如果工业互联网只是自动化2.0?

多年以后,当轰鸣的机器、嘶嘶的泵阀管道和旋转的风机,都被人工智能接管而自主运行,那些远离现场、偶尔看一下空气中全息仪表的操作者,也许他们会有时间回看二十一世纪第三个十年开始的前后,何种努力推动了后来的工业传奇。在这样的回忆录中,工业互联网,一定是值得圈出来的重点词汇。

那个时候,它被标记成什么?

工业互联网是一道启蒙的闪电

2012年GE提出Industry Internet(工业互联网)这个概念的时候。实际上它并未引起太多注意,究其原因,它并没有任何一项实质性的技术。数据分析、边缘计算、工业APP、微服务等,这些都是现成的技术,工业互联网将这些合在一起,给了一个全新的名称。

工业互联网带来的是一个启迪人心的概念,就像天边的一处闪电。这是启蒙的闪电,所有的人都看见了它。它带来了数字化的共鸣,令人震撼,那是工业思维需要为之动容的地方。

然而闪电只是闪电,却无法成为为人所用的电力。

工业现场,是大量工业知识的荟萃之地,而与工业相伴相生多年的自动化,替人们接管了对机器的控制。而工业互联网试图将工厂的动力归因于“数据石油”,点亮机器的心智,机器看上去有了新的主宰者。

那么,如果没有工业互联网的概念,自动化会不会走到今天这一步?

不妨看看自动化领域发生的事情。就数字化而言,自动化技术都在进行脱胎换骨术,大部分都跟软件紧密结缘。从机电一体化,到机电软体化,边缘控制、物联网、数据分析、实时定位等,工厂里面一直也没有停止推进。许多自动化厂商都开启了“硬件变软”的战略性转型,与其说这是先知先觉,不如说来自工厂的需求也引发了自动化探索崭新领域的冲动。

工业现场许多硬件在相互融合,芯片、软件穿插其中成为主角。一个质量监测的镜头,会嵌入一块计算芯片(或者就是微型工控机)。这使得边缘侧的控制器的能力大大提升。由于边缘侧需要大数据的预处理。自动化企业必须应对计算能力,将数据采集/传输、边缘计算、实时控制等多重功能嵌入其中。这的确是传统自动化企业,感受到来自物联网和大数据分析最有影响力的冲击之一。而IT企业、云服务商、新锐IoT、传统企业的IT部门翻牌成平台、服务器厂、以及中所谓的“数商”等,都顺着工业互联网之光,天降奇兵。

这些奇兵对工厂而言,都是有好处的。它引入了很多全新的思维理念,然而这未必是拜工业互联网所赐。工业互联网就像一个恰如其分出现的战旗,迎合了所有人的需要。然而,值得注意的是,它自身并没有产生标志性的技术,而昔日自动化技术正式登场的时候,可编程控制器PLC的诞生是里程碑的产品。

自动化技术与工厂的工程技术紧密地捆绑在一起。工厂之外的可拓展边界,其实并不大。而工业互联网则不同,它有着太宽广的天字旗号,每一个厂家都可以以此为旗。大旗之下有黄金,工业互联网背后是巨大的社会资源投入。当旗帜太多的时候,很多资金就会洒在工厂之外;或者即使洒在工厂之内,也是奇门遁甲。这也没什么不好,只是工厂最需要解决的关键工业技术,将被漫天的精彩之中被冷淡。

如果工业互联网只是自动化2.0,工厂或许会更加清静。那些扶持工业的资源,看似更少,由于聚焦反而可以更多。

如果只是2.0,无控制非主战

工厂现场,机器是主角,而控制则是神经中枢。无论是哪一种技术,来支配和推动工厂,首先需要解决控制的问题。可编程控制器PLC、工控机,都是绕不开的门槛。而控制之前,更有严密的工业机理推导。如果不能进入控制领域,如果不能触及机械的基础原理,那么工业互联网的实施,永远就是外围赛道的守望者。

