基于PLCopen的智能机器开发

发布时间：2016-03-23 www.cechina.cn

　　智能制造是当前最为热门的话题，然而，对于智能制造必须提及软件的开发，整个产业界对于软件的价值认识逐渐加深，然而，软件在智能制造中的意义，以及如何更好的开发软件成为了必须讨论的话题。
　　一、软件变得更为重要
　　智能制造是当前最为热门的话题，然而，对于智能制造必须提及软件的开发，整个产业界对于软件的价值认识逐渐加深，然而，软件在智能制造中的意义，以及如何更好的开发软件成为了必须讨论的话题，无论对于OEM机械制造商还是EndUser而言，智能机器的开发是构成智能制造的重要环节，如何高效的开发软件，对于前沿的自动化厂商如贝加莱，有着深刻的理解和认识，软件的价值在于：
　　（1）.软件可以让同一硬件平台发挥最大的效益
　　国产机器从电气控制硬件角度已然是采用了最为先进的控制系统，然而，仍然与欧美的机械开发有着差距，在软件的能力方面，我们可以发现很大的差异，这种能力不仅包括软件平台的选用、软件的开发、软件的使用等，例如人性化的设计、易用性设计，都使得其机器较之我们更高的附加值，因为，比较完硬件系统后，我们发现它是相等的，那么构成系统的软件就成为了溢价部分。
　　（2）.软件是封装Know-How的容器
　　对于不同的行业而言，其Know-How就硬件或者机械角度容易被复制，而软件所设计的工艺封装、功能设计等则是不易于被复制的，这使得欧美企业更倾向于在“软”的方面下功夫来保护其知识产权，这已经是欧美企业的共识。
　　（3）.软件使得机器更为智能
　　通过简单的操作，即可使得机器实现不同的应用和加工规格等的切换，而后台的运算均通过智能算法来实现，这就是软件赋予的机器的智能，当然，更为重要的是软件所蕴含的工程师对于机器的理解—这些人的智能传递到机器的能力。
　　二、智能制造的用户视角定义
　　智能制造显然有很多定义，但大多数是从智能制造技术本身去看待，而我们则试图从用户角度去评估什么是智能制造的定义：
　　S3MART
　　对S3MART，我们将分解如下：
　　1.S3的解析
　　1.1.简单易用性设计（Simplicity）
　　简单易用是一种客户的需求—这是智能的集中体现，因为，正如iPhone的设计思想一样，消费者仅需通过手指间的滑动即可实现对功能的操作，这就如同机器的设计一样，必须对于使用机器的人易于操作，这种简单体现在以下几个方面：
　　①易于操作与维护
　　②易于开发
　　③易于学习
　　1.2.安全（Safety）表现在对人身的安全关注，比如：采用Safety-满足IEC61508标准下的安全集成，然而，新的时代，也存在新的问题，如何解决机器的安全协同问题？因为设备已经并非单机生产状态了。
　　①安全问题必须予以协同考虑
　　②安全必须与生产效率平衡
　　安全必须在未来予以考虑的重要原因在于：设备互联时候单机的安全动作会对连续的生产带来效率的降低风险，并带来制成品的浪费等诸多问题。
　　1.3标准化（Standard）-必须确保机器能够被纳入到通用系统中，标准化是降低成本的方案，同时也是为了降低互联的难度的关键一环，这包括了多个层次的标准化设计：
　　①通信的标准：例如：OPCUA、POWERLINK实时通信规约
　　②软件的标准化：PLCopen
　　③数据的标准化：XML格式
　　④操作的标准化：OMAC/PackML的机器语言定义了相同的操作界面
　　例如：采用基于广泛使用的IE浏览器对机器进行访问、诊断、维护即可降低成本，且易于实现，并不过时。
　　2.模块化设计（Modularity）
　　模块化的机器设计为了提高效率，这是一个必须得以平衡的问题，因为在传统的大规模定制生产中，批量较小，而种类不多，因此，这会带来生产的成本降低，因此，多品种与小批量被认为是一种成本高昂的生产。
　　必须解决这个问题，最好的平衡方式是采用模块化与标准化设计。
　　任何的自动化系统软件包含了三个层面的模块化设计：
　　①基础的自动化库
　　②专业库
　　③行业库
　　模块化对于降低成本有几个作用：
　　（1）.重用性代码可以避免重新开发
　　（2）.经过测试与验证的库可以被安全使用，降低测试中的时间与材料浪费；
　　（3）.降低了开发难度：
　　例如：贝加莱的mapp设计即可降低67%的研发时间。
　　3高可用性（Avaliability）
　　对于OEM设备而言，显然，一个设备的投资用于更多的产品制造会带来巨大的竞争力，对于EndUser而言，这也意味着成本的节省，因为，越少的投资却可以适应更多的产品生产，显然是一个合算的投资。
