動化系統(tǒng)逐漸成為共識。”

在此背景下,施耐德電氣聯(lián)合中國信息通信研究院、中國聯(lián)通以及北京華勝銳盈共同編寫了《工業(yè)蜂窩網賦能的開放自動化解決方案》(下稱“報告”),并于9月24日工博會首日發(fā)布,通過用自身在工業(yè)蜂窩網、邊緣算力賦能開放自動化的應用實踐成果,助力產業(yè)高質量發(fā)展。站在離散制造業(yè)的實際需求,該報告不僅結合新型工控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,詳細描述了開放自動化系統(tǒng)架構,還系統(tǒng)性地提出了工業(yè)蜂窩網的定義、范疇、典型網絡架構,并對支撐開放自動化的邊緣算力平臺的系統(tǒng)架構、規(guī)劃、部署和運維進行了詳盡解讀。這些前沿探索對開放自動化的深入發(fā)展具有重要意義。

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工博會第一天,施耐德電氣攜手合作伙伴發(fā)布《工業(yè)蜂窩網賦能的開放自動化解決方案》報告

網絡和算力平臺加持,助力實現(xiàn)更好的開放自動化未來

由于歷史原因,傳統(tǒng)工控長期面臨“四座大山”,即工業(yè)通信生態(tài)壁壘、軟硬件強綁定、傳統(tǒng)工業(yè)網絡形態(tài)復雜以及缺乏靈活的工業(yè)算力。據統(tǒng)計,目前工業(yè)通信協(xié)議的國際標準已超過30種。各大廠商圍繞PLC工控開發(fā)軟件和工業(yè)通信協(xié)議,形成了一個個煙囪式的封閉生態(tài)圈,使得不同廠商之間的硬件和軟件難以互換和移植。

縱觀工控系統(tǒng)從封閉走向開放的演變歷程,不難發(fā)現(xiàn),作為工控核心大腦的PLC成為了這一過程中的關鍵“堵點”。

中國聯(lián)通大數據首席科學家范濟安回顧以往時表示:“由于工控系統(tǒng)涉及到許多設備之間的精準配合,對時延的控制與誤差要求極高,這使得PLC通常采用有線的方式,無線網絡一般不在考慮之中。然而就在去年,我們聯(lián)合施耐德電氣和中國信息通信研究院發(fā)布的《5G+PLC深度融合解決方案》報告中,已經驗證了新一代無線蜂窩通信技術5G能夠進入工業(yè)控制的核心環(huán)節(jié),從而顯著提升產線的柔性能力。”

這種改變意味著工廠不再需要為每個工站都配備一臺PLC,從而大大降低了產線的投資成本,并實現(xiàn)了控制器的集中化。既然PLC不再受到物理束縛,那么連傳統(tǒng)的實體PLC也不再是必需?答案是肯定的。據施耐德電氣工業(yè)自動化中國區(qū)開放自動化業(yè)務發(fā)展總監(jiān)申紅鋒介紹,施耐德電氣和合作伙伴在今年的實際應用中,將控制系統(tǒng)南向鏈接的無線化進一步延伸至控制虛擬化及平臺生態(tài)化。同時,網絡連接也從5G專網迭代至融合了5G、4G(含Cat.1、Cat.4等)和NB-IoT等多種網絡制式的工業(yè)蜂窩網。

“之所以進行這兩方面的迭代,是因為它們恰好符合開放自動化系統(tǒng)本身的發(fā)展需求。”申紅鋒進一步解釋道,“有了網絡和算力平臺的加持,開放自動化的愿景得以更好地實現(xiàn)。”

一方面,雖然5G進入南向的能力已經得到驗證,但并不是所有設備都需要享受5G的高速率、大帶寬特性。工業(yè)現(xiàn)場的應用十分復雜,不同場景對網絡的指標要求并不相同——有的終端對速率要求不高,但對功耗非常敏感;有的終端部署數量較多,希望成本更加經濟。對此,施耐德電氣與合作伙伴提出了“工業(yè)蜂窩網”這一概念。這樣既能滿足不同智能制造場景對網絡能力的差異化要求,還兼具易用、安全、合規(guī)、低功耗等特點。

另一方面,傳統(tǒng)實體PLC的“重任”可以由采用超融合架構的工業(yè)邊緣算力平臺來承接。北京華勝銳盈科技有限公司總經理/創(chuàng)始合伙人王宇男認為,超融合對工業(yè)企業(yè)客戶而言是最完美的一種選擇:“超融合一來能夠有效降低從設備采購到維護的成本,二來可以根據企業(yè)需求的增長實現(xiàn)快速、靈活的擴容,具有高度開放、高可用、易于擴展、彈性伸縮、便于維護和管理等優(yōu)勢。”

