文/呂洪亮·辛北爾康普機(jī)械及成套設(shè)備有限公司

工業(yè)4.0 針對(duì)不同的領(lǐng)域應(yīng)該有不同的實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)，但有一個(gè)共性的底層——大數(shù)據(jù)技術(shù)。而到應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)智能化的定義，則是百花齊放，各自為戰(zhàn)。例如在大型制造裝備領(lǐng)域，工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)這些數(shù)據(jù)的采集為下一步的數(shù)據(jù)挖掘打下基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)應(yīng)該能夠自動(dòng)被存儲(chǔ)、被關(guān)聯(lián)、被調(diào)用，通過數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘反饋到生產(chǎn)應(yīng)用層面就是設(shè)備的能耗、生產(chǎn)能力、開機(jī)率、產(chǎn)量、訂單等，反饋到設(shè)備維護(hù)應(yīng)用方面就是可以實(shí)現(xiàn)預(yù)維護(hù)、條件維護(hù)、定期維護(hù)等，從而避免發(fā)生設(shè)備的突然停機(jī)影響生產(chǎn)。另外，大量全面的數(shù)據(jù)為工藝的優(yōu)化、產(chǎn)品的優(yōu)化、節(jié)能等多個(gè)方面提供數(shù)據(jù)支持，經(jīng)過應(yīng)用層面的轉(zhuǎn)化，變?yōu)楸硐蟮脑O(shè)備智能化。

在工業(yè)4.0 的旗幟下，大型液壓機(jī)的發(fā)展主要體現(xiàn)在液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)圍繞人機(jī)互動(dòng)而進(jìn)行的研發(fā)。德國辛北爾康普公司作為一家從事壓力機(jī)研發(fā)和生產(chǎn)超過百年的企業(yè)，以“Leadership in Technology — 技術(shù)領(lǐng)航者”的身份持續(xù)在金屬成形領(lǐng)域深度耕耘。并提出了如下基于工業(yè)4.0 的大型液壓機(jī)技術(shù)發(fā)展內(nèi)容，如圖1 所示。

辛北爾康普將大型液壓機(jī)的數(shù)字化技術(shù)劃分為兩代系統(tǒng)：當(dāng)代系統(tǒng)和新一代系統(tǒng)。當(dāng)代系統(tǒng)的各種技術(shù)目前已經(jīng)在大型液壓機(jī)上成熟應(yīng)用并已經(jīng)逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)配置。新一代系統(tǒng)則是基于工業(yè)4.0 的標(biāo)準(zhǔn)，圍繞著如何讓機(jī)器滿足使用者的愿望及市場(chǎng)需求而不斷開發(fā)和演化。

當(dāng)代系統(tǒng)

隨著航空等工業(yè)的發(fā)展，對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性需求越來越高。對(duì)生產(chǎn)零件的設(shè)備也提出了相應(yīng)的要求。一切以數(shù)據(jù)說話，已經(jīng)成為高端金屬成形設(shè)備的標(biāo)志，代表著壓力機(jī)電控系統(tǒng)的先進(jìn)性。

壓力機(jī)數(shù)據(jù)的管理

聽起來就是數(shù)據(jù)庫軟件的功能，但是這些功能是建立在大型液壓機(jī)復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)上，需要對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)的各個(gè)方面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，需要在設(shè)備上安裝眾多的傳感器及裝置才能實(shí)現(xiàn)最全范圍、最有效的數(shù)據(jù)提取。

多年來，辛北爾康普的大型液壓機(jī)聚焦航天航空領(lǐng)域。因此，在數(shù)據(jù)管理方面，辛北爾康普一直處于行業(yè)領(lǐng)先水平。辛北爾康普的DAHMOS?數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)每秒最高達(dá)4800 個(gè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。數(shù)據(jù)記錄模式多種多樣，有可以連續(xù)/循環(huán)記錄的“Trending”模式，也有條件觸發(fā)式記錄的“Event”模式，還有單獨(dú)運(yùn)行特定事例的“Analysis”模式。在“Analysis”模式下，每10 毫秒可以對(duì)48 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，可以設(shè)置提前觸發(fā)或延后觸發(fā)的緩沖。

