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機器制造商:軟件視角的系統選擇策略

發(fa)表時(shi)間::2023-03-08

關乎產品戰略,不得不慎


機器(qi)(qi)與(yu)裝備,作為(wei)(wei)一個復雜(za)的(de)(de)(de)(de)(de)機電一體(ti)化(hua)(hua)對象(xiang)。有些行(xing)業如印刷、紡織經歷(li)上百年的(de)(de)(de)(de)(de)發展(zhan),而新興(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)電子半導體(ti)也(ye)有數十年的(de)(de)(de)(de)(de)歷(li)史,他(ta)們正在不斷(duan)的(de)(de)(de)(de)(de)走向自動化(hua)(hua)、智能(neng)化(hua)(hua),這使得機器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)控制系統在其中的(de)(de)(de)(de)(de)重要性不斷(duan)提升。并(bing)且,今(jin)天(tian),領(ling)先的(de)(de)(de)(de)(de)機器(qi)(qi)制造商(shang)所采取(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)更多是將(jiang)工藝Know-How以軟件(jian)形(xing)式(shi)封裝,其差異(yi)化(hua)(hua)競爭力也(ye)多來(lai)自于軟件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)力。這個時候,作為(wei)(wei)控制系統就必(bi)然(ran)成為(wei)(wei)了裝備制造企業的(de)(de)(de)(de)(de)產品戰略的(de)(de)(de)(de)(de)實施關(guan)鍵,這戰略關(guan)乎(hu)長期(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)發展(zhan)。



因(yin)此(ci)(ci),需(xu)要謹(jin)慎(shen)的(de)(de)(de)評估合作伙伴—系(xi)統,它(ta)不(bu)(bu)同(tong)于組件(jian)的(de)(de)(de)選擇(ze),可(ke)以通過數據表對比即可(ke),而系(xi)統它(ta)本(ben)身(shen)的(de)(de)(de)特點就是具有(you)系(xi)統性、全(quan)局(ju)性、整合性。因(yin)此(ci)(ci),控制系(xi)統合作伙伴會成為一種戰略性資(zi)源引入,幫助企業推進(jin)產品戰略的(de)(de)(de)升級(ji),因(yin)此(ci)(ci),選擇(ze)的(de)(de)(de)是一個伙伴,而不(bu)(bu)僅(jin)僅(jin)是個供應商(shang)。

 

應避免數據表的對比

用(yong)一些性(xing)能(neng)參(can)數來對(dui)比,似乎是(shi)客觀的(de),但是(shi),其實,這(zhe)是(shi)純粹的(de)硬件思(si)維,而(er)不是(shi)全(quan)局的(de)思(si)維,“局部數據強完全(quan)不代(dai)表全(quan)局最優(you)”。對(dui)于機器(qi)制造商(shang)而(er)言,控制系統選擇,應(ying)該避免對(dui)于傳(chuan)統遺留的(de)問(wen)題,這(zhe)包括幾個常見的(de)問(wen)題:


(1).用過去的產品(pin)結(jie)構來思考(kao)今天的問題(ti):就(jiu)像(xiang)PLC一直被分為大(da)(da)型(xing)(xing)/中型(xing)(xing)/小型(xing)(xing)的(de)局限(xian),實際上,這種分類方法(fa)僅(jin)存在于(yu)對I/O處理(li)能(neng)力的(de)考慮,而對于(yu)機器控(kong)制(zhi)來說,I/O處理(li)響應并不高,真正要求高的(de)是(shi)運動(dong)控(kong)制(zhi)、機器人、CNC類的(de)任(ren)務(wu),這個(ge)與30年前比較PLC的(de)I/O容量時代已經發生了很(hen)大(da)(da)的(de)變化


(2).避免用(yong)單(dan)步(bu)指令執行(xing)來考量性(xing)能,因為這(zhe)是(shi)早(zao)期PLC硬件執行(xing)任(ren)務(wu)的指標,而基于分(fen)時(shi)多任(ren)務(wu)操作系(xi)統,并不采(cai)用(yong)這(zhe)一(yi)指標,因為有(you)了RTOS的任(ren)務(wu)調度、時(shi)間(jian)片劃分(fen)機制,是(shi)以任(ren)務(wu)周(zhou)期作為指標的;