可以毫不夸张地说,现代整个制造工业的体系,都是离不开以PLC为基础的自动化之上。自动化,可以从上世纪70年代通用汽车把可编程控制器PLC用在生产线上开始。当时的莫迪康(后来被施耐德收购)首创了梯形图编程,用计算技术实现了逻辑和顺序控制,从而开启了自动控制机器的历史阶段。从这里起步,自动化开始载入工业化进程的程序,一台台机器、一家家工厂,都是从这里开始打表上车。

运动控制是机器自动化最重要的命题之一。它与电机、物理、几何相关,本质是几何学、动力学、运动学相关,因此也成为机器研发中难啃的骨头。在PLC被广泛接受多年之后,运动控制也按照PLC的架构,通过PLCOpen运动控制规范重新进行软件定义,演化形成了新的控制分枝。

然而,PLC在国内的学术界引不起重视。也许是认为这样一个老掉牙的话题,是不可能产生多少论文价值的;一个半个世纪前的产品,很难写出高质量论文,也无法申请到课题。事实与此相悖,国内也不乏有价值的PLC论文发表在相关的SCI杂志上。问题是这是一种实践与理论紧密结合课题,写论文只是总结提高,作出成果一定经过实践验证。如果说,学术界不谈PLC是一种悲哀,而工业界不谈PLC与工控,则是不可思议。

就本质而言,PLC也是计算机,一种专用的工业计算机。但PLC的软件体系结构,跟普通的计算机体系,大不一样的。前者常用的编程预言梯形图、功能块图、顺序功能图等编程语言,简单明了,而且必须采用实时操作系统,适合做机电类产品级开发;而计算机的C/C++,更适应做应用开发或者app,需要相对更好理解操作系统语言。

一般人很难理解工业PC机,为什么会长成PLC的模样。PLC很容易被看成是低端产品,跟计算机完全不是一个等级。而实际上,二者只是维度不同,一个是机电产品维度,一个是综合性应用维度。

以前许多仿真在PC机做完之后,要重新编码,才能放到PLC上使用。然而两种计算机世界,正在打通。现在很多仿真,已经可以不需要重新编码,直接就可以用在PLC上使用。从2016年开始,最常见的科学计算与仿真软件MatLab和SimuLink,就支持直接生成嵌入式C代码或者顺序功能图语言SFC的代码。如果将来上百种仿真软件,都可以形成接口,直接应用在PLC之上。那么,这对于PLC使用者,是一个超级福音。

换言之,PLC技术是历经五十年之后,依然宝刀不老。而且PLC系统的体系架构,自身也在酝酿颠覆性的创新,分布式控制节点DCN将要取代执行现场实时控制的PLC,一些实时要求不高的功能会转移到处于本地自动化云端的虚拟PLC中。可惜,国内注意这把宝刀人不多。最重要的是,围绕控制的技术,到处都是卡脖子的难点。许多底层技术,都在国外厂商把控之中。当工业互联网成为人人追捧的青龙霸天剑的时候,那些PLC的硬骨头攻关技术,被一带而过。

PLC只是工业控制中诸多选项之一。工业软件中的设计、仿真软件工具也是如此。这些伴随着工业现场多年的技术,骨子里浸透着工业基因,这才是工业发展的本质。而底层的基础研究,则更需要扎根深究。

