LIMS 边缘设备加速进入工业 4.0 生产，提高竞争力

智能工厂、工业 4.0 和工业物联网 (IIoT) 等术语已成为每个制造相关设备和软件开发人员无法回避的流行语。许多关于智能工厂的讨论都是从预言家分享全球制造业将如何转型的愿景开始的。

这些描述通常集中在新兴技术中，例如增材制造、3D 视觉模拟和协作机器人技术。对于普通的工作场所来说，所有这些似乎都遥不可及——而且成本太高，甚至无法考虑。谁真正需要它？

这种流行的全行业对智能制造的看法无意中具有误导性——类似于回答“什么是汽车？”这个问题。通过描述州际公路系统。在这两种情况下，核心思想要简单得多——对于谁真正需要智能制造这一问题的答案，强调的是，普通的车间——以及每个希望在未来保持竞争力的制造商。

定义条款

了解智能工厂的一个有用方法是从相对简单的技术开始：廉价的电子传感器。在预传感器世界中，机器操作员对 CNC 车床或铣床进行编程以切割零件，机器会尽最大努力按照说明进行并去除金属。从操作员到机器，通信都是单向的。

机器是否准确执行命令？除非发生诸如撞车之类的明显灾难，否则制造商除非在操作完成后检查零件，否则不会知道——这既费时又费钱。

输入传感器。战略性地放置在加工中心的现代传感器可以实现双向通信。传感器允许机器在工作时记录或传达有关其自身状态和操作状态的信息。振动测量、温度变化、电机电流分析和其他因素可以通过网络共享以进行监控和分析。可以快速（甚至是实时）评估机器的状态以及该状态如何影响操作。

传感器与机器的交汇处就是橡胶与工业物联网中道路交汇的地方。新的生产设备一般都配备合适的传感器，但可以以相对较低的成本安装在旧设备上。

启用传感器的机器有很多话要说——用户可能不知道该怎么做。但分析软件可以处理数据并使用它来改进操作、维护机器、改进产品设计——甚至改进加工设备本身的设计。

这种相同的双向通信方法已经扩大到制造智能制造单元，具有自动化和多台机器。进一步放大并想象整个设施以这种方式联网，制造数据可在以前独立的孤岛中访问和使用——类似于企业资源规划 (ERP) 数据的方式。

制造工厂的诱人愿景是智能工厂，其中设备可以与人员和其他设备共享数据，以实现更快、更高质量、不断改进的零件和产品生产。

但它可以从从单台机器中提取传感器派生数据并使用它来改进其操作开始。

借助 LIMS 进入智能制造

“工业 4.0 真正是关于如何使用数据来更好地运营业务，”拉里梅根说。 “如果你没有数据，那么你就没有起点。”

梅根是美国佛罗里达州克利尔沃特市先进制造国际 (AMI) 的副总裁，这是一家非营利组织，其使命是帮助中小型制造商 (SMM) 开始这一旅程——“数字化转型”。众所周知。

“制造商试图解决的问题与人们 100 年来一直试图解决的问题相同，”他指出：“‘我如何提高效率？如何减少能源使用？如何最大化吞吐量？我该如何解决质量问题？' 改变的是我们现在拥有的技术可以快速显示可以提供答案的数据，从而可以将其用作做出更好决策的起点。”

Megan 和 AMI 与 SMM 的合作通常包括推荐使用由 LECS Energy 开发的称为 LIMS Appliance 的设备。

LIMS 代表低投资制造系统，是一个不起眼的小盒子，由一台带有专有解决方案引擎软件的计算机、一个 I/O（输入/输出）集线器和一个插入标准插座的 110 V 电源组成。当连接到生产设备的边缘时，它成为收集和共享复杂传感器衍生数据的简单解决方案。 （AMI 将于 10 月和 11 月在 HOUSTEX、EASTEC、SOUTHTEC 和 WESTEC 现场演示 LIMS 系统。AMI 是 LIMS 盒子的独家经销商。）

“对于许多制造商，特别是在汽车、航空航天等离散零件领域，我们认为 LIMS 解决方案是一个很好的入职点，”Megan 说。 “它是为使用 CNC 或其他机器但无法了解该单台机器的生产力的制造商设计的，或者更广泛地说，无法了解整个工厂车间的情况。 LIMS 解决方案是一种低成本、简单的方法，人们可以开始从他们的流程中获取数据并将其转换为有用的格式。然后他们可以开始用它做出更好的决定。”

用该设备的主要开发人员 LECS Energy 的 Nat Frampton 的话来说，“LIMS 旨在帮助操作员和工程师能够接触他们的过程，能够分析并提出对他们的过程的新理解——成为能够收集数据、查看历史数据、交互数据或将数据移动到数据库，最后能够从分析中获得结果并改进他们的流程。”