(3).系(xi)統的(de)(de)(de)速度取(qu)決于(yu)最短那塊板,有些廠商過分夸大通(tong)信任務的(de)(de)(de)響應能力—但是(shi)卻掩蓋了(le)其網絡架構帶來的(de)(de)(de)同步在數(shu)個(ge)(ge)周期才能完(wan)成-逼不得已的(de)(de)(de)快這個(ge)(ge)事實。還有一個(ge)(ge)問題在于(yu),系(xi)統的(de)(de)(de)性能往(wang)往(wang)受到最短那塊板影響,也(ye)即,最優的(de)(de)(de)系(xi)統是(shi)控制、通(tong)信、運動控制任務周期保持一致。

 

這種(zhong)基于產品DataSheet的(de)比較分析,對于決(jue)定機器與裝(zhuang)備(bei)這類(lei)產品戰(zhan)略性決(jue)策來說,絕非好的(de)策略。


硬件已經不是障礙-軟件競爭力

隨著IC技術(shu)、存儲、通信(xin)等技術(shu)的(de)(de)進步(bu),控制系統已然不存在硬件瓶頸這(zhe)樣的(de)(de)問題。另外,由于自動化廠商都提供(gong)(gong)寬范(fan)圍的(de)(de)產品線供(gong)(gong)選(xuan)擇,在這(zhe)個意(yi)義(yi)上(shang),硬件只是根據需(xu)要選(xuan)擇的(de)(de)問題。


表1-多種(zhong)應用場(chang)景匹配(pei)的控制(zhi)器組(zu)合



就像貝(bei)加(jia)萊的控制系(xi)統,其實在X20系(xi)列(lie)就(jiu)包含了像中(zhong)小型(xing)機器(qi)(qi)所需的緊湊型(xing)PLC,以及特別適合于(yu)機器(qi)(qi)制造(zao)業(ye)的Power Panel系(xi)列(lie)的HMI和PLC融(rong)合產品—這個(ge)在機器(qi)(qi)制造(zao)業(ye)非(fei)常受歡(huan)迎,在于(yu)它結構簡單,穩定可靠(省略掉(diao)了PLC與HMI的通信-采用連接器的高可靠連接(jie))。以(yi)及PC和(he)Panel PC,包(bao)括面向(xiang)工程機械(xie)的X90系列控(kong)制器(qi),以(yi)及面向(xiang)工廠的ARPOL DCS和SCDA系統。


這些(xie)控制器的自(zi)身的RAM都是在MB-GB級(ji),而(er)可(ke)擴(kuo)展的CF卡(ka)可(ke)以達到百(bai)GB/TB級(ji),而(er)通(tong)信(xin)也包括了(le)POWERLINK、TSN實時以太(tai)網和(he)標準千兆以太(tai)網通(tong)信(xin)能力。


任(ren)務(wu)等(deng)級從(cong)100μS到10mS不等(deng),因此,它不存(cun)在一種PLC不能勝任(ren),而是(shi)配置(zhi)出(chu)你需要的最合適的硬(ying)件系統。

 

系統選擇的幾個重要維度

 

根(gen)據與機器(qi)制造商多年的合作(zuo),我們可以從幾個方(fang)面考慮(lv)系統評價體(ti)系,全(quan)面的看待合作(zuo)應該(gai)有些考量:



穩定與可靠的系統


這(zhe)(zhe)對(dui)于(yu)制(zhi)造(zao)業而(er)言,是一種基準線,穩(wen)定與可靠主要(yao)在(zai)(zai)于(yu)它(ta)是否經過大量的“驗證”—即,在(zai)(zai)這(zhe)(zhe)個領域或相關領域已經有多少機器被發往(wang)現場,這(zhe)(zhe)個現場包(bao)括全球的制(zhi)造(zao)商(shang)用戶。

 

因為除了硬件的(de)(de)可靠穩(wen)定外,軟件的(de)(de)穩(wen)定與可靠同(tong)樣重要,這有(you)賴于(yu)對標(biao)準化的(de)(de)模塊使(shi)用,例如采(cai)用PLCopen、IEC61131-3的(de)(de)編(bian)程(cheng),以及經過大量軟件工程(cheng)測試驗證(zheng)的(de)(de)可靠軟件。

 

工業領域的(de)軟(ruan)件(jian),依賴于高水(shui)平的(de)軟(ruan)件(jian)規劃與(yu)架構,以及工程師(shi)的(de)工程能力,而這方面的(de)伙伴專業性必須予以考慮(lv)。

 

開放性,為機器創新提供支撐


對于機器制造商而言,系統的開放性主(zhu)要對于機器的幾個方面(mian)有(you)影(ying)響:


