工业4.0给流体技术行业带来的机遇和挑战
赫尔杜舍教授：“O+P”科学技术顾问 施让克先生：Parker Hannifin 公司总裁 哈克博士：Bosch Rexroth 集团董事会成员，分管工业应用与销售 萨服博士：Aventics 公司 销售战略副总裁 巴特博士：Hydac 电子公司市场战略主管 泊斯特教授：Festo公司技术与研究协调领导人，流体技术研究基金主席 西耐克先生：德国VDMA机械设备协会流体技术分会副会长 克莱林先生：Argo Hytos公司状况监测与电子部门领导人 普茨教授：德国应用技术研究院IWU机床与成形技术研究所所长 傅科飞克先生：亚琛工大流体动力与控制研究所IFAS系统与控制技术研究组组长
主持人开场白： 在产品开发和制造中使用电脑辅助，在流体技术行业已有几十年的经历了。机电一体化的系统性思维方法已经为流体动力技术人员指出，越来越多地把功能结合入一个机电一体化的整体系统中去，会比传统的独立功能单元，功能更强，成本更低，更便利用户。那么，“工业4.0”还会带来什么改变? 工业4.0优先关注在制造自动化中使用互联网技术。在此战略意义上制造的技术基础指的是智能的功能单元及其联网。2015年4月，德国工程师协会(VDI)、德国电气协会(VDE)、测量和自动控制技术分会(GMA)发表了一篇与德国电子中央联盟和德国电子技术委员会共同制定的“工业4.0参考架构模型”的状况报告。其中有很多有用的提示和示例，以及术语和标准的解释。据此，智能功能单元的电子硬件和软件被概括为一个所谓的管理壳中，这主要允许各类数据，例如，设计和制造信息、加工状态、生命周期数据等的储存，并通过互联网与其他功能单元进行实时通信。在工业4.0的术语集中，智能功能单元的机械部分被称为对象。对象和管理壳的结合构成了一个工业4.0的元件。这还可以是由多个对象组成的一个子系统与一个管理壳的结合。因此，一个工业4.0元件可以是单一的功能性单元(例如，一个阀)，一个组件(如电液作动器)，一台机器中的一个工作站，一台独立的机器或者甚至一个完整的生产系统。工业4.0元件是专门为某一个任务设计的信息物理系统(CPS)。CPS的特征是物理(真实的)对象和信息处理流程(虚拟的)对象的组合，并具有开放并随时可以相互连接的，甚至与全球信息网(例如，数据云)。 一个广泛的CPS联网可能带来这样的情景：众多互相联网交流的智能物体根据它们壳内预设的程序，以及通过传感器获得的当前数据及信息自主地工作，甚至自动优化(智能工厂)。这就是物联网：可识别的物体通过网络相互沟通和自主安排自己的行动。 在工业4.0工厂，整个生产不再是今天常见的集中组织和层次型控制，而是被分散组织和控制。每个工件在管理壳里具有高性能的微型电脑，所有的产品信息都以数字形式存储。电脑知道工件的当前状态，还要进行的制造和装配步骤，以及交货，甚至使用信息。它能以机器可理解的方式提供它的对象的信息，并接收和处理新的信息。信息交换通常通过无线电进行。工件可以与下一步要加工的机器或加工装配中心实时通讯。智能工件能自主控制自己的加工途径，在个别机器出现故障时自行重新组织生产过程。 这种生产重新组织的最重要的优势是，制造过程非常灵活，交货周期短，库存低，可提供具有竞争力的、个性化的产品。新方法可以制造大量产品的变型，批量小至1，而不需要较高的成本或较长的交货时间。如果对一产品的经济生产不以数量为先决条件，那么很多新发明的产品就能以合理的成本小批量生产投放市场试用。这将导致“面向顾客的个性化生产”，并带来产品快得多的更新换代。 现在，不一定要立刻进行液压气动元件和系统生产流程的重组。可以考虑，通过CPS逐步取代传统的自动化技术的层次体系结构(例如，现场层、控制层、过程控制层、运营管理层和企业层)，同时，向着网络化、分散组织智能部件、或甚至服务自我组织发展。这个过程中，在自动化金字塔高层的控制和监测功能将逐渐下移至现场层。工业4.0的传动与控制元件可以具有这样的能力，直接接收订单，并通过与其他智能对象协调，自主完成订单。这些就辅助了带集成传感器和执行器的智能机电一体化功能单元的开发。 主持人：应用技术研究院已在开姆尼茨建成了一个非常有趣的样板工厂——“E3-资源高效生产研究型工厂”。那里，在新研发理念的基础上为明天的制造研究可持续的解决方案。关于这个大项目以及工业4.0对它产生的影响，普茨教授能告诉我们什么吗? 普茨教授：自从25年前我们在开姆尼茨作为应用技术研究院在德国东部创办的第一个制造技术研究所以来，研究所的工作主要集中在成形技术。在我们的E3样板厂，我们在“车身制造”、“动力总成”和“成形和加工”领域研究三方面的内容：节能技术和装备，无排放的工厂和物流，以及人们在制造中的参与。这很多与工业4.0有关，但未涵盖全部。一方面，我们所关注，并直接关系到工业4.0的，是数据的处理：如何赢得有用的数据?如何处理数据，技术生产数据或能源消耗数据?如何安全地交流和管理数据，特别是如何从数据中获得有用的信息?我们应该避免成为数据的墓地。数据透明度(数据可见性)的问题也非常重要：要保证，一个10年前制造的产品，我们还可以找到它的制造信息。 