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資訊頻道 工業 4.0：基于 PC 的控制解決方案成為智慧工廠的核心技術
Beckhoff 基于 PC 的控制技術為工業 4.0 理念提供了理想的工具箱。它開辟了 實現富有遠見的從云計算到社會自動化的理念的新方法。在這次采訪中，Ursula Frank 博士和 Josef Papenfort 博士闡述了哪些基礎技術、功能和服務目前已經上市，以及哪些地方仍然 需要進一步開發。
德國倡議“工業 4.0”的目的 是通過通信和智能控制提高制造業的靈活性、 效率和可持續性，以加強德國工業的競爭力。基于 PC 的控制 技術為實現這一目標做出了哪些貢獻？
Josef Papenfort 博士：工業 4.0 的核心是信息 技術（IT）和自動化技術（AT）的融合，而早在 25 年前 ，Beckhoff 就推出了其基于 PC 的控制技術，這項技術繼續為未來的發展提供了理想的控制架構。通過采用全球 IT 標準，我們用 IT 領域所提供的最佳解決方案 進一步完善了我們的自動化技術。這也適用于我們的 TwinCAT 3 自動化軟件，它具有實現工業 4.0 概念所需的模塊化性和面向對象的特點。 此外，將 TwinCAT 3 集成到 Microsoft Visual Studio® 中，為整個產品壽命周期中一致的工程環境提供了理想的基礎，能夠直接使用 IT 領域中最新的軟件工程工具。隨著 PC 作為公認的技術平臺，加上自動化設備規范（ADS）、EtherCAT 自動化 協議（EAP）和 OPC 統一架構（OPC UA），Beckhoff 擁有了用戶在 實現工業 4.0 所要求的縱向和橫向整合所需的所有資源。
Ursula Frank 博士：一方面，Beckhoff 為根據工業 4.0 戰略實施智能 生產設施和智慧工廠 所需的基礎技術。另一方面，這也 變得越來越重要 — 特別是與工業 4.0 概念相關 –系統的運作不僅高效，而且安全可靠。這也是“科技自動化”理念巨大潛力所在，它所集成的測量技術和狀態 監測功能，甚至能夠監測復雜的生產系統。To explain, 科技自動化 將各學科的最新研究成果集成到自動化技術中，從而讓我們能夠建立更可靠和更節能的內在具有智能化功能的生產系統。這也將需要 新的、直觀的操作界面，使得人類能夠更加輕松地 完成他們的日常工作并能夠與智能設備進行更有效 的互動。畢竟，工業 4.0 不是為了要將人的因素放在 一邊。我們的多點觸控工業面板使得這些新的操作理念成為可能。
工業 4.0 已經在現實生活中的得到應用了嗎？還需要進行什么額外的開發嗎，如果有的話？
Ursula Frank 博士：現在已經有許多最終用戶，如大型廚房制造商 ，他們采用 Beckhoff技術對從收貨到發貨的整個系統 進行了自動化改造，包括將它們集成到 ERP 系統中。一些 初期的解決方案是明確按照工業 4.0 概念開發的，例如，通過提供跨所有層的持續通訊的方式 實現智能化的生產環境。不用說，在未來幾年內，我們 將繼續沿著這一方向開發我們的產品和解決方案。
Josef Papenfort 博士：作為 TwinCAT 3 的一部分，我們正在努力通過提供附加功能的方式改進 工程功能，比如更簡單的通訊功能 和配置。在這種情況下，不斷開發出通用的通信標準也是非常重要的，例如那些由 OPC 基金會和 PLCopen 協會所定義的標準。Beckhoff 正積極參與這兩項標準化工作。其中一個目標就是 不僅可以通過 OPC UA 或 ADS 與 ERP 系統通訊，而且還能夠直接在 PLC 中調用和執行這些方法。這將是通信技術發展的下個一步驟。
PC 控制技術的開放性對 “物聯網”有何重要意義？
Ursula Frank 博士：它非常重要。簡而言之，物聯網意味著產品以及系統及其模塊 間可以相互通信。這正是 Beckhoff 的開放式控制技術 的用武之地，它允許開發人員將系統 設計成具有智能運行和通信的能力。
Josef Papenfort 博士：開放的接口也是 PC 控制技術的顯著優勢這一。這適用于工程應用和正在使用的現場總線 技術，以及正在被集成的組件（如 RFID 芯片或智能傳感器）。
這種開放性是否也適用于用作集中式或分散式系統 的自動化架構？