工业互联网如果要解决机器优化的问题,必须去了解机器运行的原理。而这又指向了基础研究。本世纪初,天津大学机械工程学院的黄田、田文杰教授,曾经研究了近十种误差源中,哪项对五坐标并联机床的影响最大?经过数学计算,发现转角误差(工作台的旋转),严重影响重复精度。这个误差,必须严格控制。就这样一个数学模型,对于提高中国机床的精度,有着非常高的理论价值,它也波及到了导轨等相关部件,都需要围绕转角误差,重新考虑一遍。有的精度可以牺牲一点,有的需要更加精准,这就是一种系统观。瑞士一家精密卧式加工中心,其工作空间体对角线偏差为15μm,而国内同类机床则要翻倍,精度完全没有办法比拟,就是因为国内机床缺乏控制手段。近几年来,天大张大卫教授一直在强调,只有重视基础制造精度,才能有智能制造。如果能够严格控制进给轴转角误差,要投入时间和重视导轨安装基面要刮研工艺。这些工作,可以大幅度地提高机床质量。没有这种基础原理的认知,机床质量就不可能得到根本性的提升,智能制造也就缺少根基。这是数控机床必须解决的控制问题。从工业互联网的角度,很多直接来自数控系统的数据,固然也有价值,但相对于从基础原理出发而得到的数据,效果不可同日而语。

如果不能抓住这些牛鼻子,那么企业将会陷入迷茫的数字转型的洪流中;高校人才的培养,也完全不到位。新工科,不是来自既有教材的相互嫁接,而是来自于工业界的工业属性导向。而政策制定有关部门,则会被新概念所绑架。

忽略到工业的根基所在,社会上大量的金钱将会被浪费,而工业只是得到了表象的改善,而始终未抓住本质要害。

如果工业互联网只是自动化2.0,工业领域的成群结队的诸多关键技术,将会有更多的存在感。

如果只是2.0,工厂5G幻影多

通讯与控制,是秤砣和秤盘的问题,二者从来没有离开过。1948 年维纳发表了著名的《控制论》,一举为整个工程世界奠定了控制的理论基础。而这本书的副标题,就是“关于在动物和机器中控制和通讯的科学”。这带有启蒙性的标题,很好地说明了自动化的控制,根本离不开通讯的努力。

实际上,自动化也从来没有停止通讯和网络的努力。这一直都是主题。最早的信号传递都是通过电缆连接,过于笨重。现场布线也非常麻烦,特别容易出错。这些带着电缆的机器,就是一头插着无数注射液针头的大象。于是总线出现了,就像一个电话交换机,一条线可以代替多个不同电缆。

就在这个时候,各个自动化厂商借助于既有的设备优势,形成了仅供自己设备才能使用的专用协议。这其实也是相当于给其他厂家挖坑,也是绑定用户忠诚度的常见手段。于是,几十种总线协议诞生了。如果说信息化孤岛,很多是由于时间先后、业务不同等客观原因形成,那么各家的自动化总线就是开发成本过高而不得不形成市场分割的产物,它是天生的设备孤岛制造者。

现场总线自身呈现封闭性,把风风火火的办公室商用以太网技术,挡在了门外,未能很好地利用了互联网的发展。于是,商用以太网技术,自然就开始被进行改造,增加了实时性、可靠性和环境适应性之后,也开始走向工业自动化。由于有着广泛的商用根基,因此成本较低,软硬件资源丰富。

这是自动化的通信与网络,在感知外部互联网的发展,而做的自适应变化。而RFID、工业Wifi等无线技术,也在各种场合陆续加入使用多年。而最新的超宽带室内定位技术UWB,也悄悄地进入了现场移动设备的物料供给。这些AGV小车,将无需提前规划路径,它是靠着实时定位系统,与机器上消耗的原材料,进行交互。

即使没有“工业互联网”概念,这些实打实的技术进展,都并不会停下来半步。这些自动化技术的演变,只需要再往前拱一点,它就跟5G有了交界。这跟工业互联网,并无直接的联系。

5G在工厂,当然可以有很多用途。这是业界在欢呼“5G下工厂”的原因。“5G为工业而生”,背后似乎也有技术参数作为一种底气支撑。然而,工业界的人,只要是埋头干活的,都会很清楚,这样的口号究竟是浮夸的。这是一个适合对上面汇报的喇叭。

工厂有很多设备,有各种奇形怪状的遮挡物。在布设5G的时候,都需要绕开障碍物。而且所有无线发射,都是有电磁的,这也有可能导致威胁信号从信道进入。可以说整个车间,或许只有在大流量进出口的地方,才会用到5G。工厂里的机械设备的连接,只有非常有限的场合,才可能用到无线。而只要到产线端,尤其是到了控制端、到了控制器层面,5G基本是英雄无用武之地。