主持人：数据及其处理毫无疑问是工业4.0的一个关键问题，同时还有智能系统的电子联网。 普茨教授：是的。2015年的汉诺威展会已经表明，工业博览会几乎是一个信息博览会，而Cebit计算机博览会则是一个生产技术博览会。工业4.0本质的问题是，我们如何把传统的制造技术与现代信息和通信技术的可能性结合起来——从技术和人两方面。一个特殊点是沟通方法学。数据和信息技术不再需要集中存储，而是可以被分散存储。而这种分散化还包含可移动，这是我们在E3研究型厂工作和展示的另一个重点。顺便说一句：数据和信息处理的分散组织及其流动性和把人结合入工业4.0是相对20世纪70年代所推崇的目的在于全面自动化的计算机集成制造(CIM)的决定性差别。 主持人：大家如何评价这样一种看法，使用工业4.0，单件能与大批量件同样高效率地制造?如何回答这个中心问题：“工业4.0对我们意味着什么”?我们对新的发展已经做好准备了吗? 普茨教授：我不相信一个在做到具有100%灵活性的同时还能做到成本相同。我们应该一直意识到，总是要适当折衷妥协。 我曾是个搞液压的，在东德改革时，我用成型技术“救”了我，因为我相信在5000t的大压机上液压驱动和控制总会有用。现在我们是一个大型研究所，与合作伙伴一起研究成形技术中的液压和气动。我确信，流体技术可以自信地和令人信服地出现在工业4.0中，流体技术在过去20～25年的许多发展可以完美地配合工业4.0：非线性的电子元件，使系统成套，并具有通信能力的技术。流体工程师可能对此有别样的称呼，但可以有意识地应用这一技术。 泊斯特教授：在费斯托，工业4.0意味着长时间以来一直在讨论的扩展工业制造的需求。要考虑信息技术就像我们在日常生活中也体验到的越来越大的影响：更多联网的机会，更多的沟通能力和灵活性。然而我们如何在工业环境中应用，这涉及到如实时性和数据安全等问题。而我，像普茨教授一样坚信，长期以来一直立足于机电一体化的流体技术是在正确的轨道上：我们的元件通过和传感器、控制器的功能和空间方面的结合，已经支持分散式结构。随着我们现在提供的许多解决方案，对我们来说，在应用中实现工业4.0的结构并不难。流体设备和系统的分散式控制结构已经讨论了很长时间，并已建立了技术前提。无论是一个液压驱动还是一个伺服气动驱动，控制功能都能直接根据驱动需求实现。许多今天的流体技术解决方案都注定会被我们的客户在生产环境中用于实现工业4.0。 主持人：液压气动元件和系统实际上已经准备好被用于工业4.0。一个分散在机器和设备中的控制结构对应用流体技术的机电一体化功能单元是有利的。例如，把电子控制设备集成到一个控制阀的管理壳中，它提供了硬件平台，以实现用户友好的专用控制和调节算法和结构。我们可以期待部件和系统的什么新的发展? 萨服博士：我们Aventics公司把工业4.0看作能为客户提供特殊服务的契机。我们的元件在技术上相当简单，并应继续保持这样。我们不相信它们只会与机器通信。我们期待着用户和元件制造商之间的数据交换，从而大幅度改进我们作为供应商所提供的。在未来应用数据的基础上，我们可以例如对客户说：“请更换这个阀”。就是说，我们可以向用户提供一个功能，以增加其设备的可用性。这样，我们不仅在供货前，而且在使用中，为客户提供建议。为此所需要的所有信息，可以通过在我们的元件或用户控制器中的一个有联网能力的接口获得。 主持人：在这里，我们再次遇到数据处理问题。客户给你的数据是否有安全保护? 萨服博士：数据安全是一个棘手问题，从来没有完全解决过。尽管有一些安全措施，绝对安全的数据保护目前是不可能的。但如果我们希望提供某些功能的话，那从元件来的数据对我们是不可缺少的。在不久的将来，我们就能够更好地了解我们已投放市场的产品的应用环境。我最喜欢的例子是智能手机应用程序，使用它可以确定车的当前位置。这不仅对用户很有用，而且对车辆制造商也很有用，因为制造商可以由此获得车的使用工况。对我们而言，我们不仅需要设备间的数据交换，而且希望通过与我们的元件通信和收集数据，为客户提供服务。 主持人：联网产品运行数据的智能评估可能成为一个新的、有成果的服务项目。但现在气动产品中已经带有可以联网的接口了吗? 萨服博士：没有，我们的普通元件没有。工业4.0专用产品我们是作为特殊订货的。我们当然必须确保客户愿意为额外的电子器件付费。我们的普通气动元件必须保持简单和便宜。但我相信，新技术会被广泛接受。 泊斯特教授：现在市场上已有一些智能的气动现场设备，它可以通过开放平台通讯统一架构(OPCUA——Open PlatformCommunications Unified Architecture)的接口交换数据，实施结构规范。通过这个，可以直接把分散的电动和气动功能结合起来，或者和机器的控制器通信。一个例子是Festo的阀岛技术：这些器件完全具有通过互联网实施通信的能力。但一个工业4.0元件不一定要具有完整的联互联网的能力。例如，智能设备维护单元，它们能够分析系统的实际状态，检测与目标状态的偏差，并向操作人员发出警告。另一个例子是分散的微控制器。