制造業(yè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實施探索 - 副本

1.前言越來越多的制造業(yè)企業(yè)正在或計劃開展數(shù)字化轉(zhuǎn)型，不少企業(yè)也都根據(jù)企業(yè)戰(zhàn)略制定了“數(shù)字化規(guī)劃”，不過從形形色色的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)化出的規(guī)劃來看，雖然企業(yè)將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為規(guī)劃中的一部分，但對其所能產(chǎn)出的功效（價值）、實施的路徑（方法）、所需的支持（協(xié)同）、物聯(lián)的環(huán)境（基礎(chǔ)）等都尚未明確，這直接導(dǎo)致貿(mào)然開展工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項目后，企業(yè)普遍認(rèn)為與MES等系統(tǒng)差別不大，項目成果未達(dá)到實施目的。就此問題，本文根據(jù)數(shù)個項目的實施過程及實施后評價，對與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺相關(guān)的幾個問題進(jìn)行分析，以期后續(xù)能查漏補(bǔ)缺，同時也對未來發(fā)展做適度展望。2.物聯(lián)網(wǎng)的定義及發(fā)展趨勢物聯(lián)網(wǎng)最初由麻省理工學(xué)院的Auto-IDCenter（自動化識別中心）與1999年提出，他們對物聯(lián)網(wǎng)的定義為：通過RFID、激光/紅外識別、GPS等信息傳感設(shè)備按協(xié)議約定將任何商品與互聯(lián)網(wǎng)連接并進(jìn)行信息交換，以此實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。2009年9月，歐盟委員會信息和社會媒體司LorentFerderix博士提出：物聯(lián)網(wǎng)是一種動態(tài)的全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，它具有基于標(biāo)準(zhǔn)和互通操作通信協(xié)議的自主組織能力，其中物理和虛擬的“物”都具有身份標(biāo)識，其物理屬性、虛擬特性和交互協(xié)議可與信息網(wǎng)絡(luò)無縫整合。而由我國工程院院士李伯虎先生提出的定義為：物聯(lián)網(wǎng)是通過識別、感知技術(shù)與設(shè)備獲取物體或者環(huán)境的靜態(tài)/動態(tài)信息，再由網(wǎng)絡(luò)傳輸通信技術(shù)與設(shè)備進(jìn)行信息處理，以此實現(xiàn)虛擬與物理世界的智能化管理與控制的智能化高效能網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)屬于物聯(lián)網(wǎng)的一種特殊應(yīng)用場景，也符合上述定義。但通過時間線來看這三方的定義，可以發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的實質(zhì)內(nèi)容在逐步增加：以MIT定義為例，其主要以物理傳感器作為媒介，通過協(xié)議采集目標(biāo)對象的相關(guān)信息，此時的“物”主要局限在物理世界中。博士在MIT的基礎(chǔ)上，將“物”從物理世界擴(kuò)展至虛擬世界中，并明確物理和虛擬的“物”可通過交互協(xié)議與信息網(wǎng)絡(luò)整合到一起。我國院士在博士的基礎(chǔ)上，重點提出了對“物”的管控具有一定的“智能化”?？傮w來看，其實就是制造業(yè)的“信息化”、“數(shù)字化”及“智能化”的三個階段體現(xiàn)。表一：信息化、數(shù)字化、智能化之間的差異從上述內(nèi)容不難看出，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)歸類與智能化階段，要求工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為AI（虛擬）及機(jī)器人（物理）的中間橋梁，實現(xiàn)虛擬大腦指揮物理設(shè)備的設(shè)想。如果要實現(xiàn)這樣的目標(biāo)，那么AI就不能單單理解為某一種邏輯算法，而應(yīng)將AI作為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的總和，根據(jù)知識工程及最優(yōu)算法輸出最經(jīng)濟(jì)的業(yè)務(wù)執(zhí)行過程，以此來為企業(yè)賺取更多的利潤。