　　通常：运动控制在这里扮演重要的角色。
　　（1）.运动控制带来的柔性：运动控制首先是提供了高精度和高速的生产，然而，这远远不是高性能伺服系统带给机器的作用，通过简单的参数设置，不同的裁切尺寸、包装规格、印刷长度、装订厚度、瓶子的类型均可实现变换，而这一切自动来完成。
　　在印刷工业我们称之为“按需印刷“，在包装工业我们也称为”按需包装“，最大的灵活性也是对设备投资的安全性保护。
　　（2）.早期故障诊断实现机器的高可用性，还包括机器的使用寿命，例如：采用预测性维护技术（基于早期诊断的状态监测）可以对高值设备的关键零部件进行监测，可以实现对设备使用寿命的最大延续。
　　4稳定性（Reliability）
　　对于自动化系统而言，稳定性是必须的，很多时候，稳定性不仅包含了硬件系统的稳定，也包括了软件系统的稳定性，选择标准的，经过测试与大量实际应用验证过的软件功能块对于系统的稳定也至关重要。
　　稳定性就是一种高附加值的投资保障，对于自动化行业而言，它与大部分工业领域一样，稳定可靠就是基础-是默认值。
　　反倒不用多言。
　　5工艺集成（Technology）
　　不同的行业，有不同的Know-How，这些是企业赖以生存的本钱，例如：印刷的套色控制、色标的检测，浆纱机的牵伸比控制、梳棉机的匀整算法、吹瓶的壁厚控制、岸桥的防摇，每一个机器都存在其独特的行业工艺，对于钣金加工、冲压、注塑、挤出、机器人，每个行业均是如此。
　　自动化行业必然以方案为导向的一个产业，所谓的方案集成，必须以行业工艺为核心，才能实现整个系统的集成，否则，只能截取边缘而无法涉足核心。
　　对于智能装备、制造系统的集成同样如此，Know-How有时也不完全以专业工艺来体现，而以知识的积累，如何有效的组织生产对于MES就会至关重要，而不同行业的不同处理如医药的批次处理，流程行业的连续生产特性，离散行业的工艺顺序，甚或夹具的设计都会成为Know-How的构成。
　　总结即：Know-How以工艺本身出现，也以不同的知识集合出现，或者大数据分析形式出现，智能制造必须掌握核心Know-How，即Technology-才能生存。
　　三、标准化与模块化的意义
　　通过对S3MART的定义，我们可以发现，结合软件，我们可以发现对于智能机器开发而言，标准化和模块化是关键，因为标准化和模块化的软件带来了我们所说的S3MART的每个环节要素。
　　1.标准化的意义
　　标准化（Standardization）对于机器开发而言就是要解决简单（Simplictiy）、可靠（Reliablity）、Technology（工艺）的问题，标准化的软件使得代码重用性提高，通过封装减少实现机器开发的简化，并通过封装的过程对其测试验证确保其可靠的软件应用，而标准封装也确保了Technology-核心技术的保护，因此，标准化是智能机器开发的基础。
　　2.模块化设计
　　模块化（Modularity）就是模块化的软件设计，它是为了解决可用性Avaliability的问题，智能机器集成至产线必须具有柔性，而模块化软件则让机器的应用程序可以被按照需求搭建，这样可以形成不同的应用组合，也使得机器实现智能—模块化本身就是实现智能的一个方面。
　　机器开发的标准化和个性化本身就是矛盾的，标准化降低成本却往往会使得灵活性受到限制，那么两者的融合便是机器开发的未来，通过不同的标准模块组合，可以实现机器开发的灵活性，例如：贝加莱的mapp技术，即是按此设计，而mapp则是结合PLCopen的标准化和其自身的扩展行业库来实现机器应用的封装。
　　四、PLCopen与智能机器开发的结合
　　我们对SMART进行了理解，也对标准化和模块化进行了融合，我们再来看PLCopen，更有利于我们认识其价值。
　　事实上，基于PLCopen的开发是被广泛应用的，目前国际知名的自动化厂商如SIEMENS、B&R等均对PLCopen进行了支持，PLCopen可以实现未来智能制造时代对于软件开发的全面胜任能力：
　　PLCopenIEC61131-3包括了对逻辑控制的基础语言与功能块；
　　PLCopenMotion则包含了基础运动控制、协同运动控制（机器人与CNC）、液压控制；
　　PLCopenOPCUA实现了对M2M、B2M的互联标准，满足智能制造与工业4.0时代的机器互联需求；
　　PLCopenXML则针对未来的设备描述，例如工艺配方、生产制程数据的管理等；
　　PLCopen组织是一个公益性组织，独立性确保了在利益平衡上的优势，也因此得以为众多厂商普遍支持，未来，专业学生可以通过PLCopen的编程开发思想对不同的企业的控制器进行学习，并实际开发应用。