这些可编程控制器可以把控制功能从控制金字塔的中层移到元件层，这就符合工业4.0了。这样的解决方案需要我们制造商通过强有力的工程工具支持。我们需要大大降低目前的调试和维护成本。有这样的设想，这些模块要易于配对，然后控制程序可以通过“拖-放”图形方式开发，而不需要手工编写代码。在标准的进一步发展，简单的控制架构，易于编程和调试等这些课题方面，我们正在与其他公司和研究机构合作。 主持人：看来气动已经开始向着工业4.0研发元件和系统了，液压怎么样? 哈克博士：工业4.0将应用于对客户有价值的地方，例如提高设备可用性和生产效率。在博世我们目前集中于约100个项目，希望以此来证明这一点。博世力士乐有九个具体的带有工业4.0特征的价值流。一个熟悉的例子就是我们的移动液压阀装配，一条生产线可以组装众多的变型，并在其中融入我们最新的外部供应商。其中应用了我们自己独特的装配技术、驱动和控制技术，以及我们自己的拧紧技术。到目前为止，我们能够提高生产率10%左右，同时降低约30%的库存。在那里我们还正在建造一个带有实时功能的以太网接口的变速液压泵站，以便获得互动的实践经验。 但是，我们作为一个流体技术，液压和气动的生产厂，凭什么去和电子技术竞争?电气系统目前早已是多个互联的，因为他们使用现场总线系统工作已有多年，而我们的普通液压元件没有。在比例阀和伺服阀，闭环的驱动轴或变速泵驱动中值得加入额外的电子元件，而普通阀不值得。在这里，我们遇到了工业4.0经济上的挑战。如果你希望搞联网和分布式智能，那就必须明确回答应用价值问题。 傅科飞克先生：我相信，让所有的流体技术元件具有工业4.0的能力是不现实，不经济的。液压传动与控制技术使用液压-机械调节可以提供非常漂亮、简单和低成本的方案。让每个元件都有完整的工业4.0功能的电子接口，是没有意义的。需要有更好的解决方案。我们的流体技术工程师需要继续使用我们经过实践验证的长处。 克莱林先生：这是正确的，一个技术的应用价值必须放在首位。在这里的问题恰恰是，工业4.0能给用户带来的价值。从这个意义上讲，工业4.0更是自动化和信息技术对自己的一场革命。这将导致新的合理化，并在设备中增加灵活性。一个已被实践证明可行的增值领域是新的服务方案，如，预测性维护。从关于机器或设备的状态中获得的信息使得有可能增加容量，改善服务措施，减少停机时间。如果我们讨论，单个元件必须达到怎样的智能化，那么在我看来，必须回答能给用户带来多大价值的问题。 施让克先生：其实，很重要的一点，从哪里开始工业4.0经济上是恰当的?我们从一个简单的传感器(温度，压力，速度，振动)开始。我们从工作过程中收集数据，并对其进行评估。只有安装了一个小天线或现场总线接口才算是工业4.0?普通开关阀加装集成电子是不经济的。但从售后服务的角度来看，就不同了。技术上可以做到什么，它单独并不重要，重要的是真正带来经济效益。我们的客户不会追求别的，他们要求使用价值，否则我们就什么也卖不了。 主持人：对于液压工程师来说，目前工业4.0元件似乎不是一个开发重点。虽然应该提倡，把元件，如传感器或子系统与互联网相连，但是更重要的是，获取信息以改进维护和服务。是这样吗? 哈克博士：我相信，真正好的经营思路其实来自于服务。这里的关键词是：通过状态监测和预测性维护提高设备的可用性。这就对我们提出了数据收集，从而是传感器的问题。我们最需要的，就是测量如压力、温度、流量、污染颗粒数等。而测量机械量如振动等，可能还不是我们中很多人经常需要的。如何处理评估数据，即：什么时候泵或缸要失效了?这对我们这个行业还是比较新的问题。如果使用一个采样频率为50kHz的压力传感器采样，如何最佳地评估几十亿字节的数据?什么是真正重要的?这些问题可能对相当大部分液压元件生产厂还是新的。我们现在专注研究的，不仅是从厂内自有测试台上获得的，更是在客户现场在我们服务合同范围内的那部分数据。 克莱林先生：对客户真正增值的是，元件或子系统的状况，至今还没监控到的，通过不同的交互信息，可以简单地观察到了。通过这种虚拟传感器可以从例如温度、负载周期、压力或其他可测变量和次级控制回路信号了解一台设备的状况，所产生的价值将直接显示出客户投资的价值。 主持人：液压元件的研发目前不那么集中于为工业4.0元件开发机电一体化系统，而是更注重于让重要的标准元件和传感器通过现场总线来进行数据通信，从而监控设备，提供服务。是这样的吗? 哈克博士：我们两方面都做：把复杂的机电一体化系统发展成为“工业4.0元件”;为了服务把传感器装入液压产品和系统中并联网。紧凑的伺服液压驱动轴含有调速泵、伺服电机、液压缸、传感器和具有以太网接口的数字电子控制装置，我们在其中加入了很多局部的智能。这已经是工业4.0元件了。与电气传动相比，电液驱动轴原则上与机电一样处理：使用相同的调试工具。调试员很难感觉到，这是一个液压驱动。但用户同时获得了液压系统的优点，如鲁棒性、过载保护和功率密度。 泊斯特教授：这也正是我们在气动中走的道路。这样做的目的是为了在一个具有良好的积木式元件结构的基础上，生成多种可能的解决方案，实现自动化。