El shell de gestión de activos (AAS) es un concepto importante de Industry 4.0. AAS esencialmente agrega un "shell" de modelo digital al equipo físico (los llamados activos) para realizar el intercambio de información de activos. AAS convierte los dispositivos de hardware en un servicio (servicio), que se puede solicitar y proporcionar a través del software. Por ejemplo, solicitar una máquina herramienta CNC para "perforar un agujero en una determinada posición" es un servicio. Bajo el punto de vista de I4.0, el dispositivo se convertirá en un proveedor de servicios (Service Provider). Los PLC ya no realizan partes del proceso de producción, sino que brindan servicios de producción con interfaces bien definidas. Transforma el proceso de producción original completado por humanos y máquinas en el flujo de datos y el flujo de control del sistema de TI, y el procesamiento se convierte en una llamada del software en la red. Además, estos flujos de datos y flujos de control se ajustan a estándares unificados y no tienen nada que ver con los fabricantes. Cuando todos los dispositivos se agregan con AAS compatible con el estándar, se puede lograr el objetivo de "conectar y producir".
Comencemos con una escena simple.
Aquí damos un ejemplo para ilustrar, usando el brazo robótico para realizar la carga y descarga de máquinas herramienta CNC, y usar un PLC como controlador. Una vez que se ha implementado la carcasa de gestión I4.0 tanto en el CNC como en el controlador del manipulador, el programa del controlador puede solicitar a la carcasa de gestión del CNC que procese una carcasa de aluminio (un tipo de servicio) . O solicite al brazo robótico que tome la materia prima del palé de materias primas (un servicio) y la coloque en la máquina herramienta CNC. Cuando la carcasa de gestión CNC envía un evento de finalización, el brazo robótico retira la carcasa de aluminio procesada (un servicio) ) . Colocar en bandejas terminadas. Todo el proceso se muestra en la siguiente figura.
Los pasos de procesamiento anteriores son:
- Tomar materias primas
- Procesando
- Tomar el producto terminado
Este método de control es una estructura Maestro/Esclavo.Si se utiliza la tecnología de control tradicional, el controlador se realiza mediante un PLC o una computadora industrial (si se requiere una interfaz HMI).
En el proceso de producción real, también se requieren detalles como el programa CNC de mecanizado, el movimiento del robot y el reconocimiento de la posición entre el robot y el palet. Estas tareas se pueden realizar manualmente, como la importación manual de programas CNC en computadoras industriales, el procesamiento de cantidades, etc. También es posible utilizar el software MES de capa superior para descargar de forma remota varios parámetros. Entonces la arquitectura queda de la siguiente manera:
Este tipo de sistema de arquitectura maestro-esclavo es común en los sistemas automáticos.El control del proceso de producción se completa en el controlador, y el CNC y el brazo robótico aceptan la llamada de servicio del controlador maestro y brindan información de estado al controlador maestro. El CNC y el brazo robótico tienen sus propios programas, descargados por el controlador o descargados por otras computadoras (como las estaciones de trabajo de programación CNC).
Si el CNC y el manipulador están equipados con AAS, el programa del controlador no tiene nada que ver con el fabricante y modelo del CNC y el manipulador. Debido a que el AAS de los productos de hardware de cada fabricante tiene el mismo modelo, se adopta un protocolo de acceso unificado. En la actualidad, existen varios protocolos para controladores CNC y controladores de brazo robótico, y lleva mucho tiempo familiarizarse con los protocolos y parámetros de propiedad del fabricante. Cuesta mucho dinero adaptar la tarjeta de interfaz de bus de campo y el controlador API para el brazo robótico y el CNC. Este es el beneficio directo que AAS aporta a la integración de sistemas.
Para hacer una digresión, en muchas ocasiones, la nueva tecnología del sistema de automatización no aporta mucho valor directo al usuario final (planta de procesamiento CNC), pero ahorra el costo de desarrollo de la integración del sistema. Por supuesto, la reducción del costo de desarrollo ser transmitido al usuario final.
Arquitectura AAS distribuida
Además de la arquitectura maestro-esclavo, AAS también puede adoptar un método de control distribuido.Por ejemplo, la unidad de procesamiento CNC anterior se puede cambiar al siguiente método:
Este proceso se distribuye en serie.
1 Notifique al brazo robótico que tome la materia prima e instálela en la mesa de operaciones del CNC.
2 El brazo robótico notifica al CNC para iniciar el mecanizado.
3 CNC notifica al brazo robótico que retire la carcasa de aluminio procesada.
Esta estructura se vuelve más complicada. El brazo robótico AAS necesita comunicarse con el CNC AAS. El Robot AAS le informa al CNC AAS “Oye, vamos a procesarlo”, cuando finaliza el proceso del CNC, el CNC AAS le dice al Robot AAS “Viejo, ven a recogerlo”.
