行业的见解
为工业4.0做好准备
发布05/25/2017
作者:Tanya M. Anandan，特约编辑
工业4.0似乎更多的是概念性的，而不是实际的。幻想的未来比实际的解决方案更多。对许多制造商来说，工业物联网(IIoT)、信息物理系统、云机器人、雾计算和大数据可能令人生畏。智能工厂的愿景会让我们觉得自己很傻。
智能工厂将信息技术的数字世界与操作技术的物理世界连接起来，许多人称之为IT/OT融合。但工业4.0并不是未来工厂的一个遥远愿景。它就在这里，就在现在。机器人网络正在连接到云，并提供大量有洞察力的数据。如今，制造商正在使用这些信息管道来简化资产管理和维护，最大化设备和流程效率，并提高产品质量。
我们将探索汽车城三大汽车制造商之一是如何利用其互联机器人，不仅可以防止停机，还可以在故障发生前预测故障。我们将向您展示如何将实用的工具应用于今天的工作，为您的工厂和员工准备一个由连接和协作推动的未来。
在发生之前停止停机时间
通用汽车正在将物联网和工业4.0的构建模块投入使用——就在今天。通用汽车的机器人供应商和战略合作伙伴FANUC美国公司正在帮助通用汽车建立一个强大的智能制造基础。通用汽车、发那科和网络巨头思科共同开发了零停机时间(ZDT)解决方案。ZDT使用基于云的软件平台来分析通用汽车各工厂机器人收集的数据，以检测可能导致停产的潜在问题。
在汽车制造业中，每60或90秒就会有一个新的车身从装配线上下来，每分钟宕机的成本可能超过2万美元。一次停机很容易造成数百万美元的损失。当生产线嘎然而止时，这些备份可能会影响整个供应链，进一步加剧损失。延迟还会影响到客户、汽车经销商、车队用户和购车者。
位于密歇根州底特律市的通用汽车公司高级自动化技术经理兼机器人技术首席工程师Marty Linn说:“我们已经采取了一些措施，试图更好地预测和维护我们的制造设备的健康状况。”“我们和FANUC一起讨论了在生产过程中如何避免问题。这并不是工业4.0的伟大愿景。这是关于我们能做什么，以消除停机时间在我们的工厂意外维护。”
ZDT试点计划于2014年在通用汽车上推出。通用汽车与FANUC之间的战略伙伴关系是成功发布的关键推动因素。The history between the two companies dates back to the early 1980s, when GM entered into a joint venture with the Japanese robot manufacturer to form GMFanuc Robotics Corporation to develop and market robots in the U.S. The venture would later be divested, but the strong relationship continued. It’s a long history we highlighted in last month’s article,robotmakers - 昨天，今天和明天．
在大约35,000个机器人通用汽车中，其中大约95％的人是Fanuc机器人说Linn。并且那个数字继续增长。
“我们正在整合机器人。每天当我们推出新产品和新项目时，我们的集成商都会将机器人和系统运到工厂。”
目前，通用汽车有超过8500台机器人连接到FANUC的ZDT平台。每天都有更多的机器人连接到云上。
ROI
每天，ZDT在厂房都有区别。Linn说，自计划成立以来，GM已经能够避免超过100多种明显的未经安排的下降时间。
“这避免了6到8小时的计划外停机时间，这取决于什么会发生故障。你可以算一下，有很多。对于我们的任何工厂来说，这都是一件大事，尤其是在我们的卡车和SUV工厂，在这些工厂，每一次停工事件都是非常重要的。”
随着成千上万的机器人连接并与云通信，通用汽车不久就开始实现投资回报。FANUC凭借ZDT解决方案获得了通用汽车2016年度创新奖。这家机器人制造商是唯一一家获得该奖项的非车辆零部件供应商。这视频解释了ZDT如何在转基因工厂工作．
“这不是 '杰克斯“技术”，“Linn说。"This is using big data, the internet of things, new algorithms, computer capacity, all those things that have evolved over the past years, and using them in the most efficient way. Preventing downtime, and anticipating or even forgoing maintenance until it’s needed, is huge!”
