虛擬世界和真實(shí)世界的紐帶

巴斯夫公司數(shù)字工廠項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Michael Höchel先生

從3D模型到虛擬現(xiàn)實(shí)的模擬——數(shù)字工廠逐步地從規(guī)劃設(shè)計(jì)工具發(fā)展成了流程設(shè)備管理的工具。在這一發(fā)展變化過程中，數(shù)字化也在流程工業(yè)企業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)中顯得越來越重要，實(shí)時傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)、智能數(shù)據(jù)和與此相關(guān)的全新技術(shù)服務(wù)方案，這就是2016年10月PROCESS雜志舉辦的第六屆數(shù)字工廠論壇的中心議題。

德國Dechema協(xié)會2016年9月公布的白皮書“化學(xué)工業(yè)企業(yè)中的數(shù)字化”意義深遠(yuǎn)，例如2016年10月5日、6日兩天在德國維爾茨堡召開的第六屆數(shù)字工廠論壇的總結(jié)：全數(shù)字化控制的、建立在數(shù)字化流程設(shè)備基礎(chǔ)之上的綜合化工生產(chǎn)基地。其主導(dǎo)思想是：為復(fù)雜的流程工藝設(shè)備開發(fā)數(shù)字化的3D模型，從流程設(shè)備的規(guī)劃設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造和安裝調(diào)試開始，在流程設(shè)備的整個壽命周期內(nèi)都可以使用的3D模型。而公認(rèn)的流程設(shè)備壽命周期一般為20~30年。對

大多數(shù)流程設(shè)備運(yùn)營商來講，這一切都還是一個美好的遠(yuǎn)景。白皮書僅僅是為了喚起人們的關(guān)注嗎?無論如何，在此次論壇上150余位專家學(xué)者反映了貫徹實(shí)踐中的許多細(xì)節(jié)問題，進(jìn)行了深入的討論，交流了日常工作中遇到的阻力，以及克服這些阻力的辦法。

在多少有點(diǎn)緊張的氣氛中人們期待著巴斯夫公司數(shù)字工廠項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Michael Höchel先生的報(bào)告。眾所周知，流程工業(yè)領(lǐng)域中長期以來的第一號目標(biāo)就是，每一臺真實(shí)的流程設(shè)備都有一個完整的、可供智能化網(wǎng)絡(luò)使用的數(shù)字化圖像數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)：流程工業(yè)企業(yè)的新資產(chǎn)

Höchel先生說，數(shù)字工廠的話題已經(jīng)不再局限于工程設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)了，它在流程設(shè)備的壽命周期也有著重要意義和作用，甚至有著更高的優(yōu)先級。從化工設(shè)備運(yùn)營商的角度來講，他認(rèn)為數(shù)字工廠面臨著兩大挑戰(zhàn)：如何智能化地把數(shù)字化工具連成網(wǎng)絡(luò)?而更重要的是，如何制定實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的必要過程?

Höchel先生建議小步推進(jìn)。巴斯夫公司對每一個項(xiàng)目首先都要進(jìn)行分析：是什么?可以優(yōu)化什么?在工程項(xiàng)目中這可以是非常實(shí)際的問題，例如，“零缺陷裝配”的要求。

Höchel先生講到，此時在企業(yè)的日常工作中受過專業(yè)培訓(xùn)的“教練員”負(fù)責(zé)傳授技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，書面的工作指令根本無法勝任。數(shù)字工廠的專業(yè)團(tuán)隊(duì)則負(fù)責(zé)開發(fā)傳授如何使用數(shù)字化工具的操作模塊。然后，專業(yè)團(tuán)隊(duì)向流程工藝負(fù)責(zé)人(例如工程技術(shù)人員、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)人員)傳授如何使用這些數(shù)字化操作模塊。而實(shí)際操作者反饋回來的意見又常常要對制定一些新的操作模塊、或者對操作模塊進(jìn)行修改。最終目標(biāo)是，用數(shù)據(jù)管理取代文檔管理。