開放自動化的前景固然美好,但相比于抽象的概念,企業(yè)更希望看到其落地的具體樣貌。施耐德電氣EcoStruxure開放自動化平臺(EAE)正是開放自動化系統(tǒng)架構的一個典型實例;贗EC 61499標準,施耐德電氣EcoStruxure開放自動化平臺通過對軟件和硬件進行解耦,實現(xiàn)IT/OT的真正融合,推動工業(yè)自動化領域的“即插即生產”,切實解決廠商之間應用軟件的可移植性、可配置性和互操作性問題。

據申紅鋒介紹:“自2020年發(fā)布以來,施耐德電氣EcoStruxure開放自動化平臺以3-6個月為一個周期持續(xù)迭代,至今已經更新至V24.0版。全新升級的版本在‘高、大、穩(wěn)、廣、易’這五個方面得到了強化——‘高’指的是整合了工業(yè)視覺算法、數字孿生等高級應用;‘大’意味著更大的系統(tǒng)規(guī)模,目前每個解決方案可支持超過5000個I/O;‘穩(wěn)’意味著系統(tǒng)可靠性的進一步提升;‘廣’是指平臺能夠支持Profinet、MQTT、OPC-UA、Modbus等更加廣泛的通信協(xié)議;‘易’則是通過提升易用性為用戶帶來更好的開發(fā)體驗。目前,該平臺已經在交通基礎設施、水與污水處理、地下管廊、隧道、物流、廠務系統(tǒng)、離散工業(yè)生產線、數據中心等多個行業(yè)得到了廣泛應用。”

擁抱開放自動化=擁抱更低的成本、更高的效率

若是問“為什么開放自動化是工業(yè)必須擁抱的未來?”,那必須得看企業(yè)能從中獲得哪些“真金白銀”的收益。

在施耐德電氣上海工廠,算、網、控的融合正在賦能自動化設備的改造和柔性產線的構建,為工廠帶來的成本收益與效率提升。施耐德電氣全球供應鏈中國區(qū)低壓產品事業(yè)部副總裁應鵬介紹:“施耐德電氣上海工廠之所以要部署工業(yè)蜂窩網和開放自動化平臺,主要動力源于兩大需求——一是對自動化設備改造的需求,二是對產線柔性化升級的需求。上海工廠至今已有28年的歷史,隨著自動化程度的逐步提高,許多設備處于逐步演變的過程中,一些老設備自然需要進行升級改造。然而,在這個過程中,由于硬件的PLC和工站的強綁定,IT和OT之間相對割裂,會在時間和成本方面帶來挑戰(zhàn)。”

在高速全自動鉚銀機設備改造項目中,其所用PLC運行10年以上且已停產,系統(tǒng)生命周期到達終點。這意味著一旦出現(xiàn)故障,維修或替換將面臨困難,甚至可能造成生產線的長時間停頓,影響生產計劃和交貨周期。更令人頭疼的是,實體PLC與軟件程序一對一的綁定關系使得程序不能復用,設備改造升級成本高,同時由于老舊的PLC缺少相關的一些通信功能,導致設備數據采集困難。

為了解決這些挑戰(zhàn),施耐德電氣聯(lián)合合作伙伴采用工業(yè)蜂窩網+虛擬PLC的方式對原來的系統(tǒng)架構進行改造。這套方案的靈魂,正是施耐德電氣EcoStruxure開放自動化平臺通過工業(yè)蜂窩網與I/O交互,將原有的硬接線通過無線方式代替,提高了產線的柔性,而EAE SoftdPAC則實現(xiàn)了軟硬件解耦,提高了軟件的可重用性。應鵬介紹稱,本系統(tǒng)已成功于2024年3月正式進入商用環(huán)境下運行,成功驗證了工業(yè)蜂窩網+EAE可以在高速設備(CT<5s)上使用,改造前后設備產品質量保持一致,預計10臺自動鉚銀機可降低改造成本高達75萬元。

