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什么是真正的解决方案?
来源: 亚洲控制工程作者: 亚洲控制工程时间:2020-05-06 16:35:27点击:3137

在这个年代,“解决方案”是个好词,被广泛应用于机器与工厂自动化这个世界里,每个公司都号称他们是做解决方案的,但是,如果你发现他们公司有“产品经理”的时候,你会很困惑,这个组织架构如何与方案这种模式相匹配?

作为一个老牌的自动化行业解决方案企业,贝加莱对“方案”有着深刻的理解,要想成为一个方案,必须得有三个要素融合而成,缺一不可,即,硬件、软件与专家,你问哪个更重要,我们想问离开哪个是可以的?

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图1-解决方案由硬件-软件与机电工程专家构成

解决方案必须有完整的硬件架构、面向行业的软件、丰富经验的现场工程师,其中硬件支撑整个实现的性能满足要求,并能够最优的性价比设计,而软件则是机器灵活性、工艺功能、运行功能包括满足行业特性需求的操作习惯等的设计,以及便利的诊断与报警功能,管理功能,而专家则扮演针对变化提供有效的解决方案的能力,并将其对工艺、电气、控制的理解形成在时间、成本、工艺等约束条件下为客户带来最高性价比的机器系统开发、测试与系列化。


硬件-如何获得最佳性价比?

产品导向的业务模式与方案导向的业务模式对硬件的思想是不同的,模块化已经早已深入自动化行业,但是,如何获得最佳的组合,却蕴含深刻哲理,以集成架构导向的硬件设计看重内在的匹配与协同,以求获得最佳性价比。


为什么现在没有人攒机了?

记得在90年代中那会,Intel Pentium级的PC刚出来那会,各地的电脑城里分为品牌机和兼容机,兼容机就是自己拼凑的,而品牌机是由原厂组装的,现在好像已经鲜有人再去买所谓的“兼容机”了,因此,现在的年轻人也不知道还知不知道“攒机”这个词。

电脑城里攒机的年代

大家都知道“木桶理论”吧?就是系统的最高性能取决于系统最短的那块板—比如CPU、内存、硬盘、地址和数据总线、显卡相互速度都一致的时候,由于没有人浪费掉性能,才使得系统具有了最高性价比。为什么后来自己攒机这个事情少了呢?因为人们发现,其实我买计算机不是为了体现我对计算机的了解,而是要用软件来完成我的工作,完全没有必要掌握如何选择和配置这些不同厂商来的组件,其次,这些组件组装起来经常出现故障,由于各种连接和不匹配造成的问题,因此,攒机这个活基本上也就越来越淡薄了,现在大家都买整机了,已经鲜有人再去攒机了。

对于控制系统也是如此,一个厂商提供的控制系统,它的CPU可以完成的任务周期、总线刷新周期、驱动器的位置环任务周期往往具有高度一致性,这使得系统能够保证最高性价比,同时,由于同一品牌的产品构成的系统也能实现最高的连接可靠性。


举几个例子吧!

例1:伺服驱动器集成多编码器输入的架构设计

拿一个普遍看到的集成架构的例子,电子凸轮裁切,通常在印刷、包装的后道中都会有这个单元,通常裁切轴会跟随外接的一个编码器或主轴(一个变频器也可以),贝加莱的ACOPOS P3可以外接额外的编码器,对于同步计算而言,其直接在驱动器内完成,无需像右侧传统的PLC+运动控制的架构,在这个架构中,外接编码器接入到PLC的I/O模块,这样,PLC对其进行扫描然后与运动控制进行同步,而这个架构受制于需要等待PLC的任务扫描后计算,才能与驱动器进行同步,这样就会同步计算所需时间更长,而导致精度无法达到较高水准。

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图2-ACOPOS运动控制架构与PLC+运动控制架构区别

这就是产品的架构带来的性能差异,在很多时候,贝加莱的硬件都设置有这样的性能内部协同优化能力,使得整体硬件性能水平极高。


例2:机器视觉与PLC任务的同步

传统上,做视觉的与做控制系统的往往是来自不同厂商,并且,企业都各自有各自的硬件,贝加莱采用了集成视觉的设计,它使得视觉、PLC任务、机器人、运动控制轴的任务都可以在同一架构中完成,那么,这样的好处是什么?