　　相对于传统上学习某家厂商产品的模式，PLCopen更具潜力，更符合智能制造时代的产业需求。
　　PLCopen，例如图中的状态机即时PLCopenMotion对于机器控制的理解，它本身也是一种很好的系统设计方法论，运动控制是由不同的状态来实现切换的，回零、连续运动、同步运动、间歇运动、急停、停止、待机，如果我们去理解机器的话，我们会发现不管是多么复杂的机器，其本身的过程均是由PLCopen所定义的不同状态构成的，并且进行切换，那么，我们可以使用PLCopen的状态机思想来开发设备的运动控制过程，无论使用哪家公司的产品，其设计思想却是统一而且规范的，那么，对于学生而言，学习一个方法就可以应用于各种应用领域。
　　五、PLCopen库的应用举例
　　例1:印刷机的控制开发
　　对于印刷机械而言，其核心在于印刷套色，基于PLCopen的库，我们可以通过图中的功能块RegMarkCapture001来进行色标的抓取，通过RegMarkCacl001进行色标偏差的计算和解耦算法，并通过Offset进行相位偏移的控制输出，这三个功能块可以实现对印刷的套色计算和控制，结合速度控制模块、扭矩控制实现对张力控制的计算。

　　除了应用于凹版印刷机的套色控制，PLCopen在柔版、商业轮转机等高性能卷筒纸印刷领域也得到了广泛应用，大大降低了开发周期。
　　例2：PLCopen库在旋盖控制中的应用

　　在啤酒饮料灌装系统中，如何实现更高效且高品质的旋盖控制，即可借助于PLCopen的库：
　　对于旋盖而言，角度控制MC_MoveAdditive可以提高速度，它可以确保旋盖过程以极大的速度进行，但是，却不能保障每个旋盖动作的扭矩控制质量，通过TorqueControl模块，可以确保每个瓶盖的相同力矩，确保旋盖质量的一致性，但是，TorqueControl却会降低效率，因为不能过高的速度，否则会将瓶子损坏。
　　因此，通过MC_MoveAdditive和MC_BR_TorqueControl的混合使用可以确保高品质同时高速的旋盖控制。
　　例3：PLCopenSafety安全库的应用

　　仍然以啤酒饮料灌装设备来看，对于高速运转的机器，必须考虑人身的安全以及设备的运行安全，尤其是对连续生产的智能产线而言，其由吹瓶、清洗、灌装、旋盖、贴标、膜包等一系列流程构成，如果某个单元出现安全动作，则整个生产线将因此停滞，带来巨大的潜在浪费，而SLS和STO可以解决这一问题，通过PLCopenSafety库设计，我们可以实现两个安全功能来确保生产效率与安全的平衡。
　　1SLS降低产线速度，低速运行的机器将会带给人身风险的极大下降，通常在人员进入机器的安全区则速度下降，如从10m/S的线速度下降到0.5m/S，则会大幅度降低传动设备对人身的潜在伤害，而同时产线并不会因此停止带来再开机的成本以及在制品的浪费。
　　2STO，通过伺服驱动的待机状态，在人员进入工作区，仅切断力矩输出，而不切断电源，确保机器处于安全状态，在人员离开后，重新启动工作，从当前位置继续。
　　此两者均是基于生产效率与安全的平衡设计，可以通过PLCopen的Safety库软件设计来实现。