你設(shè)想中的未來工廠是什么樣的？隨處可見的預(yù)測性維護(hù)、工廠設(shè)備間擁有著統(tǒng)一的通信語言還是在流程工業(yè)企業(yè)中更高效的模塊化生產(chǎn)被廣泛應(yīng)用？

　　“大型工業(yè)工廠的運(yùn)營牽扯的考慮因素眾多，需要在其中取得良好的平衡。無論是在規(guī)劃與建設(shè)、日常運(yùn)營還是維護(hù)和升級過程中，決策都必須整合多個(gè)學(xué)科的專業(yè)知識。”ABB集團(tuán)首席執(zhí)行官BjörnRosengren表示道。

　　一方面，標(biāo)準(zhǔn)和要求日益嚴(yán)苛，另一方面，技能稀缺問題加劇，導(dǎo)致未來工廠在邁向智能化的過程中面臨著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。ABB憑借公司豐富的經(jīng)驗(yàn)，在尖端技術(shù)和AI支持下，為眾多領(lǐng)域的客戶提供支持。本期，我們將通過尋找異常、統(tǒng)一通信和模塊化工程設(shè)計(jì)這三個(gè)方向，來探尋ABB集團(tuán)對于未來工廠的賦能。

　　應(yīng)用無監(jiān)督建模方法檢測早期電機(jī)故障

　　根據(jù)ABB針對3215家組織進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查，工業(yè)企業(yè)因計(jì)劃外停機(jī)而承受的成本一般約為每小時(shí)125,000美元。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，69%的受訪裝置每月至少經(jīng)歷一次計(jì)劃外停機(jī)。顯然，在諸多行業(yè)中，電機(jī)等設(shè)備對于平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要，而可靠性是最大限度地減少故障和停機(jī)所造成的負(fù)面財(cái)務(wù)影響的關(guān)鍵。

　　然而，盡管其存在十分普遍——全球運(yùn)行的電機(jī)數(shù)量超過3億臺——確保其可靠運(yùn)行仍然是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。利用先進(jìn)算法對電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，可以檢測異常，并在問題升級為故障等更嚴(yán)重問題之前向操作員發(fā)出警報(bào)，從而減少計(jì)劃外停機(jī)。

　　ABB的數(shù)據(jù)科學(xué)家開發(fā)了一種高效且可擴(kuò)展的電機(jī)故障自動檢測功能。該檢測功能結(jié)合了基于模式識別檢測快速發(fā)展的嚴(yán)重故障的檢測方法和用于識別早期故障的無監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）方法。

　　開發(fā)可靠、可重復(fù)且可擴(kuò)展的機(jī)器學(xué)習(xí)解決方案十分復(fù)雜，讓許多組織頭痛不已。為了解決這些挑戰(zhàn)，ABB在開發(fā)異常檢測器解決方案時(shí)從機(jī)器學(xué)習(xí)運(yùn)維（MLOps）最佳實(shí)踐中獲益匪淺。ABB將并行化、異常檢測和后處理鏈接到管道中，確保該解決方案可靠、可重復(fù)且可擴(kuò)展。

　　盡管無監(jiān)督模型訓(xùn)練不需要標(biāo)記數(shù)據(jù)，但ABB從運(yùn)行狀況和故障周期已知的各種電機(jī)中收集了數(shù)據(jù)，以協(xié)助進(jìn)行模型驗(yàn)證、超參數(shù)調(diào)整和模型選擇。選擇后，模型只需使用未標(biāo)記的數(shù)據(jù)即可進(jìn)行訓(xùn)練。對標(biāo)記數(shù)據(jù)的分析表明，數(shù)據(jù)高度不平衡，錯(cuò)誤類別占少數(shù)。所研究案例中的所有故障均可使用振動測量加以有效檢測。

　　通過將所有開發(fā)步驟連接到管道中來完成模型部署?？紤]到部署的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)，最困難的一項(xiàng)挑戰(zhàn)在于設(shè)計(jì)一個(gè)能在合理時(shí)間內(nèi)訓(xùn)練和服務(wù)數(shù)千個(gè)模型的基礎(chǔ)設(shè)施。為此，ABB利用了Microsoft Azure Machine Learning Studio的并行處理功能，其中可將作業(yè)執(zhí)行分發(fā)至并行計(jì)算集群和節(jié)點(diǎn)。增加計(jì)算集群或節(jié)點(diǎn)的數(shù)量即可對其進(jìn)行擴(kuò)展，但需要付出一定的成本。由于OCSVM算法的計(jì)算負(fù)擔(dān)較輕，因此僅需使用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的CPU集群。