简言之,在工厂,5G不可能用于底层连接。工业现场直接对5G说“NO”。这个现场,仍然是多年老对头之争,现场总线和实时以太网,前消后长十几年了。工业以太网在一点一点侵蚀现场总线的战场,目前已经有一半以上的份额。

5G在工厂,只能部分用在刀刃上。工厂现场,想靠5G之大旗,来提升工业互联网之声威,想象力大于可行性。

如果工业互联网只是自动化2.0,5G在工厂或许会另有一番谦卑的姿态。

如果只是2.0,合该GE是先锋

工业互联网的急先锋是GE,它以史无前例的高调,激发了这样一道闪电。身先士卒,它以一己之力掀起了工业互联网平台的巨浪。其他各种厂商也都陆续跟进。而这个巨浪,只有在中国,被接浪而去,掀得更高。

如果说GE是史无前例,其实也并不准确。历史总是会证明,一个人、一个组织、一种文化,是多么容易掉进同一个坑。

1980年,工厂的机器效率,也要做一次大的飞跃。牵头者,GE也。

彼时GE正在迷恋于一种全新的自动化集成方式,名字叫做“未来工厂”。它将机器人、机床、驱动装置和通讯等各家的产品,全部整合到单一的供应商手中。当时是美国制造业如日中天的时候。跟现在的颓势完全不同,当时的美国机床行业在全球占有显要位置;而GE与日本FANUC已经成立了合资公司,后者借助于GE的渠道,深入工厂(直到后来这个合资厂解散,FANUC已经占领了美洲市场)。如果再加上一个前端的设计软件,就能设计-制造打通,机器之间的通讯也打通,一个完美的“数字化工厂”。

这样一个计划,看上去多么眼熟。四十年后,它仍然是智能制造、工业互联网所追求的目标。

说干就干,GE从美国联合电信公司(Sprint的前身)购买了计算机辅助设计软件CAD的当红明星:CALMA。CALMA在当时机械设计、工厂设计软件领域,是超级人气明星。它在产品设计前端,与后端的生产自动化完美地连接。所有的要素都齐备了,一个为大型工业企业而准备的“一站式”自动化工厂呼之欲出。

想一想四十年前,这样的概念所带来的冲击。这是被GE寄予厚望的一把手项目,在耗资10亿美元(相当于改革开放初期的180亿人民币!)之后。

一切都不顺利。机器根本不听使唤。招呼来的各路联盟英雄是各自推诿。GE的销售人员为无法交付的承诺而手忙脚乱。

七年后,“未来工厂”黯然消亡。联盟解散,CALMA很快以象征性的价格被出手,它后来一蹶不振,退出江湖。

那个启动“未来工厂”的人,就是GE的伟大功臣韦尔奇。彼时,他刚刚上任,正是他所向披靡的时代。这样一个小小失误,完全无关紧要。但韦尔奇一定告诉过后任者伊梅尔特这个故事。伊梅尔特在2013年开始,狂飙激进地发起了工业互联网的推动,或许也是向前辈致敬的一种方式。

历史少敬畏,现实多翻车。当下GE 工业互联网的事业,已经安静地为回归定位,为包括宝洁在内的大客户,提供多工厂的优化解决方案,这仍然是一个不错的选择。

如果工业互联网只是自动化2.0,GE一定比任何其他厂商的认识,更深刻。

如果只是2.0,平台战略重新看

自动化供应商,都有一套物联网战略,跨越其产品范围的全面数字化方案。所有供应商都在追求自己的IIoT和数字化战略和解决方案。艾默生的PlantWeb、霍尼韦尔的Connected Plant、罗克韦尔自动化的Connected Enterprise、施耐德电气的EcoStruxure、浙大中控的SupOS。有新有旧,长的十多年,短的两三年。