3.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實施策略制造業(yè)企業(yè)要實施好工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，除需要理解物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)在含義外，還需要了解配套的實施方法，制定合理的中短期目標(biāo)，明確每一期目標(biāo)所需要獲得的收益以及實施過程中所可能面臨的風(fēng)險。從項目角度來看，首先應(yīng)明確項目做成后的收益來源，根據(jù)收益拆分所需實現(xiàn)的目標(biāo)，由目標(biāo)推導(dǎo)出需求，再根據(jù)需求制定合理的解決方案，最后輔以一定的跟蹤，才能落實好工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。(一)收益來源收益來源是一個很寬泛的概念，收益既可以理解為項目實施完成后，從系統(tǒng)中獲取的利潤，以SAP為例，可以理解為對進(jìn)銷存進(jìn)行管理，避免訂單延期導(dǎo)致的損失。以CRM/SRM為例，也可以理解為根據(jù)客戶以往下單規(guī)律，提前在原材料低谷時預(yù)先儲備，提前準(zhǔn)備產(chǎn)品在客戶下單時可快速交付而帶來的利潤增加等。對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)而言，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的定義及發(fā)展應(yīng)概括成：基于以虛擬或物理環(huán)境的信息，根據(jù)已制定的算法模型，自動出具收益（避免損失或增加利潤）最大的系統(tǒng)工程方案。在制造業(yè)中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的收益應(yīng)更為廣泛，一般分為行業(yè)/產(chǎn)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)兩種模式。1.行業(yè)/產(chǎn)業(yè)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)此種物聯(lián)網(wǎng)更多由政府側(cè)或非營利性組織提出，例如行業(yè)協(xié)會等。其目的在于避免內(nèi)耗，提前準(zhǔn)備，政策預(yù)判等。在PTC某年度技術(shù)大會上，徐州某大型工程機(jī)械企業(yè)就分享了一則有關(guān)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用實例：在前一年因工程機(jī)械行業(yè)受累于基建的影響，不少工程機(jī)械的設(shè)備因采購乏力導(dǎo)致產(chǎn)品滯銷，企業(yè)決策層正苦惱于庫存高企及訂單減少的壓力，而在此之前已賣出的工程機(jī)械設(shè)備上已全面加裝傳感器，通過4G信號傳輸至企業(yè)云端服務(wù)器，此時信息化部門的管理層基于此向企業(yè)決策層建言，根據(jù)目前已賣出的設(shè)備開機(jī)率來推測，今年年中即可迎來基建及工程機(jī)械行業(yè)的回暖，同時向決策層提供了開工設(shè)備所處于的地域、運行時間等重要信息，最終決策層研判提前應(yīng)對，順利完成了當(dāng)年的經(jīng)營目標(biāo)。從政府側(cè)或行業(yè)側(cè)來看，很少能獲取第一手可信數(shù)據(jù)，所以制定出的政策往往不能真正解決問題，而反觀工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，其可隨時洞察某一個具體行業(yè)的現(xiàn)狀，并根據(jù)近期行業(yè)供需的波動，提前預(yù)判近期經(jīng)濟(jì)形勢的變化趨勢，繼而制定相應(yīng)的對策，做好全行業(yè)/全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同，為社會賺取更多的收益。2.企業(yè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)此類源于企業(yè)內(nèi)部，通過采集企業(yè)車間設(shè)備（物理）、業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)（虛擬），為企業(yè)搭建決策層、管理層及執(zhí)行層的一體化業(yè)務(wù)平臺。