你設想中的未來工廠是什么樣的？隨處可見的預測性維護、工廠設備間擁有著統(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)被廣泛應用？

　　“大型工業(yè)工廠的運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、日常運營還是維護和升級過程中，決策都必須整合多個學科的專業(yè)知識。”ABB集團首席執(zhí)行官BjörnRosengren表示道。

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

　　應用無監(jiān)督建模方法檢測早期電機故障

　　根據(jù)ABB針對3215家組織進行的一項調(diào)查，工業(yè)企業(yè)因計劃外停機而承受的成本一般約為每小時125,000美元。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，69%的受訪裝置每月至少經(jīng)歷一次計劃外停機。顯然，在諸多行業(yè)中，電機等設備對于平穩(wěn)運行至關重要，而可靠性是最大限度地減少故障和停機所造成的負面財務影響的關鍵。

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

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

　　開發(fā)可靠、可重復且可擴展的機器學習解決方案十分復雜，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從機器學習運維（MLOps）最佳實踐中獲益匪淺。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、可重復且可擴展。

　　盡管無監(jiān)督模型訓練不需要標記數(shù)據(jù)，但ABB從運行狀況和故障周期已知的各種電機中收集了數(shù)據(jù)，以協(xié)助進行模型驗證、超參數(shù)調(diào)整和模型選擇。選擇后，模型只需使用未標記的數(shù)據(jù)即可進行訓練。對標記數(shù)據(jù)的分析表明，數(shù)據(jù)高度不平衡，錯誤類別占少數(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]到部署的基礎設施設計，最困難的一項挑戰(zhàn)在于設計一個能在合理時間內(nèi)訓練和服務數(shù)千個模型的基礎設施。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)至并行計算集群和節(jié)點。增加計算集群或節(jié)點的數(shù)量即可對其進行擴展，但需要付出一定的成本。由于OCSVM算法的計算負擔較輕，因此僅需使用經(jīng)濟實惠的CPU集群。

　　ABB異常檢測功能的有效性已通過具體工業(yè)案例驗證。對于用皮帶驅(qū)動風扇的電機，系統(tǒng)給出了早期異常檢測標志。收到通知后，ABB專家使用先進的信號處理工具對原始振動數(shù)據(jù)進行了深入分析，并發(fā)現(xiàn)被驅(qū)動設備出現(xiàn)了諧波頻率變高的問題。經(jīng)實際檢查確認，驅(qū)動風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用程序而非電機本身的問題，從而防止?jié)撛谟媱澩馔C。通過這種方式，ABB表明，通過使用機器學習方法，異常檢測器未來可幫助用戶及早解決故障問題，從而減少停機時間。

　　借助以太網(wǎng)APL降低工作量和成本

　　隨著現(xiàn)場設備日益增多，且功能更為多樣化和智能化，運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數(shù)據(jù)的難題。隨著項目規(guī)模和復雜性的增加，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，裝置運營商尋求一種圍繞穩(wěn)健的開放行業(yè)標準構(gòu)建的統(tǒng)一、本質(zhì)安全且經(jīng)濟高效的通信技術(shù)，在避免供應商鎖定的同時，能夠隨著業(yè)務需求的發(fā)展順利擴展規(guī)模。過程裝置運營商尋求通過信息技術(shù)（IT）與運營技術(shù)（OT）的融合從數(shù)據(jù)中獲取新價值，其一大首要目標是有效降低每次現(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)充當工業(yè)環(huán)境中的擴展物理層，具有特別的吸引力，在其與廣泛采用的PROFINET和現(xiàn)場設備集成（FDI）技術(shù)結(jié)合部署時尤其如此。

　　數(shù)十年來，以太網(wǎng)一直是IT領域的中流砥柱，根據(jù)IEEE802.3實現(xiàn)了標準化，其支撐著其他抽象層，這些抽象層共同定義了不同設備和系統(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)的既定標準，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)議的遠程I/O和電氣設備。然而，到目前為止，以太網(wǎng)不適合危險區(qū)域（例如煉油廠）的某些過程工業(yè)應用。除成本效益和簡單性之外，這些設施還需要利用以太網(wǎng)的其他特征，例如長距離向設備傳輸通信協(xié)議和電源的能力、增強安全性（例如防爆）以及在惡劣天氣和環(huán)境下可隨時進行修復的能力。

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

　　以太網(wǎng)APL標準于2021年獲得批準，其提供擴展物理層，可通過單股雙絞線電纜遠距離（1000m）傳輸高速過程、配置和診斷數(shù)據(jù)以及電力。這項新技術(shù)的應用賦予過程自動化行業(yè)激動人心的前景，在化學和石油/天然氣設施等危險環(huán)境中尤其如此。

　　終極解決方案對于希望通過增強過程控制來優(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區(qū)域進行部署），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計

　　隨著部分產(chǎn)品生命周期縮短，快速設計和構(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)和工程設計方法，其價值已在試點應用中得到了成功證明，最多可節(jié)省50%的工程調(diào)試時間。

　　盡管到2030年，這兩個工業(yè)領域中25%的未來過程裝置預計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%的工程設計。為此，ABB提出了面向傳統(tǒng)過程裝置的模塊化工程設計概念，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。

　　預設計和預制造模塊被定義為工藝設備組件（PEA）或撬裝組件，可以實現(xiàn)模塊化生產(chǎn)中的過程功能。要在多個應用中加以使用，PEA必須具備互操作性：模塊類型包（MTP）使這成為可能。MTP即PEA的標準化、無關乎制造商的描述，其中包括將模塊無縫集成到模塊化裝置中所需的信息，例如有關通信、服務、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層。因此，早期PEA擁有自己的智能。將MTP和基于服務的過程設計相集成，使過程功能成為可能。通過這種方式，可以減少工程設計工作量和調(diào)試時間。

　　ABB用一個工業(yè)用例驗證了其FM工程設計概念：生成可用于描述FM的通用MTP。此外，裝置工程設計概念的測試和驗證結(jié)果還表明，可將現(xiàn)成模塊進行實例化處理，以形成準確表示物理模塊的FM實例。使用一種與自動化系統(tǒng)無關的方法來描述可復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計方法奠定了基礎。這一概念的可行性已在ABB的分離用例中得到測試，成功演示了工程設計方法和工作流程在油氣行業(yè)中的應用方式。從模塊化生產(chǎn)設施的模塊化工程設計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計階段正式化，以便可自動從語義層面指定和分配FM的I/O，這一關注將有助于促進這項技術(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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