它是如何工作的
ZDT包括硬件和软件平台。机器人通过以太网连接，通常为本地工作单元网络。然后本地工作单元网络连接到工厂网络。
每个机器人收集数据，并馈入机器人控制器软件。然后，位于生产工厂的数据收集器硬件从工厂中收集来自所有机器人控制器的数据。一旦数据到达数据收集器，那么它就会安全地传输到思科云。所有数据都由Cisco软件完全加密，因为它将其传输到云。
FANUC开发的分析软件对进入云数据库的数据进行分析，找出潜在的关注领域。一旦检测到异常或特定标准，就会向FANUC服务中心发送电子邮件警告，以便部件和服务进行预防性维护。电子邮件提醒也会发送给预先指定的客户人员，这样他们就可以在停机前采取适当的行动来解决问题。
密歇根州罗彻斯特山FANUC美国公司产品开发副总裁Jason Tsai表示:“ZDT的一个关键因素是提前预测故障的能力。”“这是一项具有挑战性的任务。”
蔡解释说，由于24/7的生产计划，提前两周预测故障的能力可能不够好。缺少一个窗口仍然会导致生产中断。
“如果你能够提前三到四周预测，那么你就有机会在周末安排更换，以避免停工。”
FANUC为数据收集提供了两个选项。客户可以使用Cisco提供的数据收集器硬件，或者他们可以使用自己的服务器，只要它符合某些系统要求。在这种情况下，需要将ZDT数据收集器软件加载到客户的服务器上，以便它能够与思科硬件相同的功能。思科数据收集器称为UCS™的统一计算系统，旨在覆盖最多1,000个连接机器人的整个工厂。
“机器人可能是我们在我们的装配厂中最可靠的自动化操作，”GM的Linn说。“但机器人仍然磨损。突破的电缆有问题。你有磨损的变速箱。我们倾向于非常努力地运行我们的机器人。我们每天三个班次运行我们的几家植物。这意味着您没有经常定期维护的时间。
他说:“例如，我们可能会有一个齿轮箱失灵的机器人。”“机器人做了一个测试。它决定了变速箱将会失效。然后，我们就会安排在下一次停机时间更换变速箱。”
仅在需要时进行维护
通用汽车起步缓慢，在头一两年就连接了几千个机器人。但到2016年秋天，通用汽车已经有6000多个机器人连接到ZTD平台，仅仅6个月后就有8500多个。目前，解决方案集中在FANUC机器人和FANUC机器人控制的过程上。没有将其他制造商制造的机器人连接起来的意图。
“自机器人开始以来，我们可能已经使用了每一个制造商的机器人，所以还有一些其他制造商的机器人我们今天在生产中使用，”Linn说。“但我们所有的新机器人购买超过十年一直在扇动。
“我们在部署方面起步缓慢。当我们发现问题时，我们就进去更换零件。然后我们研究了这些部分。当然，我们已经能够验证和验证那些部件将会失效。他们会让我们停工。正是在那个时候，我们能够减少计划外维护事件，每个人都非常兴奋，并开始说，这太棒了，我们还能用它做什么?”
