【智能制造】机器人和工业4.0

2018 年 5 月 11 日 产业智能官 工业机器人之家

作者 Bot

作者：Tanya M.Anandan 来源：RIA 翻译：jqr.com

虽然工业4.0已经提出好多年，但许多人，包括许多业内人士都依然认为它更像是一个概念、一种想法，而不是可以直接落地的解决方案。对于大多数制造商来说，工业互联网（IIoT）、信息物理系统（CPS）、云机器人、雾计算和大数据都是一些不明觉厉的可怕概念，一些所谓的智慧工厂愿景在他们看来很可能只是一个妄想。

在这件事情上，我们不该把出现这种误解归咎于人，而应思考技术本身。智慧工厂是在数字化工厂的基础上，利用企业信息技术和运营技术把信息世界和物理世界连接起来的一种解决方案，它是现代工厂发展信息化的新阶段，常被称为IT/OT融合。智慧工厂本身离我们并不遥远，工业4.0也一样，它就在我们身边上演：机器人通过传感器把OT领域的数据上传到IT云端中心，云端经过大数据处理后会衍生出各种创新应用。今天，越来越多的制造商正在使用这些信息管道来简化设备管理和维护流程、提升工厂工作效率和提高产品质量。

为了更好地体现这一点，机器人网（jqr.com）以自动化程度最高的汽车行业为例，以位于美国底特律的汽车巨头公司通用汽车为解说样本，谈谈FANUC、KUKA、Festo是如何助力工业4.0的，看看通用是如何用工业机器人和云端服务系统实现故障检测、生产流程自动化、防止停机的。

FANUC America Corporation

汽车制造机器人供应商、通用的战略合作伙伴FANUC正在为通用的智能制造打下坚实基础。面对工业4.0和物联网，通用汽车是那个敢于第一个吃螃蟹的人。众所周知，现在的汽车和3C行业大多已装配了完整的自动化生产线，虽然这大大降低了人工成本，提高了成品优质率，但风险也是巨大的，生产线因故障停线会给企业带来巨大的经济损失，而这通常是不可预知的。

2016年初，FANUC和思科宣布将一起打造一座用于监控机器人异常状态的物联网系统，而通用正是这个系统的试点工厂。几个月后，“零停机解决方案”ZDT（ZeroDown Time）诞生了。

ZDT采用物联网和大数据技术，对机器人及周边设备的运行参数进行监控和分析，能在机器人发生故障之前检测到异常，并提醒用户及时进行维护，从而避免停机的发生。用户可通过电脑或移动设备实时查看机器人工作状态、生产信息、诊断信息及保养计划，Factory Talk工厂自动化控制系统可远程对设备进行监视和诊断，监控设备运行状态。

处于FANUC云端系统监控下的焊接机器人

在通用的汽车生产车间，每60秒或90秒就会有一架汽车车身被放到流水线上，如果在这个过程中发生停机，那制造商就将承受每分钟20000美元的损失。单一流水线的停线尚且会蒸发上百万美元，如果机器人故障导致的是整个车间的瘫痪，那这笔天价损失就将会转嫁到供应链、汽车经销商、汽车车队甚至是单个的汽车消费者身上。如同倒下的多米诺骨牌，这些不良影响是巨大而深远的。

通用汽车公司的总部位于美国“汽车城”底特律，这个城市一度因汽车工业而繁荣，也一度因区位优势尽失导致破产。通用的自动化技术经理及机器人技术首席工程师Marty Linn表示：“在相当长的一段时间内，工业4.0对于通用来说不像是种进步。我们一直在尽力维修和保养机器人设备，好让它不那么容易会停机，但这种事故往往不可预测。我们跟FANUC合作了很多年，一直想找到避免停线的好办法，现在ZDT出现了。”

是的，ZDT由FANUC开发不是一种偶然。早在2014年，通用就启动了ZDT试点计划，作为重要的战略合作伙伴之一，FANUC和通用的长期合作关系是前者参与计划的一个关键。两家企业的合作最早可追溯到20世纪80年代初，当时通用和日本FANUC建立了一家名为GMFanuc的机器人合资公司，主要负责在美国制造和销售机器人。虽然这家公司最后解体了，但是两家的友好关系一直持续到了今天。

