关于工业物联网和工业4.0需要知道的7件事

物联网(IoT)和工业4.0是相关概念的名称。这些概念没有精确的定义。思科系统(Cisco Systems)机器和机器人部门的高级经理布莱斯•巴恩斯(Bryce Barnes)给出了一个非常有用的物联网定义。主持演讲²在去年4月的一次会议上，巴恩斯将物联网描述为智能设备之间的智能连接，通过这种连接，物体可以相互感知并进行交流，从而改变在哪里、由谁对我们的物理世界做出决定的方式。制造公司目前正在他们的工厂和车间里实施这种“智能设备的智能连接”。为了将物联网的这些应用与消费者和其他领域的应用区分开来，经常使用工业物联网这个术语。

新兴的工业物联网引发了一场预计将从根本上重新配置工业的彻底变革。它被称为下一次工业革命。这是继前三次工业革命之后的又一次工业革命。这三次工业革命通常被认为是机械化(19世纪由蒸汽机驱动)、大规模生产(20世纪早期由电力和装配线驱动)和自动化(20世纪晚期由计算机驱动)。作为第四次工业革命，它已经被命名为工业4.0，这与软件的新版本或版本通常被指定的方式一致。这是恰当的，考虑到最新的工业革命是由互联网和能够处理制造数据流的web软件应用程序驱动的。

然而，工业4.0也是德国大学、企业、工会和政府机构联合使用的术语。这个“工业4.0”倡议代表了德国对制造业未来的愿景——不仅在德国，而且在全世界。这一联合倡议的目的是保持该国作为“智能工厂”技术的用户和开发者的领先地位。这一倡议包括一个详细的概念框架、一个有具体目标和里程碑的明确战略，以及来自私人和公共来源的大量资金。这是公共和私人政策融合促进先进制造业的典范。

贝恩德·赫舍默，运动控制公司的副总裁西门子在德国，指出Industrie 4.0的目的是“积极推动行业的重塑，因为它结合了物理，虚拟，IT和网络系统世界的各个方面，以帮助创造一个新的工人和机器的综合生产力的新工作环境。”他说，这项倡议的影响广泛：“它代表了一个高度动态的成就点，在这里，每家公司无论是大型OEM，主要的代表供应商还是小型职位商店，都可以从技术中受益于技术和通信平台今天的市场，一些以光速为光线。“

然而，在这里的讨论中，我们将使用工业4.0作为更广泛、更普遍的参考，以描述未来的全面变革。可以肯定的是，工业物联网和工业4.0本质上是有因果关系的。也就是说，工业物联网是第四次工业革命的基础，并将导致第四次工业革命。

然而，作为一个实际问题，这场即将到来的革命将以一种进化的方式发生。各公司将逐步、分阶段地实施它。当然，第一步是了解它所涉及的内容。本文的其余部分旨在帮助商店轻松地完成这一关键的第一步。这里选择的七点在这个时候似乎是最有用的。这些要点为金属加工公司和机械车间提供了工业物联网和工业4.0的介绍和背景。

1.关键标准是创造路径。

将制造设备连接到基于web的网络，并从这些连接中获得实质性价值的能力比以往任何时候都更加实用和引人注目。虽然我们还处于这一发展的早期阶段，但许多基础已经到位。例如，完善的标准mtconnect.促进必要的互操作性，使连接不同范围的制造设备在典型的车间车间成为可能。

总而言之，MTConnect提供了一个词汇表，一个定义好的词汇集，机床可以用一种软件应用程序可解释的通用语言“表达自己”。同样，这个标准是建立在标准Internet技术(HTTP、TCP/IP、XML和以太网)之上的，这些技术本质上是网络友好的。MTConnect也很重要，因为它实现了对系统与工业物联网兼容至关重要的主要特性。这些系统必须包含开放的软件体系结构、开放的协议和开放的数据模型。否则，专有元素将为在工业物联网中运行的应用程序的用户和开发者创造障碍。

而MTConnect专门促进机床和其他相关制造设备与数据收集网络的连接，标准如OPC-UA解决省级数据通信所需的互操作性。完整，OPC-UA代表“对象链接和嵌入过程控制联合架构”。但是，更容易理解它作为开放的非专有规范，可确保自动化系统彼此兼容。