通用汽车还使用ZDT只在需要时安排维护，而不是受制于例行维护计划。
“例如，一个机器人可能被设计成每天进行1000小时的例行例行维护。所以我们计划在那个时候维护它，”Linn说。“但在需要维护之前，它实际上可以使用1250小时。因此，我们正在努力摆脱固定的维护计划，而是根据需要制定时间表。这是未来大幅节省开支的主要途径之一。”
机器学习
ZDT不仅适用于机器人。也适用于工艺设备。由机器人直接控制的过程，如焊接、喷漆和一些点胶应用。林恩以通用汽车的汽车喷漆店为例。
“通过观察空气压力、下沉压力、涂漆执行机构的速度，以及许多涂装过程和相关参数，我们能够监测设备的健康状况，从而确保工作质量。”
成品质量是至关重要的汽车油漆店．FANUC的所有新型油漆机器人都是ZDT-ready，这意味着它们可以监控各种功能，包括油漆罐、喷涂器、调节器和驱动健康。
FANUC的Tsai说:“如果你计算与汽车喷漆相关的活动部件的总数，每个机器人有超过200个活动部件。”“这些移动部件中有相当一部分与控制射孔枪、调节器和压力的工艺特定设备有关。如果这些设备中有任何一种过早出现故障，都可能导致质量问题和/或停产。”
目前，通用汽车将ZDT更多地用作预测性维护工具，而不是过程内自适应工具。但随着技术的发展，越来越多的数据被收集和分析，算法变得越来越复杂，你可以看到，通过机器学习，它可以成为一个更适合实时流程改进的工具。
Linn说:“在油漆车间的情况下，通过认识和理解有非常微妙的过程变化，并纠正这些变化，我们能够改进我们的过程。”“我们希望扩大这一战略，使设备变得更加智能，能够自我诊断，并通知我们操作性能的变化，这样我们就可以在合适的时机进入设备，根据需要进行调整或维修。”
汽车和超越
FANUC的ZDT分析解决方案正在全球客户的设施中监控超过10,000个云连接机器人，并且每天都在增长。目前，FANUC只在汽车行业使用，但FANUC计划在2017年底发布通用工业和非汽车客户的软件和硬件支持。
“我们的解决方案需要具有可扩展性，适用于拥有两到三个机器人的小型通用工业制造商，”Tsai说。“对小型制造商来说，安装软件和设置硬件的方式必须是即插即用的，因为他们没有IT部门的支持。”
作为其标准产品的一部分，FANUC的数据收集软件在机器人运输之前在机器人控制器上预加载。对于遗留机器人来说，Fanuc提供了需要加载到机器人控制器上的ZDT软件。
Tsai说:“在已经连接的1万个机器人中，至少80%是传统机器人。”“我们已经成功地将这些控制器加载到软件中;这是简单的。”
最终，FANUC和思科打算使用这种为ZDT开发的数据通信高速公路来连接机器人以外的其他设备。ZDT是FANUC智能边缘连接和驱动(FIELD)系统提供了开放式软件平台，允许为自动化系统中使用的FANUC CNC，机器人，外围设备和传感器进行高级分析和深度学习功能。字段基于边缘计算技术，其中在网络边缘的制造站点内处理大量数据，从而最小化共享数据的体积和成本。
蔡解释说:“在ZDT云解决方案中，数据从生产车间的设备一直流到云，在那里你会有延迟或延迟。”“使用FIELD平台在地面接收数据的好处是，你可以对事件进行实时响应，这就是FIELD的功能。它是一个开放的平台软件，可以加载到计算硬件中，然后允许你访问来自机器人、PLC(可编程逻辑控制器)或机床设备的数据，并实时应用分析。它甚至可以根据您的行为改变您的产品。这就是实时机器学习可以提供良好价值的地方。
“行业4.0不仅仅是一个梦想。这是真的，“Tsai说。“这是一个自动化的令人兴奋的时刻。”
令人兴奋的是，越来越多的机器人制造商推出了自己的工业物联网解决方案，以拥抱工业4.0带来的连通性水平。
ABB的Ability™Connected Services允许制造商充分利用从单个机器人到整个车队的智能价值，利用直观仪表板上的实时数据，提高机器人系统的性能和可靠性。在这个智能工厂观看它的行动在德国海德堡制造断路器。互联服务是远程服务平台持续发展的一部分，ABB在2006年推出了远程服务平台——比“物联网”早了几年。今天，ABB拥有数千个远程监控机器人，并提供完全集成的工业物联网解决方案。
机器人数据触手可及
库卡连接是一家全新平台今年早些时候正式发布。基于云的软件平台允许客户在任何时候轻松访问和分析任何设备的Kuka机器人的数据。
该解决方案提供三个主要功能：资产信息管理，条件监控和维护警报。这视频演示了Kuka如何连接利用云计算技术和大数据分析，为客户提供有关其联网机器人的深刻信息。
