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从五大趋势探讨如何实现工业4.0数字化转型

2021-07-29 赵明灿 阅读:
工业上有五大推动力:产能利用率及加快产品上市;供应链优化;自动化与机器人;面向定制化应用的灵活性与模块化;利用绿色能源。

从中国新基建到美国新基建的提出,有个很热的话题就是工业互联网或者工业4.0。总结起来,工业上有五大推动力:产能利用率及加快产品上市;供应链优化;自动化与机器人;面向定制化应用的灵活性与模块化;利用绿色能源。WStednc

日前,在第九届EEVIA年度中国电子ICT媒体论坛暨2021产业和技术展望研讨会上,ADI中国区工业市场总监蔡振宇带来演讲主题《工业4.0数字化转型洞察:无缝连接推动工业创新》暨发布由ADI委托撰写的Forrester思想领导力白皮书,围绕这五个趋势做了详细解读。他并指出,从智能工业来说,这五个推动力是推动整个工业往前走的大趋势。WStednc

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如何提高产线效率WStednc

如何提高产线效率,也即如何使现有的产品生产率提升?随着现在工厂中AI或连接的大量使用,节点上各个数据的收集,比如工业里的温度、振动等数据收集变得越来越方便。这对于连接的要求会越来越多,拿到越来越多的数据,连接可靠性也越来越高,数据易获性也越来越高,这是最大的趋势。WStednc

拿到数据的目标是提高产能。如何做到?中间环节非常重要,就是要加强数据的分析能力。这就跟现在的大趋势,比如人工智能、大数据或者机器学习结合起来。“我们也看到越来越多的,尤其是头部的工厂,会把数据拿到以后做加强的分析,ADI的《无缝连接推动工业创新》的白皮书中也有提到。”蔡振宇表示。WStednc

拿到数据分析以后,就可以对工厂做一些优化改进,比如最简单的电机,在什么样的运动状态下最好,效率最高,“本来效率可能只有80%,通过实时调整负载状况,可以调到90%或者95%,将整体效率提高,这就是数据分析带来的优势。”WStednc

分析完数据以后,需要有动作去处理数据,最终目的就是生产力的提升,这就是工业发展如何提升的道路。最核心的一点在于首先要拿到足够量的数据,即带来大量的连接。“所以我们也提出:增强连接,迈向工业4.0的概念。连接是工业4.0第一步,也是最重要的工作,而在目前阶段,提升连接的质量和能力也至关重要。”WStednc

现在业界提出很多关于智能制造的概念,工业连接和实时数据是智慧工厂的基础和基石,只有有了好的技术和基石数据,才能做到真正的数字化转型概念。今年中国在“十四五”规划里面也着重强调了数字化转型的概念。整个数字工厂会有什么优势?可以提高资产管理效率,可以提高产能质量,最简单的就是可以减少废品率,成本就得到了降低。WStednc

另外,有了智慧工厂以后,就可以保证工人的安全。“大家可能最近一段时间很少听到有工人被车床撞到,或者类似的安全事故,这其实也是智慧工厂很重要的标志。也就是随着科技的进步,去保护人员安全。”蔡振宇谈到。WStednc

智慧工厂的好处还有环境可持续性,即绿色能源领域。WStednc

另外,生产敏捷性或产线的灵活利用也在其中。智慧工厂要做到这些,离不开的就是有线和无线连接。未来可能会看到更多以太网的概念,从而实现工业制造4.0,主要体现在几个方面:显著降低工厂的运营成本;基于电机振动数据,经过AI或机器学习做出分析,可以做到提前预测故障点,做到简化维护,不用每个工人24小时巡查工厂的运行状态,通过这几个节点的数据分析,预测电机、输入点是否会有问题;提高灵活性和提升效率,这是附加作用。这些都是数字化转型的优势。WStednc

从更高层面来解释未来会有怎样的无缝连接,可以看一下下面这张图。原先整个工业互联网或工业连接,都是比较独立的,从设备端到控制端到应用端,最后有一个防火墙,没有办法跟真正的网络去连接。现在,随着工业以太网或者这类标准的提出,可以做到一个新的概念:直接从智能的终端产品到智能工厂,最后连接到真正的互联网,达到IT和OT融合,把工厂数据跟现实的IT端融合。如图所示,本来是垂直的网络结构,未来就可能拓展成一个平面的垂直结构,这是在工业4.0上最大的区别。WStednc