OPC-UA为大型工厂的“自动化孤岛”问题提供了一个解决方案。由于工厂通常有各种自动化制造过程，这些系统必须能够与更高级别的全工厂控制系统进行通信。可以说，OPC-UA提供了桥梁架构，将这些不同的自动化系统连接到连接工厂其余部分的数据高速公路。因为这条高速公路可以连接到互联网，所以它是组成工业物联网的链路之一。

值得注意的是，监督MTConnect和OPC-UA的组织共同努力，使这些标准兼容。随着工业物联网的形状，必须留下没有机器或自动化系统。

2.更好、更快的决策正在进入车间。

实施工业物联网解决方案的制造商的收益在于更好的决策。连接设备时，它们生成的数据可以流入创建信息的软件应用程序，该应用程序可以用于制作及时且有效的选择。通过更充分了解这些选择的结果，决策者可以实现战略目标或基准性能。决定将基于知识和智慧，而不是理论或猜测。更好的决定意味着少误差和较少的浪费。

在这样一个智能工厂中，管理人员将有可能确定制造系统的每个元素都在最佳水平上运行。例如，切削速度和进给量等加工参数将反映最有效的设置，这是经操作人员经验、刀具制造商、机器制造商和终端用户在线社区证明的。这些设置的实时更新将立即和自动应用，以最大限度地提高生产率，最大限度地减少能源消耗，并促进安全。程序员的工具库和工具路径选项也将相应地更新。(明智的是，刀具制造商已经为这种情况做好了准备，采用了诸如ISO 13399用数字系统统一解释工装术语。)

工业物联网/工业4.0实施的每一步都必须根据它所影响的决策进行评估。将每一个步骤与所产生的更好决策的价值联系起来，必须是确定这些决策的优先次序并在经济上证明这些决策是合理的基础。

对于车间经理来说，最大的挑战将是决定

• 收集什么数据。
• 谁将从数据中得到信息。
• 如何使用这些信息。
• 做出了正确的决定

3.人的赋权至关重要。

也许是工业物联网和行业4.0最积极和令人鼓舞的方面是明确的致谢，即个人人民将继续在制造业中发挥积极参与作用。事实上，这种作用将在重要性和影响力中增长。对劳动力培训和发展的影响是广泛而实质性的，因为几乎所有在制造企业中占领的职责和责任都将受到影响。每个人的工作都将改变，因为工作流程将会改变。

Athulan Vijayaragahavan的首席技术官系统的见解(Vimana工业物联网数据分析平台的开发者)对这一发展进行了展望。“尽管工业物联网建立在收集、分析和管理车间设备和传感器数据的软件上，但生产系统中最重要的数据来源和消费者是人。把人留在数据-信息-决策-行动的循环中是至关重要的。”车间数据使用者包括操作员、程序员、维护工程师、生产主管和前台业务经理。

Vijayaragahavan博士指出，往返于人民的信息必须涉及（专注于手头的任务），无处不在（通过强大的网络跨多台计算机平台和接口提供）和上下文（信息的含义很明显，“Actionable”是显而易见的，“也就是说，指向必须制作的决定）。

4.网络安全是一个重大问题。

安全专家表示，工业物联网面临的网络威胁是真实的、全球性的，而且还在不断增长。威胁包括盗窃商业秘密和知识产权、恶意更改数据、中断或拒绝过程控制。

在成为工业物联网一部分的每一步中，商店都应该考虑如何保护他们的数据、系统和网络。将机床连接到网络或基于云的应用程序会产生许多经常被忽视的漏洞。例如，在CNC中安装的网络连接可能需要防火墙来阻止未经授权的访问，同时允许对外通信。机床数据特别敏感，因为它涉及产品设计的关键信息。例如，数控刀具路径和测量探头的检测程序代表了预期组件的尺寸和属性，因此是黑客的诱人目标。

