【工业4.0案例分析之103】弗劳恩霍夫智能生产系统数据平台SmARPro

在科技发展的过程中，制造过程和生产系统越来越复杂。迄今为止，与生产有直接或间接关系的大量不同数据被用于生产流程。但是怎样对这些数据进行处理？怎样将这些数据作为信息使用？又怎样以此来支持复杂的生产方案呢？SmARPro使企业员工可以在复杂的生产环境中更深层地参与决策。在这其中，正确的信息则被作为相关的“知识”和决策基础，用于在新的商业模式中创造价值。

市场需要新的或者更确切地说增强的解决方案。这个方案要解决的问题是，机器制造者和使用者如何应付越来越复杂的产品和生产系统。生产透明度的增加是在生产不断改进的前提，比如说通过测量和监控相关的参数。这意味着需要安全地收集并分析不同来源的大量数据，及时地将获取的信息应用在所有需要的设备上以及生产中所有的功能层上，并使这些信息可视化。这个过程中需要应对两方面挑战，一方面，对可用数据库评价的多样性增加了，另一方面产生大量无效数据的危险也增加了，这些数据无法被进一步加工处理。当数据经过分析被用于生产决策时，附加价值就实现了。

控制物流、机器和生产设备的操作，以及增强物流系统之间的通信是当今联网生产中的主要问题之一。智能辅助生产系统开发项目SmARPro开发出SmARPro平台，该平台能够标准化地获取并且处理工厂数据。在这个项目中物流领域（弗劳恩霍夫协会物流和后勤研究所）、生产领域（弗劳恩霍夫协会加工机械和加工技术研究所）和操作领域（博世公司）会特别受到关注。以下是SmARPro项目的成果：

• SmARPro系统：SmARPro系统将任务层和设备层连接起来，任务层由指导系统，仓库管理系统和企业资源规划组成，设备层由可穿戴设备和机器组成。
• SmARPro平台：人类和机器的结合是当今技术的主要任务之一。SmARPro平台通过把可穿戴设备和智能设备的数据集中起来，做到了这一点。可穿戴设备使工人们能够并且知道如何看清他们周围的机器和物品，而SmARPro平台连接了整个系统的这两个层面并且通过数据连接完成了信息交换。

人类和机器作为生产中的核心要素是SmARPro项目的主要焦点。传感技术和通信元件直接从机器获取数据，并将其传输到SmARPro平台上。借助SmARPro项目开发的可穿戴设备，这些信息与整个生产场景的实时情况有关，并以增强现实的形式呈现给工人。信息直接显现在相关物品上。在不打断工人生产过程的情况下，工人可以收到工作提示。信息提示在人们需要它们的时候自动出现，而不用人们主动去获取它们。

SmARPro的研究重点是如何通过零件之间的通信优化生产流程。例如，SmARPro可转达给工人处理有缺陷的批次的指示，从而保证产品质量。在物流领域可以通过使用看板管理系统中已完成的库存的信息生成这些指示，技术人员在装配过程中可以获得实时订单的装配指示和协助。

SmARPro项目给制造业带来的好处是使工厂更加柔性和模块化。在SmARPro平台可以实现即插即用，不用考虑不同的接口。因此旧有的、已损坏的设备可以从生产线上拆卸下来，同时新的设备可以安装进来并且能够很好地适应整个生产结构。

SmARPro项目的合作伙伴来自研究界和产业界，它们包括：博世公司、Intec公司、FORCAM公司、Hiersemann公司、Niles-Simmons公司、弗劳恩霍夫协会物流研究所(IML)、弗劳恩霍夫协会机械和加工技术研究所（IWU）。