(1).自(zi)己開(kai)發(fa)的(de)(de)(de)工藝(yi)Know-How的(de)(de)(de)封(feng)裝,比較封(feng)閉的(de)(de)(de)系統往(wang)往(wang)會(hui)(hui)缺乏讓機(ji)器制(zhi)造(zao)商自(zi)主(zhu)編寫可用模(mo)塊的(de)(de)(de)能力,包括(kuo)對高(gao)級語言的(de)(de)(de)支持,這些都會(hui)(hui)導(dao)致(zhi)機(ji)器制(zhi)造(zao)商自(zi)主(zhu)創新(xin)的(de)(de)(de)實(shi)現無法被有(you)效執(zhi)行(xing)。如圖2,貝加萊的(de)(de)(de)軟(ruan)件包括(kuo)了mapp-提高(gao)開(kai)發(fa)速度的(de)(de)(de)通(tong)用軟(ruan)件,以(yi)及機(ji)器制(zhi)造(zao)商Know-How封(feng)裝的(de)(de)(de)C/ST/C++自(zi)定(ding)義(yi)庫,通(tong)過建模(mo)仿真(zhen)來開(kai)發(fa)的(de)(de)(de)自(zi)主(zhu)工藝(yi)建模(mo)軟(ruan)件。



(2).與第三(san)方工(gong)程軟件(jian)的連接


因為(wei)這(zhe)牽扯到機(ji)械系統設計時(shi)的(de)一(yi)些模(mo)型,以及(ji)這(zhe)些模(mo)型與(yu)控制系統的(de)協(xie)同仿真問題,比較常(chang)見的(de)如MATLAB/Simulink、MapleSim、IndustrialPhysics這(zhe)些。通(tong)過FMU/FMI也可以與(yu)更多Modelica組織的(de)軟件(jian)進行協(xie)作。



(3).開放性也同樣是總線的支(zhi)持能力:圖X顯示(shi)了貝加萊一個控制器(qi)除(chu)了標(biao)配的通信,還可以通過插槽、與I/O同尺寸槽位的通信模(mo)塊(CNA,IO-Link,RS485)來擴(kuo)展。



可擴展性-機器的靈活性


可(ke)擴(kuo)展性在幾個(ge)方(fang)面:


(1)硬件(jian)可(ke)擴展性,包括模塊化—這個在(zai)自動化行業已經(jing)普遍(bian)實現,熱插拔(ba)的支(zhi)持、總線支(zhi)持能力;


(2)軟(ruan)件可(ke)擴(kuo)(kuo)展性(xing):這主要體現(xian)在(zai)軟(ruan)件與(yu)硬件的(de)獨立性(xing),例如在(zai)貝加(jia)萊PLC上的(de)程(cheng)序,它可(ke)以運行在(zai)Power Panel系列,也可(ke)以運行在(zai)APC和Panel PC上,這就是軟(ruan)件在(zai)硬件平(ping)臺上的(de)可(ke)擴(kuo)(kuo)展性(xing),另一個方面(mian)的(de)可(ke)擴(kuo)(kuo)展性(xing)也指版本(ben)的(de)兼容性(xing)問題(ti)。


長(chang)周(zhou)期的(de)交(jiao)付與服務支撐能力(li),考慮到機器往往需要(yao)(yao)運行10年甚至更久的(de)時(shi)間,因此,程序的(de)兼容性,即便更換到新的(de)系統上,也需要(yao)(yao)保(bao)持(chi)它的(de)可(ke)移植性也是必須予以考慮的(de)。



如圖5所(suo)示,從90年(nian)代的(de)2000系列到(dao)今天的(de)X20系列(也經歷了Pentium/Atom/Core i系列多(duo)個階段的(de)CPU等級),貝(bei)加(jia)萊的(de)Automation Studio一直(zhi)能(neng)夠(gou)為其提(ti)供(gong)技術的(de)服務(wu)支撐,確保版(ban)本(ben)的(de)兼容,以及程序(xu)的(de)可移植性。

 

(3).機器的數字化能力(li)-可持續性發展架構


機器(qi)的(de)可持(chi)續(xu)發展,包(bao)括機器(qi)的(de)長(chang)期可用性(xing),在較(jiao)長(chang)的(de)時間,你(ni)不能讓系(xi)統(tong)(tong)(tong)落后,這樣最(zui)大的(de)避免過幾年(nian)后,你(ni)的(de)系(xi)統(tong)(tong)(tong)被淘汰了,而(er)新的(de)系(xi)統(tong)(tong)(tong)無法與原(yuan)有系(xi)統(tong)(tong)(tong)兼(jian)容。像圖6-貝加(jia)萊(lai)采用的(de)通用計算架構的(de)控(kong)制器(qi),基于Hypervisor的(de)PC,運行通用操作(zuo)系(xi)統(tong)(tong)(tong)(Windows/Linux)和實時操作(zuo)系(xi)統(tong)(tong)(tong)于不同的(de)CPU核。