据Linn透露，通用在全球工厂中布置了约35000台机器人，其中有95%产自FANUC，而且这个数字还在继续增长。

“我们正在做一个整合工作，把更多的机器人连接到云端。在我向你们介绍新产品或新系统的同时，来自各个集成商的工业机器人正在被打包运往通用的工厂。在那儿，已经有超过8500台机器人被连接到了FANUC的ZDT平台。”

ZDT的投资回报

每天，ZDT都能在工厂里有所作为。Linn表示，自从试点计划开展以来，截至今年5月，ZDT已经为工厂避免了超过100起重大意外停机事故。这些事故本来会使自动化生产线停线6—8个小时，虽然ZDT的“拦截率”达不到百分之百，但综合来看，它为工厂挽回了巨大损失，尤其是大型卡车和SUV车间，在那儿发生的哪怕只有一起事故的后果都是难以估量的。

随着成千上万台机器人被连接到云端，通用正在从对ZDT的投资中得到经济回报。2016年，FANUC凭借ZDT解决方案荣获通用汽车“供应商创新奖”，它也是其中唯一一家非汽车零部件供应商。

对此，通用的评价是：“FANUC的技术不是虚无缥缈的，不是空架子，它融合了大数据、物联网、先进算法和计算机技术，把最前沿的理念融入实际生产。ZDT获得的成功是巨大的，它的前景是光明的。”

ZDT的工作原理

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ZDT包括硬件和软件平台。机器人通过以太网连接到本地工作单元网络，本地工作网络再与工厂网络直连。

首先机器人利用传感器收集数据并将之储存到本地控制器，之后被安装在生产车间内的数据采集器会集合各控制器上的数据，把它们安全送往思科云Cisco Cloud。ZDT内有一套思科生产的加密软件，所有数据在被储存到云端前都会被完全加密。

FANUC在云端数据库中划分了一些区块，分析软件处理数据时会根据数据来源自动归类识别，一旦发现异常，系统服务中心会发送警报邮件至控制中心和预先指定人员的工作邮箱。工作人员可根据指示进行预防性维护，在流水线上的机器人停机前尽早排除故障。

FANUC美国密歇根州分公司的研发副总裁Jason Tsai表示：“ZDT解决方案的关键功能就是预测故障，这是一项十分具有挑战性的任务。由于现行的工作计划是24/7，所以ZDT提前两周预测故障的水平可能还不能尽如人意，但是如果能提前三至四周进行预测，那工作人员就能有一个周末的时间来进行故障排查，停机概率将大大缩小。”

关于机器人数据的收集方式，FANUC提供了两个选项——用思科提供的数据采集器，或是用户自己的服务器（需要满足一定的系统适配性）。如果用户选择用自己的服务器，那他就需要把ZDT数据采集器的软件包安装到本地，使其具有相关采集功能。ZDT自带的数据采集器装有思科统一计算系统，能覆盖整个工厂，连接多达1000台工业机器人。

ZDT的推广

据介绍，虽然前两年连接到ZDT的机器人不过千余台，但到2016年底，通用汽车已经有超过6500台工业机器人被连接到了云端，而在今年5月，这个数字又提高到了8500台。

“我们暂时没有把ZDT用于其他品牌机器人的想法。因为自从工业机器人诞生以来，我们几乎已经把所有品牌的机器人都用了一遍，FANUC是最适合我们的。”Linn表示。

目前通用汽车已加快了ZDT的部署速度，虽然旧有的日常维护计划还没有被完全抛弃，但通用方面表示，为了节省维护时间、降低维护成本，工厂将尽快全面覆盖ZDT。据悉，通用原有的维护计划为1000小时一次，但在实际操作中，这个维护时间通常会达到1250小时或更久。

而据FANUC介绍，ZDT不只是一款监控设备，它同时也是一个工业机器人，可直接参与生产制造，如进行焊接、喷涂等作业。以通用汽车的喷涂车间为例，当前通用采用的全新FANUC喷涂机器人都是ZDT，它们不仅能为汽车喷涂油漆，还能监控舱内压力、控制执行器工作速度、分配油漆、显示油漆参数和报告驱动器的健康状况。