Entonces, ¿cómo descargar el programa en CNC y brazo robótico? Obviamente hay dos formas:
1 El controlador descarga el programa al brazo robótico y el brazo robótico lo descarga al CNC
2 Descargado directamente a los dos AAS por el controlador a través de la comunicación AAS.
Obviamente, el primer método es relativamente simple, el fabricante del equipo construye el AAS de acuerdo con las características del equipo y los servicios prestados, y luego el software de capa superior puede controlar el equipo. No necesita conocer el estado del equipo en los procesos frontal y posterior, ni necesita cooperar con los vecinos, solo mire el significado anterior. Sin embargo, la red AAS distribuida también es una estructura común en la línea de producción coordinada de unidades múltiples. Por ejemplo, se pegan diferentes etiquetas a las bebidas en la línea de enlatado, y el acoplamiento entre el carro de manejo automático y la unidad de producción, etc. Las redes colaborativas distribuidas son más fáciles de programar e implementar dispositivos.
Dos métodos de comunicación de AAS
Desde este punto de vista, AAS tiene dos métodos de comunicación:
Comunicación vertical : el protocolo de comunicación entre el software de capa superior y AAS, puede ser el protocolo OPC UA, el protocolo HTTP, etc.
Comunicación horizontal: El protocolo de comunicación entre AAS y AAS se denomina lenguaje I4.0 en la Plataforma Industria 4.0.
Dónde se implementa el AAS
AAS es el caparazón de gestión de activos, y el llamado activo es un objeto amplio. Puede ser cualquier cosa de valor para el negocio. Específicamente, puede ser un dispositivo de campo como un controlador de servo PLC, un sensor, o puede ser MES, software ERP o el controlador principal del dispositivo. En teoría, cada objeto puede agregar un AAS.
En el proceso de construcción de un sistema de fabricación digital, ¿construimos un AAS para todos los equipos físicos y software? ¿O construir AAS selectivamente? Hay una cuestión de compensación. La implementación de un AAS requiere potencia informática adicional y aumenta el esfuerzo de ingeniería inicial.
Por ejemplo, el interior de una máquina herramienta CNC puede estar compuesto por un controlador principal basado en Windows, varios PLC, servomotores, sensores y actuadores. El equipo de control PLC dentro del CNC no necesita implementar AAS, pero utiliza el bus de campo tradicional y el protocolo de control para realizar la comunicación de datos. AAS necesita intercambiar datos con activos internos a través del bus de control de campo tradicional.
Por supuesto, algunos componentes con AAS se pueden formar en una unidad de producción durante el proceso de diseño de ingeniería. Cada dispositivo y componente tiene un AAS.
De esta forma, la comunicación de los dispositivos con AAS es más flexible y más compleja. El AAS de la capa superior puede llamar al SubMódulo del AAS de la capa inferior.
Cada AAS es tanto un proveedor de servicios como un solicitante de servicios.
Idioma I4.0
Desde el punto de vista de I4.0, el acuerdo horizontal se denomina lenguaje I4.0, que se ajusta al estándar VDI/VDE 2193. Se basa en un protocolo de comunicación basado en mensajes (como el protocolo MQTT). en formato JSON.
Los AAS se comunican a través de mensajes.
Actualmente, la especificación del lenguaje i4,0 solo tiene el protocolo MQTT. La estructura jerárquica de la red se muestra en la siguiente figura.
El idioma I4.0 no es compatible con el protocolo SUB/PUB de OPCUA No sé si es posible usar el protocolo SUB/PUB de OPCUA para transmitir el idioma I4.0? Los protocolos basados en MQTT no son en tiempo real. En el campo del control de campo, es una dirección de desarrollo adoptar el protocolo OPC UA SUB/PUB como bus de control de campo. Pero vale la pena estudiar cómo combinarlo con la comunicación de nivel AAS.
Arquitectura de Software de Shell de Administración (AAS)
Como mencioné en la publicación de blog anterior, AAS se puede dividir en AAS como archivo, AAS de parámetros estáticos, AAS programable (proAAS) y AAS dinámico. El archivo AAS es el AAS utilizado en el proceso de diseño de ingeniería, mientras que otros AAS están integrados en el dispositivo.
SAA estático
Static AAS es relativamente simple y tiene una pila de protocolo vertical (AAS Stack) y un modelo AAS en su interior. Esto es similar a OPC UA. De hecho, el modelo AAS se puede construir utilizando el modelo de información OPC UA y se puede acceder a él mediante el protocolo OPC UA.
SAA activo
El protocolo de red de AAS activo es relativamente complicado:
1 Capaz de acceder a submódulos de otros AAS.
Los nodos AAS activos son tanto proveedores de servicios como solicitantes de servicios. Desde el punto de vista de OPCUA, son tanto servidor OPCUA como Cliente OPCUA,
2 Capacidad para llamar a otros servicios AAS
3. Se pueden realizar ajustes de algoritmo de acuerdo con las solicitudes de servicio enviadas por otros AAS.
Esta parte de la función corresponde al algoritmo dentro del AAS, y estos algoritmos no son parte del programa de control del equipo , sino programas adicionales (son parte del programa original del equipo de control principal, optimización industrial completa, programación y configuración de parámetros, etc. ). ¿Quién escribirá esta parte del software, el proveedor del equipo o el integrador del sistema? ¿Qué idioma se usa para escribirlo? Todos estos son temas dignos de discusión.
