智能运行概念里的混合现实。（图片来源：OPTIMA包装集团公司提供）

 

就工业4.0和/或物联网而言，朝着网络化生产环境方向发展的数字化改造正方兴未艾。无数应用领域，如：产品和工艺监测、标签技术、包装、物流以及维护保养和修理等，都已显示出这种物联网改造的最优化潜力。

 

这些互联网上的“东西”指传感器、射频识别芯片、装置、机器和设备等等。将来，这些“东西”不仅有望独立地和连续地传递所有重要的工艺和系统状况，而且还有望通过互联网进行通信联络、干预、修正和优化制造工艺过程，而不必人为进行干预。这种基于万维网通信联络的基础，是具备独一无二识别地址的互联网协议。但是，老旧的互联网协议IPv4只能提供43亿个IP地址的地址空间，而这些空间已经于2012年被分配给个人电脑、笔记本电脑、平板电脑和移动电话。这就是为什么要开发新标准的IPv6协议的原因，这种协议拥有3.4 x 1038个IP地址的地址空间。所以，缺少地址已不再是人们的一种担忧。更换至IPv6的工作仍然在热火朝天地进行着。于是，挑战并非是诸如地址那样的一些事情，而是由此所带来的数据洪流，在某个好的日子里，会有几十亿个传感器在每秒钟时间里，传输数以千计的数据到主计算机。然后，又要对这些数据的可视性和模拟仿真情况进行评估，并以文档存档为目的，将其存储起来。

 

所以，更加确切地说，物联网首先是基于数据——关于从这种数据中所检索出来的信息，这是软件和算法的领域。以此所能获得的东西应该足以成为积极推动这种改造的理由。下面的例子展示了一些能在短期内获益的应用情况。

 

 

轴承、变速箱、泵或灌装及计量系统的损坏并非凭空而来，在实际损坏发生之前，就会通过非同寻常的振动和温度偏差或通过功率耗损的改变、压力损失及类似的状态“发出通知”。由于有了高度复杂的分析和模拟仿真程序，被传感器作为状态监测组成部分所检测出来的这些偏差，现在可以实时地对之进行评估和使之可视化，因此可以在工艺过程环境下让人们看到。根据这种信息，设备操作人员可以有针对性地并超越所有位置独立地对系统进行遥控干预，引入程序变更，或者安装新的应用和控制软件，让系统总是以最佳模式运行。另外，模拟仿真得出的结论，可以更加精确地预测机器关键零件的剩余使用寿命，借以开辟维护保养的全新局面。

 

这就意味着，我们正在远离以周期性零件更换为基础的反应性和预防性维护保养，而转向所谓“预测性维护保养”的可预测的、精确规划的维护保养措施。所获得的益处是：机器设备可用率更高，停机风险大幅度降低，运行和生产安全性更高以及维护保养成本大大降低。

 

除此之外，预测性维护保养是可持续发展中的关键元素。当在给定期间内更换零件时，操作人员的确总是谨慎行事，但是，他们也浪费了昂贵零部件宝贵的剩余使用寿命，因为他们缺乏可靠的零件行为数据。今天，有关材料行为的知识，有关处于变化负载状态下、连续应力等类似情况的知识，与十年甚至是二十年之前相比，都要先进得多。另一方面，由于当今计算性能以及更加智能化的分析、有限元法（FEM）和模拟仿真软件等都已得到大幅提高，因此可以容许以更高的精准度确定和预测剩余使用寿命，而这方面的知识有利于预测维护保养。

 

 

机器设备不断增加的性能、灵活性和智能化使得系统更加复杂，这为人机接口（HMI）操作概念的开发人员提出最为严峻的挑战。我们所说的人机接口硬件，是指配备触摸屏功能的终端设备，这些都是多数人从其智能电话或平板电脑上已经了解到的东西。这意味着，他们可以在现有知识的基础上，增加学习处理掌控这些机器和设备的知识；这样可以激发人们的热情并缩短熟悉了解所花费的时间。

 

开发图形化界面的核心部分是确保那些没有受过特殊职业培训，而且也没有足够语言技巧的人们能够安全地操作这些设备。为了避免操作错误，图形化界面开发人员依赖直观图形元素，而不是语言。另外，正在发展和出现的还有机器设备和零部件的照片级真实感3D