在各处已经安装了传感器，通过IO-Link(输出入链接)集成到相应的节点。IO-Link的架构可以自动识别传感器：甚至可以在维修设备时，简单替换或更换成另一种。在传感器附近具有信号预处理，或许连同一系列其他设备，提供系统信息。从而可以获得关于设备状态的第一手信息。浓缩的信息被发送到下一个，更高级的控制层，在那里组装成设备状况的总体图像。这样，我们就处在工业4.0的架构考虑中：应该如何配置接口?根据哪些规则建立通信渠道?这些都只是在智能元件垂直结合必须确定的一些方面。关于工业4.0网络架构的讨论正进行得非常热烈，一直延伸到MES(制造执行系统)和ERP层次(企业资源规划)。 施让克先生：在这里，最低级别的通信已是双向的。在这个水平上，已经可以根据应急或服务的情况作出决定。只有一些消息需要向上一层次发送，而不是极其巨大的数据流向某个中心发送，并在那里进行处理。在现场这一层，特别是当它涉及到监测或服务时，我们提供配备适当电子接口的产品。通过小型控制单元，我们也可以在一个较低的层次作出适当的决定，进行双向通信。我们让元件给我们提供必要的信息，信号然后再送到控制设备的PLC。 萨服博士：当然不是信息往上送到控制器或互联网，才是重要的。在最低级别的元件相互通信，和我们客户的工件交换数据，也是重要的。例如，一个被设定为某个特定压力的单元，在被维护更换时，如果能告知新更换设备，它原先的设定压力。这也是很有益的，可以节省技术人员的调整工作。这不需要中央控制，这可以通过互联网接口来实现。 巴特博士：在服务领域具有几项任务，将来使用智能元件相互间，或者与一个移动终端的无线数据交换会很有价值。HVDAC正在研发第一批产品。在一台设备中，在更换传感器时，通过IO-Link自动将设置传送给新传感器。工业4.0必将有助于更充分地利用IO-Link提供的功能。关于主持人提出的问题，我想指出，机电一体化系统自身当然也要针对工业4.0进一步研发。除了提高能效方面，还有例如，附加功能，以简化调试，扩大诊断功能。因为诊断功能首先可以提高设备的可用性，为客户带来相关的利益。 主持人：如果我们做一个简短的回顾，我们能确定什么? 普茨教授：随着工业4.0，我们有机会超越传统的专业界限去思考，去完成多种多样的应用。我认为，工业4.0确定了4个同等重要的方面。 首先，机器或系统的当前状态必须以数据的形式被采集下来。 其次，必须从许多数据中获得信息，在工业4.0环境中这应自动进行。我们还应该意识到，在一个系统中安装的传感器越多，产生的数据越多，系统将越容易受干扰。在许多情况下，不需要额外的传感器，通过结合现有的信息往往可以获取新的信息。尽管最初的信号或数据服务于其他目的，但是从它们的结合可以构成虚拟传感器，使一些实体传感器成为多余。 第三，从信息中需要产生知识。这是今天专业人士的核心竞争力。在工业4.0，我们想把这个也自动化，也许利用智能的，自学习的工业4.0元件，而不需要额外的更高层次的控制。 第四，工业4.0战略必须为客户带来价值。如之前的一些发言者已经指出，并给出美好的例子那样：系统能自我配置或监控。我们应该问自己：哪里是新的商业模式?哪里我们还有因为对系统状态了解得不够好，而有固定的维护周期?元件层次的通信有没有为我们的客户提供真的很有价值的解决方案?我不认为工业4.0架构中很多控制层次在技术范围内是适当的和有必要的。 主持人：是否还有其他领域，例如机床，通过增加采集和分析数据来增值的经验吗? 普茨教授：机床制造厂试图把服务这方面的利润，现在约为2%～3%，增加至约10%。当希望在业务模式中提供额外的服务时，就变得非常困难。因为长期以来，为了让客户购买自己的产品，服务都是免费提供的。服务的经济价值没有被利用。在这里，流体技术从一开始就应该很警惕并在工业4.0应用中有意识地构建业务模式。 傅科飞克先生：液压元件在最低水平已经常常彼此通信，但是是液压的。在负载敏感控制的挖掘机中，液压缸把负载压力通知泵。这两个元件已经沟通得非常好，只是没有电信号，它们只使用液压信号。这种各个液压元件之间的通信技术已经很发达了。在工业4.0中需要在这里安装电传感器吗? 普茨教授：不。液压的优点，我们必须继续保持。我在我们讨论的一开始就说到：我们不仅要为流体技术带入工业4.0，而且相反，要易于理解地展示，流体技术已经有哪些方面可提供。这样，我们才可以通过工业4.0进一步提高能力，并取得额外的价值。 施让克先生：我们现在需要不同的液压工程师?许多人不这么认为，像他们描述的那样。 普茨教授：我很高兴你问到不同的液压工程师。在过去的20～25年液压工程师已经向机电一体化工程师发展了。你必须自己决定，你仅是元件的使用者还是代表了系统的思考，超越专业边界的思考。即使液压工程师主要被理解为成品元件的使用者，他也可以思考，哪里存在数据、信息、知识，可以创造新的价值。我也有相当长的一段时间在思考，例如一个三位四通阀在工业4.0技术的支持下，除了开关功能以外，还可以做什么? 萨服博士：我们甚至可以通过附加的传感器给一个二位三通阀增加一个有趣的功能。我举个例子：我们正在制造一个压力传感器，它可以通过其接口报告阀后面压力积聚的过程。