印刷工业的数字化转型之路

 
  贝加莱工业自动化（中国）有限公司技术传播经理宋华振
  印刷工业之数字化挑战与需求

    通常印刷并非独立的存在，也包括了后道如软包、书刊、彩盒等的整线生产需求。这牵扯到数字化的设计（图文图像处理）、印刷包装设备、信息化集成。整个产业包括了多个维度的数字化以及合作需求。印刷工业全景如图1所示。

  图1印刷工业全景

    1.数字化转型的认知问题

    对于印刷企业必须不为环境所动。数字化转型是一个很热门的话题，但是，作为行业的企业，必须避免陷入“为了数字化而数字化”，也不要盲目地去考虑构建系统，而是应该对自身的业务战略有清晰的认识。数字化转型，首先是企业的经营模式的变化，而印刷工业作为用户产品的一个环节，数字化的转型必须让自身具有对这种客户需求的应变能力，并且在这种变化中，还需要保持高的盈利能力，以及品质的提升、交付周期的缩短、响应用户新订单的能力。

    2.缺乏有效的连接性

    数字化在落地中遇到了较为普遍的问题在于真正的连接性问题。我们可以看到，包括印刷包装设备通常也能够达到非常先进的水平，采用了国际领先的机器设备，ERP/MES通常也是来自于全球最为知名的厂商，但是，作业水平的连接性却仍然处于孤岛状态。例如，作业单通常会采用打印方式下发，或者通过计算机网络下发到机台，由人工对其参数进行设置，并未实现真正的全连接贯通。这种情形较为普遍，在于数字化并未真正有效地打通ERP/MES和机器之间的这种互操作性连接，因此，虽然有数字化设计、运营管理、先进机器控制与产线运行系统，但是，之间仍然是信息孤岛。这个现象至今并未真正得到有效解决。

    3.缺乏垂直行业特性的数字化集成

    印刷行业属于较为垂直的细分市场，不像汽车工业、电子制造业，乃至流程工业的产业规模，因此，针对其有效的细分市场数字化系统的服务厂商不多，这使得一些数字化系统不得不由厂商自己搭建，或采用由通用市场的服务商进行修改的运营系统。另外，国内的工业软件例如针对颜色、印包工厂数字化运营软件的缺乏，也导致了来自国际厂商的数字化系统缺乏统一的规范与运营，这一现象较为普遍。而国外的大厂虽然有专业系统，但通常由少数大型OEM提供，像XJDF规约基础上的整个印刷工厂的管理软件，是仅部分大厂在其数十年的发展历史上构建起来的。这些对于国内产业起步晚、规模小的企业来说都是无法实现的，因为这不仅需要领先的机电控制与工艺，也需要较大的市场支撑以及产业人才的培养。

    印刷工业的数字化转型需求分析

    对于如何推进数字化转型，市场上有两个主要的推进力量，一个是来自ICT厂商构建的“自上而下”的推进，其关注点在“平台”建设。由于ICT通常属于工具类的提供商，因此，他们的实现都是提供平台，需要用户自行在其上开发自己的应用。例如，如何进行物流、信息流的定义，而ICT厂商还缺乏对现场的认知，因此，仅能提供工具性的，而这依赖于具有掌握信息化能力的企业自行来配置系统。另一个方向则是来自于OT，如自动化厂商、机械厂商自行“自下而上”的数字化推进。

    作为自动化厂商，贝加莱是一个在印刷控制技术领域有着非常深厚积累的企业，包括各种印刷机的控制以及控制系统本身的通信连接能力、数字化分析与应用能力，这使得OT厂商具有离现场更近、更了解现场的需求。在此，我们从这个视角展开来介绍印刷企业应该如何实现数字化。

    1.统一规范的语义连接

    首先，工业通信除了解决实时控制，同时也在不断的扩展，尤其是OPCUA语义互操作规范的集成，使得目前的自动化厂商均可提供机器-机器、机器-管理系统之间的数据交互能力。

    第二则是其信息建模的能力，在OPCUA基础建模中，包括了对信息的结构化定义的统一规范，以及数据的调用、方法的集成能力，同时它也有行业信息模型。像针对机床的MTConnect包装的PackML，但是，对于印刷，JDP/XJDF这类目前尚未采用OPCUA规范来定义。这是一个可能需要整个印刷行业或者由本土印刷机械、用户共同来定义的规范。