一体化视觉带来的同步优势

对于传统的视觉而言,分立的镜头、相机、处理器、光源照明,与控制器之间无法良好的同步,而采用集成的视觉,相机的快门与灯光的频闪如果可以同步,则在快门瞬间开放灯光,可以提供瞬时高强度的照明,但如果不能同步,意味着需要更长的照明窗口时间—这意味着LED光源寿命的影响,对于频繁进行的视觉检测来说,这个影响会是比较大的,而且对成像效果也是不足的。


视觉与自动化同步优化了系统性价比

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图3-集成视觉与其它自动化构成整体协同


在传统的分立架构中,视觉处理任务、信号传输、控制器响应、运动控制任务之间总会有一个瓶颈,为了达到最高的响应,比如,系统任务要达到1mS,但是,由于控制器任务比较慢,就得预留给它时间多一些,而其他的组件就必须尽量压缩时间,这导致了必须要有极高性能的相机来处理,使得必须选择一个成本很高的视觉系统来弥补系统所需消耗的整体时间。

而对于集成架构中的视觉而言,它与控制器、运动控制轴之间都建立在例如POWERLINK的200uS、100uS的任务周期上,大家步调一致,就不会产生某个人必须极高性能来压缩整体时间的问题。


例3:Hypevisor技术的应用

当越来越多的智能应用需求产生的时候,传统的分立组件厂商将如何应对这些应用的集成?集成架构的工业PC也提供了更高性价比的设计。

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图4-Hypervisor使得PC与嵌入式架构融合满足不同应用需求


应用场景举例:

在深度学习这种需要高算力的应用中,普通的PLC就无法应对,通过Hypervisor的工业PC,运行Windows/Linux来处理机器学习算法程序,并可针对PCI接口的AI加速器进行任务处理,而同时,通过虚拟网络与工业控制的对象模型紧密交互,可以实现机器学习与控制的紧密融合。

在这个场景中,机器学习离数据源最近,并可直接与对象模型交互,进行部署,可以实现高性能的工业智能应用。

因此,集成架构看上似乎只是产品硬件被集成了,其实其内在所反映的却是“协同产生的性价比”,通过消除不必要的环节,降低了整个系统的成本。


软件—知识复用提高效率

在解决方案的第二个构成要素中,软件则是一个关键一环,在2019年由于很多原因导致了人们开始更加重视工业软件这一环,除了CAD/CAE/CAM/CAPP等软件属于设计端平台软件,但在OT运营端实际上也有很多平台软件。


自动化也有银弹技术吗?

《人月神话》是一本非常著名的书,它谈到了“银弹技术”,即,是否存在着一劳永逸的办法解决软件工程中极其复杂的需求变更、架构等问题,而作者最初认为不存在“银弹技术”(在欧洲中世纪,有一种怪物,只能用银弹才能射杀—寓意一种一招致命的武器),后来基于组件的开发思想被推广后,作者终于承认有银弹技术,基于组件的开发(Component Based Development),在自动化行业同样被应用,贝加莱的mapp技术就是典型的采用CBD开发的模式,让用户可以快速的构建自己的应用。

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图5-基于组件开发的机器软件

就像电脑城里的攒机的年代一样,用户需要的是一个可用的机器,而不是要自己掌握控制器技术。


为什么要有集成开发平台?