以業(yè)務(wù)系統(tǒng)為例：銷售人員可以通過IIoT平臺實時獲取ERP系統(tǒng)中某一產(chǎn)品的可銷售庫存量，并在客戶現(xiàn)場實施調(diào)整報價及到貨周期，進(jìn)一步提升競爭優(yōu)勢。而當(dāng)庫存不足以滿足客戶需求時，又可以通過IIoT聯(lián)動MES/APS系統(tǒng)，預(yù)測最快的交貨周期及交貨策略，為銷售人員獲取訂單提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。同理對于采購人員，也可以通過IIoT平臺獲取近幾年內(nèi)原材料采購價格的波動情況，適度調(diào)整采購量。而對于研發(fā)或生產(chǎn)人員，可以通過IIoT平臺獲取PLM/CAPP等系統(tǒng)，制定與企業(yè)設(shè)備相匹配的生產(chǎn)工藝，并逐年優(yōu)化，進(jìn)而提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低不合格品的數(shù)量。而對于企業(yè)管理人員，又可以通過設(shè)備綜合利用率（OEE）來判斷產(chǎn)能是否區(qū)域瓶頸，并根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展情況制定關(guān)?；蛐沦彯a(chǎn)線的決策。從企業(yè)內(nèi)部推行IIoT的初衷來看，其更偏向于BI式的決策平臺，收益的判定更多來源于企業(yè)的避損。3.1實施模式既然實施工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)有上述諸多收益，但如何鎖定并落實此部分收益，則是每個企業(yè)所面臨的難點。從目前實施情況來看，所涉及的主體對象共分3塊，分別為設(shè)備（物理）、系統(tǒng)（虛擬）、智能（人或算法）。圖一：設(shè)備、系統(tǒng)、決策層內(nèi)容工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)若想實現(xiàn)項目目標(biāo)，則需要根據(jù)自身主體及情況，制定合理的實施策略。從廣義上來看，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項目實施就2種主要途徑：1.自底向上（設(shè)備-系統(tǒng)-決策）此種途徑常見于企業(yè)決策層未制定出清晰的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的應(yīng)用規(guī)劃，也沒有形成明確的應(yīng)用訴求及收益點，只從外界獲悉了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺能力，便準(zhǔn)備開展相關(guān)項目的實施。此種途徑的優(yōu)勢在于：因頂層設(shè)計缺乏，為避免考慮不周而引起后續(xù)的重復(fù)投資，所以在項目實施初，就將企業(yè)內(nèi)部的所有設(shè)備登記成冊，并根據(jù)設(shè)備情況，將設(shè)備（物理）層的相關(guān)數(shù)據(jù)全部提取出來，待IIoT平臺實際使用一段時間后，再將真實的業(yè)務(wù)需求逐步調(diào)整。而若不采用此種模式，很容易在IIoT上線后業(yè)務(wù)部門發(fā)現(xiàn)提取的信息并非所期望的，在此情況下既浪費了項目投資又難以為企業(yè)提供價值。而若將所有數(shù)據(jù)先期全部采集后，若后續(xù)業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)所要非所得后，可直接進(jìn)行調(diào)整，不用因新數(shù)據(jù)采集而產(chǎn)生二次投資。然而對于設(shè)備數(shù)據(jù)全部提取所帶來的成本增加，在IIoT系統(tǒng)架構(gòu)合理規(guī)劃的前提下，也處于可控可接受的范圍。對于數(shù)據(jù)采集的設(shè)備，可按如下劃分：(一)CNC設(shè)備（RJ45，含各類轉(zhuǎn)RJ45端口設(shè)備）數(shù)控設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與信息獲取。在每臺數(shù)控機(jī)床上都配置有一個智能采集卡（智能設(shè)備），采集卡上裝配有傳感器組。可以采集包括主軸振動、軸承座溫度信號，以及零件加工信息在內(nèi)的多種狀態(tài)信息。智能采集卡將獲得的數(shù)據(jù)通過無線傳輸接口直接上傳到服務(wù)器端。所以只要CNC設(shè)備具有網(wǎng)口（RJ45）即可完成單臺CNC設(shè)備的運行數(shù)據(jù)采集。