在进行喷涂作业时，每个机器人都会有超过200个活动部件参与运动控制，其中任何一个出现故障，都会导致机器人作业出现质量问题或直接停机。机器人与ZDT的融合将进一步提升生产的智能化水平，保障工厂运营质量。

当前全球范围内已经有超过10000台机器人处于ZDT的云端监控下，这些机器人都被用于汽车制造行业，其中有80%是传统工业机器人。预计在今年年底，FANUC将为非汽车行业的厂商提供软件和硬件支持，同时也会针对中小型制造商发布即插即用的硬件装置。FANUC将把ZDT作为旗下产品的标配之一，在工业机器人的控制器上预先安装好数据采集软件，对于旧款机器人，FANUC会提供所需加载的ZDT软件。

KUKA Connect

今年早些时候，KUKA推出了全新的基于开放全球标准的KUKAConnect平台。该平台使用大数据分析和最新的雾计算技术，让客户能够最全面地掌控他们所连接的KUKA机器人。

该平台主要有3个功能：资产信息管理、状态监控和维护警报。

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“现如今生产—销售分离是制造业一种非常常规的合作方式，对于大型代工企业OEM来说，管控工厂的资产信息是个不小的麻烦，因为他们的工厂中往往装备了成千上万台机器人，而目前这些信息的普遍管理方法是创建巨型Excel表格。表格只能收录数据，但无法保证数据的准确性和完整性。”KUKA北美地区的产品营销总监Andy Chang表示，“KUKA Connect是KUKA针对机器人管理难题推出的新型解决方案，它能帮助工作人员轻松搜集工厂内所有机器人的信息，掌握机器人的工作状态和健康程度。”

不同于以往的人工检测标准，KUKA Connect为机器人定制了一套特定的KPI（关键性能指标），以帮助工作人员衡量机器人的性能。如当机器人连接到平台后，KUKA Connect会显示一张温度表，实时统计其所有轴上的工作温度。若工作人员发现机器人各轴温度持续走高，那意味着两件事：齿轮箱出现异常；机器人有效负载与实际负载不匹配。KUKA Connect提供了两种信息反馈方式，一是当控制器提交错误报告后，平台会实时提供错误代码和相关描述，它是动态的；二是平台会持续展示数据，由工作人员自行判断生产线运转情况。

工业4.0：万千数据，一触即达

KUKA Connect旨在实现机器人监控的灵活性和轻量简化，所以该软件可被安装在智能手机、平板电脑等移动设备上，直观展示机器人维护和工作状态等信息，帮助工作人员提前预测停机状况，及时采取补救措施。该软件平台不仅能连接工业机器人，还可以监视机器人控制器所控制的自动化设备，如焊枪、胶枪，如果机器人被安装在轨道上，它还可以监视附加轴的工作情况。但是目前它只支持管控KUKA系列产品。

工作原理

KUKA Connect可以通过与Nebbiolo技术相结合，使用雾计算设备实现端对端应用能力，从而安全地在机器人和云平台之间搜索、交换、转移数据。

KUKA总监Andy Chang表示，为了把机器人连接在一起，客户会需要一个物理设备：“我们与NebbioloTechnologies公司达成了合作关系，他们会提供基于Fog OS（操作系统）技术构建的fogNode™（边缘计算设备）。从本质上来说，它是一个实时PLC和二进制网络桥，它能在一端智能判别网络基础设施、区分产品防火墙和IP防火墙，并能在线进行一些数据采集分析工作。同时，它会将采集的数据通过另一端传输到云端，实现数据整合。

KUKA Connect是一个无需软件安装的平台，只需注册即可使用。它的雾计算设备被安装在工厂中，你只需登录KUKA账号便可浏览机器人状态，每个节点可连接超过60台工业机器人。但是KUKA Connect需要结合KUKA的的KRC4控制器一起工作，它支持8.3.20及更高版本的KUKA.SystemSoftware（KSS），但不支持旧系统。

KUKA Connect的IIoT软件让你能随时随地监控机器人工作状态

据KUKA透露，KUKAConnect推出的一大关键就是要降低客户的进入壁垒，所以它无需安装软件，相关硬件也是即插即用的。该平台目前提供两种可用的服务：KUKA Connect Lite 和KUKA Connect Plus。通过KUKA Connect Lite，用户可以免费使用资产信息管理来支持KUKA机器人的功能。通过升级到KUKA Connect Plus，用户可以解锁更多资产信息管理功能，全面运用KUKA Connect平台的功能，包括KUKA的实时通知和输出报告。

