背景
在制造型企業(yè)在智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的轉(zhuǎn)型過程中，我們經(jīng)常會遇到傳統(tǒng)的OT系統(tǒng)中采用了不同廠商的設(shè)備，它們使用的通信協(xié)議也不盡相同，相互連接時(shí)需要進(jìn)行復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換�？紤]到系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)健性，傳統(tǒng)的OT 系統(tǒng)和 IT 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往是各自獨(dú)立的，很多制造企業(yè)在做智能制造升級時(shí)不得不面對大量的設(shè)備數(shù)據(jù)整合和系統(tǒng)融合的工作。
現(xiàn)在，我們可以借助諸如TSN網(wǎng)絡(luò)將不同工業(yè)現(xiàn)場中不同的設(shè)備間的數(shù)據(jù)整合到同一網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的IT和OT融合的同時(shí)，保持系統(tǒng)的穩(wěn)健型和安全性。
相關(guān)技術(shù)
卓信創(chuàng)馳和其客戶工業(yè)富聯(lián)一起采用基于intel創(chuàng)新技術(shù)的E512無風(fēng)扇工控機(jī)、V510運(yùn)動(dòng)和視覺控制器和V300邊緣節(jié)點(diǎn)等產(chǎn)品打造了一套基于TSN網(wǎng)絡(luò)的智能制造解決方案，目前已經(jīng)應(yīng)用于國內(nèi)很多諸如CNC加工、金屬焊接、精密制造等工業(yè)現(xiàn)場。這個(gè)方案采用基于Intel Coffee Lake 平臺和Intel Apollo Lake平臺、Intel Cyclone FPGA和Intel Ethernet Controller的產(chǎn)品和技術(shù)。針對 TSN 網(wǎng)絡(luò)，卓信創(chuàng)馳提供的工控機(jī)產(chǎn)品均采用了全新英特爾®酷睿™ 處理器，加入了專門的英特爾®時(shí)序協(xié)調(diào)運(yùn)算 (Intel® Time Coordinated Computing，英特爾®TCC) 技術(shù)，可最大程度地減少網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)延遲，滿足制造業(yè)對關(guān)鍵實(shí)時(shí)計(jì)算應(yīng)用的需求。
以E512系列工控機(jī)為例，它采用Intel Core CPUs，可以根據(jù)性能需求變換不同的配置，支持雙高清獨(dú)立顯示，具備6個(gè)Intel 獨(dú)立網(wǎng)卡芯片的千兆網(wǎng)口，均支持TSN網(wǎng)絡(luò)功能，可以靈活的進(jìn)行組網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集和處理等任務(wù)。
解決方案
TSN 網(wǎng)絡(luò)作為一種開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) (IEEE 802.1)，可以消除不同廠商設(shè)備間的兼容性問題，使工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備在連接上更為便捷，在數(shù)據(jù)傳輸帶寬方面也更具優(yōu)勢，突破了傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)線中控制系統(tǒng)與分析系統(tǒng)的界限，讓 AI 應(yīng)用更易于在工業(yè)現(xiàn)場部署。同時(shí)，由硬件設(shè)備帶來的優(yōu)先級控制、數(shù)據(jù)安全機(jī)制也能對產(chǎn)線所需的高可靠性提供保障。
通過搭建計(jì)算機(jī)視覺(Computer Vision，CV) 系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制 (Motion Control，MC) 系統(tǒng)相配合的自動(dòng)化不良品檢測系統(tǒng)，工業(yè)富聯(lián)將這個(gè)解決方案應(yīng)用于CNC(Computer Numerical Control)工廠中, 它的典型工作流程如下圖所示，當(dāng)產(chǎn)品被工業(yè)相機(jī)捕獲后，圖像會被送往部署在邊緣服務(wù)器或云平臺中的視覺處理系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，基于 CV 算法或深度學(xué)習(xí)方法構(gòu)建的檢測系統(tǒng)會快速判定產(chǎn)品是否符合質(zhì)量要求，并下發(fā)控制指令給產(chǎn)線，執(zhí)行停機(jī)等后續(xù)操作。
借助TSN網(wǎng)絡(luò)，整套系統(tǒng)具備高數(shù)據(jù)同步、低網(wǎng)絡(luò)延遲的特點(diǎn)，促進(jìn)IT和OT系統(tǒng)的融合，來自產(chǎn)線不同設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能夠通過統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中，在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，并將結(jié)果下發(fā)到各個(gè)產(chǎn)線設(shè)備上執(zhí)行。