    通信行规规范的意义在于能够让数字化运营管理与机器制造商、数字化设计之间构建一个统一的规范，使得在信息集成中、数据应用中能够快速地进行工程连接，降低工程成本，否则，每个企业的数字化路径都会是一个“工程项目”。这种缺乏可复制性的实现路径，最终会导致整个产业难以实现或实现成本极高，反倒阻碍其实现的效率。

    另外，产业对于OPCUA类似的信息模型了解较少，这需要行业组织对其进行推广，并与国际组织协同，共同开发具有本土特点的自主规范。

    2.从现场视角的边缘实现

    贝加莱控制系统能够提供的数字化能力，如图2所示，包括以下几个方面：

  图2机器控制系统的数字化能力

    1）机器的连接能力：由于CPU通常有各种通信模块，这使得它可以去连接现场的不同设备，然后将数据发送给控制器，存放在OPCUAServer。这个SoA架构，即面向服务的架构，允许来自于水平设备、上位系统的Client-客户端来访问，也支持来自手机类移动端的访问。

    2）能源与设备效率数据的采集，包括机器能耗、班组能耗、实时OEE、产线OEE统计，这对于生产企业来说评价效率至关重要。

    3）预测性维护-基于状态监测的维护，可以通过振动、温度信号的采集并放置控制器，或通过云端数据训练并部署在本地，这个链路是可以打通的。

    4）远程的诊断与维护能力：SiteManager是一个本地构建“安全”远程维护的技术，它可以通过安全的VPN来提供数据的传输，并通过无所不在的网络、远程桌面技术来实现远程的机器诊断与调试。这对于OEM、工厂的维护工程师来说都是非常方便的。

    像贝加莱这样的自动化厂商，其控制器已经突破了传统PLC仅逻辑控制的能力，其mapp功能中的Tweet可以由机器发送警报、事件的短信或邮件给运行系统或操作人员，mappEnergy可以统计能源、mappOEE可以统计实时机器运行效率、mappDATA可以访问数据库、mappAudit可以实现审计追踪，从而对质量相关数据进行追溯性记录。

    图3所示则是一个典型的基于控制技术平台的边缘智能系统架构，贝加莱采用Hypervisor技术的工业PC能够为印刷工厂提供边缘智能实现。在数字化应用中，包括预测性维护、参数寻优、调度等问题，可以通过OPCUA的数据采集，并建立OPCUA/MQTT的云端数据连接，进行云端训练，模型可以通过下发部署在本地的PC，本地的推理可以由PC端的处理器基于Windows或Linux来实现，而RTOS则保证其实时的同步与逻辑任务。

   图3边缘智能系统架构
 图4则是通过控制系统厂商如贝加莱提供的能力构建的印刷工厂数字化能力。其包括几个方面：

   图4整体的数字化架构

    1）对于机器的设计而言，MATLAB/Simulink的建模仿真可以与贝加莱的控制系统设计平台AutomationStudio之间进行连接，这样数字化设计可以连接到控制，协同仿真。第二种情况目前尚未被验证，即数字化的JDF文件可以被XML格式读取，并解析，这个现阶段可以采用控制器的读取任务来实现，可以通过程序解析作业单，并下发到机器上，自动与配方系统结合，从而实现自动运行。当然，其工作流程需要人员确认，避免错误发生。

    2）OPCUA的通信连接：OPCUA不仅能够提供作业单任务，它的各种信息模型如视觉与机器人、AutoID的原材料条码进入、物流仓储信息集成，包括控制器间的交互、与云端的交互均可实现。

    印刷工业数字化需要协作

    为了实现数字化转型，对于印刷工业来说需要各方进行协作，并在协会、标委会组织下，共同制定可行的产业整体规划，这是一个需要通盘推进的工作。其产业生态构建如图5所示，在此对各方的工作提出以下建议：

  图5数字化转型中产业生态协作问题
 

    首先，对于印包企业，也包括终端用户，需要清晰自己的数字化需求。这些不仅为了自身的运营管理水平数字化升级，也包括对上游的机械制造商、系统集成商、信息化集成商提出规约，这样才会有共同努力的方向。

    其次，在产业需求的基础上，由协会组织如印刷行业协会、标委会以及跨界的如OPC基金会、自动化行业的通信规约、数字化车间标准化组织来共同开发针对印刷工业的行业规约，通过产业协同来为产业制定数字化发展的指南、指导，从而推进产业整体发展。

    再次，机器制造商、自动化厂商开展协作，将在其他领域的数字化经验、技术、方法与印刷行业的产业实际结合，开发致力于解决质量、成本、效率提升的解决方案。

    总而言之，印刷工业的数字化并非一蹴而就，也不是单个方面可以推进的，需要产业的厂商共同努力。