到目前为止，工业4.0说得很多，但落实得很少。在这里，专家们讨论了引入它以提高制造企业效率的经验教训。
工业 4.0 在内部连接公司的所有设备并与供应链中的其他设备连接，以自动化和优化生产。 （由西门子提供）如果您对工业 4.0 的前景感到有点不知所措，并且可能对您缺乏进展感到有点羞怯，那么您就有好伙伴了。位于芝加哥的全球会计网络 BDO USA 最近对年收入在 2 亿至 30 亿美元之间的美国中间市场制造商的 230 名高管进行了调查，其中只有 5% 目前正在实施工业 4.0
工业 4.0 描述了一种制造环境，在这种环境中，您的所有设备都在内部联网，并与工厂外供应链中的其他设备联网。智能软件分析从这些来源收集的数据并报告生产情况。然后，人工智能会自动分配资源、购买用品或安排维护。
这是一个很有吸引力的目标，那么您如何实现呢？
第 1 步：连通性
工业 4.0 需要的第一件事是机床和分析机器数据的计算机之间的数字连接。如果您有较新的设备，这不是问题，因为它可能内置了连接。旧机器通常缺乏这种连接，并且它们可以生成的数据有限。但根据 BDO 工业 4.0 实践的联合负责人兼管理和技术咨询服务实践的全国负责人 Eskander Yavar 的说法，“整个市场改造将 1990 年代末和 2000 年代初的机器连接起来。”
位于伊利诺伊州埃尔克格罗夫村的西门子工业公司机床数字化经理 Vivek Furtado 解释说，在没有以太网接口的旧机器上“您必须从 PLC 中获取数据。可能有一个功能可以做到这一点，或者您需要一个自定义程序来将它从 NC 移动到 PLC。您可以获得的数据也有限制。”只有您才能决定它是否值得付出代价。
密歇根州罗切斯特山发那科美国公司的工程总监 Joe Gazzarato 说，他的公司有客户在运行 1980 年代制造的机器人，他质疑为 30 岁的机器人添加工业 4.0 功能的投资回报率。 “如果您谈论的是定制机床，可能更容易证明费用合理，尤其是因为有 MTConnect 适配器可以连接旧机器。 [这些是]你连接的用于提取数据的板通过 I/O 和其他方式，并将它们连接到 MTConnect 网络上。”
此外，研发税收抵免可用于工业 4.0 投资，Yavar 表示。他指出，随着传感器成本的下降以及大多数软件供应商使用现收现付模式这一事实，“进入壁垒已大大降低。”
有线网络似乎成为首选方法。 Furtado 认为无线数据传输在两种可能的情况下发挥更大的作用：较小的车间和拥有大量廉价机器的工厂，“通过电线连接它们的成本会很高。” Gazzarato 说，“对蜂窝的依赖带来了自身的挑战，因为许多植物不利于无线技术。”他表示，FANUC 为其主要的工业 4.0 产品提供了 4G 路由器选项，但尚未得到广泛采用。
无论是有线还是无线，任何网络都必须提供网络安全和“工业稳健性”。小号以 FANUC 为例，其零停机时间 (ZDT) 应用程序连接了 16 个国家/地区的 20,000 多台机器人
以将数据发送到云端的 ZDT 数据中心。为了保护这些数据，FANUC 与 Cisco Systems 合作。 Gazzarato 认为这笔交易让客户“对与我们建立联系充满信心”。
还有一个问题是如何最好地构建数据以供导出和传输。 MTConnect 在北美很受欢迎，而欧洲人（可以说在工业 4.0 中走得更远）则青睐 OPC UA。 Furtado 说 MTConnect “仅限于几个变量，因此在功能和能力上受到限制。”底线：这不是标准化的东西，所以你必须做出选择，开始行动，并继续观察发展。即使考虑到他对 MTConnect 的批评，Furtado 也表示这很重要，“因为你必须从某个地方开始。”
第 2 步：唾手可得的果实
一旦你有了必要的沟通通信基础设施到位——它不必一次涵盖所有内容——下一步是实施一些工业 4.0 功能，这些功能可以为这些努力提供良好的回报。
这将有助于获得管理层的支持-了解额外的工业 4.0 投资并指导实施这些投资的地方。正如 Furtado 所说，“关键应用程序围绕生产力展开。除此之外还有关键流程指标，例如上市时间。”他认为机器监控和预防性维护是使用最广泛的应用。
“人们希望减少机器停机时间，他们不仅希望监控机器的功能，还希望监控操作员正在做什么以及他们使用机器的效率如何，”Furtado 说。
这里提到的“应用程序”很关键，因为仅仅从机器中提取数据并不能说明任何问题。你必须解释数据以获得有意义的信息，这需要一个好的软件程序。已经有许多这样的产品，由主题专家开发并随时可用。