所以對于采集數(shù)據(jù)類型的多與少，并不增加額外的采購成本。(二)PLC通信接口設(shè)備（非RJ45端口）PLC設(shè)備大多通過RS485/232等接口輸出模擬或數(shù)字信號，然而模擬信號一般不能直接進(jìn)入系統(tǒng)（虛擬）層，所以常將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號。例如在電機(jī)外殼安裝振動傳感器，通過RS485將振動頻率數(shù)值通過集線器（HUB）、網(wǎng)關(guān)（Gate）傳入IIoT平臺。圖二：設(shè)備鏈接拓?fù)淙粢宰缘紫蛏夏Ｊ接嬎愎I(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采購及調(diào)試費用，那么在采集物理量總量不變的情況下，以一次規(guī)劃完整、數(shù)據(jù)采集齊備的方式最為經(jīng)濟(jì)。即以自底向上的模式下，應(yīng)盡可能規(guī)劃所有所需要采集的物理量或信息，避免后期多次新購對網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備產(chǎn)生的影響，也可在后續(xù)應(yīng)因業(yè)務(wù)需求變化而隨時提供相關(guān)信息。同時若考慮大批量采購的優(yōu)惠，實際一次采購的性價比更優(yōu)于二次采購。若再考慮二次安裝可能帶來的對前次安裝的改造調(diào)整，那么整體實際費用恐怕會更高。2.自頂向下（決策-系統(tǒng)-設(shè)備）此種模式常見于企業(yè)決策層已非常明確業(yè)務(wù)需求，或者外部咨詢公司向公司提供了明晰的、確定的、所需采集的物理量或信息。那么系統(tǒng)層規(guī)劃及設(shè)備層采購按既定決策落實即可。此種模式的優(yōu)勢在于避免了大規(guī)模采集所有物理量或信息所帶來的浪費，也大為降低因信息量過大而導(dǎo)致的技術(shù)難度成倍增加、更避免了因信息量過大導(dǎo)致實施周期過長的問題。同時此種模式更有利于制造業(yè)企業(yè)內(nèi)部推行工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，其原因在于：制造業(yè)企業(yè)的項目出發(fā)點在于通過項目獲取收益，而且企業(yè)實施項目有預(yù)算上限及成本考核，若采用自底向上的模式，雖然也可以實施工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，但靡費甚大。反觀自頂向下，當(dāng)企業(yè)決策層指定出信息后，管理層進(jìn)行拆分及落實就變得更為容易。3.2新技術(shù)使用及理念分析實施IIoT時，都必須要明確IIoT項目所需要實現(xiàn)的價值，無論實施方式采用哪種模式，只有真正采集到有價值的信息，才能為企業(yè)帶來收益。根據(jù)目前實施的項目，對如下事項進(jìn)行討論：●4G/5G模塊在實施IIoT項目時，常會與ISP（信息服務(wù)提供商）合作，首年合作時3家ISP服務(wù)商都會開出較為有吸引力的價格，但企業(yè)需要仔細(xì)計算使用4G/5G信號的RoI，并根據(jù)應(yīng)用場景判斷，是否需要接入4G/5G。i.安全性車間的設(shè)備通過AP網(wǎng)關(guān)即可接入4G/5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，即使在加裝硬件防火墻的情況下，依舊難以保證設(shè)備數(shù)據(jù)不泄露，更嚴(yán)重的情況下，車間設(shè)備被黑客遠(yuǎn)程控制，對車間及人員的安全造成威脅。目前我國是全球受到信息安全威脅最為嚴(yán)重的國家，一旦介入4G/5G網(wǎng)絡(luò)，在目前的安全形勢下，不可能確保設(shè)備及人員安全萬無一失。在安全的前提下，不建議將可遠(yuǎn)程控制的設(shè)備通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)布出去。而對于不可遠(yuǎn)程控制的設(shè)備，建議只通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)上傳必要的數(shù)據(jù)，避免對蜂窩網(wǎng)絡(luò)的流量占用，也降低信息泄露的風(fēng)險。ii.使用場景通過分析4G/5G的性能優(yōu)勢可以大致歸納出相應(yīng)的使用場景，一般而言借助蜂窩網(wǎng)絡(luò)（數(shù)據(jù)高速傳輸，低延時的優(yōu)點），在遠(yuǎn)程會診、特殊地域信息采集等場景有應(yīng)用。