Festo

为了真正实现工业4.0和智慧工厂的行业愿景，除了利用物联网和大数据管理工业机器人，人才培养和地区协作也是发展中不可忽视的重点。在美国，一家公司正致力于用新技术创新人才培养方式，以缩小工人间日益扩大的技术水平差距。

这家公司正是Festo。

Festo是一家德国企业，它是全球自动化技术领域的领先厂商，也是基础和高级技术培训的全球市场领袖。在德国，Festo Scharnhausen已经在阀门、阀岛与电子技术领域迈出了坚实的一步，整个工厂设计为未来自适应工厂，工业4.0的雏形已在这里实现。作为Festo的子公司，Festo Didactic（费斯托教学培训）则是一家技术培训机构，它正致力于成长为是全球领先的制造业教育机构与解决方案供应商。

在今年4月的AUTOMATE会议上，一份报告称2017年美国机器人技术人才缺口已达30万，而在未来这个数字只会增，不会减。对此，Festo Didactic美国地区工程开发经理Ted Rozier表示：“在工业4.0的背景下，机器人技术人才教育的重点应该同时包含硬件和软件两部分。工人们需要了解机器人的集成方式和PLC编程方法，同时他们也要掌握IoT技术的应用方式和具体作用。机器人教育不再只是单纯的具体操作，而应该强调多学科学习，特别是机电一体化。”

我国制造业十大领域人才缺口

“工业4.0的实现、物联网技术的普及都离不开人才培养。要成为未来制造业的参与者、贡献者，你需要强大的IT背景和深厚的机电一体化知识储备，而这正是Festo Didactic能带给你的。”

Festo的“学习工厂”

Festo Didactic为机电一体化、控制技术和自动化技术的实际工业培训提供了“学习工厂模块”（learningfactory modules）。系统从单一的Project Workstation I4.0开始，教授控制技术的基本原理。之后学员可以添加多个模块来创建一个完整的学习CP工厂，其中可以包括一个微观的工业循环流水线系统和用于连接不同工作站的微型自主移动机器人。

该系统是完全模块化的，因此可以根据不同学习需求进行调整：你可以随时添加、删除或移动各个工作站。培训主题包括：PLC项目工程、人机界面和RFID传感器、调试Web服务器和TCP / IP和OPC-UA接口、能源监控和管理与智能过程数据模块、企业资源规划（ERP）系统、制造执行系统（MES）和快速原型设计。

目前Festo的CP工厂模块已被用于制造业人才培训和STEM社区学院课堂，学生毕业后即可参加对口工作。位于南卡罗来纳州洛克山的约克技术学院为CP工厂专门开辟了一个房间，里面安装了全套共6个模块。而位于阿拉巴马州万斯的梅赛德斯-奔驰公司也正在使用Festo学习设备来提高员工的知识水平。

Festo Didactic还在俄亥俄州梅森市开设了一个学习中心，进行相关培训和学徒计划。费斯托梅森（Mesto）和伊顿敦（Eatontown）设施的培训师还会进行全美巡回教学，为各地企业提供职业培训和职工继续教育培训。

人工智能赛博物理操作系统

AI-CPS OS

“人工智能赛博物理操作系统”（新一代技术+商业操作系统“AI-CPS OS”：云计算+大数据+物联网+区块链+人工智能）分支用来的今天，企业领导者必须了解如何将“技术”全面渗入整个公司、产品等“商业”场景中，利用AI-CPS OS形成数字化+智能化力量，实现行业的重新布局、企业的重新构建和自我的焕然新生。

AI-CPS OS的真正价值并不来自构成技术或功能，而是要以一种传递独特竞争优势的方式将自动化+信息化、智造+产品+服务和数据+分析一体化，这种整合方式能够释放新的业务和运营模式。如果不能实现跨功能的更大规模融合，没有颠覆现状的意愿，这些将不可能实现。

领导者无法依靠某种单一战略方法来应对多维度的数字化变革。面对新一代技术+商业操作系统AI-CPS OS颠覆性的数字化+智能化力量，领导者必须在行业、企业与个人这三个层面都保持领先地位：

