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    印刷工業的數字化轉型之路
     
    http://www.universalvin.com  2021-09-15 印刷工業雜志社

        貝加萊工業自動化(中國)有限公司技術傳播經理宋華振

        印刷工業之數字化挑戰與需求

        通常印刷并非獨立的存在,也包括了后道如軟包、書刊、彩盒等的整線生產需求。這牽扯到數字化的設計(圖文圖像處理)、印刷包裝設備、信息化集成。整個產業包括了多個維度的數字化以及合作需求。印刷工業全景如圖1所示。

        圖1印刷工業全景

        1.數字化轉型的認知問題

        對于印刷企業必須不為環境所動。數字化轉型是一個很熱門的話題,但是,作為行業的企業,必須避免陷入“為了數字化而數字化”,也不要盲目地去考慮構建系統,而是應該對自身的業務戰略有清晰的認識。數字化轉型,首先是企業的經營模式的變化,而印刷工業作為用戶產品的一個環節,數字化的轉型必須讓自身具有對這種客戶需求的應變能力,并且在這種變化中,還需要保持高的盈利能力,以及品質的提升、交付周期的縮短、響應用戶新訂單的能力。

        2.缺乏有效的連接性

        數字化在落地中遇到了較為普遍的問題在于真正的連接性問題。我們可以看到,包括印刷包裝設備通常也能夠達到非常先進的水平,采用了國際領先的機器設備,ERP/MES通常也是來自于全球最為知名的廠商,但是,作業水平的連接性卻仍然處于孤島狀態。例如,作業單通常會采用打印方式下發,或者通過計算機網絡下發到機臺,由人工對其參數進行設置,并未實現真正的全連接貫通。這種情形較為普遍,在于數字化并未真正有效地打通ERP/MES和機器之間的這種互操作性連接,因此,雖然有數字化設計、運營管理、先進機器控制與產線運行系統,但是,之間仍然是信息孤島。這個現象至今并未真正得到有效解決。

        3.缺乏垂直行業特性的數字化集成

        印刷行業屬于較為垂直的細分市場,不像汽車工業、電子制造業,乃至流程工業的產業規模,因此,針對其有效的細分市場數字化系統的服務廠商不多,這使得一些數字化系統不得不由廠商自己搭建,或采用由通用市場的服務商進行修改的運營系統。另外,國內的工業軟件例如針對顏色、印包工廠數字化運營軟件的缺乏,也導致了來自國際廠商的數字化系統缺乏統一的規范與運營,這一現象較為普遍。而國外的大廠雖然有專業系統,但通常由少數大型OEM提供,像XJDF規約基礎上的整個印刷工廠的管理軟件,是僅部分大廠在其數十年的發展歷史上構建起來的。這些對于國內產業起步晚、規模小的企業來說都是無法實現的,因為這不僅需要領先的機電控制與工藝,也需要較大的市場支撐以及產業人才的培養。

        印刷工業的數字化轉型需求分析

        對于如何推進數字化轉型,市場上有兩個主要的推進力量,一個是來自ICT廠商構建的“自上而下”的推進,其關注點在“平臺”建設。由于ICT通常屬于工具類的提供商,因此,他們的實現都是提供平臺,需要用戶自行在其上開發自己的應用。例如,如何進行物流、信息流的定義,而ICT廠商還缺乏對現場的認知,因此,僅能提供工具性的,而這依賴于具有掌握信息化能力的企業自行來配置系統。另一個方向則是來自于OT,如自動化廠商、機械廠商自行“自下而上”的數字化推進。

        作為自動化廠商,貝加萊是一個在印刷控制技術領域有著非常深厚積累的企業,包括各種印刷機的控制以及控制系統本身的通信連接能力、數字化分析與應用能力,這使得OT廠商具有離現場更近、更了解現場的需求。在此,我們從這個視角展開來介紹印刷企業應該如何實現數字化。

        1.統一規范的語義連接

        首先,工業通信除了解決實時控制,同時也在不斷的擴展,尤其是OPCUA語義互操作規范的集成,使得目前的自動化廠商均可提供機器-機器、機器-管理系統之間的數據交互能力。

        第二則是其信息建模的能力,在OPCUA基礎建模中,包括了對信息的結構化定義的統一規范,以及數據的調用、方法的集成能力,同時它也有行業信息模型。像針對機床的MTConnect包裝的PackML,但是,對于印刷,JDP/XJDF這類目前尚未采用OPCUA規范來定義。這是一個可能需要整個印刷行業或者由本土印刷機械、用戶共同來定義的規范。