除了技術(shù)因素之外人也是一個非常重要的因素，Höchel先生說，數(shù)字化的貫徹落實(shí)也要求流程設(shè)備操作者們適應(yīng)這些變化。在其他人所做的報(bào)告中也能聽到這種觀點(diǎn)。數(shù)字化工程中也充滿了人情味，不僅功能強(qiáng)大的數(shù)字化工具非常重要，使用這些工具的人也必須能正常工作。數(shù)字化要求流程設(shè)備操作者具有新的技能和技巧。有些工種就會完全消失，而新的工種也會誕生。例如我們需要專業(yè)性更強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析人員和IT技術(shù)人員。

數(shù)字化技術(shù)開辟了流程設(shè)備壽命周期內(nèi)新的經(jīng)營領(lǐng)域嗎?Linde公司的Martin Rittmeister先生的報(bào)告回答了這一問題(Martin Rittmeister先生，兼任Dechema協(xié)會計(jì)算機(jī)輔助工廠設(shè)計(jì)委員會的主席)。

他對這一問題的回答是非常肯定的，但他的肯定是有一定前提的：Linde工程技術(shù)公司在市場上的定位是一家流程設(shè)備制造商，但不是簡單的技術(shù)供應(yīng)商、而是要為流程設(shè)備運(yùn)營商提供他們所需的專業(yè)技術(shù)知識，因?yàn)樗c兄弟公司Linden Gas公司在工程項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)中有著密切的合作，直至流程設(shè)備投產(chǎn)運(yùn)行，從實(shí)際操作中反饋回來的信息可用于不斷地提高流程設(shè)備的設(shè)計(jì)改進(jìn)。

這種優(yōu)化改進(jìn)在流程設(shè)備規(guī)劃設(shè)計(jì)的早期階段就開始了，將新設(shè)計(jì)與目錄中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。同時進(jìn)行測試、分析的還有各個關(guān)鍵件的使用壽命的測試分析，例如熱交換器或者壓縮機(jī)。數(shù)字化就像一張X光片一樣能夠讓人們看到原來隱藏著的東西。另外，Rittmeister先生也建議采用小步推進(jìn)的方法開展數(shù)字化工程項(xiàng)目。

虛擬現(xiàn)實(shí)優(yōu)化的拖拉機(jī)制造

請問，流程工業(yè)能夠從拖拉機(jī)制造中學(xué)到什么呢?報(bào)告開始時絕大多數(shù)的人對John Deere公司在拖拉機(jī)廠生產(chǎn)計(jì)劃編制過程中采用了虛擬現(xiàn)實(shí)的報(bào)告持懷疑態(tài)度。但這種懷疑很快就煙消云散了，John Deere公司使用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)有著悠久的歷史了。從參加歐盟的一個虛擬現(xiàn)實(shí)研發(fā)項(xiàng)目到采購和使用Powerwall家用電池直至與曼海姆大學(xué)合作共同使用5面洞穴狀自動虛擬系統(tǒng)，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有目的地推動了拖拉機(jī)研發(fā)過程。

在有意義的使用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)時應(yīng)注意：“VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用以完成了的3D模型為前提。只有在完整的3D模型可供人們原來討論時，它才能夠成為一種研發(fā)工具。例如機(jī)械師能夠清楚地看到：是否能夠方便地觸及某個特定的螺釘。” Paul Greif先生說道。非常明顯的好處就是縮短了研發(fā)時間，不再需要原型機(jī)了。“試驗(yàn)和錯誤都是在虛擬空間中完成的，不再出現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)中。”

在談到貫徹落實(shí)VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的挑戰(zhàn)時Grief先生認(rèn)為：人遇到的挑戰(zhàn)比技術(shù)挑戰(zhàn)要多很多，常常需要先讓人相信虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。他說：“而這樣的勸導(dǎo)常常以‘被迫自愿’的形式進(jìn)行的。”

(由Deere公司出資資助的)與曼海姆大學(xué)共用的5面洞穴狀自動虛擬系統(tǒng)也供本地區(qū)其他被邀請?jiān)囉?面洞穴自動虛擬的企業(yè)使用。

Chemstations公司的Armin Fricke博士說：對數(shù)據(jù)安全重要性的認(rèn)識也越來越高，作為一個獨(dú)有特征，它可以給每一個企業(yè)帶來更多的商業(yè)附加值。沒有一家流程設(shè)備生產(chǎn)廠或者運(yùn)營商希望把自己的秘密泄露給外界。而企業(yè)間的數(shù)據(jù)交換則是一個比較令人頭疼的問題，只需舉手之勞很快就會有數(shù)以百萬計(jì)的數(shù)字化孿生兄弟。使用OPC UA通信技術(shù)協(xié)議似乎是最好的解決方案。他的建議是：“想想你的數(shù)字化對象。”在項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就要決定哪些數(shù)字化對象是可以對外公布的。

匿名是正確的辦法嗎?