博世集团公司是一家业内领先的国际化技术和服务型企业，其业务主要包括：汽车技术，工业技术，消费品以及能源和建筑技术。博世集团包括罗伯特博世有限公司和分布在约50个国家的约360家子公司和地区性公司，包括销售代理在内，博世集团在大约150个国家都有代理。在世界范围内进行研发、生产、以及销售联合是公司持续增长的前提。博世集团在2013年投资了大约45亿欧元到研发项目中并且注册了大约5000项专利，这意味着平均每天即有20项专利。博世集团的目标是用他们的产品和服务，以创新，有效并且有活力的方案改善人类生活质量，同时为全世界的人类提供技术。1886年罗伯特·博世（1861-1942）先生在斯图加特创办公司时，就将公司定位为"精密机械及电气工程的工厂"。

Intec公司成立于1979年，该公司的技术焦点集中在系统自动化领域，尤其是辅助系统的设备和机器数据的耦合，比如生产控制技术系统，企业资源计划系统和监控系统。这些活动以互联网交流领域的广泛技术为基础。生产、质量以及贸易能力数据基于不同的标准，比如OPC标准和XML标准，开发并适应这些数据的面板也是以上活动的基础。并且一个功能强大的嵌入软件开发的框架可以有效率得贯彻在可视化领域、实时数据获取领域和服务通信集成领域的嵌入式项目。

FORCAM公司自2003年起开始致力于开发基于网页的生产管理系统软件，这个管理系统可以获取生产数据，控制生产过程以及监控生产过程。开发软件的难点在于如何让生产层与企业资源计划在线联合建立灵活的连接。通过高度模块化明显突出了工厂框架，这样一方面不用花费很多钱就可以将新功能整合进来，另一方面又可以灵活的将机器和设备进行连接。戴姆勒、奥迪、宝马、保时捷、马勒、Mann+Hummel、INA舍弗勒、MTU公司、库卡、阿博格和其他的100家有名的公司都是FORCAM公司的客户。另外现有的解决方案按照研究计划还要继续扩展，因此除了生产指标，在同样并且明显单一的情况下要准备问题分析的其他数据。FORCAM的目标是开发相应的，可提供移动服务的辅助系统，以支持生产。

Hiersemann生产自动化有限公司（HPC）由Rolf Hiersemann博士教授于1998年在开姆尼茨成立。该公司在汽车自动化、专用机床信息技术、生产设备以及生产过程等领域引进了他们的经验和专业能力。Hiersemann生产自动化公司的成就多种多样，涉及到的经营范围有工程类、自动化、和专用机床建造等。Hiersemann公司于2012年接管了创新技术研发公司（FEITEC）后，在研究领域的实力显著增强。在汽车供应工业界的装配技术和质量保证方面，也成功迈入了汽车建造方面的支护零件检验和搬运阶段，比如喷油嘴、车门铰链和安全组件等。该企业在大量的客户项目中积极参与了工厂标准的开发和应用。

Niles-Simmons公司（NSI）在机床建造方面拥有长期的经验以及专业的技术。该企业的核心经营领域“生产销售机床”聚焦于研发新技术，为客户和机床操作人员持续提供当下技术水平所生产的产品，并在国际竞争中站稳脚跟。本着达到最高质量要求，尽力以客户和工人为导向的原则，Niles-Simmons公司为他们的职工创造了高要求的、具备大量知识的、创新的并且受国际化影响的工作范围。该公司已经参与了大量的研发项目，还有“为了明天的生产研究”的计划。尤其在已结束的合作项目“服务行业中心的机器建造”中，该企业在投入使用工厂信息系统支持服务行业时，获取了大量经验。因此一个平台也投入了使用，这个平台集成了各种各样的以传感技术为基础设计的典型的企业内部信息源。企业自身的机器和设备从能够开始生产，为维护加工并提供准备必要的信息时，该公司通过SmARPro研究项目已达成了扩大装配的目标，在未来就可以更有效率地为自身的工人设计服务设备投入。另外企业还会开发出其他适合自身产品市场化的独有特点，并且加强德国经济市场内的市场营销。尤其是消费电子产品的投入呈现了非常令人期望的开端。