对于需要集成的方案而言,没有集成开发平台,几乎难以想象期间的困难,如果来自不同的HMI和PLC,用户就需要采用不同的软件分别来编辑HMI和PLC逻辑任务,而对于另一个CNC任务则需要专用的CNC软件来匹配,运动控制又是一个软件,对于工程师来说,必须在这些软件间进行切换,学习不同的软件,而且,有几个问题是必须考虑的:

(1)造成复杂的学习成本,风格各异的软件;

(2)在软件中存在着不匹配的能力,导致某一方硬件的特性无法发挥;

(3)额外的接口软件带来的不稳定与频繁跟随应用的修改;

(4)针对不同阶段的任务也需要不同应用程序之间的切换;

贝加莱Automation Studio是整个自动化世界中为数不多具有成熟应用历史(自1997年推出),它凝聚了贝加莱对于自动化方案理解的所有深入的思想:

-->模块化:让机器更具有模块化组合的灵活性

-->标准化:让机器的程序稳定可靠的封装,被复用,与模块化设计共同平衡灵活性与可靠性之间的矛盾。

-->开放性连接:开放性包括互联技术、开放的软件连接(与电子设计、建模仿真)、开放的Web结束;

-->软硬件独立:应用软件、操作系统平台、硬件平台之间相互独立,没有紧密绑定。

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图6-集成开发平台是创新的武器平台

所谓“工欲善其事,必先利其器”,Automation Studio就是一款机器创新与方案设计的利器,“刀、枪、棍、剑、斧、钺、钩、叉、鞭、锏、锤、抓、镋、棍、槊、棒、拐、流星锤”,十八般兵器看你解决什么问题,武装工程师的武器库,毕竟,一个好的江湖剑客,总得有把趁手的武器。


为什么要软件复用?

为什么要采用CBD,就是为了让软件复用,软件复用的本质是知识的复用,这个复用在工业开发中包含了两个层面的意义:

(1)开发知识被复用:包括测试、安全、运动控制这些自动化任务的开发测试知识被集成成各种小型工具,集成于Automation Studio平台中,让工程师作为工具拿来干各种活。

(2)Know-How‘被复用:垂直的行业都有其独特的工艺,而这些工艺是各个领域的核心工艺,通过大量的测试,针对不同场景的应用,被封装成可复用的工艺模块,这样可以提高机器的开发效率—避免重复开发。

贝加莱针对各个工业场景,塑料(注塑、吹瓶、挤出)、印刷机械(凹版、柔版、胶印)、包装(啤酒饮料灌装产线、食品包装、瓦楞纸、烟草、制药包装)、风力发电、光伏切割等众多领域提供垂直行业解决方案。


案例:包装工业解决方案系列

以啤酒饮料灌装工业为例,在整个包装工业领域,贝加莱提供了非常有效的产品与解决方案,包括IP69K防护等级的Panel PC,IP65防护等级的ACOPOSmotor电机驱动一体化产品、1μS响应的reACTION功能、mapp Packaging的应用软件包、mappVIEW的HMI编辑功能。

(1)伺服拉伸吹瓶单元

在大量的灌装线之前往往是吹瓶站提供瓶胚吹瓶,以快速的为后道灌装提供高速的瓶子供应,然后通过清洗烘干等工序提供给后道灌装单元。

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图7-贝加莱ACOPOSmotor的伺服拉伸控制

在伺服拉伸的吹瓶站(如图7),硬件上:贝加莱提供了ACOPOSmotor伺服驱动系统来满足饮料工业的苛刻环境要求,ACOPOSmotor是电机驱动一体的紧凑型安装,并且IP65防护等级,可以直接安装于每个吹瓶站(可以多达36个),而且防止水的冲溅,节省空间和电柜,能满足极高速度的吹瓶速度需求。通过ACOPOSremote提供的分布式电源,可以实现多个伺服站的连接,特别值得一提的是,ACOPOSmotor可以驱动第三方直线电机。在软件上,开发了针对吹瓶的拉伸高精度的控制任务,这些任务被封装为标准功能块供客户应用。

(2)高速灌装系统

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图8-高速灌装控制

在灌装环节,贝加莱的高速电子阀控制采用了专用的XV阀组控制模块,由总线控制第三方阀组的动作(如图8),每个XV模块可以控制20余组阀的动作,仅需10余个XV模块即可实现上包含上千个高速电子阀的逻辑动作,大量的节省现场接线,整个任务的处理周期在400μS即可完成并与主线其它设备保持高速同步。