        通信行規規范的意義在于能夠讓數字化運營管理與機器制造商、數字化設計之間構建一個統一的規范,使得在信息集成中、數據應用中能夠快速地進行工程連接,降低工程成本,否則,每個企業的數字化路徑都會是一個“工程項目”。這種缺乏可復制性的實現路徑,最終會導致整個產業難以實現或實現成本極高,反倒阻礙其實現的效率。

        另外,產業對于OPCUA類似的信息模型了解較少,這需要行業組織對其進行推廣,并與國際組織協同,共同開發具有本土特點的自主規范。

        2.從現場視角的邊緣實現

        貝加萊控制系統能夠提供的數字化能力,如圖2所示,包括以下幾個方面:

        圖2機器控制系統的數字化能力

        1)機器的連接能力:由于CPU通常有各種通信模塊,這使得它可以去連接現場的不同設備,然后將數據發送給控制器,存放在OPCUAServer。這個SoA架構,即面向服務的架構,允許來自于水平設備、上位系統的Client-客戶端來訪問,也支持來自手機類移動端的訪問。

        2)能源與設備效率數據的采集,包括機器能耗、班組能耗、實時OEE、產線OEE統計,這對于生產企業來說評價效率至關重要。

        3)預測性維護-基于狀態監測的維護,可以通過振動、溫度信號的采集并放置控制器,或通過云端數據訓練并部署在本地,這個鏈路是可以打通的。

        4)遠程的診斷與維護能力:SiteManager是一個本地構建“安全”遠程維護的技術,它可以通過安全的VPN來提供數據的傳輸,并通過無所不在的網絡、遠程桌面技術來實現遠程的機器診斷與調試。這對于OEM、工廠的維護工程師來說都是非常方便的。

        像貝加萊這樣的自動化廠商,其控制器已經突破了傳統PLC僅邏輯控制的能力,其mapp功能中的Tweet可以由機器發送警報、事件的短信或郵件給運行系統或操作人員,mappEnergy可以統計能源、mappOEE可以統計實時機器運行效率、mappDATA可以訪問數據庫、mappAudit可以實現審計追蹤,從而對質量相關數據進行追溯性記錄。

        圖3所示則是一個典型的基于控制技術平臺的邊緣智能系統架構,貝加萊采用Hypervisor技術的工業PC能夠為印刷工廠提供邊緣智能實現。在數字化應用中,包括預測性維護、參數尋優、調度等問題,可以通過OPCUA的數據采集,并建立OPCUA/MQTT的云端數據連接,進行云端訓練,模型可以通過下發部署在本地的PC,本地的推理可以由PC端的處理器基于Windows或Linux來實現,而RTOS則保證其實時的同步與邏輯任務。

     

        圖3邊緣智能系統架構

        圖4則是通過控制系統廠商如貝加萊提供的能力構建的印刷工廠數字化能力。其包括幾個方面:

        圖4整體的數字化架構

        1)對于機器的設計而言,MATLAB/Simulink的建模仿真可以與貝加萊的控制系統設計平臺AutomationStudio之間進行連接,這樣數字化設計可以連接到控制,協同仿真。第二種情況目前尚未被驗證,即數字化的JDF文件可以被XML格式讀取,并解析,這個現階段可以采用控制器的讀取任務來實現,可以通過程序解析作業單,并下發到機器上,自動與配方系統結合,從而實現自動運行。當然,其工作流程需要人員確認,避免錯誤發生。

        2)OPCUA的通信連接:OPCUA不僅能夠提供作業單任務,它的各種信息模型如視覺與機器人、AutoID的原材料條碼進入、物流倉儲信息集成,包括控制器間的交互、與云端的交互均可實現。

        印刷工業數字化需要協作

        為了實現數字化轉型,對于印刷工業來說需要各方進行協作,并在協會、標委會組織下,共同制定可行的產業整體規劃,這是一個需要通盤推進的工作。其產業生態構建如圖5所示,在此對各方的工作提出以下建議:

     

        圖5數字化轉型中產業生態協作問題

        首先,對于印包企業,也包括終端用戶,需要清晰自己的數字化需求。這些不僅為了自身的運營管理水平數字化升級,也包括對上游的機械制造商、系統集成商、信息化集成商提出規約,這樣才會有共同努力的方向。

        其次,在產業需求的基礎上,由協會組織如印刷行業協會、標委會以及跨界的如OPC基金會、自動化行業的通信規約、數字化車間標準化組織來共同開發針對印刷工業的行業規約,通過產業協同來為產業制定數字化發展的指南、指導,從而推進產業整體發展。

        再次,機器制造商、自動化廠商開展協作,將在其他領域的數字化經驗、技術、方法與印刷行業的產業實際結合,開發致力于解決質量、成本、效率提升的解決方案。

        總而言之,印刷工業的數字化并非一蹴而就,也不是單個方面可以推進的,需要產業的廠商共同努力。


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