CAD显示。再者，人机接口（HMI）必须满足各种用户的需求——与他们的技巧和权威相符。因此，设备操作人员看到的是不同于班组经理、维护保养人员或生产经理的图形化界面。这意味着，每个用户只看到对应于他们职责领域的数据，而且与他们所处的特定场景有关。再者，数据仅局限于实质分析所必需的信息，以确保显示容易被捕捉，并且关键机器参数和生产数据能够瞬时呈现出来。

 

现代人机接口（HMI）的其他特性是移动性和一致性，一种发展趋势是趋向于移动装置，使用这些装置，用户可以根据其授权水平遥控机器设备。这可以节省差旅费用，特别是在服务和维护保养领域内，情况更是如此。

 

 

当谈论到物联网时，几乎没有哪一个话题能像“数字化双胞胎”更能引起轰动效应的了。“数字化双胞胎”的技术基础是高性能3D CAD、模拟仿真和分析软件程序以及虚拟1:1 真实机器设备控制软件的副本。以此种软件工具为基础，“数字双胞胎”映射出完整的加工制造工艺过程，包括零部件、机器设备及其控制作为虚拟模型—— 连同进行模拟仿真所需要的所有物理数据。除此之外，“数字双胞胎”还容许离线程序设计。所有这些使得“数字双胞胎”成为开发者、操作者和维护保养人员的万能工具。

 

由于有了这些接近真实的模拟仿真，在尚未制造出一件真实零件之前的开发阶段，就已经能检测到并消除设计错误和（或）缺陷。这同样也可应用于程序设计和控制优化方面。

 

不过，最为重要的应用之一，是虚拟调试或启动。这不仅是一次虚拟试运行，而且还可以用来使负责机器的操作人员有针对性地熟悉了解系统性能和可能性。换句话说，“数字双胞胎”是工业工艺过程、机器和设备的“飞行模拟器”。在真实调试之前，进行的虚拟预启动，能以不止一种方式发挥作用。如果系统或控制概念里仍然有任何错误或问题，它们可以得以纠正，而不至于对真实系统零部件造成损坏。离线程序设计也能相应地使生产计划人员虚拟测试各种运行模式。不过，最为重要的方面是“虚拟双胞胎”将许多专家的专有知识汇聚到一起，这些技能和知识以后可以用到其他项目上。

 

一言以蔽之，由于有了复杂而微妙的模拟仿真，设备生产商和用户可以大幅度缩短项目的前期准备时间，加快启动，提高开发类似设备和工艺过程的效率。这不仅节省了时间，还节省了资源、能源和人力。

 

 

标准化仍然继续成为一项重大挑战，因为多数机器设备生产企业仍然依赖于自己的接口。但是，在物联网里，一体化整合是一个带有决定性的因素。这种一体化整合要求在机器设备间进行交换时，在纵向和横向上都必须有特别一致性的数据和信息。这使得标准协议成为必要。由于这些技术可提供投资的高度安全性以及非专有系统的独立性，因此，存在着开放源码解决方案的趋势，一个这方面的范例是OPC同一架构体系（OPC UA）连接各种生产制造企业的技术规范包。OPC UA通过认证授权、加密和数据完整性确保安全。

 

状态监测能实时提供单台设备或完整生产线的信息，并以预先确定的报警和故障极限为基础，可以尽早检测出偏差并予以消除。
（图片来源：博世包装技术公司）

 

这意味着，就将原始数据和预先加工处理过的信息以安全、可靠和非专有性质的方法，从生产制造级别传输到上级生产计划系统或企业资源计划（ERP）系统里，OPC UA是一种非常合适的方法。

 

 

许多较为老旧的机器设备、生产线、电动机和压缩机并没有配备工业4.0所要求的传感器和通信联络技术，有的甚至不能用作网络系统的组成部分。就数字化改造而言，这并非意味着这些系统已经陈旧不堪了。在此，作为工业4.0的入门级解决方案，智能传感器可以重新进行翻新。它们定期测量并通过内置通信联络接口以无线方式将数据传输给人机接口（HMI）和（或）员工的智能手机电话或平板电脑，对数据进行评估。采用这些办法和一些其它的简单方法，企业可以采用廉价的方式进入工业4.0世界，仍然能从降低停机时间、延长机器运行时间以及降低电力损耗以及一些类似情况中获益。