灌装曲线则是整个控制的核心,针对不同的灌装瓶型、容量、密度等,设计不同的灌装曲线,整个灌装过程由低速开始,进入高速灌装,然后回到低速稳定(防止液位的波动),可以自由设定灌装曲线以适应不用的灌装生产需求,在升级的方案中,reACTION模块可以实现更高速的电子流量计的连接,并极其高速(1μS任务)的控制阀,在一些高速,成本比较高对灌装精度要求更高的环节有更好的效果,整个贝加莱的灌装系统可以处理比如矿泉水、啤酒、油脂、酱油、白酒等各种类型的饮料灌装工艺与过程。

(3)伺服旋盖单元

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图9-伺服旋盖控制单元

在伺服旋盖环节,ACOPOSmotor的单电缆技术也得到了应用,采用电机、编码器电缆混合减少了接线环节,而在软件上能够实现基于mappMOTION的速度环与扭矩环的快速切换,因为在旋盖过程中,我们需要平衡速度和扭矩控制,快速旋盖确保整机速度,而扭矩控制则确保质量,在ACOPOSmotor中可以实现速度环与扭矩环的高速平滑切换,确保高速高精度的旋盖。


(4)高速贴标单元

在旋盖结束后,如图10,每个瓶子都要贴标处理,对于矿泉水可能是一个标签,对于啤酒会有三个标签(正面、背面、颈部),整个贴标单元由多个伺服实现送标、射标、贴标动作,并可以支持热熔胶、不干胶等多种标签类型,可实现高达2000/分钟的贴标控制,其中reACTION功能可以满足1μS的任务控制,完全满足高速射标任务。在软件上,贝加莱的工程师针对复杂的贴标类型和工艺变化,开发了贴标控制模块化程序,用户仅根据需要简单配置(软件:电子凸轮裁切与送标同步),即可自动生成相应的工艺参数,胜任多种机器的任务。

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图10-高速伺服贴标单元

(5)热收缩膜控制解决方案

针对啤酒饮料的后道包装,就像大家每天在超市里买到的那些纸箱或塑料薄膜包装的饮料、可乐,都是通过热收缩膜或纸箱包装机器来加工的,在这里贝加莱有大量的成功应用。

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图11-热收缩膜包装设备

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图12-热模拔桩结构图

贝加莱为整个机器的电动分瓶、上纸板(纸箱包)、赶膜、挑膜、裹膜提供控制,如图12,并整体封装为mapp PACKAGING大的解决方案包中,由各种mapp功能来组成,对于其控制而言,实现分瓶曲线的在线修改,针对薄膜张力控制实现多个工序在柔性材料上的高度同步匹配,达到高速120以上的包装速度,并且对于薄膜的适应性强—即使较差的薄膜也可以胜任。


软件:支持PackML的开发

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图13-基于Web配置的PackML功能

PackML是针对包装工业的一种统一的规范,由啤酒饮料工业的End User、OEM和自动化厂商共同推动,PackML也已经成为OPC UA的行业信息模型之一,贝加莱的Automation Studio支持针对PackML功能的开发。

PackML可以实现以下开发:

-->统一的界面:针对整个包装机械,可以构建统一的HMI界面,由启动、停机、等待、清洗等工序构成,可以实现统一的操作界面,不管来自哪个控制器厂商对用户都是统一的,降低学习成本,简化机器操作。

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图14-PackML在制药装备上的应用

-->PackML建立的信息模型便于与MES系统进行高效交互,其中包括了OEE计算、RCA质量分析参数,可以为产线管理提供支撑。

贝加莱支持PackML的开发,在实际应用中已经被多家知名的企业所采用。


专家—工程师才是机器创新的灵魂

再好的菜,也得有好的厨师,真正的大厨,不仅可以做出好的菜,还能创新新的菜式赢得食客,创新无处不在,对于机械制造业而言,工程师就是这掌勺的大厨,赋予机器创新设计来赢得市场竞争力。