DAHMOS?數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的先進(jìn)性還體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的視覺顯示上，可以根據(jù)用戶的要求最多一次性生成10 個(gè)圖表，每個(gè)圖表都可以單獨(dú)窗口顯示，每個(gè)圖表上又可以根據(jù)用戶要求顯示最多10 個(gè)圖形或曲線，如圖2 所示。

DAHMOS?數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為用戶提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，用戶方的專家可以根據(jù)自己的需求任意調(diào)用數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工藝分析、設(shè)備故障診斷等各種應(yīng)用。

數(shù)據(jù)的挖掘

用戶高層管理者需要的是結(jié)果化的數(shù)據(jù)，他們更關(guān)心的是與生產(chǎn)有關(guān)的各種數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)背后的結(jié)果，這通常需要一套專家支持系統(tǒng)來滿足這些需求。辛北爾康普的PROD-IQ?智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)就是這樣一套生產(chǎn)方面的專家支持系統(tǒng)。用戶通過該系統(tǒng)可以對(duì)所監(jiān)控的工藝和生產(chǎn)數(shù)據(jù)（最多200 個(gè)）進(jìn)行編輯選擇，PROD-IQ?系統(tǒng)可以以至少每分鐘兩次的頻次進(jìn)行循環(huán)數(shù)據(jù)采集、存貯，并根據(jù)內(nèi)置評(píng)估準(zhǔn)則進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估，評(píng)估數(shù)據(jù)及結(jié)果可以導(dǎo)出、上傳到高一層的管理系統(tǒng)，也可以形成報(bào)告打印出來，這些數(shù)據(jù)及結(jié)果可以被保存兩年。

該系統(tǒng)分為基礎(chǔ)版和升級(jí)版。基礎(chǔ)版中包含停機(jī)時(shí)間管理模塊、班次作業(yè)管理模塊和日常評(píng)估模塊，可以對(duì)停機(jī)時(shí)間、班次能耗等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和管理，并可將管理范圍擴(kuò)大至整個(gè)車間。升級(jí)版中則添加了智能維護(hù)模塊和訂單管理模塊，可以實(shí)現(xiàn)智能性維護(hù)和生產(chǎn)訂單管理，為設(shè)備管理者和工廠管理者提供數(shù)據(jù)支持及直觀的分析結(jié)果。

遠(yuǎn)程在線診斷

遠(yuǎn)程在線診斷是一套通過互聯(lián)網(wǎng)解決售后服務(wù)問題的系統(tǒng)，可以有效、及時(shí)的對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行診斷，避免了遠(yuǎn)在異地的技術(shù)專家花費(fèi)大量時(shí)間和成本到現(xiàn)場(chǎng)處理設(shè)備故障。這套系統(tǒng)的表象是技術(shù)專家通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，其所依靠的基礎(chǔ)仍然是上面提到的DAHMOS?系統(tǒng)，遠(yuǎn)在異地的技術(shù)專家通過互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過用戶授權(quán)獲取設(shè)備的DAHMOS?數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行故障診斷，判定故障原因并給出解決方案。雖然這套系統(tǒng)仍然需要設(shè)備所在國家的本地工程師配合，但極大地提高了工作效率。

同上一級(jí)信息管理系統(tǒng)的互聯(lián)互通

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)4.0 的實(shí)現(xiàn)途徑，物聯(lián)網(wǎng)的基本特征可概括為整體感知、可靠傳輸和智能處理。因此物聯(lián)網(wǎng)上的每一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)都需要具備實(shí)現(xiàn)這些功能的設(shè)備。壓力機(jī)只是整個(gè)工廠的一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)應(yīng)該能夠被用戶編輯并選擇性的傳送到整個(gè)工廠的信息管理系統(tǒng)中，同用戶的信息管理系統(tǒng)相融合。

因此，壓力機(jī)的智能化基本功能之一就是能夠同公司的企業(yè)管理系統(tǒng)對(duì)接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；更進(jìn)一步的功能是能夠?qū)毫C(jī)本身采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘，為公司的管理層提供數(shù)據(jù)支持。

計(jì)算機(jī)模擬輔助工藝系統(tǒng)