Por lo tanto, el programa dentro de AAS es el siguiente.
AAS se divide en dos partes, una es el modelo AAS estático y la otra es el AAS dinámico, que responde a las solicitudes de servicio.
Para un desglose más detallado, la arquitectura de software de AAS es la siguiente.
escenarios más complejos
La escena de producción real es extremadamente complicada. Tome la unidad de procesamiento CNC anterior como ejemplo. La escena real también necesita paletas de materias primas y productos. El brazo robótico necesita identificar la pieza de trabajo a través del equipo de reconocimiento de imagen o métodos de interacción mutua (como RFID ) dónde ponerlo. Para interactuar entre sí, el palé debe tener una carcasa AAS. Además, para agarrar las piezas, se requiere información como la forma geométrica de la materia prima, lo que requiere el AAS (AAS estático) de la materia prima. Si la materia prima involucra adquisición externa o procesamiento interno bruto, también requiere la tecnología del número de clasificación de la especificación de materia prima. Idealmente, todos los equipos y materiales involucrados en el proceso de producción requerirían un modelo digital (el llamado caparazón de gestión).
Todas las mejoras técnicas tienen como objetivo mejorar la eficiencia de la producción, reducir los costos de producción y mejorar la calidad del producto. Si solo el brazo robótico y el CNC están instalados en el taller, entonces la carga y descarga de paletas, el manejo y la adquisición externa de la cadena de suministro. Si estas tareas aún dependen de la mano de obra para completarse, en comparación con la inversión, la eficiencia de producción no mejorará mucho. Por lo tanto, las empresas no están dispuestas a adoptar tecnología digital para transformar las líneas de producción.
Para lograr la comunicación AAS entre proveedores es necesario estandarizar términos, atributos e indicadores. Esto requiere importar el servidor de diccionarios Ecl@ss.
consenso
A juzgar por el desarrollo actual de I4.0, I4.0 no desarrolla más nuevas tecnologías de TI. La clave es establecer varios modelos de información y establecer y promover la estandarización del lenguaje. La realización de la tecnología no es difícil.Toda la industria ha llegado a un consenso de que la realización de la interconexión es la clave para realizar la visión de I4.0. La estandarización es un proceso muy arduo y largo, porque toma mucho tiempo encontrar consensos, lidiar con conflictos de interés entre competidores e incluso coordinación internacional. En el proceso de promoción, aparecerá el fenómeno de la "rigidez estándar", y los usuarios no adoptarán el estándar hasta que sea generalmente aceptado. Pero cuando todos se estancan, esperando que todos los demás progresen, se pierde el tiempo.
Por lo tanto, es necesario encontrar una manera de superar la rigidez de los estándares, por ejemplo, cómo adoptar parte del contenido estandarizado en la etapa inicial de desarrollo, cómo beneficiar a la industria manufacturera local. Al aprovechar la estandarización para desarrollar nuevos modelos comerciales, los desarrolladores obtienen beneficios comerciales. Estas son preguntas para que los ingenieros y la gerencia reflexionen. No se trata solo de una cuestión técnica, sino también de una cuestión social y empresarial.
conclusión
El shell de gestión de Industria 4.0 es un nuevo método de fabricación digital con un nuevo concepto. Es un mapa de visión de la fabricación digital del futuro propuesto por instituciones extranjeras con sede en Alemania. Los problemas que quieren resolver son diferentes de los problemas que enfrentamos, y el idioma y los antecedentes culturales también son diferentes. Por lo tanto, no comprendemos completamente muchos conceptos y conceptos.Frente a nuestra situación actual, hay muchas oportunidades para la innovación. No hay necesidad de imitar a los demás.
Todos los esfuerzos de Industry 4.0 están dirigidos a realizar ciclos de innovación más cortos, productos más personalizados y una producción más flexible. A menudo se menciona que el automóvil ofrece una amplia variedad de colores y configuraciones de acabado. La línea de producción debe ajustarse con frecuencia de acuerdo con los productos producidos. Si la línea de producción es una línea de producción dedicada configurada para un solo producto. Por ejemplo, solo se produce un color de Ford. La Industria 4.0 no le saca mucho provecho. La introducción de tecnología de inteligencia artificial, la optimización de algoritmos de control, etc. no deberían ser los problemas a resolver por la Industria 4.0. Esta es una pregunta que a menudo se malinterpreta.
Hay muchas desviaciones de comprensión en la publicación del blog que escribí. Es solo para su referencia y para discutir juntos.