FANUC 的零停机时间应用程序远程跟踪公司的所有机器人，以报告状态并预测问题它们发生了。 （由 FANUC 提供）FANUC 的 ZDT 于 2015 年推出，可远程监控机器人并报告有关机器人健康状况、维护需求和利用率的信息。据该公司称，它会在公司进行生产时自动执行此操作。 Gazzarato 报告称，迄今为止，ZDT 分析已识别出潜在的设备问题并通知客户采取纠正措施以避免意外停机超过 600 起，为公司节省了超过 7500 万美元。
“但 ZDT 也做了我们称之为基于条件的 mai维护，”Gazzarato 说，“这超越了预测性维护。我们观察机器人的使用方式，然后我们可以预测何时应该进行维护。”这包括更换驱动器上的润滑脂或检查手臂上的电缆等。 “例如，如果机器人没有被过度使用，你可以推迟日常维护。相反，如果它被过度使用，我们可能会告诉您尽快检查电缆或润滑脂，”他说。
请注意，“过度使用”不仅仅指运行时间。 ZDT 还会跟踪机器人驱动器的峰值扭矩以及机器人使用的能量等信息。据该公司称，通过结合来自多个传感器的数据，ZDT 等应用程序可以判断机器状况。在 Gazzarato 描述的最近一个例子中，ZDT 发现客户的机器人焊接存在潜在问题喷枪基于测得的峰值扭矩和扰动扭矩，因为喷枪在每次操作中关闭。他说，原来是一个缺失的螺栓将适配器固定在钳口上。
西门子最近收购了 OMAT Ltd. 的产品组合，这家总部位于耶路撒冷的 Omative 自适应控制监控和振动监控系统制造商。 Furtado 说，该软件可以安装在控制器上或通过第三方连接。
“自适应控制和监控系统 (ACM) 在加工过程中查看负载并自动调整进给速率，”他解释说. “这减少了循环时间并延长了刀具寿命，因为它保持了恒定的刀具负载。它还提高了表面光洁度。”
振动控制监控 (VCM) 系统进行基于频率的分析以识别颤振，并可用于优化各种加工条件，他说。两个系统都可以在机器控制上执行这些功能，无需外部连接，或西门子可以通过其 Manage MyMachine 功能将此数据和其他数据移动到云端以供进一步分析。
在磨削领域，磨料制造商诺顿|马萨诸塞州伍斯特市的圣戈班提供诺顿 4Sight 流程监测和诊断系统。它收集主轴功率负载和其他磨削参数，以深入了解故障排除和优化磨削工艺。据该公司称，这包括提高砂轮寿命、工件质量和系统生产率。该系统提供即时通知、实时仪表板和历史分析报告。 Saint-Gobain 表示，Norton 4Sight 可通过 MTConnect 或 OPC UA 轻松与任何机器集成。
从那里，4Sight 可以完全集成到 FANUC FOCAS、Mitsubishi 或 Siemens 等 CNC 控制器。据该公司称，随着开发时间的推移，这个列表可以扩展，并且对于较旧的机器，4Sight 与数百个 PLC 兼容。
第 3 步：扩大范围
DMG Mori 在这款 DMC 80 FD duoBLOCK 加工中心上以橙色突出显示的组件中添加了 60 个传感器，以便获得有关机器性能的详细实时信息。 （由 DMG Mori 提供）一旦机器连接起来并提供对利用率的更好洞察，并且可能与 ZDT 或 ACM 等应用程序相关联，就该“深入研究以提出更详细的问题”，Furtado 说。这可能意味着更多的应用程序、更多的传感器、连接更多的机器，以及将连接范围扩大到供应链中的更多合作伙伴。到目前为止，为所描述的系统收集的大部分数据都来自现代 CNC 固有的数字反馈：比如控制知道主轴何时打开，或者每个驱动器上的扭矩负载。这种数字反馈早于工业 4.0，但将 data 与智能软件等外部资源相结合可以增加其价值。
同样，在机器上添加传感器也能带来回报，位于伊利诺伊州霍夫曼庄园的 DMG Mori 已经解决了这个问题。 DMG Mori 与位于密歇根州特洛伊的 Schaeffler Group 合作，为其 DMC 80 FD duoBLOCK 加工中心添加了 60 个传感器，以实时了解机器的性能。
例如，直线导轨在X 和 Y 轴具有加速度传感器，可测量振动以收集参考数据并定义趋势、设置公差阈值并控制润滑剂消耗。滚珠丝杠螺母具有轴向和径向振动传感器。线性轴的轴承带有轴向力传感器。转台装有温度、振动和油脂传感器。
所有这些数据都输入 DMG Mori 的 CELOS 状态分析器应用程序，该应用程序可以很好地可视化、分析和预测机器状态，以便安排维护。它为单个机器执行此功能，跨工厂，或通过云跨地理位置分散的工厂。据该公司称，一个名为 Performance Monitor 的单独应用程序捕获和分析整体系统效率，同时考虑机器可用性和组件质量。