物联网平台也自然成为自动化巨头的标准配置。许多有趣的事情正在发生,但那只是表象,并不是真正的主战场。

机器端、控制和传感的边缘智能,成为自动化厂商的一个关键阵地。硬件正在被嫁接更多的计算能力。而运动控制系统,也在被一一摆上桌面。那些传统的执行机构等,包括日本THK和台湾上银的滑轨及滚珠螺杆、德国Festo的执行机构,都开始收集数据,通过数据分析,来进行控制。这正是自动化厂商最为娴熟的阵地。机器人厂商都高度重视这一阵地的进展。无论是德国KUKA,还是日本FANUC,都下了大功夫。与国内热衷的工业互联网平台而言,这些机器人厂家更专注于对边缘计算的精准布局。Fanuc对日本一家人工智能PN公司进行连续投资,就是为了确保发那科能够在数控系统、伺服系统以及机器人这些优势领域,继续巩固堡垒。未来自动化领域的通讯、控制、数据指令的传递途径。而边缘计算将成为异常繁忙的数据港口。

边缘计算的深度防御,是自动化对IT厂商进行交锋的一张高级防御牌。“企业支边”或者比“企业上云”,更加具有对机器的把控。走向边缘计算,则让自动化对来势汹汹的云计算厂商,重新找回了自信。

这些平台或者干脆还是解决方案,在中国市场上都统统地被叫做工业互联网平台。经过这几年的磨砺,这些国外自动化厂商的思路已经基本明朗,工业互联网平台从战略定位而言,已经确立为未来储君。

国外自动化厂商巨头们对于工业互联网平台的“储君”定位,是一个进可攻、退可守的战略。大家都有短暂的迷茫,也有流血的教训。五六年前GE Digital新组建的2.6万精锐兵团,在思科前高管的带领下,以工业互联网平台Predix高歌猛进地切入,一时间大家都觉工业互联网彻底掀翻了所有的牌桌;霍尼韦尔的物联网平台也曾有过多次的反复,而西门子MindSphere的战略高度也是忽上忽下。最后,随着Predix的黯然,低调撤回的时候,其他自动化厂商也都顺势踩了刹车。

擅长设备制造的德国,工业互联网平台也是翻了船。德国通快机床2019年全球排名第二,这家以激光为代表的机床制造商,五六年前推出了自己的智能工厂概念。这本是工业4.0的一种示范和落地。然而通快决定将这样一种智能工厂的做法进行外延。它的工业互联网平台AXOOM在卡斯鲁尔含着金钥匙诞生,志在向工业界提供一套互联网工厂的解决方案。“机器说话,AXOOM秒懂”,这是通快一度的座右铭。四年后,通快终于叫停了这个跟机器“对话”的项目,这个平台被无奈出售。

而在日本,学GE最像的当如日立。它的工业互联网平台Lumada,已经是日本厂商中最为高调的了,或许是因为在GE Digital式微的时候它大肆吸纳了大量GE外流的人才。然而,它仍然是在有限的领域,深耕大客户。其他像三菱、NEC、东芝、横河等平台,则更要低调得多。

只有在中国,工业互联网平台,变成了当下最炙手可热的工业明星。

如果工业互联网只是自动化2.0,它真的需要去解决那么多的问题吗?分门别类的各自聚焦,工厂竞争力会不会更高?

如果只是2.0,它能否成为新基建

如果工业互联网只是自动化2.0,举国上下是否还会有如此大的热情?