这个压力积聚过程3年来相同，现在突然改变了。原因?泄漏!系统需要维护。这里，我们再次接近服务功能。但这些恰恰是我们客户今天需要的，他们理解并希望有的功能。如果我们的客户不理解所提供的功能，那么他也不想为此付钱。 泊斯特教授：通过多样化的流体技术元件，我们原则上已具有工业4.0的能力。它们完全可以适应各种环境，并与不同的控制结构集成。也许在某一点或某一个架构处我们需要在元件或结构里引进更多一点的功能，但这在原则上技术上是可行的。我看到两个主要挑战。 第一，已经提到的“增值/业务模式”的问题，元件的“生命周期管理”问题。着眼于服务和其他额外功能，什么是可行的商业模式?什么是我们可以通过数据和附加信息得到的业务机会? 第二，通过我们的元件和系统的生命周期管理我们可以达到什么?可惜，能听到的大部分只是停留在关键词上。对此，我们流体技术工程师仍然需要深入考虑。 主持人：随着新的技术的出现，将来是否可能，调试设置能够在相当程度上独立于操作者地自动进行?如果已经以数字形式获得了所有需要的信息，驱动器应该能自行设置?适应另一产品和生产节拍所需的调试时间目前还取决于操作者。在这方面是否有成功的研发工作? 哈克博士：现在，由于机电一体化，我们传统的液压工程师在现场已经面临巨大的挑战，光是一台转速可调驱动装置就够难为他们的了。我先前曾提及，博世力士乐的调试软件对所有驱动器都是一样的，无论是电-机驱动还是变速电-液驱动。但是，谁曾经调试过一次这样的系统，就会知道，有1500个参数可调。这可不是个小数字，这尤其不适合我们的液压专业人员。换句话说，我们必须把这个大大简化。这可以通过自动学习，或者通过随带的调试指导软件，可以这么说，通过一个界面，仅显示1500个可能的参数中对我重要的50个。这样，至少使驱动器可以开始动。目前已有的“电子铭牌”大致是朝着这个方向的。为了实现自动化调试和不依赖于操作者的优化，我们需要在元件里有局部的人工智能和状态监测。我们正在向这个方向努力，以避免每次调试总是要至少两个员工参与。 萨服博士：在Aventics公司，我们也同样正在努力研发一套新的调试辅助系统。我们很快就会让市场见到一个系统，在调试气动装置时，可以在手机上启动一个应用程序App，指导调试。该系统是交互式的，它会调用气动系统中的传感器，评估测量值，告诉调试员该怎么做，必须把哪个螺钉往哪个方向拧。我们一再看到，在调试气动装置时所必需的知识和信息往往不完全符合要求。手机上的App可以用直观易懂的操作说明提供帮助。数字技术可以增强员工现有的专业知识，使他们有能力从事更繁重的任务。 主持人：让我们把流体技术的辅助元件，如过滤器、蓄能器、油箱，包括在讨论之内。工业4.0对这些设备意味着什么? 巴特博士：工业4.0再次把远程诊断、状态监测和预测性维护这些主题推到前台。我们在贺德克正在研发新的状态监测(CM)和售后服务方案。作为流体技术系统CM的数据基础，除了通常测量的运行数据，如压力或温度外，一些特别的CM传感器的测量结果也很重要。例如，“气囊完整性传感器”能监测蓄能器中的气囊是否完好，差压传感器能检测过滤器和金属颗粒计数器的污染程度，可被用于，例如，变速器或泵的早期故障识别。“电子铭牌”或“电子产品信息存储器”也可以用于元件如过滤器或蓄能器。例如在现场服务时，使用便携式仪器及相应的App，可以显示产品的相关信息，如技术数据和执照，或者也可以显示以前的维护信息。电子产品信息存储器还允许通过便携式终端仪器储存最新的服务信息，也可以同时把相应的服务数据发送到服务器上，从而可以获得概况，安排维修计划。凡是可以通过工业4.0为客户产生足够高的附加值的地方，配备CM传感器的流体技术元件和系统就会增加，元件也会同样配备一个电子铭牌或电子产品信息存储器。 克莱林先生：除其他项目外，我们已经研发了“智能过滤”的方案，根据系统要求的清洁度通过调节器开启或关闭旁路过滤器。这提高了能效，同时保护了系统。在未来有可能会有这样的过滤系统，除了完成局部的调节任务外，还发送维护信息到服务站，例如，提示油液质量变化或需要更换滤芯。典型的应用实例是风力发电机，那附近通常没有服务站，所以旅行费用往往比维修费用还要高。有了这样的应用，就可以在工业4.0的基础上制定预测性维修方案，使维修计划化。 哈克博士：在2015汉诺威工业博览会上博世力士乐已经第一次推出了新的紧凑型液压动力单元系列。它们带有一个集成的预测性维护系统，里面装了一些传感器，有压力和污染度传感器。当然，我们还通过适当的算法使用“虚拟”传感器。它的任务不仅是连续收集和存储数据，而且还涉及到预计寿命：什么时候哪一部分会失效。警告信息必须提前几周或至少几天发出，而不是在已部分失效后。预测性维护是流体技术的大领域，在这里我们不单要处理流体，还要处理机械问题。我们必须找到这些问题的答案，如：泵会失效吗?如果会，什么时候?我必须给蓄能器补气吗，什么时候?什么时候应该换滤芯或换油了?我相信，这是一个真正给客户带来价值的专门领域，尤其是在流水线生产工厂，如钢铁厂、糖厂，或风力发电机。目前我们为好些顾客实时监测他们的装置。