“如果您是一位大型OEM客户，您可以在一个设施中拥有数千个机器人，”Andy Chang，Austas营销总监Andy Chang解释说，Austas，在德克萨斯州奥斯汀的Kuka。“他们管理资产信息管理的方式是使用手动维护的巨型Excel电子表格。电子表格上的信息可能或可能不准确，他们可能无法实际上知道他们有什么类型的机器人。“
Chang说，没有正确的资产信息可能会影响机器人在其一生中维护的好坏。
“通过使用KUKA Connect这样的工具，你可以很容易地查看工厂周围的所有机器人，并逐个浏览它们，查看它们何时被委托，检查序列号，以及当前安装了什么软件，而无需亲自走向这些机器。”
对于状态监控，KUKA Connect提供了特定的机器人kpi(关键性能指标)，以帮助技术人员和维护人员衡量机器人的表现。Chang举了一个例子。
“我们提供机器人所有不同轴的温度图表。如果生产人员或维修人员开始观察到某一特定轴的温度曲线趋势在上周一直在上升，这可能意味着一些事情。一，变速箱可能因为某种原因过热了，二，载荷可能需要改变。机器人拾取的物体可能不是机器设计的目的。”
Kuka Connect旨在在桌面上工作以及移动设备，智能手机或平板电脑，任何支持Web浏览器的内容。
目前，KUKA Connect只支持KUKA机器人。直观的仪表板有助于根据特定的标准可视化数据。无论您是试图优化维护计划还是管理备件库存，所有的数据都在您的指尖，因此您可以预期潜在的停机时间，并在停机发生之前采取措施解决问题。
“今天，Kuka Connect提供了两种方式提供信息，”Chang说。“一个是非常字面的。当有一个控制器错误消息时，我们将使用错误代码和错误描述为用户提供实时通知，因此它非常动态。第二部分是更加被动的。我们向最终用户介绍数据，然后他们需要立即为其机器人，他们的工厂内插件。“
该软件平台不仅与机器人接口，它还将监控机器人控制器控制的自动化设备，如焊接枪或涂胶枪，甚至如果机器人在轨道上，还会增加一个轴。
“任何由机器人控制或辅助的信息都将成为平台的一部分，”Chang说。“这是我们目前正在研究的，是将机器人数据与特定流程数据结合起来进行可视化的能力，这样终端用户不仅可以了解机器机械的健康状况，还可以了解流程本身的关键性能。”
它是如何工作的
KUKA Connect利用a雾计算设备它使用端到端应用软件来安全地发现、通信并将机器人数据传输到云。
“为了将所有机器人连接在一起，您需要一个物理设备，”张开。“我们与一家名为Nebbiolo Technologies的公司合作。它们提供基于FOG OS（操作系统）技术的Fognode™（边缘计算设备）。Essentially it’s a real-time PLC and a network bridge two-in-one, so it can intelligently understand the network infrastructure, separate the firewall between the production firewall and IP firewall, as well as have the processing power to do some data ingestion onsite. Then on the other end it will send information to the cloud.”
雾计算设备驻留在客户的工厂。KUKA Connect是一项基于订阅的服务。所需要的只是一个用户帐户，以便登录并查看连接到该fogNode的机器人。每个节点最多可支持60个KUKA机器人。
Kuka Connect与机器人制造商的KR C4控制器配合使用，并支持Kuka.Systemsoftware（KSS）8.3.20版及以上。Chang注意到它是实际互相交谈的机器人控制器。任何连接到这些控制器的机器人都将起作用。但目前，库卡不支持旧的遗留系统。
“我们正在探索一些机制，使客户体验保持一致(跨越几代控制器和系统软件版本)。无论是KR C2还是KR C4控制器都没有关系。”
“我们想确保客户在客户购买Kuka Connect时，硬件实现很容易。这是即插即用，“张说。“没有加载软件（过去一年中销售的每个机器人已经拥有加载在控制器上的软件）。我们所有的客户需求都是用户帐户。“
库卡提供了一个教学视频帮助用户开始。