重新行业布局：你的世界观要怎样改变才算足够？你必须对行业典范进行怎样的反思？
重新构建企业：你的企业需要做出什么样的变化？你准备如何重新定义你的公司？
重新打造自己：你需要成为怎样的人？要重塑自己并在数字化+智能化时代保有领先地位，你必须如何去做？

AI-CPS OS是数字化智能化创新平台，设计思路是将大数据、物联网、区块链和人工智能等无缝整合在云端，可以帮助企业将创新成果融入自身业务体系，实现各个前沿技术在云端的优势协同。AI-CPS OS形成的数字化+智能化力量与行业、企业及个人三个层面的交叉，形成了领导力模式，使数字化融入到领导者所在企业与领导方式的核心位置：

精细：这种力量能够使人在更加真实、细致的层面观察与感知现实世界和数字化世界正在发生的一切，进而理解和更加精细地进行产品个性化控制、微观业务场景事件和结果控制。
智能：模型随着时间（数据）的变化而变化，整个系统就具备了智能（自学习）的能力。
高效：企业需要建立实时或者准实时的数据采集传输、模型预测和响应决策能力，这样智能就从批量性、阶段性的行为变成一个可以实时触达的行为。
不确定性：数字化变更颠覆和改变了领导者曾经仰仗的思维方式、结构和实践经验，其结果就是形成了复合不确定性这种颠覆性力量。主要的不确定性蕴含于三个领域：技术、文化、制度。
边界模糊：数字世界与现实世界的不断融合成CPS不仅让人们所知行业的核心产品、经济学定理和可能性都产生了变化，还模糊了不同行业间的界限。这种效应正在向生态系统、企业、客户、产品快速蔓延。

AI-CPS OS形成的数字化+智能化力量通过三个方式激发经济增长：

创造虚拟劳动力，承担需要适应性和敏捷性的复杂任务，即“智能自动化”，以区别于传统的自动化解决方案；
对现有劳动力和实物资产进行有利的补充和提升，提高资本效率；
人工智能的普及，将推动多行业的相关创新，开辟崭新的经济增长空间。

给决策制定者和商业领袖的建议：

超越自动化，开启新创新模式：利用具有自主学习和自我控制能力的动态机器智能，为企业创造新商机；
迎接新一代信息技术，迎接人工智能：无缝整合人类智慧与机器智能，重新
评估未来的知识和技能类型；
制定道德规范：切实为人工智能生态系统制定道德准则，并在智能机器的开
发过程中确定更加明晰的标准和最佳实践；
重视再分配效应：对人工智能可能带来的冲击做好准备，制定战略帮助面临
较高失业风险的人群；
开发数字化+智能化企业所需新能力：员工团队需要积极掌握判断、沟通及想象力和创造力等人类所特有的重要能力。对于中国企业来说，创造兼具包容性和多样性的文化也非常重要。

子曰：“君子和而不同，小人同而不和。” 《论语·子路》云计算、大数据、物联网、区块链和人工智能，像君子一般融合，一起体现科技就是生产力。

如果说上一次哥伦布地理大发现，拓展的是人类的物理空间。那么这一次地理大发现，拓展的就是人们的数字空间。在数学空间，建立新的商业文明，从而发现新的创富模式，为人类社会带来新的财富空间。云计算，大数据、物联网和区块链，是进入这个数字空间的船，而人工智能就是那船上的帆，哥伦布之帆！

新一代技术+商业的人工智能赛博物理操作系统AI-CPS OS作为新一轮产业变革的核心驱动力，将进一步释放历次科技革命和产业变革积蓄的巨大能量，并创造新的强大引擎。重构生产、分配、交换、消费等经济活动各环节，形成从宏观到微观各领域的智能化新需求，催生新技术、新产品、新产业、新业态、新模式。引发经济结构重大变革，深刻改变人类生产生活方式和思维模式，实现社会生产力的整体跃升。

产业智能官 AI-CPS

用“人工智能赛博物理操作系统”（新一代技术+商业操作系统“AI-CPS OS”：云计算+大数据+物联网+区块链+人工智能），在场景中构建状态感知-实时分析-自主决策-精准执行-学习提升的认知计算和机器智能；实现产业转型升级、DT驱动业务、价值创新创造的产业互联生态链。