工业自动化进入数字化虚拟现实时代

盛况空前魅力所在技术领先

Automation Fair是全球工业自动化和信息化领先巨擘美国罗克韦尔自动化公司联合其合作伙伴共同举办的技术研讨和展览会，每年在美国的一个大、中城市举办，今年已经是第28届。在美国并没有像汉诺威工博会、中国工博会如此大规模的自动化展会，Automation Fair凭借其上百家参展商的创新成果和几十场的技术论坛，以及罗克韦尔自动化在美国近乎处于垄断地位的强大影响力，每年的观众可谓是趋之若鹜，数以万计，犹如参加一场技术盛宴。Automation Fair也由此成为业界首屈一指的工业自动化盛会。

据统计，今年的Automation Fair共有150个罗克韦尔自动化合作伙伴参加，有来自全球的19000人报名注册，共有95场技术论坛在期间举办，相比往届这些数据都创造了历史新高，可谓是盛况空前。

今年的Automation Fair如此火爆，魅力在什么地方呢？罗克韦尔自动化中国区总裁石安认为，一方面是现在用户都有一个迫切的需求，要深层次的提高企业竞争力，而罗克韦尔自动化和PTC的合作今年有了更多的落地案例，能够帮助客户持续提升竞争力。另一方面，Automation Fair汇聚了如此众多的合作伙伴参展，在北美最能体现高端制造业最新科技的就是这个展会了。

笔者在现场看到，罗克韦尔自动化占据了整个展馆中心位置以及超过一半的展览面积。在核心展区，展出了罗克韦尔自动化在汽车轮胎、冶金、油气、食品饮料、化工、水处理、生命科学等行业的落地解决方案，以及联合PTC推出的FactoryTalk InnovationSuite数字化创新套件。随后是创新展区，展出了罗克韦尔自动化在数字孪生、TSN、5G等最新技术的演示DEMO。在集成架构（IA）展区，展出了罗克韦尔自动化的iTRAK柔性电驱系统、LogixAI、ControlLogix控制器、电机与运动控制等产品。在智能设备展区，展出了中、低压变频器等产品。

围绕着核心展区，微软、PTC、Cisco、Endress+Hauser、FESTO、威图、HMS、Sensia、FLUKE、HARDY、P+F、ePLAN、nVent HOFFMAN和Stratus等在各自动化细分领域的知名厂商也展出了最新的产品和技术。

虚拟现实渐成工业自动化的发展趋势

从自动化到数字化、网络化、智能化，这是我们常说的智能制造三个阶段，而目前多数企业处于数字化网络化的阶段。所谓数字化制造，就是通过信息建模和信息处理来改进制造过程，而信息建模和信息处理就需要在一个计算机模拟出来的虚拟世界中完成。因此，虚拟现实成为了数字化制造阶段不可或缺的核心技术之一。

简单来说，虚拟现实就是利用信息技术创建一个与现实世界对应的虚拟世界，所以从广义上讲，数字孪生（DT）、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）这些技术都可以统一称为虚拟现实技术。

今年的Automation Fair，给笔者印象最深的就是随处可见的虚拟现实技术，无论是数字孪生还是VR或者AR，都已经在工业场景中得到应用。

在展会最显著的入口处，放着一辆时尚的概念车，这是北美汽车厂商NIKOLA计划在2020年量产的一辆电动汽车。观众可以拿着一个平板电脑对着汽车的某个部件，在画面中就会显示该部件及周边各部件的3D模型、参数和实时数据，而且随着平板电脑的移动画面也跟着移动变化和实时数据显示，虚拟画面和现场实物契合度非常高。这是一个典型的增强现实的应用场景。

在展览核心区，放着一台汽车制造中常用的冲压机，这是罗克韦尔自动化的伺服压机解决方案。而与前些年不同的是，在压机边上还放着一个数字孪生的大屏幕和虚拟现实眼镜。路过的观众都会带上眼镜体验虚拟现实场景，不但可以查看机器的三维模型，而且还能通过凝视、点头、摇头、指指点点、挥手和语音等操作虚拟设备，实现人机交互。

而在创新展区，虚拟技术几乎占据了整个展区。除了最为火爆的虚拟现实体验区外，在展区中央，一条带有完全数字孪生的饮料罐装产线吸引了无数人的驻足。通过中间屏幕上与实际产线完全一致的虚拟场景，产线上的运行状况、设备状态都可以实时在虚拟场景中同步显示，同时通过软件对实际产线的产品质量、完整性以及产线的安全等进行实时监控。

在一台大型注塑机前，观众拿着iPad，对着机器各个部位照来照去，屏幕里面有一个和现实机器一样的虚拟机器，在虚拟机器各个部位不断显示机器的一些实时信息。观众还可以通过点击，打开虚拟机器各个部件的内部结构进行立体查看，这样对机器的内部结构就有一个十分直观的了解。

类似这样的虚拟现实、增强现实技术的Demo在展会上也随处可见，都可以通过平板电脑或虚拟眼镜来查看内部结构和数据。

不仅仅是可视化更不是为了炫酷

数字孪生、虚拟现实和增强现实等这些虚拟技术使得整个2019 Automation Fair现场变得十分酷炫，科技感十足，观众的参观体验也从以前的“参观”进化为“参与”，这也是虚拟技术带来的前所未有的数据可视化效果。