“当我们设计和建造了这款产品时，关键要求之一是降低进入屏障。我们希望确保Kuka Connect是用户友好的，从用户部署到日常使用量。利用云的好处是，我们可以在我们拥有它的所有客户时继续向所有客户推出新功能和新功能。我们想确保我们的客户希望能够访问最新和最伟大的技术，他们可以立即拥有它。这是我们将继续建立的平台。“
土生土长于奥斯汀
您可能会感到惊讶地知道库卡联系诞生于孤岛州。这是a的产物德国机器人制造商最近被中国家电制造商Midea收购．KUKA在德克萨斯州奥斯汀的新部门成立于2015年，是位于德国奥格斯堡的控股公司KUKA AG的一部分。
那么为什么奥斯汀？张表示，该市已发展成为一个主要的技术中心。
“在过去10年里，我们确实看到了发展势头。和加州一样，我们有非常好的教育系统，在奥斯汀的德克萨斯大学就在这条街的尽头，然后是德克萨斯农工大学和莱斯大学。与硅谷和波士顿等其他地方相比，从商业角度来看，成本非常有吸引力。绝对有一个巨大的机器人社区正在酝酿中。”
张表示，在奥斯汀办事处设想了Kuka Connect，开发和发布。他们最近在SXSW 2017上展出，在那里瓶子翻转机器人抢尽了风头．
劳动力发展为行业4.0
为了真正实现行业的愿景4.0和智能工厂，我们将需要跨多个地理区域和行业的巨大人才库来弥合生长技能差距．一家公司正在帮助建立人才库，培养未来工厂所需的技能。
Festo是用于过程控制和工厂自动化解决方案的气动和机电系统，控制和部件的全球领先的全球制造商。德国自动化供应商已经将行业4.0放入自己的工厂实践，Scharnhausen技术装置他们在美国制造阀门、阀门终端和电子产品。他们的女儿公司，Festo Didactic，是技术培训机构和制造公司工业教育的全球领导者。
在今年4月的自动化大会上，新泽西州伊顿镇Festo Didactic Inc.的工程开发经理特德·罗齐尔(Ted Rozier)做了一个关于发展具有自动化能力的下一代劳动力他指出，由于缺乏合格的候选人，美国有30多万个制造业职位空缺。这一数字预计只会继续增长。
罗齐尔说:“教授学生熟悉自动化硬件和软件的完整组合是很重要的。“他们需要了解机器人和plc的集成过程，并熟悉物联网如何增强整个过程。这在欧洲很常见，我们希望在北美提高这种培训的知名度。”
罗齐尔强调多学科学习的重要性，特别是关注机电一体化．
“为了帮助工业4.0带来生活，物联网必须蓬勃发展。要做到这一点，你需要强大的IT背景和强大的机电一体化背景。我们有机会培养这样的人才，他们不仅能够理解，而且能够影响从顶层到车间的自动化制造过程，从IT层到帮助机器人做出决策的传感器。这是一项重要的技能。”
学习工厂
Festo Didactic提供“学习型工厂模块”，提供机电一体化、控制技术和自动化技术方面的实际工业培训。该系统从单个项目工作站I4.0开始，用于教授控制技术的基础知识。然后可以添加几个模块来创建一个完整的学习CP(网络物理)工厂，其中可以包括一个现实的工业托盘循环系统和一个自主移动机器人来连接不同的工作站。
看到费斯托的CP工厂正在运作．该系统是完全模块化的，因此单个工作站可以随着学习需求的变化而增加、删除和移动。培训主题包括:PLC项目工程，与人机接口和RFID传感器工作，调试web服务器和TCP/IP和OPC-UA接口，能源监测和管理，与智能过程数据模块工作，企业资源规划(ERP)系统，制造执行系统(MES)，和快速成型。
拥有制造业和STEM专业的社区学院正在使用Festo的CP工厂模块，为他们的学生毕业后立即就业做好准备。位于南卡罗来纳州罗克希尔的约克技术学院(York Technical College)有一整个房间专门用于CP工厂，大约有六个模块。像位于阿拉巴马州万斯(Vance)的梅赛德斯-奔驰(Mercedes-Benz)这样的公司，正在使用费斯托的学习设备来提高工人的知识。
Festo Didactic也开设了一个学习中心，在那里他们在俄亥俄州梅森这样一个培训和学徒课程。来自Festo的Mason和Eatontown设施的培训师也可以通过该国提供培训职业计划和企业持续教育。
我们必须让我们的劳动力做好准备，以适应人类、机器和数据在一个超级互联的世界中交互的新方式。现在你可以采取一些步骤来为工业4.0和智能工厂做准备。RIA成员供应商可以帮助您走上正确的道路。
要了解更多关于工业4.0的各个方面，包括网络安全，请加入推进自动化协会，我们与自动化联盟合作Integr8全球工业4.0会议2017年11月9日。现在开始注册。