许多资源可用来指导制造公司在实施智能联网工厂时建立所需的保护，以最大限度地减少这些威胁。首先要阅读的是美国国家标准与技术协会(NIST)的《工业控制系统(ICS)安全指南》(NIST特别出版物800-82)。可以从NIST计算机安全资源中心下载。

5.新一代传感器即将到来。

传感器检测和测量设备的物理特性或状态。开关状态、电流消耗、温度、压力、振动水平和供给量都是传感器可以感知的“症状”的例子。“智能传感器”执行其他功能。它们可以将模拟读数转换成数字格式;它们可以处理或分析这些数据(也许可以通过编程以某种计算方式作出反应);他们可以传输这些数据，或者让它可以通过网络收集，用于软件应用程序。

传感器智能的位置和功能可以变化。对于某些安装，最好让传感器“独立思考”。其他传感器将成为“群体思维”方法的一部分，在这种方法中，传感器和中央数据分析器将一起工作。两者的混合也是可以想象的。

传感器提供有关重大变化的信息。首要任务是将传感器放在那里，他们可以自动检测和报告影响分量存活率的更改。这些信息将提供即将发生的失败的警告，并意外的停机时间非常罕见。传感器是检测，干预和预防的关键。

无线数据连接(Wi-Fi)的能力大大简化了传感器在车间的部署。将电线连接到这些设备上的费用和困难被最小化或消除。安装传感器可能需要连接到电源和/或现有机器控制系统的接口。将传感器安装到遗留设备(老旧但可用的机器和设备，几乎或没有电子功能)将使它们与数据收集系统连接成为可能，并最终与工业物联网。

工业物联网带来的最重要的传感器相关问题是:

• 哪些变化值得关注或需要回应?
• 传感器数据会影响哪些决策?
• 这些决定能带来什么价值?

值得注意的是，具有卓越的加工能力和可编程特征的小型低成本传感器是增强的，部分受到业余爱好者，发明家，迂回者和消费设备和个人医疗产品开发人员的兴趣。基于开源电子平台的网络化硬件和软件组件的Arduino系列是一个突出的例子。蓝牙智能“低能量”技术是设备到设备通信前进的另一个例子，可以促进车间传感器的无线连接。

6.机床将被视为网络物理系统。

在讨论物联网时，经常会遇到“网络物理系统”这个术语。网络物理系统的一般定义是，在网络环境中，嵌入式计算机通过反馈回路监视和控制物理过程的系统。

具有过程测量和闭环加工的柔性加工系统和机床似乎符合网络物理系统的要求。然而，在智能工厂的背景下，许多没有配备嵌入式传感器或处理器的设备可能会配备自动监测和控制系统。冷却液冷却器、压缩空气管道、芯片输送机、液压系统和其他辅助或支持设备都是这种集成的候选设备。

需要网络物理系统支持的一个非常重要的应用是工厂的综合能源管理。每个设备、机器和系统所消耗的功率将可在离散水平上测量，从而使其可监控和可管理。这一发展将迫使工厂倾向于配备为低能耗运行而设计的机载子系统的机器，这些子系统能够处于待机状态(也就是说，它们只在需要运行时才通电)。通过平衡能源消耗和生产速度，流程将得到优化。同样，在可能的情况下，能源密集的机械加工作业将安排在电力费用较低的白天。

目前，网络物理系统的概念最有用的方面是控制回路。在工厂中的多个级别（从设备级别到企业级别）的控制循环将成为工业物联网实现的一部分。所有级别的Shopfloor人员将通过网络上的多个接入点和数据插座“循环”。

7.云计算和大数据将发挥重要角色。

云计算仅仅意味着应用程序(为特定目的开发的软件程序)运行在远程计算机处理器上，而不是在用户的现场计算机上。用户通过网络(通常是Internet)与云中的应用程序交互。由于信息技术网络配置图经常将远程共享的计算资源描述为云形状的轮廓，因此“云”成为这种方法的一个方便的昵称。远程数据存储也可以是基于云的。云存储和处理数据的能力实际上是无限的。与现场替代方案相比，远程存储和处理数据通常更经济、灵活和安全。云也更容易扩展，也就是说，它的容量可以快速扩展以满足不断增长的需求。

