自动化的未来

自动化行业的发展日新月异,本文试图从现有的情况出发,对今后的自动化发展方向做一个简要分析。

处理器性能的提高

上世纪60年代,汽车的构造还非常简单。那个时候,很多种地的农民也可以维修发动机,调整和更换零件更是农场男孩的必备技能。然而,日常的维护工作,如定期更换火花塞、分电器、阀门之类的事情会使用户感觉筋疲力尽。

到了上世纪的70、80年代,排放控制、润滑传动系统和电脑的使用使车的维护更为复杂。但这些技术也为第三代汽车奠定了基础,如严格的制造公差、先进的材料和复杂的车载控制系统等,最终的结果是更换火花塞的间隔达到了50000英里,而更换阀门的工作已不存在了。

工业自动化与大众汽车的演变有许多相似点。过去的按钮现在换成了触摸屏。微处理器已分布到输入和输出(I/O)层,现场总线无处不在,网络的带宽足以让I/O、运动控制、视觉图像、机器人、功能安全和数据采集在同一线路上完成。各种各样的应用软件,所有内容都可以在同一个处理器上运行。

这些所发生的事情似乎也不用非常惊奇,因为这一切都遵循着摩尔定律,从消费类产品到IT产品再到工业自动化市场。然而,传统的控制产品大多仍采用出货量低、专用的微处理芯片,而不是用英特尔最新的Atom®、酷睿i5和酷睿i7处理器。在今后,工业领域也期望把这种专用系统改变成为商用开放系统,这不但可以降低成本,还可以提高性能以及引入更多的功能。这些老平台现在正面临新技术的挑战,变化是不可避免的。

相比传统的PLC和PAC,遵循摩尔定律的自动化控制器能提供令人难以置信的高性能。

挑战现状

支持维持现状最常见的理由有:改变控制平台需要不断地学习,采购新设备会增加成本,备品库存需要消化处理和对变化自然恐惧的阻力。

这些论点的声音现在越来越小,采用基于功能、标准的控制规范在最终用户身边越发加速。接受先进技术供应商产品的客户越来越多,这也让机械制造商和系统集成商建立了信心,选择一流自动化技术的产品成为他们与其他对手的竞争法宝。这也导致新技术自动化供应商实现了两位数的增长,并在自动化的领域中有了自己的立足之地。

回想上世纪的60年代和70年代,在IT业内有 “会使用IBM计算机的人不会失业”之说,这种极端保守主义的思想仍然残存在当今一些工业自动化用户头脑中。毕竟,当企业的主要任务是保证生产不间断时,任何变化都等同于有可能产生风险。

然而,现在企业的任务远远超出了简单的保证生产线运行。可持续发展、全球竞争力和精益化生产都需要系统增加吞吐量,减少材料使用,节约能源、水和其他自然资源等内容。面对这些挑战的唯一途径就是要做出改变。

自动化技术中的“趋同”

这种“趋同”意味着:使用一个软件开发环境,基于一种应用软件开发程序,采用一种控制硬件平台,使用一个系列的处理器(可能多个内核),运行一种控制网络(如E网到底),来完成所有的控制功能。这也意味着:人机界面、运动控制、逻辑与计算、机器人、传感器和执行器、功能安全、能源管理、状态监测、数据采集、配方管理、诊断和维护可以实现更好的性价比。

十到十五年前,高速运动网络没有足够的带宽能容纳额外的节点,如I/O和变频器。人机界面(HMI)和可编程逻辑控制器(PLC)之间的连接与设备网络是分开的,运动控制器也可能是一种专用连接或使用PLC背板总线,功能安全是硬接线的,图形都需要在专用的个人计算机(PC)或HMI上显示,数据采集可能会使用一条非确定性的以太网或需要一台“数据集中”的PLC。

每个机器人都需要自己的专用控制器和不同的通信驱动软件与机器的PLC同步。硬件、软件许可证和工程成本是非常大的。跨越多个网络实现不同控制器之间的通信使系统运行的速度很慢。PLC那时候也没有分成低、中、高平台,每种PLC都需要自己的编程环境,而且往往使用不同的I/O模块和运动控制模块。

虽然这些现象正在改变,但这些产品仍在广泛使用,甚至使用在新建的设备上。必须承认,基于现有的融合技术,这些限制是不必要的。这种融合已被一批先进的机械制造商接受,并已在一些新项目中实施。

此时的“i”

在2010年之前,工业自动化的一些预言家开始设想未来的HMI像iPhone或是iPad。这种“啊--哈”的时刻现在已经来到了,由于自动化供应商还没有充分准备好,投入足够的研发资源,现在还无法从根本上简化他们的软件,而且多点面板触控的工业计算机也没有大批量生产。

这种预测已经有相关产品可以实现了,技术人员可以通过无线网络,使用iPhone和iPad中的App连接至企业的控制系统,这样就可以从任何地方查看甚至操作广场中的系统 -- 另一边的机器或另一边的世界。