我们也知道，从互联网传来多大的信息量，所以正在扩大我们的信息系统。到2016年将有100台客户装置与我们的在线诊断相连。 西耐克先生：预测性维护是在工业4.0环境中的重要组成部分，将作为新的维护策略赢得越来越重要意义。可以预见可能出现的故障、错误和即将发生的故障，从而可以避免计划外停机和停产。此外，提高生产率，增加机器的可用性和可靠性，也是一个有力的论据。另外，还可以减小备件的供应和存储。预测性维护作为一个战略性维护工具可以为提高客户满意度、降低客户总成本(TCO)做出贡献。德国机械设备制造业联合会(VDMA)在2005年、2007年和2009年的汉诺威展会中把“状态监测系统”作为现代化的维修策略，举行过特别研讨会，非常受欢迎。在研讨会中演示了新的技术解决方案，向机械和设备运营者介绍了这种方案对生产率、可靠性和安全性方面的价值。 目前状况可以描述如下：客户都知道这种监测系统的优点，但由于成本而迟疑投资。通过工业4.0预测性维护会日益成为关注焦点。 因此，VDMA在汉诺威展览公司和行业的支持下，将在2016汉诺威展会上把预测性维护作为特殊主题处理。在17厅企业将通过展品展示其解决方案。此外，专家将在工业自动化研讨会上做关于预测性维护和其应用的深入的报告。VDMA流体技术分会将在2016年2月23日举行“预测性维护4.0”报告会，重点是面向制造性企业，在设备和软件解决方案的实现。 主持人：我们应该总结一下，流体技术目前在预测性维护和状态监测方面已经可以提供什么，在工业4.0的范围内将会怎样。 巴特博士：如前所述，我们已可提供很多用于流体技术元件和压力介质在线监测的CM传感器：污染颗粒传感器、油液老化传感器，以及，当然，用于测量工作参数的传感器。根据CM传感器测量和计算得到的数据，评估机器或设备的状态，目前，大多通过与阈值比较进行。 要正确地解释和评价CM传感器和系统的数据，首先需要对被监测元件、系统和流体的专家知识。这些将尽可能汇入CM传感器和算法的研发。另外，在应用中可能还需要特殊应用和设定阈值的特殊性专家知识。这经常达不到足够的程度。我们目前正在研究，在未来，CM系统是否有可能，以及如何自己产生为状态监测和预测所需要的“专家知识”。不过，这个问题始终要考虑经济利益，以及如何使对客户的价值变成金钱。在工业4.0中，在CM和服务方面也要考虑新的商业模式。 克莱林先生：我同意巴特博士说的，传感器的研发已是很先进了，已能够监控所有相关的系统参数。在开发虚拟传感器方面我们也达到了很高的技术水平。然而客户通常感兴趣的不是对测量值，而是在于延长他的机器的使用寿命。但对油的特性，如清洁度、粘度、水分含量、温度，或使用工况对元件的使用寿命有什么样的影响常常不清楚或仅模糊地知道。如果我们要在这一领域实现新的商业模式，那就必须简化客户的操作，例如，提供从传感器、状态评估直到显示的完整解决方案。 主持人：在你们为客户实施监控功能方面，你能否给我们举些例子? 克莱林先生：液压系统中的流体是反映机器或设备状态的绝好的信息载体：污染颗粒可提供元件损坏的预兆，从油液的摩擦特性可以分析油液是否还能起到减磨功能，油液中的积水反映密封件损坏或有泄漏。测试参数和评价数据是基于多年的经验。在那些需要高可用性，不容易通过冗余实现的系统中可以找到成功的应用。风力发电机是一个很好的例子。在近海和海事应用或者大型冲压机流水线也可以发现应用。 泊斯特教授：状态监测的另一个实例以及相关的环境是大型生产设备的能量控制，如我们在开姆尼茨E3研究型工厂所做的。这样做的目的是，通过针对设备持续测量来调查压缩空气消耗。但它不只是定位消耗的来源，而是以智能的方式达到对大型生产设备的整体能源管理。所有形式的能源，电动、气动和液压，以一个合理的搭配结合在一起了。这样可以使一个封闭的运行区域或工厂以最佳能效工作。这样的任务是复杂的，绝不是容易的。因此，我们在夏豪森的工业4.0技术工厂里实施这样的方案，制定相应的策略。这将是很可惜的和不可原谅的，如果我们在讨论时喜欢围绕能效和工业4.0策略，却忘记液压和气动的巨大技术优势：高功率密度，坚固耐用，过载保护，易拆卸更换的组装方式，这里仅列举几个方面而已。很重要的是，向我们的客户展示，怎么高能效地使用我们的设备，而且要从整体来看。这样就使得状态监测这个题目具有不可想象的意义。 傅科飞克先生：状态监测可以达到多远，有一个很好的例子，伊顿为软管和密封件研发的“寿命感觉LifeSense”系统。伊顿公司称之为智能软管。通过测量电容推断出软管是否会在不久失效。类似地也可用于O形密封圈。该系统已经投放市场。 施让克先生：有无数的事，技术上是可行的。但实际上谁会为之付费?今天，几乎所有的东西都可以想象：通过应变片，导电性、压力、流量和温度传感器可以了解液压元件及系统的所有情况。但是：谁希望拥有所有这些信息?这些数据属于谁?谁有权使用它们，公布它们，以及在最坏的情况下，做出法庭上可被接受的证词?这就是为什么我相信，当我们今天说客户时，我们真的需要非常关注，整个供应链和客户链。我们不仅在经济上，而且在法律上用所有这些信息做些什么有意义的? 