有限元模擬技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的不斷研發(fā)，其模擬時(shí)間、模擬準(zhǔn)確度和模擬精度不斷提高，已經(jīng)成為優(yōu)化鍛造工藝、實(shí)現(xiàn)鍛造自動(dòng)化的有力工具。2012 年，辛北爾康普公司就提供給法國奧伯杜瓦公司一臺(tái)高速快鍛機(jī)，該壓力機(jī)通過自帶的計(jì)算機(jī)輔助鍛造軟件，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化鍛造。用戶的工藝人員通過計(jì)算機(jī)輔助鍛造軟件建立道次表，壓力機(jī)根據(jù)傳送到PLC 中的道次表進(jìn)行全自動(dòng)鍛造，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品精度、質(zhì)量的高度一致性。

無論是模鍛還是自由鍛，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元網(wǎng)格化的時(shí)間已經(jīng)從原來的幾十小時(shí)縮短到如今的幾小時(shí)或幾十分鐘。經(jīng)過多年的實(shí)踐及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，促進(jìn)了軟件研發(fā)人員對(duì)工藝的理解，軟件開始分化，針對(duì)不同的工藝產(chǎn)生了不同的處理計(jì)算方案。但“百川異源，而皆歸于海”，各種模擬軟件的最終目標(biāo)就是達(dá)到盡量高的現(xiàn)實(shí)模擬度。實(shí)際上，現(xiàn)在很多計(jì)算機(jī)模擬軟件的模擬結(jié)果已經(jīng)同現(xiàn)實(shí)非常接近，如圖3 所示。客戶現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用反而成了“短板”，缺少能夠熟練使用這些軟件的技術(shù)人員。

新一代系統(tǒng)

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，金屬成形液壓機(jī)在眾多方面已經(jīng)發(fā)展到了很高的水平：大型5 萬噸模鍛液壓機(jī)的工藝平行精度媲美頭發(fā)絲的細(xì)度，壓制速度的控制精度達(dá)到制表工匠的精確度，成形過程中實(shí)現(xiàn)材料的應(yīng)變速率控制。大型自由鍛設(shè)備鍛造精度±1mm，鍛造頻次達(dá)到每分鐘110 次以上。發(fā)展到如此性能，進(jìn)一步提高已經(jīng)變得比較困難。隨著性能提升越來越難，客戶對(duì)壓機(jī)的健康即運(yùn)行的穩(wěn)定性和維護(hù)需求也越來越重視，從壓機(jī)本身進(jìn)行“挖潛增效”勢(shì)在必行。辛北爾康普的新一代系統(tǒng)就是圍繞著這些需求和目標(biāo)在逐步研發(fā)。

模擬軟件同壓力機(jī)的兼容接口

上面提到，計(jì)算機(jī)輔助鍛造已經(jīng)普遍為鍛造企業(yè)所使用?，F(xiàn)在市場(chǎng)上有眾多知名輔助鍛造軟件，這些軟件的最終模擬結(jié)果都需要轉(zhuǎn)化為壓力機(jī)上的成形工藝。因此，壓力機(jī)的PLC 系統(tǒng)應(yīng)能夠使用這些眾多知名軟件的模擬結(jié)果和方案，這就對(duì)壓力機(jī)為軟件提供的接口的兼容性提出要求：無論是哪種軟件的模擬結(jié)果，都可以通過該接口傳送到壓力機(jī)的PLC 系統(tǒng)，直接用于生產(chǎn)。

重要液壓元件的工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是大型液壓機(jī)的心臟，為大型液壓機(jī)提供動(dòng)力。重要的液壓系統(tǒng)元件例如主泵或者控制閥如果出現(xiàn)故障，對(duì)整個(gè)壓機(jī)的性能影響非常大，并且不好診斷故障點(diǎn)。辛北爾康普針對(duì)重要液壓元件的維護(hù)開發(fā)了液壓工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面采用了額外的傳感器技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)主液壓元件工況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及強(qiáng)制檢測(cè)，另一方面在控制器內(nèi)內(nèi)置了智能評(píng)估準(zhǔn)則和相應(yīng)的可視化系統(tǒng)。因此，設(shè)備維護(hù)和操作人員能夠從系統(tǒng)中得到部件的通用功能監(jiān)測(cè)以及元件磨損的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