弗劳恩霍夫物流研究所(IML)拥有200位员工，大多来自工程技术科学领域，他们负责提出企业物流领域的重要课题。在OpenID中心，弗劳恩霍夫物流研究所在一间面积超过1500平方米的实验室从事开发、测试和研究工作，这家实验室致力于汽车识别系统，物流软件以及物品网络化。该研究所将携手合作企业在openID中心持续开发以应用为导向的解决方案，如在生产过程中一样在物流领域投入使用汽车识别技术，其中合作企业分别来自技术开发、应用和系统集成领域。

弗劳恩霍夫机械和加工技术研究所（IWU）的信条是：为了未来而研究。该机构20多年来在汽车和机器生产技术领域成功展开了应用方面的研究开发。该机构拥有超过590位高素质员工，是当今生产科技领域内最杰出的研发机构之一。实践研究工作的重要部分有：既要在国内也要在国际上和来自工业界、科学界以及研究界的伙伴进行合作。作为弗劳恩霍夫协会内部资源有效配置生产的引领机构之一，弗劳恩霍夫机械和加工技术研究所致力于改善资源有效利用的解决方案，同时为把这些方案投入到实践中做准备。弗劳恩霍夫机械和加工技术研究所的主要关注点是发展智能生产设备，以生产车身组件以及传动杆组件，优化使成型并加工的生产过程。弗劳恩霍夫机械和加工技术研究所在工业4.0这个主题下积极开展“E3研究工厂”项目，针对机器和设备的信息技术连接的方法和技术是其焦点。

“资源数据”的意义越来越重要。为了在生产领域有利的应用这些资源，总是需要新的方法和解决方案，以此来解决灵活的检测、管理以及针对这些问题的充分利用的问题。它的目标是，快速且费用低的对生产的现状进行描述，如果有必要的话可以在不久的将来通过合适的预测开端进行可靠的猜测。

为了可以满足存在的要求，合适的信息通信系统是必要的。这个系统可以准备和展示相关的数据，尤其是从这些数据中得出的信息。与此相应的，灵活的IT基础设施成为企业里研究和销售的焦点。

在SmARPro项目中，灵活解决机器连接问题的方案是数据来源（SmARPro智能装置），SmARPro平台也是中央数据中转站，SmARPro穿戴技术更是作为创新的解决可视化问题和定位问题的解决方案，它是整个开发过程的焦点。对下列几个关键问题，SmARPro项目都提出了解决方法:

1.怎样可以使所有的机器传输数据？

SmARPro智能设备使机器成为信息物理生产系统（CPPS）。

2.怎样管理必要的数据？

SmARPro平台提供数据库连接技术。

3.怎样提供信息?

SmARPro穿戴技术实现移动的信息提供。

在弗劳恩霍夫的模具和成型技术研究所里，语义网的原则被应用在了在软件基础上的SmARPro平台的实践上（万维网联盟）。语义网作为万维网的扩展，它的的目标是，通过机器并结合合适清晰的描述和规则，实现或者说是减轻数据加工处理的工作。这个行为的一个重要特点是，应用的定义词汇是合乎规定的并且是可以通过电脑识别出来的。在研究项目方面不同的应用场景被鉴识，这些应用场景的支持解决方案正处在实践中。

• 监管从企业内部和外部的数据来源产生的信息的使用
• 使用移动的基于环境的帮助系统来提高产品质量
• 在生产过程中监管和可视化的解决方案
• 支持维修保养的移动化的解决方案

工业4.0代表着数据和生产技术的连接，代表着现代信息通信流程和制造流程的连接。SmARPro整个系统建立在这个基础上，并且将它应用在了工厂中。SmARPro的研究项目利用了弗劳恩霍夫机械和加工技术研究所（IWU）“E3研究工厂项目”的研究成果。E3研究工厂的概念将科技和机器、物流和加工以及在生产过程中人们的合作划入了一个新的分析全面的、有条理的新篇章。这个新视角为具体的方案开启了新的可能，这种方案是通过应用协同作用来解决主要生产技术的挑战。