它可以實現云(yun)端的模(mo)型訓練,本地的計(ji)算(suan)推理這樣的AI應(ying)(ying)用架構,也可以直接控(kong)(kong)制驅動(dong)與電機、I/O實時控(kong)(kong)制任務。確(que)保在自動(dong)化(hua)基礎(chu)應(ying)(ying)用與擴展的智(zhi)能化(hua)應(ying)(ying)用中得(de)到兼容(rong)。



開(kai)放架構的(de)好處(chu)就在(zai)于此,它采用(yong)(yong)了通用(yong)(yong)的(de)芯片(pian)、網絡通信架構、計算(suan)、云平臺的(de)連接(jie)能力,這確保(bao)在(zai)較長的(de)時(shi)間里,機器(qi)都能保(bao)持(chi)可持(chi)續性的(de)發展(zhan)能力。

 

集成性-最優系統設計與工程效率

 

機(ji)(ji)器是(shi)一個(ge)機(ji)(ji)械-電氣-軟(ruan)件(jian)一體(ti)化的系統,因此,它必須是(shi)一個(ge)整(zheng)體(ti)來考慮,這里包含了幾個(ge)方(fang)面的問題:


(1).集(ji)成架構利于內部最(zui)(zui)(zui)優:通過不同的(de)分立組件(jian)(jian)拼裝的(de)系統,最(zui)(zui)(zui)大的(de)問題就(jiu)在(zai)于它無法發揮每個(ge)組件(jian)(jian)的(de)最(zui)(zui)(zui)大性能,另(ling)外,在(zai)接(jie)口處往(wang)往(wang)存在(zai)不穩定性,而(er)且在(zai)軟(ruan)(ruan)件(jian)(jian)實現方面,也通常會需要多個(ge)軟(ruan)(ruan)件(jian)(jian)的(de)配合,這需要工程(cheng)師掌握多個(ge)軟(ruan)(ruan)件(jian)(jian),并(bing)在(zai)其間(jian)進行切換。



(2)集成(cheng)開發(fa)平臺-提升工程效率


像Automation Studio,作(zuo)為一(yi)個平臺,它(ta)可以(yi)為機(ji)器的持續創(chuang)新(xin)提供長(chang)期支撐,這(zhe)個已經在(zai)商(shang)業運(yun)行25年的平臺架構依舊保(bao)持著強(qiang)的擴(kuo)展能力,包括與最新(xin)的智能型(xing)開發。

 

集成,在于(yu)對象和流(liu)程兩個維度,如圖7所示。對于(yu)復雜變化(hua)的(de)(de)機器產(chan)品類管理(li),包括軟件版本控(kong)制、復用的(de)(de)軟件組件(Component-Based Development)、由廠商提供(gong)的(de)(de)mapp組件,這(zhe)些都是提升機器開發效率(lv)、并確保長期(qi)投資(zi)安全的(de)(de)集成性。

 

隨著軟件的復雜(za)性(xing)提高,在軟件方面的工程師資源、測試驗證工時都是巨大的,因此,提升工程效率(lv)需要較好(hao)的工具平臺,正所謂“工欲善(shan)其(qi)事必先利其(qi)器(qi)”。

 

(3).巧用架構,四兩撥(bo)千(qian)斤


控制(zhi)系(xi)統的架構(gou)設計也很關鍵(jian),其實,集成架構(gou),就使(shi)得系(xi)統更為(wei)簡潔,進(jin)而降低不(bu)必要的連接和額外的軟件測試成本。



在傳統的(de)(de)伺服電子凸輪裁切(qie)中,需要裁切(qie)軸跟隨外接的(de)(de)測量材料速度的(de)(de)編碼(ma)器,PLC+運動(dong)控制模塊(kuai)的(de)(de)架構往(wang)往(wang)將編碼(ma)器接入(ru)到I/O測。如圖(tu)8所示,貝加(jia)萊的(de)(de)ACOPOS系列則(ze)直接接入(ru)到伺服驅動器的插槽中,這樣直接的計算(suan)就會獲得更快的響(xiang)應能力,確(que)保裁切的精度(du)。