泊斯特教授：这就是为什么建立了一个工业4.0工作组，处理法律状况，甚至可能还缺少的法律框架。该工作组也应该管理质保问题，从牵涉到价值链的责任分担，直到这些问题：这些数据属于谁?谁从这些数据中获取哪些信息，他对这些数据承担怎样的责任?这些牵涉到工业4.0的问题都是需要讨论的，今天它们还没有被解决。 主持人：我们的讨论表明，除了复杂的机电一体化单元以外，状态监测和预测性维护是可以成为液压和气压工程师进入工业4.0结构很好的两条途径。然而，恰恰在这些问题上碰到了大量的数据(大数据)，它在任何情况下都不应该对所有人开放。数据安全的问题，在元件、机器和工厂连接到互联网时，显得尤为重要。 所谓安全，意味着保护机器、数据不让未经授权的人员接触。如何评价数据安全问题，如何防止篡改? 哈克博士：我们的做法是这样的：我们已经与客户约定，传输数据不通过公共数据云，而是通过我们公司的服务器。这是封闭的系统，其中数据像单向道似地只是被存储。这就向设备运营商确保了，不会有恶意软件通过这条途径进入他的设备。我们通过自主学习的方法对数据进行评估，然后做出适当的预测。设备运营商每天从他的平板电脑上收到关于他的设备状态的信息。我们的系统现在已经达到了这么好的水平。每新连接上一台设备，我们的评价软件就会继续学习，改进自己。 主持人：该方案绕开了通过互联网通讯，也许为服务任务提供了充分的数据安全。但如果需要相互通讯时如何保证安全? 哈克博士：一旦两台设备要通过互联网进行交流，还是有安全问题的。然而，对我来说，根据我们前几年引入现场总线的经历，目前还有一个意义更大的一步要走。现场总线受各公司利益的影响非常强烈：有多种互不兼容的解决方案。有些产品，出现时短时间很潮流，但不久就从市场上消失了。在一个较长的过程后，市场会由使用者接受程度决定。我看到了巨大的风险，类似的东西可能在我们身上再次发生。在欧洲、美洲、亚洲从事互联网通信的国际机构，是否都同意一个统一的标准，这在目前还不清楚。一些人已经同意了由OPC基金会提出的OPCUA通信协议。美国人和亚洲人会加入吗?我有一个担心。我们首先要过这一关。希望我们这次可以比现场总线做得好。当然，安全问题还是存在。 泊斯特教授：谁与他人相互通信，就是交流信息。这个信息应该只给确定的人，而不让其他人无意或有意地偷听，这正是最难的地方。我可以想象，工业4.0的解决方案需要从一台设备上能够保证其元件独一无二性的电子铭牌开始，一直到在芯片级的通过设计保证安全。这方面正在制定几个解决方案，以便结合入我们的元件。这些方案应该保证安全，然后与上层系统进行通信。 主持人：一台机器必须通过互联网从外部获取数据?只有当数据从外部输入到生产单元时，才会出现危险。传出的数据可能被滥用，但对该设备没有影响。 萨服博士：互联网连接是没有方向性的，信息交换总是在两个方向上的。因为它不能安装一个“单向阀”。如果你用一台PC(个人电脑)和设备通过互联网相连，希望改变开关或其他功能，那么你立刻就遇到这个问题了。工业4.0的安全性有三个方面： 首先是数据安全，这点我们已经提到了。 第二方面是篡改：可能会有人访问设备，例如，修改速度，以至设备崩溃。 第三方面是可用性：如果不能连互联网了，会发生什么?这点我们一定要考虑到，可能完全得不到数据了，因为一个发射站偶尔停了。我担心，对此我们还没有仔细考虑过，我们很自然地认为，一切都始终可用。我们需要在网络不可用时也安全的方案。但这可能不单是液压或气动的问题。 另外，从许多数据中必须获取信息，在工业4.0环境下这应该是自动完成的。我们还应该意识到，在一台设备中，传感器安装得越多，获取的数据就越多，设备就越容易发生故障。在许多情况下，不需要增添额外的传感器，通过将现有的信息结合往往能获得新的信息。尽管原始信号或数据可能用于其他目的，但是从它们的结合，就可以得到虚拟传感器，使一些硬件传感器成为多余。 普茨教授：因为信息是在互联网中传送的，如果任何人都可以从某台设备获知，某天需要备件，那么可能突然一个竞争对手不请自来地提交报价，我们必须小心。应用技术研究院除了制造技术外还有其他许多领域，例如，信息。那里信息和物流研究所现在开始构建所谓“工业数据基地”。它涉及到很多我们已经提及的问题：数据主权——数据所有者确定，数据可以做什么，数据如何保护;共同管理者——用户确定游戏规则;网络架构——例如，数据存储在何处以及如何存储，等等。正在为所有重要的信息技术问题制定解决方案。我认为，流体技术工程师现在参与这种活动，是有益的和恰当的，能够在这种机构里以自己的意见来影响研发。 主持人：关于工业4.0参考装置我们在讨论中已经初步涉及，有这样的实例吗，其中流体技术发挥着重要的作用? 泊斯特教授：一个不错的参考装置，其中，流体技术起着重要作用的，是在凯泽斯劳滕的工业创新智能工厂。那里研发了一个独立于制造的示范和研究平台，示例了一个创新工厂系统，实现了工业4.0的策略。一些流体技术公司也参与了。在那里，你可以看到工业4.0如何工作。该系统具有模块化的系统结构，可灵活和快速地组建生产线。有通用的电力、压缩空气、工业以太网和急停插口，以及统一的机械，电-机和信息技术接口。