解决方案是解决问题

谈“解决方案”,必须有问题能够解决,因此,而基于产品设计思想则是基于跟随市场的标杆,通过对标然后指定竞争的成本策略,而解决方案则以贴近解决客户个性化的问题,并为整个行业设计标准化与模块化融合的软件来提供应用方案,将知识被复用,提高整体效率。


通过跨界融合获得经济性

优秀的工程师,一定是在多重约束条件下实现可能性,而整个机器的设计过程本身是一个创新过程,在材料成本、系统架构、时间、品质等约束条件下,使得生产获得最佳的过程,这就是创新,因此,工程师的工作,本身就是一个创新的过程。

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图15-机器的智能融合跨界技术于一体


解决方案必须有方法论支撑

对于机器与产线设计而言,创新必须基于方法论基础,而非灵光一现,创新是一个严谨的过程,一个实现经济性的道路,在材料消耗越低、时间越短、流程越简单、加工周期越短、可加工对象越多、实现成本最低,那么整个工艺过程就需要良好的方法制成,否则,混乱的过程将造成巨大的浪费:

(1)并行工程

并行工程主要是让整个研发过程最约束的时间,以满足高速的灵活响应市场动态的变化能力。

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图16-机电系统开发的并行工程

通过建模仿真,可以在早期进行软件的开发与测试验证,在整个机器开发的项目中,测试验证是最耗费精力和物理测试成本的,采用建模仿真,可以在机械与电气安装之前就可以进行功能、性能的验证,以缩短在整个调试过程中的周期,压缩整体开发周期,降低成本,提升市场应变能力。

(2)建模仿真

建模仿真是机电创新设计“原创性”的关键,基于数字建模,对整个机械的传动(惯量匹配、摩擦力等)、传感器的信号采集、控制器的控制工艺参数、逻辑流程等进行综合建模,并对其中的参数随着外部环境、程序设定的变化进行控制效果的测试,完全虚拟环境中进行虚拟调试,降低物理测试的成本消耗。

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图17-基于建模仿真的创新机器开发流程

数字孪生更为强调动态交互,即上行数据与下行数据的交互,不仅包含了单机的建模仿真,也包括了整个产线级的建模,流程的建模仿真,贝加莱的Automation Studio平台可以通过FMU(功能打样单元)/FMI(功能打样接口)与第三方数字化设计软件如MapleSIM、Industrial Physics进行连接,实现统一机械-电气-软件之间的一体化交互,进行早期验证、虚拟调试、以及与云平台、机器学习等构成整体的数字孪生运营。

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图18-数字孪生进行机器产线研发测试与运营

(3)软件复用

软件复用是一个更大的循环中的思想,即,对已有的知识进行复用,降低整个机器的开发周期,将那些比如基于组件的开发、面向对象、面向服务架构等都是一种构建模块化与标准化的复用方法与过程。


卓越工程师的工作

对于自动化行业的解决方案工程师,就是一种需要具有全栈能力的工程师,必须在工艺控制、逻辑、建模仿真、工业通信、视觉等多种工艺间进行协同,使得他们能够相互匹配,获得对问题的解决。

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图19-工程师的工作

工程师采用工具,借助于工具方法(并行工程、建模仿真),以实现机器的开发任务,并达到高的品质、文档与规范运作、按时交付的整个过程。


总结

真正的解决方案就是以用户的现场实际需求为导向,提供针对性的解决方案,这依赖于工程师在机械、电气、控制、工艺方面的丰富经验,通过先进的方法论指导,构建整个机器的硬件配置、软件工艺流程、操作与维护程序,并通过大量的现场实践不断优化,成为稳定可靠的系统,整个过程包含了大量的约束条件下的技术创新、方法创新,并最终实现用户机器的质量、成本和交付能力的不断提升,赢得市场的竞争力,我们的工作正在于通过硬件、软件、专家知识与经验共同为您带来竞争力的提升。

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