以遠(yuǎn)程會診為例，醫(yī)生可通過蜂窩網(wǎng)進(jìn)行跨域遠(yuǎn)程醫(yī)療，對于車間設(shè)備故障，設(shè)備生產(chǎn)商也可進(jìn)行跨域維護(hù)。特殊地域信息采集場景包括礦場、建筑施工現(xiàn)場、海上鉆井平臺、氣象觀測站等。對于制造業(yè)企業(yè)的車間，一般通過內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行設(shè)備連接，無線也常使用WIFI、Zigbee等實現(xiàn)。iii.經(jīng)濟(jì)性蜂窩網(wǎng)絡(luò)的使用費用最主要來自于流量費，ISP一般以首年大幅度優(yōu)惠吸引用戶，次年起恢復(fù)正常資費。若以有線網(wǎng)絡(luò)計費，則費用主要來自于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)帶寬年費。企業(yè)使用IIoT不可能只使用一年，若以5年計，那么以實時傳輸30臺設(shè)備參數(shù)信息至遠(yuǎn)程服務(wù)器為例，有線網(wǎng)絡(luò)寬帶資費將大大低于蜂窩網(wǎng)絡(luò)。所以若企業(yè)已具備設(shè)備維護(hù)能力且?guī)缀醪恍枰獠抠Y源支持，IIoT服務(wù)器又在企業(yè)內(nèi)部時，則不需使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)。但若企業(yè)無設(shè)備維護(hù)能力，每月都需要外部專家遠(yuǎn)程運維，或企業(yè)為輕資產(chǎn)將數(shù)據(jù)存放于云服務(wù)器時，則可能使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)。iv.傳輸性能從目前公開數(shù)據(jù)顯示，4G信號最大傳輸速率為100mbps，也就是12.5MB/s。5G信號最大傳輸速率為10Gbps，也就是1.25GB/s。以華為S5735S-L系列交換機(jī)為例，整機(jī)交換容量大于336Gbps，所以若服務(wù)器與設(shè)備采集模塊處于同一網(wǎng)絡(luò)時，內(nèi)網(wǎng)交換機(jī)的傳輸性能優(yōu)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然考慮性能時還需考慮經(jīng)濟(jì)性，一般不會對每個傳感器都配備無線傳輸模塊，因為按此方式配置則成本將非常高，常規(guī)做法是將多個設(shè)備的信息傳輸至某一設(shè)備中集中存儲，然后對此集中設(shè)備安裝無線模塊，這樣統(tǒng)一傳輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性會更好，即使按此方式，因總流量不變，所以資費依舊比內(nèi)網(wǎng)要高。且信息集中存放并傳輸具有一定的瓶頸，一旦超過負(fù)載能力，實時效果將打折扣。●預(yù)測性維護(hù)/維修可預(yù)測性維護(hù)維修是不少企業(yè)實施IIoT時的一個需求點，應(yīng)該說這樣的想法很好，很類似上醫(yī)治未病的理念實踐，但I(xiàn)IoT實施完成后，常發(fā)現(xiàn)并未實現(xiàn)預(yù)測性維修，甚至預(yù)測準(zhǔn)確性十分低下，究其原因就在于設(shè)備故障的發(fā)生具有隨機(jī)性。如同人一樣，同一個地域同人種，壽命長短各不一樣。以上海寶鋼煉鋼廠4cc機(jī)組為例，原始設(shè)備運維數(shù)據(jù)由點檢員承擔(dān)，記錄每次扇形段更換的時間及爐數(shù)。4cc機(jī)組設(shè)備如下圖所示：圖三：連鑄機(jī)4cc流水線由：1臺結(jié)晶器（MD）、1臺0號段（S0），3臺扇形段A段（SA），3臺扇形段B段（SB），1臺扇形段C段（SC），1臺扇形段D段（SD），10臺扇形段E段（SE）組成。運維數(shù)據(jù)通過點檢表記錄：表二：點檢表從以往點檢記錄來看，扇形段的更換爐數(shù)飄忽不定，每次連鑄設(shè)備異常后，對鋼坯表面都有一定量的劃傷，最終導(dǎo)致鋼坯降級甚至報廢，對企業(yè)日常經(jīng)營造成損失。所以寄希望于通過IIoT的實施，在連鑄設(shè)備損壞前，利用澆筑間隔將快損壞的扇形段替換下，以達(dá)到減小損失的目的。實施IIoT后發(fā)現(xiàn)預(yù)測的準(zhǔn)確度很低，沒有達(dá)到當(dāng)初的目標(biāo)，分析有如下原因：●設(shè)備故障的現(xiàn)象與原因是一對多的關(guān)系例如鋼坯表面發(fā)生劃傷，存在多種原因?qū)е拢洪L短輥運行速度不一致，上下段輥子滾動速度不一致，中間支撐破損等。IIoT所采集的數(shù)據(jù)只能反映異常情況，對于故障的實際原因還