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现在有一个概念就是,要实现IT跟OT的融合,只有真正做到无线连接和有线连接。“TSN是跟5G有一个接口相关联,所以这些新的连接提出,从物理协议上已具备了可能性。”中国在工业互联网上也一直在提TSN工业互联网的概念,慢慢把以前西门子、施耐德等系统,以及所有的设备融合在一起,连成一个真正的工业互联网。这最核心的也是离不开未来工厂的无缝连接。”WStednc

上述工业发展的趋势,也是ADI让Forrester去做这一调查咨询的核心原因。“其中最主要的目的就是对工业的连接现状做评估,看看能从中得到一些什么结论,然后如何去用ADI的产品帮助这些客户进行数字化转型的步骤。”蔡振宇说。WStednc

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根据调查结果,中、高等成熟度的公司已经把IoT技术应用到相应的设备或者工厂中,但有些低成熟度的公司还在看高端的基于云分析的应用,而把物联网放在只有17%的位置,这是最大的区别。另外,中成熟度和高成熟度实时监控和物联网这两个技术已经在工厂中广泛应用。下一个问题是,如何划分技术的投资优先级?低成熟度的公司首先就是提物联网的要求。中成熟公司觉得投物联网不够,还要继续投。高成熟度的公司觉得在物联网上投资比够了。WStednc

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再看一下业界在工业互联网中的主要痛点。首先是计划外停机代价高昂,其次是传统系统和网络无法支持现代数字化业务,如下图所示。WStednc

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在了解工业自动化转型的痛点后,就是得到相应的数字化转型的图谱。对于高中低不同水平的自动化企业,可能对自动化转型的阶段和要求不一样。这分成当前的重点、未来的挑战、业务的成果和关键机遇。读者可根据工厂或流水线所基于的水准制订自己的发展策略。WStednc

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首先,对于低成熟度的公司,其比较关注在当前的IT中提升客户的成果应用。“另外,要保持可靠的网络连接,它们对网络连接的可靠性和专业知识有所缺失。另外,业务成果着眼于实际,比如提高相应的生产力,提高效率。另外,关键的机遇点是扩展相应的通信网络。”WStednc

对于中成熟度的公司,当前IT运营最大的痛点是要改进运营控制。因为与低成熟度公司相比,它们已经有了一定的网络基础,所以下一步要改良控制技术。另外,其挑战就是,有了数据之后,如何把这些数据变成洞悉并提升相应工作。另外,传统系统之间的配合也会带来挑战。WStednc

对于高成熟度的公司,从硬件角度来说,已经达到了基本的工业4.0或者工业互联网的要求。所以当前IT的重点就是拿到数据以后,需要得到运营的见解,也即得到一些建议,使其保持工厂的高效运转。但这同时也带来一个新问题,就是如何保障网络安全(保障公司资产安全)。WStednc

另外,高成熟度公司的产品在市场上比较成熟,也有一定知名度,但其本身要解决产品创新的速度。另外一个遇到的挑战是需要获得运营的见解,要基于云的分析和计算能力要求特别高。所以对高成熟度公司,可能会更多要求在AI或机器学习方面的能力。如何对大数据做分析来得到想要的见解,这是每个公司关于4.0转型的不同的图谱概念。WStednc

“此外,无论中高低客户,做工业互联网或工业连接最核心的点是要找一个好的拍档,帮你完成这个工作。不同程度的工业互联网公司,都会有一个需求点和自己的痛点。对这些经常在工业领域奋战的公司来说,缺少的就是相应的IT或连接的工作。当我们要往上走的话,要把数据连接做得更好,需要专业的合作伙伴,帮你实现这些相应的工作。这是我们核心的点。”WStednc

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ADI作为这些公司的合作伙伴,其产品包括从基本的物理世界到数字世界转化中所需要的产品,如传感器、信号链等等,可以把模拟世界的参数变成数字世界的参数。WStednc

从过程来说,先感知、了解世界,然后把模拟量变成真正测量的量化数据。再然后是做分析,然后再是连接,发到云端做更详细的分析。对此,ADI能够实现整个信号链,其所有的产品都围绕着感知、测量、解释、连接,到最后的分析链。WStednc

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2020年,整个ADI的收入在56亿美金,其中有53%来自于工业产品,这就是该公司做工业互联网白皮书的起因。从地域来看,2020年开始,中国已经成ADI在全球第二大的市场(第一是美国,第二是中国),所以这也是ADI把这个白皮书在中国发布的重要原因。WStednc