例如，對(duì)于主泵系統(tǒng)，除了會(huì)監(jiān)控運(yùn)轉(zhuǎn)中當(dāng)前磨損狀況和泵的效率之外，該工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可定期的在設(shè)備待機(jī)期間分別的自動(dòng)測(cè)試每一臺(tái)主泵以便在早期檢測(cè)出主泵的任何微小故障和變化，通過早期錯(cuò)誤檢測(cè)來避免計(jì)劃外的停機(jī)時(shí)間。

節(jié)能——按需供能

近年來，在鍛造領(lǐng)域，特別是在大型熱鍛液壓機(jī)領(lǐng)域，由于加熱爐和熱處理爐是整條生產(chǎn)線的耗能大戶，所以用戶一直盯著這個(gè)領(lǐng)域的節(jié)能技術(shù)，而忽視了壓力機(jī)本身的能源消耗。辛北爾康普經(jīng)過多年的研究，發(fā)現(xiàn)自由鍛壓力機(jī)運(yùn)行期間，有25%到30%的時(shí)間處于停機(jī)空載運(yùn)行（上下料等），而模鍛壓力機(jī)時(shí)間更長，有的時(shí)候高達(dá)50%的時(shí)間處于停機(jī)空載運(yùn)行。這部分空載運(yùn)行時(shí)間的電能消耗白白浪費(fèi)掉了，數(shù)據(jù)分析如圖4 所示。

針對(duì)這一現(xiàn)象，辛北爾康普開發(fā)了iPS?智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Intelligent Power System）。該系統(tǒng)通過硬件輔助加上軟件控制，當(dāng)壓力機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果停歇時(shí)間超過設(shè)定時(shí)間時(shí)（可以設(shè)定很短，秒數(shù)級(jí)），主泵等設(shè)備的電機(jī)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)壓力機(jī)需要開始鍛造時(shí)，在幾秒至幾十秒的短時(shí)間內(nèi)，主泵等設(shè)備的電機(jī)會(huì)達(dá)到正常轉(zhuǎn)速，壓力機(jī)開始正常鍛造工作。關(guān)閉的電機(jī)重新開啟時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生大起動(dòng)電流。這樣就完美地解決了壓力機(jī)空載運(yùn)行的能源浪費(fèi)問題。簡而言之，壓力機(jī)運(yùn)行期間停歇時(shí)間越長，這套系統(tǒng)的節(jié)能效果越顯著。

同時(shí)，針對(duì)加熱冷卻循環(huán)HCF 單元，這套系統(tǒng)也有相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)液壓油的清潔度進(jìn)行監(jiān)控，如果液壓油的清潔度達(dá)到要求，則HCF單元自動(dòng)關(guān)閉。如果清潔度達(dá)不到要求，HCF 單元自動(dòng)開啟進(jìn)行循環(huán)過濾，而不會(huì)像傳統(tǒng)液壓機(jī)的HCF單元，一直保持持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖5 是通過DAHMOS?數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采集壓力機(jī)數(shù)據(jù)生成的節(jié)能效果比較圖，可以看到，除了控制系統(tǒng)的電機(jī)沒有變化外，主泵、供油泵、HCF 單元都會(huì)根據(jù)壓力機(jī)的停歇時(shí)間關(guān)閉和打開，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

結(jié)束語

無論是當(dāng)代系統(tǒng)還是新一代系統(tǒng)，都是辛北爾康普根據(jù)工業(yè)革命的理念和市場(chǎng)的需求不斷研發(fā)的結(jié)果。這些系統(tǒng)已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)落地開花，效果也已經(jīng)“初露端倪”。工業(yè)4.0 下，設(shè)備智能化的研發(fā)仍在如火如荼的開展，為客戶打造更為強(qiáng)大的核心競(jìng)爭力，實(shí)現(xiàn)更高的利潤率是設(shè)備提供商一直追求的終極目標(biāo)。液壓機(jī)作為重要的金屬成形設(shè)備，期待有更多、更深層次的智能化應(yīng)用技術(shù)不斷出現(xiàn)。