除了舊設備的改造,一些新產線為了提質增效,也希望進一步引入AI等新興技術,但往往會擔憂轉型升級的成本和實施效果等問題。

一條接觸器的全自動柔性裝配線,希望利用AI視覺技術來優(yōu)化產品質量檢測。按照傳統(tǒng)方案,工業(yè)相機需要將拍攝的圖片通過內置算法自行判斷并將結果發(fā)送給產線MES系統(tǒng),再通過MES系統(tǒng)將信息傳遞給PLC,整體信息流冗長復雜,而且工業(yè)AI相機價值不菲、成本高昂。如今,有了施耐德電氣工業(yè)蜂窩網與開放自動化平臺相結合的方案,則可以通過將模型訓練算法以及推理算法分別部署在AI引擎和邊緣推理服務中,從而將原有工業(yè)相機替換成普通的相機,這一方面大大降低了成本,另一方面由于使用自身的視覺算法,調試設備的周期得到縮短,效率得到更大的提升。

對此,申紅鋒進一步解釋:“施耐德電氣EcoStruxure開放自動化平臺可以和視覺檢測、先進控制算法、預測性維護等先進技術輕松集成,并通過統(tǒng)一的算力平臺進行承載。這樣就能充分發(fā)揮控制和計算的結合對生產效率和質量等帶來的提升。”

機遇與挑戰(zhàn)并存,開放自動化的發(fā)展需要生態(tài)協(xié)同

在國家新型工業(yè)化政策的指引下,新型工業(yè)控制系統(tǒng)迎來廣闊的空間和新的機遇。作為工業(yè)領域的顛覆性創(chuàng)新,開放自動化既是新工業(yè)革命的內在要求,也是驅動產業(yè)高質量發(fā)展的不竭動力,它推動了IT與OT的深度融合,幫助制造商提高生產過程的柔性和透明性,降低生產和建設成本,解決運維和升級的難題。

雖然未來的前景廣闊,但是我們也必須認識到——通往開放自動化的前路是一條機遇與挑戰(zhàn)并存之路。

首先是工業(yè)網絡方面,范濟安指出:“目前存量市場上工業(yè)有線網絡依然大量存在,但隨著客戶定制化需求的增加和生產裝備的智能化,制造企業(yè)的生產必然更加柔性,客觀地為無線網絡帶來機會。未來工廠網絡將是有線、無線相互融合的過程,其中無線網絡中的工業(yè)蜂窩網將向多網融合,便于運維的方向發(fā)展。如今我們和施耐德電氣的合作,已經在工廠生產中得到成功驗證,面向未來整個行業(yè)的成千上萬家工廠,我們也在研究如何把5G與工業(yè)蜂窩網+開放自動化打造成一個服務于多企業(yè)的新型工控平臺。”

然后是在算力平臺方面,王宇男進一步表示:“雖然工業(yè)邊緣或現(xiàn)場側的計算需求各不相同,但總體來講,高可用性、低時延、安全性和可擴展性是共同的需求,這就要求算力平臺供應商推出適配的系統(tǒng)或平臺來滿足行業(yè)客戶的應用需求。”

隨著產業(yè)轉型升級進一步步入深水區(qū),“開放”即意味著將更多的工業(yè)企業(yè)納入這股浪潮,所以生態(tài)圈的合作非常關鍵。目前,整個產業(yè)的生態(tài)合作已經積極開展,據王哲介紹,2023年11月,信通院聯(lián)合20余家企業(yè)和科研機構共同啟動“新型工控啟航行動”,圍繞技術驗證、標準研制、應用創(chuàng)新和產業(yè)促進四個關鍵環(huán)節(jié)展開工作,以推動新型工業(yè)控制技術創(chuàng)新發(fā)展,促進產業(yè)生態(tài)建設。目前,該行動已經完成了六項標準的研制,發(fā)布了四份研究報告,并在新型工控技術驗證測試床搭建方面取得重要成果。

站在技術演進與產業(yè)變革的轉折點上,擁抱開放自動化已經成為制造企業(yè)的必選之路。對于施耐德電氣來說,開放(OPEN)是面向工業(yè)自動化領域的長期目標,申紅鋒對OPEN進行了進一步拆解:“O是Offer,意味著我們要始終為客戶提供一流的硬件、軟件和服務;P是Partner,我們一直以來都尤為看重合作伙伴和生態(tài)建設;E是Energy,我們正在用自身擅長的能源管理軟件和數字化技術助力各行各業(yè)提高工業(yè)和能源的效率,實現(xiàn)綠色智能制造目標;N是指Next generation,寓意我們將堅定不移地向著下一代工業(yè)自動化,即軟件定義的、開放的自動化未來持續(xù)邁進。”

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