大會主持人、德累斯頓大學(xué)的Loen Urbas教授、博士也在他的報(bào)告中介紹了向外部技術(shù)服務(wù)商傳輸數(shù)據(jù)時的數(shù)據(jù)安全性問題。Urbas博士說：經(jīng)典的端到端加密已經(jīng)不能保證安全了。他給出的解決方案是“縮減”，有目的地減少信息。Urbas先生認(rèn)為：這就提供了足夠的匿名隱秘性。數(shù)據(jù)中的數(shù)值被抑制和歸納到數(shù)據(jù)組中了，必要時也可以添加一些干擾雜音。

流程設(shè)備規(guī)劃設(shè)計(jì)階段仿真模擬的好處是非常明顯的：在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就可以通過模擬技術(shù)知道是否在生產(chǎn)設(shè)備和/或自動化系統(tǒng)中存在錯誤。

數(shù)字工廠論壇咖啡廳的氣氛：在短短的咖啡休息時間也不忘相互交流

對此，西門子的研發(fā)人員開發(fā)、設(shè)計(jì)了一套模擬軟件——Simit。利用這一軟件，一整套流程設(shè)備，包含了所有設(shè)備部件、組件，所有技術(shù)數(shù)據(jù)、電動機(jī)、流程泵或者驅(qū)動裝置的流程設(shè)備在安裝之前就可以進(jìn)行虛擬測試了。“Simt軟件為未來的流程設(shè)備映射了一個虛擬雙胞胎，這一數(shù)字雙胞胎詳細(xì)地反應(yīng)所有的自動化工作步驟。” 西門子過程自動化模擬中心代理人Mathias Oppelt博士說道。例如，它能夠可靠地保證在流程泵運(yùn)行之前首先打開控制閥，否則就會導(dǎo)致流程泵的干運(yùn)行，從而造成流程泵的損毀。

虛擬的雙胞胎加快了工程設(shè)計(jì)的速度

“當(dāng)所設(shè)計(jì)的流程設(shè)備有了數(shù)字化的虛擬雙胞胎、并對它進(jìn)行了模擬測試之后，新設(shè)計(jì)的流程設(shè)備就能夠及時的地、而且是以高效生產(chǎn)運(yùn)行的姿態(tài)投入實(shí)際生產(chǎn)。” Oppelt博士說。這就縮短了工程項(xiàng)目的施工時間，尤其是省去了流程設(shè)備調(diào)整、試車的工作量。除此以外，還可以在新建流程設(shè)備投產(chǎn)運(yùn)行之前就利用這一數(shù)字化虛擬雙胞胎對設(shè)備操作人員進(jìn)行操作技術(shù)培訓(xùn)。今年的論壇已經(jīng)明確了在化工領(lǐng)域中數(shù)字化還有進(jìn)一步發(fā)展的空間。在汽車制造領(lǐng)域中，數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)提前了一大步，這一方面是因?yàn)槠囍圃鞓I(yè)的結(jié)構(gòu)(單輛汽車的生產(chǎn)比連續(xù)性的批量生產(chǎn)復(fù)雜性要低)，另一方面是因?yàn)槠嚬I(yè)受到的競爭壓力促使這一技術(shù)向前發(fā)展?；瘜W(xué)工業(yè)企業(yè)也要承受這樣的苦難嗎?

“發(fā)展的最終目標(biāo)是用數(shù)據(jù)管理取代文檔管理，以流程設(shè)備壽命周期為核心的數(shù)據(jù)模型維護(hù)。”

——Michael Höchel先生，巴斯夫公司

“當(dāng)所設(shè)計(jì)的流程設(shè)備有了數(shù)字化的虛擬雙胞胎、并對它進(jìn)行了模擬測試之后，新設(shè)計(jì)的流程設(shè)備就能夠及時地、而且是以高效生產(chǎn)運(yùn)行的姿態(tài)投入實(shí)際生產(chǎn)。”