Josef Papenfort 博士：這是當然。通常，我們更愿意用 集中式方案，因為它在工程設計、數據管理和診斷等方面 有很大優勢。但也有一些系統，如組裝機，使用 分散式方案效果會更好。例如，使用這樣的解決方案可以很方便地更換單個模塊，因為中央控制 組件必須只能根據新的工作調整站。此外，生產區域內的系統 或設備在機器不會孤網運行，而通常是聯網運行 - 這一趨勢將對工業 4.0 概念有著顯著的促進作用。相應地，每臺機器在一個大型系統中或通過工業 4.0 概念 進行本地控制。在這個方案里，一個非常重要的因素是 在軟件方面的實施，我們支持通過 TwinCAT 完成的模塊化編程。10 個軟件模塊是在中央 CPU 上運行還是在10 個不同的控制器上分別運行，這并不重要。模塊之間如何進行數據交換 — 在本地 PC 上還是通過具有相同確定性和高速度的 EAP - 也不重要。PC 控制技術可以根據不同的應用需求 很輕松地地實施任一版本。
未來，工業 4.0 甚至能夠延伸到那些 被稱為“機器 Facebook”或“社會自動化”的領域。這在實際上 有什么含義？
Ursula Frank 博士：社會自動化的前景涉及到將信息技術和通信技術中的一些最新研發成果轉移到工業應用領域。正如我們前面提到的，將信息技術和自動化技術與 PC 控制技術有機整合在一起是 Beckhoff 的核心技術理念。因此，Beckhoff 將始終密切關注信息技術在自動化技術應用方面的 最新發展 情況。例如，諸如社會化媒體等的發展趨勢可能帶來新的通信 能力。我們必須了解在自動化領域利用這些通信能力能夠帶來哪些潛在好處。“機器 Facebook ”就是其中一項。例如，用戶可以在 Facebook 上創建個人檔案，用“時間軸”的方式記錄他們的生活，并在他們自己的“墻”上提供各種信息 或服務。若轉換成工業應用，這將意味著，例如，一臺機器可以寫上其目前的使用情況或在一面類似的墻上提供服務信息。如果它不具備所要求的能力，它 會將相關方推薦給相應“Facebook 機組中的“朋友”。另一種辦法是在如谷歌地圖或 TomTom 網絡軟件上改寫備份的交通流量信息，使得這些信息適合工業生產領域。這將讓您能夠監控工廠的機器利用率，甚至能夠通過 Doodle 為機器生成值勤表。
Ursula Frank 博士：“在今年的漢諾威工業博覽會上，Beckhoff 專門設立了一個工業 4.0 展示區，展示了 Beckhoff 開放的、基于 PC 的控制技術使得今天將生產系統和模塊無縫集成到現有的或新的系統中成為可能，且它們不僅可以實現相互間的通訊，還可以與上位生產規劃和控制系統進行通訊。但要全面支持工業 4.0 概念仍然需要在未來幾年里開展更多的研究和開發工作。”
Josef Papenfort 博士：我們再次回到在 PC 控制的架構進行信息技術和自動化技術的融合。正如我們將我們的自動化專業知識與 Visual Studio® IT 工程工具整合在一起來創建 TwinCAT 3 軟件一樣，下一步可能涉及到將自動化功能添加到如 Facebook、Doodle 或 WhatsApp 等網絡軟件中。另一種方案已經由 Beckhoff 實施，其進行的技術研究證明，谷歌眼鏡作為一種“可穿戴式設備”，可以顯著簡化人機交互，可以用于調試和故障診斷。谷歌眼鏡具有諸如在線支持信息檢索功，并能夠通過基于視頻的實時聊天工具進行故障排除，此項技術大大推動了社會化自動化的發展。
當前 IT 領域的熱點技術話題，如云計算和大數據，發揮了怎樣的作用？
Ursula Frank 博士：未來，我們將看到越來越多的解決方案使用云存儲技術來保存數據和參數。最終，信息存儲在哪并不重要。但是在現在及今后幾年內，大部分的數據仍將在機器或系統中處理。另一方面，在很多情況下，諸如測量數據等信息已經存儲在云服務器中并進行離線分析。我們一定會看到越來越多的客戶將會轉向采用云計算。從長遠來看，肯定會有一些網絡軟件會給自動化技術帶來影響，例如一個機器監控應用程序。
Josef Papenfort 博士：此時，對于大數據，即來自多種來源的大量數據，重點主要放在數據存儲上。由于正在存儲的圖像和視頻要用于更徹底的跟蹤和追蹤應用，數據量必然會增加。首先，我們將看到更多的離線分析，而這些將越來越多地地作為一種基于云的服務來執行。在風電領域，這種做法已行之有年。服務供應商不需要訪問風力發電機本身的數據，而是把它從云上拿下來以進行離線分析。
在這方面，我們將能夠看到更多的實時服務嗎？
Josef Papenfort 博士：隨著越來越多的數據被存儲在云中，我們還將看到更多的實時 - 或者更確切地說，確定性 - 處理。有了 IEEE1588 協議之后，目前這樣的實時服務已經實施用于實現機器同步。這種同步收集分布式數據的方式將變得越來越普遍，尤其是在測量技術領域，但它不會取代機器中的本地控制智能系統。另一個比較重要的方面是：我們已經有了用于實時分析數據的技術，即送入云中。從中期來看，這些技術可能會獲得廣泛接受，以便在存儲之前過濾掉大量不重要的信息。