对于数据可视化，大家都不会太陌生，在一个现代化工厂里，往往有一个大屏幕，通过各种图形、表格、图像显示着整个工厂的实时状态。可这样的数据可视化还不够“直观“，不够”高级“。这些大屏幕上的数据报表和生产中的设备结合度还不够高，很难一目了然的从大屏上看到这些数字跟实际生产的对应关系，只有对业务逻辑很了解的人才能看懂，所以人跟系统之间就存在一个交互的障碍，没法从数据理解生产中的问题。而基于虚拟技术的数据可视化就很好地解决了这个问题。

当然，虚拟技术的作用并不只是为了数据的可视化，更不是为了炫酷，而是为了通过虚拟技术，实现产品全生命周期，从产品构思，到概念、设计、工艺、制造以及使用维护全部环节中互联的数据流和集成的产品视图，也就是所谓的数字主线（Digital Thread）。通过数字主线，企业能够在设计阶段就对产品制造的全过程进行虚拟集成，预测、检测、评价产品性能和制造可行性，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化以及生产效率的最大化。不仅如此，还可以通过虚拟现实打造一整条数字模拟产线或者整个数字虚拟工厂，对产线或者工厂规划、建设到运行等不同环节进行模拟、分析、评估、验证和优化。

比如，放在入口处的NIKOLA电动汽车，这辆车在制造过程中使用了罗克韦尔自动化的FactoryTalk InnovationSuite软件套件，将汽车设计时的三维图纸导入到了软件之中，同时使用套件中的Vuforia软件开发了基于AR的虚拟场景。通过AR，可以查看零件之间的空隙袭、压力、状态等，从而判断装配是否合格等来检测车辆质量。同时还会生成检测电子报表。另外，还可以在制造过程中，通过查看已存储的视频、动画等信息来指导操作。

据罗克韦尔自动化（中国）有限公司智能制造创新研究院总经理戴鹏飞介绍，在展出的伺服压机设计研发过程中，一开始就采用了数字孪生技术，从机械的仿真模拟到自动化控制的仿真模拟，省去了传统做原型机进行仿真模拟的环节，缩短了研发流程和设计，节省了约60-70%的研发时间，大大加快产品上市的时间 。

在数字孪生产线中，除了可以三维可视化整条产线外，更重要的是能够利用数字孪生对整条产线进行前期的设计规划、动态验证、虚拟测试和调试，将传感器和电机等功能进行标记，然后连接到管理它们的控制中进行设置和编程，使得虚拟产线的模型和真实的物理系统一样。在虚拟世界调试完成后，将控制器中的程序直接下载到实际控制器中即可使用。这样一来，就不需要用传统方式那样先建成一个初步的物理产线，然后进行一边调试一边修改，大大节省时间和成本。

完整的软件和硬件平台让你轻松部署虚拟现实

其实，虚拟现实技术并不是一个新技术，几十年前就已经提出来，但由于过去一直受制于计算机、网络通信和传感技术等，虚拟现实并没有得到广泛应用。而在最近几年，随着这些技术的快速发展，虚拟现实技术变得越来越常见，并逐渐向工业领域渗透应用。

作为一个自动化和信息化的领先供应商，罗克韦尔自动化当然不仅仅是要利用虚拟技术来提升自己的解决方案，而是要使客户能够利用完整的软件和硬件平台开发自己的虚拟现实应用场景。从硬件上来看，罗克韦尔自动化的Logix控制器和MagneMotion智能传送系统等都已经支持数字虚拟化。而从软件上来看，主要归功于罗克韦尔自动化和PTC联合推出的FactoryTalk InnovationSuite和今年1月收购的Emulated3D三维仿真软件。

在FactoryTalk InnovationSuite套件里，除了有用于工业连网ThingWorx物联网平台和用于数据分析的FactoryTalk Analytics外，还有一个专门用于创建增强现实的工具Vuforia。这个Vuforia可以将各类三维CAD模型直接转化为AR内容在手机、平板、AR眼镜等设备上进行查看和操控。在NIKOLA电动汽车和数字化注塑机研发过程中，客户就用了Vuforia软件创建了增加现实的场景。正是Vuforia日益强大的功能，使得创建增强现实场景的难度也随之降低。正常情况下，想要研发出具备3D模型和实时信息的AR场景非常困难，但通过Vuforia就可以轻松实现，甚至在一分钟之内就可以创建所需要的AR场景。

对于产线、物流输送或者物流运输系统来说，创建虚拟场景或者数字孪生的应用时，Emulated3D会是一个很好的选择。Emulate3D的特点是可以对工业自动化系统进行数字模拟和仿真，并在正式安装前通过仿真试验来测试控制系统，从而在制造和自动化成本实际发生和终设计交付之前完成对机器和系统设计的虚拟测试。本次展会上的数字孪生产线和数字伺服压机的虚拟现实就是利用Emulate3D来开发的。虚拟模型和物理控制器使用Emulated3D软件来扩展它们之间的关系，用户快速轻松地将模型中的这些软件设备‘组合’在一起，创建功能设计，并提供速度、位置、移动和其他命令。当需要将编程添加到现实世界的控制器时，可以从模型中“自动”生成所有控制代码。而且，在Emulate3D中，3D建模和调试软件有一个虚拟现实按钮，可以快速将其模型传送到一个虚拟现实眼镜上，允许用户“走动”并与之交互。