工作人员不再受限于在机器的面板上操作,包括灵活的弹簧线吊盘和移动的臂式HMI面板。现在,他们可以在大型机器或生产线的周边四处巡视且不会失去操作。

但是,游戏还远未结束。真正的飞跃是用iPhone的视觉和触觉体验、优雅简单的导航来访问控制系统。现在的iPhone和其它的智能手机已经永远改变了世界,这个现实也同样作用于自动化。

多点触控、高清的工业电脑现在已经成为现实,IP65级的外壳并有各种类型,从与iPhone差不多的大小到更大的各种尺寸。工业软件供应商开始推出多点触控的应用App。新的革命,虽然缓慢,但已经开始。

有谁需要多点触控的工业控制计算机?也许监督控制与数据采集(SCADA)系统需要更多逼真的图形化流程描绘;也许HMI面板需要更多色彩的字母数字显示器;也许现有灰色盘柜上的指示灯与按钮需要替换。无论如何,这是今后的发展趋势,没有人愿意走回头路。

仿真和代码生成

Mathworks公司的Matlab和Simulink软件工具,可以让工程师在PLC或可编程自动化控制器(PAC)系统的设计、仿真和控制编程之间实现无缝集成。这在数控系统世界早已成为现实,如STEP NC早已完成了计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)和计算机辅助制造(CAM)的链接。

要做到这一点,需要处理速度和网络能力足够强。从传统编程方法到自动编程的转移还需要这种催化剂:在今后的生产中,通过这种方法能够获得更大的收益。

融合其他应用可以用别的方法减少编程和数据的输入。例如,软件开发环境能够与ePlan这样的应用软件建立接口,可以节省接线图的绘制并自动生成物料清单。

HMI仪表板

当控制平台过渡到用硬实时操作系统的工业PC时,几乎可以支持任何的标准计算机编程语言。当HMI结合更先进的应用软件时,用户不再需要通过代码进行故障排除、配方更改和流程优化。他们使用图形化显示、菜单式操作来完成这些工作。

这也是雀巢机械自动化和控制部门采取的重要举措。他们不想让维修人员操作由机器制造商为他们包装生产线写的代码。机器制造商也同意,在现有的条件下,想办法解决设备维护成本高和生产可能的停机问题。

在这种情况下,雀巢公司建议机器制造商改用HMI执行大多数的任务。这意味着,机器制造商必须增加他们的HMI软件功能。这导致了曾经用行代码执行的功能转变为交互式仪表板参数操作,而复杂的任务在屏幕后端执行。这大大降低了维护人员的技术门槛,使维护任务更加方便快捷,同时也使HMI的水平发展到了一个更新的高度。  

像这样的HMI仪表板使控制变得更加容易。

安全就等于生产力

安全曾经是一项监管合规、避免责任的工作,但它同时也会增加制造的成本。这是过去的情况,随着安全技术的不断进步,功能安全的产品、网络和系统得到很大的发展,更安全的机器也意味着更高效的机器。

一台安全的机器应该有更少的停机时间和更高的综合设备绩效(OEE)。当然,安全员工的任务不能缺,没有紧急停止的机器意味着潜在的损失会更少。如果尽可能采用放缓的措施,而非使用停机的措施,这就能保证生产设备或生产线的吞吐量,这是操作员可以做的最棒的事情。

安全连网的机器或生产线代表了一种更高的生产力水平。安全连网遵从欧盟新的安全规范。在发生故障时,不需要停止控制电源,安全系统能提供安全扭矩、安全速度、安全机器人。在有人为干预时,机械系统会在安全模式下运行。

想象一个连续的过程,如休闲食品油炸设备或塑料挤出机器,原来必须停机来清除阻塞的物质。如果现在的设备或机器改为放缓,而不是停止,也许比最初的设计会提供更高的效率;假如操作员能够安全地进入一个机器人区域拿走损坏的托盘或空的瓦楞纸箱会怎样?现在想象一下机器人手臂可以继续工作,但速度足够慢,扭矩足够低,区域足够操作,且不会触及员工,或触及也不会伤害员工会怎么样?

这是一个崭新的安全的世界。

集成控制是收缩的基础

事实上,机器控制器、机器人、视觉系统与第三方设备之间的通信通常占用了30%的控制软件用量。而这对每台机器制造商而言往往是重复的,即使他们使用的是相同的第三方设备供应商。

集成控制能够减少了机器上离散控制器的数量,因此应该使用强大而先进的机器控制器。例如,做图像处理的视觉供应商,提供了一台专用的工业PC。今天,符合IEC61131-3标准的功能块可能是需要集中处理的任务。这时,用PC可以把HMI和PLC的功能二合为一,由英特尔提供的控制器来完成所有的工作。

机器人控制器是一种专用的“黑盒子”。人们早期尝试用传统的PLC或PAC控制机器人,已经生成了运行缓慢的运动程序。后来,有了带专用机器人软件的工业PC模块,使PLC能够执行机器人的控制。但在实现中,这仍然是运行在两个控制器中的两个程序,过于昂贵。

回到摩尔定律 – 在一个高度集成的硬件和软件平台上运行机器人的控制程序 – 会是一个好的或更好的解决方案。

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