更高阶的应用程序刺激流程改进
另一件事explore 是您所谓的“高阶”应用程序，它结合来自不同机器的信息以实现整体流程改进。请记住，像 ZDT 这样的应用程序之所以起作用，是因为 FANUC 的专家建立了他们特定产品级别的知识。相反，正如 Gazzarato 解释的那样，“一旦你获得了外部产品专业知识并进入了一个组件系统，我们认为还有其他人更了解你想用数据做什么。我们并不声称知道处理所有非 FANUC 设备运行数据的最佳方法，但我们希望帮助人们创建应用程序。”
因此，Gazzarato 说，FANUC 正在推出一个名为 Field System 的平台，该平台可以从任何设备收集数据并运行由 FANUC 和/或使用该数据“为客户提供价值”的第三方开发的应用程序。
Field System可以连接所有 FANUC 机器人和 CNC 机器。它还支持 MTConnect 和 OPC UA，可用于连接各种设备。 “我们还认识到，有些用户不使用 MTConnect 或 OPC UA，有些用户拥有这些协议创建之前的遗留设备。因此，FANUC 提供了一个软件开发人员工具包来创建一个转换器，将 Field System 连接到一件旧设备。”
Field System 还包括一个应用程序商店，供用户研究和试用不同的软件包。 Field System 位于网络边缘的工厂中。
Siemens 还在其解决方案中使用三层模型。 “第一层是基于控制的，”Furtado 解释说，“这是 ACM 和现在运行 VCM。第二层是基于工厂的，基于我们的 Sinumerik Integrate 平台。 Sinumerik Integrate 进行 DNC 和 NC 程序管理、工具管理、机器数据采集和 OEE（整体设备效率）分析。”
他说它还进行基于状态的监控。这意味着测量机器的指纹以及一些圆度和平行轴测试。针对某些检查和签名使用这些测试，一些分析可能会提示问题。这些可能是导轨中的碎屑，或工作不正常的滚珠丝杠，提醒操作员需要进行预测性维护。工具管理将所有机器连接到工具测量系统，测量工具的变化并补偿控制中的这些值。第三层是基于云的西门子 MindSphere。
未来，机器监控、工件分析、ACM 和 VCM 等应用程序也可能在网络边缘运行，结合来自一台快速计算机上的多台机器。捕获这些数据后，边缘计算机可以将其移动到云端进行分析。发送到云端的数据会有延迟，因此您不会将其用于刀具路径的实时优化。但这对于基准测试和评估加工过程的更一般变化很有用。例如，Furtado 说，“在云级别，我们可以决定监控特定传感器或轴随时间的特定偏差。”
云端优势
一大优势对云来说，是能够结合来自大量机器的数据，甚至是来自分散在全球各地的机器的数据。您收集的数据越多，机器学习算法在预测维护需求和其他操作时就越精确。 MindSphere 上运行着三种基于云的应用程序：Manage MyMachines，它显示历史和警报数据，并在一定程度上允许第三方连接； “经典”OE根据公司自身的生产标准 (KPI) 显示有效性的 E 应用程序； Manage MyMachines Remote，允许远程访问机器。
“[这包括]其 PLC/NC 数据以及使用安全连接将文件传输到机器的可能性。 MindSphere 还可以连接到 ERP 系统等其他企业级系统，”Furtado 说。
未来？
我们已经谈到了未来的功能，很容易设想一些的近期改进。 FANUC 的 Gazzarato 指出基于状态的维护得到广泛采用，并清楚地掌握“实际操作使用数据和能耗数据”。我们已经在用 ZDT 做这件事，但我们只是接触了一部分机器人。将来，我想你会在所有设备上看到它。 [随着] 工业 4.0，你永远不应该让一台设备意外停机。你应该知道的健康以及您设备的需求，您应该能够采取主动行动。”
甚至像基于机器数据的自动化零件订购这样的事情也是可行的，并且将会发生。问题是什么时候，因为正如 BDO 的 Yavar 所见，在建立可以连接不同类型的设备和业务功能（如 ERP）的通用数据和命名基础设施的过程中，“我们正处于十个阶段的第一阶段”。
Yavar 和其他人还认为，工业 4.0 将导致更多制造商提供基于性能而非基于产品的合同，因为他们可以远程监控和维护机器的性能。 “困难的部分不是技术。困难的部分是每个人都在以自己的方式进行工业 4.0，而我们一直都在构建连接层。”但不要绝望。这些好处是真实存在的，并且会惠及那些敢于尝试的人。