最近关于新基建的官方解读,工业互联网”被定义为信息基础设施,跟“5G、物联网和卫星互联网”并列在一起。这真是一个语惊四座的解释。工业互联网,已经彻底蜕变成一张“网”,跟工业貌似远亲。

至此,“新基建”下的工业互联网,已经泛化无边、超级无敌。工业互联网还要去解决工业最本质的问题吗?在这种新基建的语境下,“工业+互联网”被彻底切开。“工业”的事儿,就像《围城》中形容书法作品中的“人”字中最后一“捺”,像昔日老太太的小脚,颤一下就没了。工业互联网的“工业”,就变成那一个小脚了。

一个概念,如果它无法说清楚准确边界,那么它要作为一种大张旗鼓的推动,就要谨慎处理。如果工业互联网是自动化2.0,那么很难想象它会敦促企业上云,敦促企业上服务器、上视频、远程办公、上云财务。而这样的一个结果,最开心的一定是云计算的提供者,同样开心的是,后面跟着吃肉的服务器。

最近有一家服务器厂商说,大家对工业互联网有误解,以为这是大企业的事情,其实中小企业不要怕,因为这也是中小企业的机会。

听起来,甚为有道理。那么这个误解是什么?

这家厂商认为,企业把财务软件放到云上,不再需要购买服务器,是工业互联网;产品质量码,从制造、出厂到流通都可以一码到底,也是工业互联网;帮助中小微企业贷款,还是工业互联网。

如此事情,对企业当然是有益之事。只是,我们确认,类似这样的事情,都要放到工业互联网的池子里来管吗?大量投入的示范工程,真金白银的财政投入,真的打算解决这样的问题吗?工信部多年推动的两化融合,稍微升级一下,不也就解决了吗,何必要提升到新基建的高度?

换句话说,我们需要借着工业互联网的名义,来推销服务器吗?

工业互联网,貌似已经没有边界了。不仅仅是一个大菜筐,还是一个无底菜筐。无论装什么都不拍,它可以包住所有人的需求。工业互联网成为一架硕大无比的包机,每人都可以入座。只是IT和互联网商,坐的是头等舱;而工业本身的机器性能、设备机理、质量控制等要解决的问题,已经妥妥地叠塞进了包机后舱角落里的货架下。

如果工业互联网只是自动化2.0,它就注定不能像高速路一样,车一驶入就可以跑。

小记:如果只是2.0,工业或将另行精进

如果工业互联网只是自动化2.0,那么工业的本质,或许更易可见。工厂如果成为喧闹的客厅,花哨的演示和夸张的音响,将只会让工业核心声音变得更加虚弱。

当然,每个时代的人们,都喜欢用饱满的热情,夸大当前的所见到所闻。而媒体的发达和无孔不入,让人们更是深陷其中。这是一个时代的自我迷恋。在上个世纪五十年代末,时任美国副总统尼克松向赫鲁晓夫炫耀“厨房(电器)革命”所代表小康生活的时候,背景正是美国家庭主妇深受各种电器广告所迷恋,再也不用花费时间去做家务了。然而最终的结果是,家庭主妇们花费了更多的时间,来围绕着这些电器转。家务活不是更少了,而是更多了。而那个时候人们对于家电的未来憧憬,正如我们现在对AI接管生活一样的期待,并无大异。

工业互联网依然令人欢呼,它产生了神奇的融合力量。IT与OT的融合,再次被坚定地并放在一起。无论是工业4.0,智能制造,都离不开这个梗。只是,如果这是一个复杂的技术组合,无论参杂了自动化、数据分析、物联网,那么它归根结底,还是要回归工厂制造的主线。参杂了过多的热望,不分轻重缓急挤进所有的要素,资源配置就会被扭曲。工业自身难点攻关的主战场,容易被忽略;而意在扶持工业的资金,则悄悄转移到了体外的循环。而工业则依然是饿着肚皮,黄面瘦肌。

无论选择了那种方式,这一页都会翻过去。若干年后,当终于读完了这段充满了困扰和喧哗的工业历史的人们,是否会呐呐自问:一件硕大无朋的战袍 ,如何可以成为每一个斗士的战衣?

(特别鸣谢:PLCOpen中国组织名誉主席彭瑜对部分内容的建议,感谢广东华南计算技术研究所陈冰冰所长在PLC方面的技术指导)

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南山工业书院发起人,北京联讯动力咨询公司总经理。

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