根据 Frampton 的说法，LIMS 是 20 年发展的产物，最初是围绕为美国陆军制造炸药而设计的。从一开始的一个关键目标就是让没有专业编程技能的用户能够安装和操作它。

“如果您了解自己的操作，如果您可以使用您的设备，那么您已经具备配置此设备所需的所有计算机技能，”Frampton 说。

LIMS 应用程序流程

LIMS 能够完成一系列令人眼花缭乱的任务，但它可以简化为五步应用流程。第一步是将系统连接到给定的生产设备。该连接的工作方式取决于所连接的设备和商店的网络设置（如果有的话）。 LIMS 旨在以最有效的方式进行连接，具体取决于这些变量。

“LIMS 基于开放标准，”Frampton 说。 “因此，如果它连接到使用标准数据协议（如 MT Connect）的相对较新的机器，那么任何人都可以很容易地从网络中获取数据并将其移动到数据库中。但是，如果机器没有使用标准数据协议，但数据在运行机器的本地 PLC [可编程逻辑控制器] 上可用，那么通常，如果它相对较新，我们可以从 PLC 中获取数据。我们了解 PLC 协议并拥有能够做到这一点的驱动程序。”

他指出，LIMS 设备“说话”超过 50 种不同的工业协议。 “只要知道你有没有‘会说话’的设备，我们或许可以与之交谈。”

如前所述，如果这些方法都不起作用，可以将传感器添加到生产机器并连接到 LIMS 设备，Megan 说。

“我们曾有过添加传感器来进行某些类型分析的案例——店内的温度、湿度等等。这些可以作为典型的有线信号连接到 PLC 或其他任何东西中，”他说。

无论采用哪种方式建立连接，其好处是“现在你将通过一个系统登陆所有内容，这样你就可以为所有内容打上时间戳，”梅根说。 “一切都会及时一致。您将能够将其放入标准数据库中，并将数据组织得井井有条，在上下文中以及您可以使用的地方。”

平滑、存储和分析

一旦建立连接并且数据可以流向 LIMS，第二步是过滤数据以减少噪声并增强信号。 “来自设备的数据并不总是完美的，”弗兰普顿说。 “可能很吵。”出于这个原因，解决方案引擎程序包括一个简单的分析引擎，可以对其进行平滑处理。例如，“也许你有一个电流进来，你想把它整合到千瓦时，这样你就知道你的碳足迹对于一个特定的部分是多少。”过滤将使数据集更清晰、更准确。这种初始数据过滤不同于系统已经到位以在较长时间内记录和存储数据后可能进行的更复杂的分析。

第三步是收集数据并将其保存到用户选择的数据库中，可以是本地的，也可以是云端的。

“不需要云，”弗兰普顿断言。例如，用户可以选择设置一个 SQL 数据库，并且“如果你愿意，你可以将该数据库放在云中——但你不必这样做。您可以将其本地存储在 LIMS 设备上，”他指出。 LIMS 设备具有 16 GB 的存储标准。

将该系统与其他系统区分开来的另一点是：“我们不做的一件事是监控数据使用情况，并在每次存储一些数据或给你标签限制或类似的东西时向你收费。数据是你的，”弗兰普顿说。

第四步是从数据中生成和分析报告。由于大多数机器操作员不一定是数据库专家，因此 LIMS 旨在让数据收集和存储变得像点击鼠标一样简单。

“如果你不是数据库管理员或对数据库不满意，请不要担心，”弗兰普顿说。 “您只需右键单击该数据并将其输出到 MS Excel。我是一名受过培训的机械工程师，所以我一直确保我们的工具可以直接输出到 Excel。”

但是，如果用户确实拥有 Azure 或 Google Cloud 或其他基于云的系统，“我们可以将这些数据直接移动到 Azure 中的表中，以便您可以在 Power BI 中看到它”或其他此类程序或格式，他说。 “我们还可以查看机器学习并获得结果。”

使用数据

第五步也是最后一步是系统开始到位的原因——使用收集到的信息来改进流程。

“一旦你弄清楚了如何改进流程，最重要的是能够控制它——为此做点什么，”弗兰普顿解释道。

所需的操作一开始可能相对简单，例如通过红-黄-绿灯堆栈的权宜性使相关信息可见。然而，随着时间的推移，收集到的数据可能会让用户做更多的事情。

“我们将 LIMS 定位为数字化转型的切入点，”Megan 说。 “它通常从收集数据并能够进行简单可视化的想法开始。一旦你有了它，随着时间的推移，你可以开始用它做更复杂的事情。您可以自己走上成熟曲线——从最终的基本分析上升到 AI 等更高级的解决方案。

“但最好从简单开始——LIMS 是一个很好的起点，”他总结道。