　　ABB異常檢測功能的有效性已通過具體工業(yè)案例驗(yàn)證。對于用皮帶驅(qū)動風(fēng)扇的電機(jī)，系統(tǒng)給出了早期異常檢測標(biāo)志。收到通知后，ABB專家使用先進(jìn)的信號處理工具對原始振動數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析，并發(fā)現(xiàn)被驅(qū)動設(shè)備出現(xiàn)了諧波頻率變高的問題。經(jīng)實(shí)際檢查確認(rèn)，驅(qū)動風(fēng)扇的軸承及軸承間皮帶損壞。

　　該案例研究表明，異常檢測器甚至能夠成功識別源自應(yīng)用程序而非電機(jī)本身的問題，從而防止?jié)撛谟?jì)劃外停機(jī)。通過這種方式，ABB表明，通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，異常檢測器未來可幫助用戶及早解決故障問題，從而減少停機(jī)時(shí)間。

　　借助以太網(wǎng)APL降低工作量和成本

　　隨著現(xiàn)場設(shè)備日益增多，且功能更為多樣化和智能化，運(yùn)營商不僅能從更高的數(shù)據(jù)可用性中獲益，而且還面臨著處理大量過程和維護(hù)數(shù)據(jù)的難題。隨著項(xiàng)目規(guī)模和復(fù)雜性的增加，各種儀器通常需要用到大量不同的通信協(xié)議和底層物理層，這一挑戰(zhàn)也隨之增加。

　　因此，裝置運(yùn)營商尋求一種圍繞穩(wěn)健的開放行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的統(tǒng)一、本質(zhì)安全且經(jīng)濟(jì)高效的通信技術(shù)，在避免供應(yīng)商鎖定的同時(shí)，能夠隨著業(yè)務(wù)需求的發(fā)展順利擴(kuò)展規(guī)模。過程裝置運(yùn)營商尋求通過信息技術(shù)（IT）與運(yùn)營技術(shù)（OT）的融合從數(shù)據(jù)中獲取新價(jià)值，其一大首要目標(biāo)是有效降低每次現(xiàn)場測量的總成本。

　　以太網(wǎng)APL解決了其中部分挑戰(zhàn)，并引入“傳統(tǒng)”以太網(wǎng)充當(dāng)工業(yè)環(huán)境中的擴(kuò)展物理層，具有特別的吸引力，在其與廣泛采用的PROFINET和現(xiàn)場設(shè)備集成（FDI）技術(shù)結(jié)合部署時(shí)尤其如此。

　　數(shù)十年來，以太網(wǎng)一直是IT領(lǐng)域的中流砥柱，根據(jù)IEEE802.3實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，其支撐著其他抽象層，這些抽象層共同定義了不同設(shè)備和系統(tǒng)之間的互連和數(shù)據(jù)流。以太網(wǎng)是工業(yè)和商業(yè)有線數(shù)字技術(shù)的既定標(biāo)準(zhǔn)，已被用作物理層，用于收集數(shù)據(jù)并控制使用PROFINET和ModbusTCP等協(xié)議的遠(yuǎn)程I/O和電氣設(shè)備。然而，到目前為止，以太網(wǎng)不適合危險(xiǎn)區(qū)域（例如煉油廠）的某些過程工業(yè)應(yīng)用。除成本效益和簡單性之外，這些設(shè)施還需要利用以太網(wǎng)的其他特征，例如長距離向設(shè)備傳輸通信協(xié)議和電源的能力、增強(qiáng)安全性（例如防爆）以及在惡劣天氣和環(huán)境下可隨時(shí)進(jìn)行修復(fù)的能力。

　　自2015年以來，ABB一直與其他供應(yīng)商和標(biāo)準(zhǔn)制定組織合作，幫助開發(fā)技術(shù)、指南和最佳實(shí)踐，從而為增強(qiáng)現(xiàn)場級以太網(wǎng)連接在過程自動化行業(yè)中的應(yīng)用作出貢獻(xiàn)。

　　以太網(wǎng)APL標(biāo)準(zhǔn)于2021年獲得批準(zhǔn)，其提供擴(kuò)展物理層，可通過單股雙絞線電纜遠(yuǎn)距離（1000m）傳輸高速過程、配置和診斷數(shù)據(jù)以及電力。這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用賦予過程自動化行業(yè)激動人心的前景，在化學(xué)和石油/天然氣設(shè)施等危險(xiǎn)環(huán)境中尤其如此。