这使保证了跨供应商的兼容性。来自不同制造商的单独的模块可以相互替换，并在高一层上互相连结。智能产品通过RFID射频识别控制其自己的制造过程。通过全面的标准，建立了一个灵活的生产环境。来自不同制造商的智能的工业4.0元件和它们的相互联网可以在真实的条件下测试和进一步改进。 哈克博士：博世力士乐已经启用了多台设备，其中实施了工业4.0的措施。比如，我们在洪堡工厂用于移动液压阀的组装线，这是在大约一年半前投入运营的。第二个例子是在印度尼西亚一个糖厂中一台带有很多电液驱动系统的装置，其中我们用了很多具有工业4.0特征，预测性维护的措施。第三个例子是加拿大的一家锯木厂。然而，所有这三个实例都没有考虑用作为其他公司的参照，那还为时过早。 主持人：未来项目“工业4.0”的想法起源于德国的机械制造和电子工程。但是，我们美国和亚洲的竞争对手很快就理解，它为了什么，生产单元的如此高度自动化能提供什么巨大的经济潜力。近年来，我们或许形式上有点过于关注此主题，并由此失去了有前瞻性、有竞争力的研发的时间。这也在联邦政府对“工业4.0平台”迄今所做工作的评论中体现出来。 在美国，旨在美国推进工业4.0的“工业互联网联盟(IIC)”现已成立，西门子已经进入该联盟，因为他们不满于我们的进展。你如何评价这种情况? 普茨教授：应用技术研究院现在作为一个整体也加入IIC，虽然我们有自己的提案。必须考虑，哪里是利益所在，哪里发生方案的竞争。 泊斯特教授：关于IIC的讨论目前正在火热进行。我们在德国，在各大协会的工作组和由联邦政府推动的工业4.0平台，集中地并以建设性的方式制定工业4.0的技术实质：网络架构可能是什么样的?具体在哪里需要一个标准，有什么建议可以给标准化组织?目前的讨论都是以相当的专业水平和参与进行的。同样重要的是，已经引用的实例展现了一定程度上无冲突的整个景观。我们需要在规范化，标准化方面加快点，因为正是这些德国参与者基本上都同意的标准，应该保持不变，并继续以一个自由开放的标准实施。 施让克先生：在德国我们非常关心技术、技术方案的研发。我们希望随着标准化和规范化，把我们所熟知的和安全所要求的法规固定下来。而在大西洋和太平洋另一边的人则是更关心利益。他们不是很了解技术，但更接近应用。公司如谷歌和微软在专注研究工业4.0，并考虑用那些合法或非法收集的数据可以做什么，可以提供哪些服务?关于客户的价值，对此，我们今天甚至可能没有想到，可能成为一个利润丰厚的市场，我们可能没有如我们希望地那么参与。我们还在忙于我们的优势技术的标准化和规范化，而另一些已经在用这个做生意赚钱了，这不应当允许发生。 哈克博士：我们有这样的经验，特别是在亚洲。我觉得亚洲人处理顾客价值导向的问题更务实。 泊斯特教授：我觉得，特别重要的一点是：工业4.0存在允许每个人灵活解释的余地。这个余地需要我们继续来填补。流体技术中许多现在已经可以看到的解决方案我们今天讨论了。工业4.0对于机械制造、电子技术及供应商行业，如流体技术，是一个巨大的机会，来与德国和国际市场上的智能解决方案竞争。我们的工业通过工业4.0得到的公众的普遍关注浪潮，我们需要积极地利用，而不是迟疑地摇头说：什么是工业4.0啊?这样我还根本不能开始啊。这就丧失了竞争力。而其他人无论如何是更快。其实我们很可以开始了。我们通过我们多年的思考探索，已经为有通讯功能的智能流体技术元件准备了坚实的基础。 主持人总结： “工业4.0”的愿景开始变为现实，它会改变机械制造和生产工艺。自动化的程度将继续显著增加，因特网的通信技术将进入生产技术。 关于工业4.0战略讨论的重点是：把机电一体化功能单元进一步发展成智能化，自学习的系统和它们与分散，独立自主工作单元的联网。在明天的工厂，几乎所有需要的数据(大数据)都可用。随着智能元件，提供了实现这些的可能性：自优化算法，支持调试运行的算法，自诊断，预测性维护和状态监测(如能源消耗，磨损数据，维修要求)。机械设备的使用和维护，可以独立安排，不再需要遵循某个固定的时间表。 是否原来对工业4.0的所有预期都可满足，现在仍然不清楚。但对于流体技术是一个很好的机会，展示智能化，具有通讯功能的元件和新的基于互联网的服务。对于中型的流体技术供应商，重要的是，在技术可能和经济上有利之间取得平衡。联网设备的运营数据的智能处理可能推动新的商业模式。系统性思考——机电一体化，在我们行业在过去20年里已经被广泛接受了，这也为新的方案铺平了道路。当流体技术工程师，使用工程师的方法学，利用流体技术固有的物理上的优势，经过深思熟虑，用大胆创新去竞争，流体技术一直能取得丰富的成果。 我代表O+P编辑部非常衷心地感谢你们极有意义的讨论。 译者感言： 高度自动化、无人车间是欧美工业20世纪追求的目标，并不等同于工业4.0。为客户创造价值，从而获得自己的利益是德国企业活动不言而喻的出发点和中心任务，即使在搞工业4.0时也是这样。物联网、分散型智能等等，只是手段而已。 即使在德国，工业4.0也还是处于探索之中…… (本文由中国液压气动密封件工业协会专家委员会特别顾问张海平博士翻译) |