這種復雜的工業 4.0 工程概念仍在可控范圍內嗎？
Josef Papenfort 博士：現代系統正變得越來越復雜，而工業 4.0 概念只會加速這一趨勢。這就是為什么我們未來必須更加注重高效和可靠的工程。我們已經借助 TwinCAT 3 朝這個方向邁出了一大步，從而通過諸如源代碼控制和自動代碼生成等功能降低了工程工作量。在這里我看到改進的可能就是提高數據管理的效率，例如，通過直接將電機設計數據傳輸到工程系統中，并可在無需花費任何額外的工作的前提下提供這一數據。
Josef Papenfort 博士：“工業 4.0 的核心是信息 技術（IT）和自動化技術（AT）的融合，而早在 25 年前，Beckhoff 就推出了其基于 PC 的控制技術，這項技術繼續為未來的發展提供了理想的控制架構。”
Ursula Frank 博士：這一領域還有很多事需要去做。從工程角度來看，不同開發領域 — 如控制技術和 E-CAD 或 M-CAD — 之間的數據傳輸，還無法做到完全無誤和無縫。目前已經有了一些方法和解決方案，如 AutomationML 標準，但我們在這個時候并沒有有一個標準的數據庫。TwinCAT 提供很多開放的數據導出和導入接口已經有些年頭了。Beckhoff 的 TwinCAT E-CAD 導入程序使用的就是這些接口，可以與市場上的各種電子 CAD 程序直接通信。但是，仍然需要額外的工具。例如，ERP 系統中的命令數據必須能夠傳輸到工程層。但是，最重要的是數據可以在各個層面進行共享，以使得整個生命周期內的有效和同步工程成為可能。
作為工業 4.0 的必然結果，仿真將在工程領域發揮更大的作用嗎？
Ursula Frank 博士：工業 4.0 將使系統變得更復雜、更智能，也更難以預測。機器可以自行作出反應，并與其它機器進行談判，而人腦已經不再能夠預測到整體行為。這就是為什么功能強大的仿真工具將是不可或缺的。這是一個真正長期的愿景，但理想情況下我們將有這樣一個工具：仿真不僅是開發理念而且還可以自行進行驅動仿真。
Josef Papenfort 博士：這樣的系統不僅可以縮短調試時間，還能夠降低系統成本。仿真可以支持所有的領域，如機械設計、電氣工程及軟件開發，因為它將使我們能夠快速地通過控制技術和軟件對任一改動進行測試，無需修改硬件。當然，必須提供相應的接口以導入仿真模型及提供相關的數據。如今，TwinCAT 3 已經提供了諸如實時集成 Matlab®/Simulink® 模型以及用于對仿真環境輕松進行配置的 TwinCAT 仿真管理器等功能。
針對工業 4.0 已經進行了哪些具體的研究活動？
Ursula Frank 博士：舉例來說，我們是“it's OWL”（北威州智能技術系統）技術網絡的核心公司之一，該技術網絡在 2012 年被公認為是德國聯邦教育和科研部（BMBF）的”尖端集群“并且是第一個大型工業 4.0 項目。除此之外，我們正在努力制作參考模型，即適用于各類生產系統的自動化解決方案，它們可以移植到類似的系統上。此外，ScAut 項目 — 其重點是科技自動化平臺 — 已經為自優化的智能機器和系統的開發和運營帶來了實實在在的經濟利益。視不同的應用，諸如狀態監測和電力監測等科技自動化功能可以節約大約 20％ 的能源，提高 10％ 的生產效率，并節約 50％ 的維護成本。
關于德國倍福（BECKHOFF）
德國倍福自動化有限公司的總部位于德國威爾市。公司在世界各地設有分支機構，加上全球的合作伙伴，目前公司業務已遍及70多個國家和地區。
倍福始終以基于PC的自動化新技術作為公司的發展理念，所生產的工業 PC、現場總線模塊、驅動產品和TwinCAT自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統，可為各個工控領域提供開放式自動化系統和完整的解決方案。30 多年來，倍福公司的元件和系統解決方案在世界各地得到了廣泛的應用。 自 2001 年3月德國倍福在北京成立中國第一個代表處， 2007年5月，德國倍福在上海成立獨資公司，并將倍福中國區總部遷至上海，此后公司業務進入一個快速發展時期，目前倍福已經在北京、廣州、成都、武漢、南京等全國 19個大中城市設立了辦事處。隨著各種具有良好性價比的新產品、新技術不斷進入中國市場，其勇于打破傳統控制模式，傾力推廣 PC 控制新技術的理念已被越來越多的中國用戶所接受。
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