通過在刀柄、主軸以及電源等關(guān)鍵位置加裝各類傳感器的方案，解決了CNC設(shè)備在加工過程中，時(shí)常會出現(xiàn)斷刀、錯(cuò)位等異常情況。這種方案可以利用數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，上傳到可編程自動(dòng)化控制器(Programmable Automation Controller，PAC)，并根據(jù)算法模型進(jìn)行快速推理，然后再對異常情況進(jìn)行相應(yīng)的反向控制，形成異常檢測的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)。
 通過交換機(jī)等設(shè)備，來自邊緣設(shè)備端的數(shù)據(jù)可以上傳至 方案中中專門的 霧小腦 (Fog AI) 服務(wù)器來進(jìn)行模型訓(xùn)練，并將得到的模型再經(jīng)由交換機(jī)下發(fā)到邊緣端進(jìn)行推理和執(zhí)行。得益于TSN網(wǎng)絡(luò)提供了一系列的時(shí)間同步和流量調(diào)度機(jī)制，因此可以使上述系統(tǒng)的信息傳遞更加精準(zhǔn)、高效、可控。當(dāng)閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)因數(shù)據(jù)量過大而可能造成擁堵時(shí)，各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流傳輸能夠根據(jù)既定規(guī)則，保證優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)，如控制指令等可被更快地傳遞，生產(chǎn)線中的設(shè)備能夠支持TSN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備越多，TSN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢越明顯，對整個(gè)制造過程的智能化程度也越高。
在CNC加工過程中，刀頭有一項(xiàng)重要的參數(shù)對產(chǎn)品精度起著關(guān)鍵作用，它就是刀具的“黃金壽命”，當(dāng)?shù)额^超過其黃金壽命時(shí)，就無法保證產(chǎn)品的加工精度。刀頭的黃金壽命取決于加工方法、產(chǎn)線溫度、電流等一系列因素，因此，我們可以通過已經(jīng)部署在這套方案中的一系列傳感器對刀頭的振動(dòng)曲線、溫度、電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過 TSN 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳至 Fog AI 服務(wù)器進(jìn)行訓(xùn)練，得到刀頭使用壽命的預(yù)測模型，對CNC設(shè)備中刀頭的壽命、使用情況等進(jìn)行預(yù)測性的分析判斷，從而可以在刀頭到達(dá)黃金壽命時(shí)被及時(shí)替換，保證產(chǎn)品的加工精度。進(jìn)而管理數(shù)以千計(jì)刀頭的黃金壽命，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的替換時(shí)間表，避免因停機(jī)替換刀頭而導(dǎo)致的生產(chǎn)效率下降。
得益于基于英特爾®架構(gòu)的卓信創(chuàng)馳工控機(jī)產(chǎn)品的優(yōu)異性能和快速高效的TSN 網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)解決方案能夠有效推動(dòng)工業(yè) OT 系統(tǒng)與 IT 系統(tǒng)的融合，確保工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在 保證高效率數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，兼顧了工業(yè)級的穩(wěn)健性和可靠性，從而為工業(yè)富聯(lián)的智能制造解決方案帶來以下優(yōu)勢：
1）提升制造業(yè)產(chǎn)線良品率：通過將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備部署到生產(chǎn)一線，再借助 TSN 網(wǎng)絡(luò)提供的高效傳輸能力，既可以在產(chǎn)線出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行有效管控，也可以利用預(yù)測性分析等 AI 方法對設(shè)備使用情況進(jìn)行預(yù)測。
2）增強(qiáng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳輸效率：在一些場景中，過去經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)量過大等原因造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞、數(shù)據(jù)包丟失或重傳等現(xiàn)象，數(shù)據(jù)傳輸效率低于90%。而在采用基于TSN網(wǎng)絡(luò)的新方案后，數(shù)據(jù)丟失問題得到了有效控制，數(shù)據(jù)傳輸效率提升到99%以上。
3）降本增效、提 高生產(chǎn)效率：TSN網(wǎng)絡(luò)對異常檢測、預(yù)測性分析等AI應(yīng)用的良好支撐，使產(chǎn)線能夠有效降低停機(jī)檢測的次數(shù)，并基于更為科學(xué)的設(shè)備管理方案來提升生產(chǎn)效率。在一些場景中，原先每個(gè)機(jī)臺必須配置一名操作員工，引入新方案后即可實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)操作。
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