　　終極解決方案對于希望通過增強(qiáng)過程控制來優(yōu)化其表現(xiàn)的組織來說，更快速輕松地訪問數(shù)據(jù)的前景是關(guān)鍵。以太網(wǎng)APL提供了終極解決方案，可幫助解決傳統(tǒng)上阻礙工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)收集、中繼和訪問的許多障礙（包括是否適合在危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行部署），滿足對過程控制系統(tǒng)日益增長的需求。

　　以太網(wǎng)APL可解決在工業(yè)環(huán)境中使用“傳統(tǒng)”以太網(wǎng)作為物理層時(shí)面臨的許多挑戰(zhàn)，為過程裝置提供了優(yōu)解，在其與廣泛采用的PROFINET和FDI技術(shù)結(jié)合部署時(shí)表現(xiàn)尤為出色。

　　面向大型過程工業(yè)裝置的模塊化工程設(shè)計(jì)

　　隨著部分產(chǎn)品生命周期縮短，快速設(shè)計(jì)和構(gòu)建化工和制藥生產(chǎn)裝置的需求日益增長。這一快速變化為模塊化裝置生產(chǎn)提供了理由。模塊化生產(chǎn)采用模塊化自動化系統(tǒng)和工程設(shè)計(jì)方法，其價(jià)值已在試點(diǎn)應(yīng)用中得到了成功證明，最多可節(jié)省50%的工程調(diào)試時(shí)間。

　　盡管到2030年，這兩個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中25%的未來過程裝置預(yù)計(jì)將采用模塊化制造和自動化技術(shù)予以建造，但ABB思考如何利用模塊化自動化來簡化剩余75%的工程設(shè)計(jì)。為此，ABB提出了面向傳統(tǒng)過程裝置的模塊化工程設(shè)計(jì)概念，針對這些并非使用模塊類型包（MTP）基于模塊化生產(chǎn)組裝而成的過程裝置。

　　預(yù)設(shè)計(jì)和預(yù)制造模塊被定義為工藝設(shè)備組件（PEA）或撬裝組件，可以實(shí)現(xiàn)模塊化生產(chǎn)中的過程功能。要在多個(gè)應(yīng)用中加以使用，PEA必須具備互操作性：模塊類型包（MTP）使這成為可能。MTP即PEA的標(biāo)準(zhǔn)化、無關(guān)乎制造商的描述，其中包括將模塊無縫集成到模塊化裝置中所需的信息，例如有關(guān)通信、服務(wù)、HMI等的描述。MTP允許將PEA集成到監(jiān)控系統(tǒng)中，即流程編排層（POL）中，其中，功能會被例如抽象化處理為服務(wù)層。因此，早期PEA擁有自己的智能。將MTP和基于服務(wù)的過程設(shè)計(jì)相集成，使過程功能成為可能。通過這種方式，可以減少工程設(shè)計(jì)工作量和調(diào)試時(shí)間。

　　ABB用一個(gè)工業(yè)用例驗(yàn)證了其FM工程設(shè)計(jì)概念：生成可用于描述FM的通用MTP。此外，裝置工程設(shè)計(jì)概念的測試和驗(yàn)證結(jié)果還表明，可將現(xiàn)成模塊進(jìn)行實(shí)例化處理，以形成準(zhǔn)確表示物理模塊的FM實(shí)例。使用一種與自動化系統(tǒng)無關(guān)的方法來描述可復(fù)用模塊類型是可行的。

　　ABB提出的FM概念為在傳統(tǒng)過程裝置中使用模塊化工程設(shè)計(jì)方法奠定了基礎(chǔ)。這一概念的可行性已在ABB的分離用例中得到測試，成功演示了工程設(shè)計(jì)方法和工作流程在油氣行業(yè)中的應(yīng)用方式。從模塊化生產(chǎn)設(shè)施的模塊化工程設(shè)計(jì)中獲得的工程效率優(yōu)勢同樣將適用于傳統(tǒng)世界級大型生產(chǎn)裝置。目前，正在研究如何將早期工程設(shè)計(jì)階段正式化，以便可自動從語義層面指定和分配FM的I/O，這一關(guān)注將有助于促進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的早期發(fā)展和加速發(fā)展。

　　（本文綜合整理自《ABB評論》）

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