工业物联网设想的连通性意味着数据流将流向和流出连接的系统。这些数据流可能是巨大的。大数据已经成为一个术语，指的是通过快速扫描来自众多不同来源的数百万不同格式的非结构化数据项，才能发现重大趋势或新兴模式的能力。大数据给工业物联网带来的是收集和访问连接工厂产生的海量数据(然后对这些数据进行理解)的能力。

这种情况将足以捕捉大数据分析的力量，为制造商。考虑一家制造公司，其最终产品所包含的组件，在其自己的工厂、规模较小的分包商和工作车间供应商的工厂中，都使用了大量的数控机床。在这一过程中，成千上万的切削工具可能会接触到这些相同的部件。每一台数控机床都被监控，以创建关于正常运行时间、内部警报、运行状态信号、能源使用和数千个其他性能特征和参数的数据流。同样地，每一种刀具的使用时间、使用地点和使用方式都受到了监控，详细的速度、进料、刀具路径、冷却条件和一系列其他性能记录都被添加到云端的大型在线数据库中。所有这些机器和刀具的数据都与每一个到达公司客户的成品、工作组装的组件相关联。

如果一个关键部件出现故障，就有可能追踪到故障的原因，这可能是一个微小的偏差，在某个机床轴驱动的伺服响应。在未来避免这个问题的线索也是显而易见的。同样地，追踪所有可能受到相同故障模式影响的相似部件也是一种可能性。

还有许多其他的发现。例如，我们可以了解到，某种特定的CAM编程算法帮助一种特定风格的立铣刀以最少的能量去除最多的材料。当使用基于云的编程资源时，程序员将立即收到此选项的通知。

开始物联网道路

那么，机械车间如何开始发挥工业物联网的力量呢?对许多公司来说，一个实际的选择是安装一个全面的机器监控系统。Dave Edstrom是Memex.，推荐这种方法，因为机器监控引入了更广泛的工业物联网连接所需的关键元素。例如，即使是基本的机器监控也需要为机器配备必要的数据收集和报告接口;建立全店网络的框架;让车间员工习惯数据驱动的制造环境;培训经理识别和处理数据管理问题(谁得到什么报告，他们如何处理这些信息);等等。

Edstrom先生说:“大多数实施像MERLIN这样的监控系统的商店从少量的机器开始，以缓解学习曲线，让每个人都参与进来。”MERLIN(制造执行实时精益信息网络)是Memex的制造执行系统和与MTConnect兼容的机器对机器通信平台。“监管人员和操作人员必须参与评估机器监控软件，鼓励他们提供意见，并明确了解公司在实施过程中的方向，”他补充道。他还指出，从一开始，机器数据必须转化为可操作的信息，以帮助操作员和管理人员。运营商必须意识到这是他们的工具，而不是老大哥在监视他们。

安装大型显示屏来显示机器利用率等报告通常是商店试点项目的一部分。Edstrom先生报告说，视觉感知能够快速(且显著)地产生结果，因为车间员工本能地将他们的思维和实践集中在提高利用率的改进上。

一旦车间监控系统就位，车间可以部署额外的传感器来增加仪表盘和报告，以提高性能并降低成本。Edstrom先生总结道:“监控软件能够与各种设备对话，并提供具有通知触发器和报告功能的实时仪表板，以一种安全和可预测的方式降低成本，提高生产率，这将是工业物联网的核心。”

3个工业迫在眉假任务

工业物联网和它似乎带来的第四次工业革命是非常流动和深远的发展。这意味着计划者和实施者必须灵活、警觉和大胆。这里提出的七点可能很快就会被新的问题、关切和机会所取代。

让我们简单地以摘要结束，其中包括至少三个主要的命令：

要谨慎。

工业物联网是真实的，并且正在这里和现在形成。在某种意义上，它也正在“当场”发生，您的全球竞争对手也在实现它，并且可能领先于之前的实现。

专注于你的目标。

更好的决策是创建一个机器和人更聪明的联网工厂的主要好处。

从小处着手，但要有大的计划。

无论是机器监控还是基于云的CAM编程，最初的步骤都必须是可管理的、透明的，并且尊重个人。