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ADI是如何引入或帮助中国客户进行数字化转型,或者做数字化工业互联网工作的呢?蔡振宇表示,“首先从宏观角度来看,不管是中国‘十四五’计划也好,去年的新基建也好,有两个大的方向促进工业的中国经济的发展:第一,内循环,经济增长支柱;第二,外循环,促进全球化。这两方面促进未来经济的发展。其实真正支持的可能是五种具体产品:智慧城市、绿色能源、工业自动化、智能交通、工业互联网。这五者是未来中国工业发展的一个核心应用方向,它们都离不开一些核心的应用技术:5G、大数据、AI。这是为各行各业组成数字化转型的核心技术支持。”WStednc

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对此,ADI有很强的工业以太网芯片核心。“从整个应用来说,工业互联网很重要的是拿到数据,然后传到云端。对此,工业以太网未来是很好的连接芯片。它可以把整个工厂相应的产品连在一起,慢慢地从过程控制到互联运动,像电机转动、机器人的应用,甚至未来智能楼宇,都可以用工业以太网相互连起来。”蔡振宇表示。WStednc

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另外,从垂直的角度,即统一层向的连接,从终端的节点到以后的企业IT连接,都会需要用到工业互联网的芯片来实现相应的连接。以下是工业以太网的价值主张和优势。WStednc

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“第一个就是它的带宽可能更高。以前在工业场景用得比较多的4-20mA,数据传输量不多。另外它是一个认定的标准,所以在易用易访问方面做得很好。另外可以帮助IT、OT的融合,提高灵活生产效率。因为连接是在统一的标准下做的,所以它的生产灵活性可以更易于提升相应的产能。此外,统一标准以后,它的成本会更低。另外它还是未来很好的TSN载体,可以做到跟5G、各标准的无缝连接。另外有边缘连接能力,容易拿到一些新的数据,基于统一网络,统一标准,加强连接。这是工业以太网给我们带来的一些好的特点。”蔡振宇解释道。WStednc

在这个应用里面,ADI可以从五个维度帮到大家。“首先从物理层来说,可以提供千兆百兆的相应芯片。现在最新的10BASE-T1L的双绞线的新技术芯片。另外,从端口数来说,从终端到最后企业IT云的连接,在边缘端,基本上都是单端口的芯片。再往上有2至6端口的,类似于网络现场交换机的概念。再往上更复杂,所以有6端口。再往上就是云端,这是纯IT的接口。从这个角度来说,我们从单端到6端都有相应的产品。另外从网络速率来看,10兆、100兆、千兆以太网都有相应的芯片。另外,现在工业协议很多,ADI的产品基本上兼容或支持这些传统主流的工业协议接口。另外,我们网络安全也做得很好,ADI的工业以太网平台可以提供从终端到云端无缝连接的技术。“WStednc

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从具体产品来说,首先,ADI可以提供百兆的PHY,这是支持多协议的。还有fido5100/5200,支持多端口、多协议。最新的两个产品,一个是TSN技术的产品ADIN1300,做到三端口,支持TSN的网络芯片,支持千兆PHY,在中国已经有些头部客户在慢慢选用这颗芯片做TSN。类似于轨道交通、工业场景,未来还会有ADIN6300,这是三端口的,未来会做六端口,支持更大容量的TSN的芯片。WStednc

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另外10BASE-T1L,是基于物理层的概念。跟普通的网线区别是因为它是纯物理层的,网线都是双绞线,而这是单端的,两根线完成收发,而且可以给产品供电。WStednc

除了互联网领域的有线连接,未来还要往无线走。目前无线网络遇到很大的问题是,如果端节点之间用无线网络,第一个就是功耗的问题,还有就是可靠性。现在在无线网络中,用于工业,真正用的是采集端的数据。无线哪怕做到99.99%的可靠性,还是会有概率发生数据错误。一旦数据错误,在控制端就是灾难性的问题。所以,现在所有工业连接核心的控制信号,基本上都是有线,无线都是用于传数据。WStednc

未来5G的引入,可能会带来新的连接上的变化。5G有三个应用。其中URLLC的可靠性非常高,这可能是5G在工业领域的突破点。“该接口是跟ADI的5G以太网或者TSN是通用的,可以把真正的TSN的信号传到5G,通过5G发到云端,这是未来可以实现的工业需求。跟公用网不一样,ADI现在越来越看到有些客户布的是私网,就是不通过中国移动、中国联通等去布的公共网络。公共网络对安全要求非常高,所以慢慢大的集团、大的工厂会引入一些专用5G网络。另外,有些频谱的选项目前来说在应用上还没有那么普及,但我觉得未来会是一个工业互联网发展的趋势方向。”蔡振宇表示。WStednc

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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