 

還有一(yi)(yi)些情(qing)況,就像機器的網絡采用集中式網絡架構,需要經由(you)主站為從(cong)站之間進行同步(bu)關系的協同,那么就會導(dao)致這個網絡需要經過(guo)多(duo)個分(fen)發(fa)周(zhou)期才(cai)能完整(zheng)這個同步(bu)任(ren)務,而(er)分(fen)布式網絡則可以通(tong)過(guo)交(jiao)叉通(tong)信(xin)來實現從(cong)站間的同步(bu),在表面上(shang)看(kan),集中式網絡的每(mei)個傳(chuan)輸都是非常(chang)快的,但其整(zheng)體最終獲得的性能卻(que)并不一(yi)(yi)定(ding)快,人們(men)很容易被(bei)這種(zhong)數字上(shang)的快所誤導(dao)。

 

其實,這樣架構的(de)差異(yi)帶來(lai)很(hen)多(duo)的(de)不(bu)同,在此不(bu)一(yi)一(yi)列舉(ju)。

 

行業專家-懂你的系統

從合(he)作的視角來看,一(yi)個(ge)合(he)作伙伴(ban)應該是一(yi)個(ge)非常(chang)懂(dong)得機(ji)(ji)器(qi)(qi)開發的,他(ta)們(men)快(kuai)速把握機(ji)(ji)器(qi)(qi)的關鍵問題,豐富的經(jing)驗,就是一(yi)種(zhong)資源,將他(ta)們(men)的知識、經(jing)驗、遠見卓識,作為一(yi)個(ge)顧(gu)問分享給機(ji)(ji)器(qi)(qi)制造商(shang)。



貝加萊,在各個(ge)裝備制造業,有非(fei)常深(shen)厚的專家,以及培訓(xun)體(ti)系支(zhi)持(chi)的工程訓(xun)練(lian)、行業Know-How的軟(ruan)件積累、專用(yong)的硬件,對于機器制造商來說,都(dou)是可被有效利用(yong)的資(zi)源。 

總擁有成本的評價


對于(yu)任何一個機器制造(zao)商,其終端大廠往往有非常嚴格(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)指(zhi)標(biao)對機器進(jin)行綜合的(de)(de)(de)(de)(de)評(ping)(ping)估。如(ru)圖(tu)10,TCO是(shi)一個較為全面的(de)(de)(de)(de)(de)評(ping)(ping)價(jia)方(fang)式,它(ta)會(hui)牽扯到整個設(she)(she)備的(de)(de)(de)(de)(de)運行中的(de)(de)(de)(de)(de)問題,包(bao)括如(ru)圖(tu)所示的(de)(de)(de)(de)(de)幾個方(fang)面:TCO、預測(ce)性(xing)維護(hu)、OEE、產(chan)品換(huan)型帶來的(de)(de)(de)(de)(de)交付能(neng)力、ROI。而(er)不(bu)是(shi)設(she)(she)備的(de)(de)(de)(de)(de)采購價(jia)格(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)高與(yu)低—因(yin)為對于(yu)工(gong)廠,設(she)(she)備是(shi)重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)(de)資(zi)(zi)產(chan)投(tou)資(zi)(zi),而(er)投(tou)資(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)評(ping)(ping)價(jia)是(shi)按照回報來評(ping)(ping)價(jia),以及它(ta)在(zai)現(xian)場(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)表現(xian),對于(yu)用戶來說(shuo),其實,穩定而(er)高品質(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)產(chan),任何時候都是(shi)核(he)心的(de)(de)(de)(de)(de)考(kao)量,因(yin)為任何的(de)(de)(de)(de)(de)調校、等待、不(bu)正(zheng)常宕機都是(shi)成(cheng)本(ben)。

 


終端生(sheng)產企業,尤其是領先的(de)制(zhi)造商,有非常強的(de)計(ji)算力,來綜合評估機(ji)器與(yu)系統的(de)能力,這(zhe)點(dian)上,必須(xu)在(zai)機(ji)器的(de)設計(ji)中以這(zhe)種“用戶(hu)需求(qiu)”為導向,在(zai)每個細(xi)節上,精心打磨,確保機(ji)器在(zai)設計(ji)、開發、運營階(jie)段,都(dou)能夠去(qu)考慮(lv)“成(cheng)本”的(de)節省,成(cheng)本節省可以被設計(ji)出來,預先規劃。

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