自動(dòng)化行業(yè)的發(fā)展日新月異，本文試圖從現(xiàn)有的情況出發(fā)，對(duì)今后的自動(dòng)化發(fā)展方向做一個(gè)簡(jiǎn)要分析。
處理器性能的提高
上世紀(jì)60年代，汽車的構(gòu)造還非常簡(jiǎn)單。那個(gè)時(shí)候，很多種地的農(nóng)民也可以維修發(fā)動(dòng)機(jī)，調(diào)整和更換零件更是農(nóng)場(chǎng)男孩的必備技能。然而，日常的維護(hù)工作，如定期更換火花塞、分電器、閥門之類的事情會(huì)使用戶感覺筋疲力盡。
到了上世紀(jì)的70、80年代，排放控制、潤(rùn)滑傳動(dòng)系統(tǒng)和電腦的使用使車的維護(hù)更為復(fù)雜。但這些技術(shù)也為第三代汽車奠定了基礎(chǔ)，如嚴(yán)格的制造公差、先進(jìn)的材料和復(fù)雜的車載控制系統(tǒng)等，最終的結(jié)果是更換火花塞的間隔達(dá)到了50000英里，而更換閥門的工作已不存在了。
工業(yè)自動(dòng)化與大眾汽車的演變有許多相似點(diǎn)。過(guò)去的按鈕現(xiàn)在換成了觸摸屏。微處理器已分布到輸入和輸出(I/O)層，現(xiàn)場(chǎng)總線無(wú)處不在，網(wǎng)絡(luò)的帶寬足以讓I/O、運(yùn)動(dòng)控制、視覺圖像、機(jī)器人、功能安全和數(shù)據(jù)采集在同一線路上完成。各種各樣的應(yīng)用軟件，所有內(nèi)容都可以在同一個(gè)處理器上運(yùn)行。
這些所發(fā)生的事情似乎也不用非常驚奇，因?yàn)檫@一切都遵循著摩爾定律，從消費(fèi)類產(chǎn)品到IT產(chǎn)品再到工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)。然而，傳統(tǒng)的控制產(chǎn)品大多仍采用出貨量低、專用的微處理芯片，而不是用英特爾最新的Atom?、酷睿i5和酷睿i7處理器。在今后，工業(yè)領(lǐng)域也期望把這種專用系統(tǒng)改變成為商用開放系統(tǒng)，這不但可以降低成本，還可以提高性能以及引入更多的功能。這些老平臺(tái)現(xiàn)在正面臨新技術(shù)的挑戰(zhàn)，變化是不可避免的。
相比傳統(tǒng)的PLC和PAC，遵循摩爾定律的自動(dòng)化控制器能提供令人難以置信的高性能。
挑戰(zhàn)現(xiàn)狀
支持維持現(xiàn)狀最常見的理由有：改變控制平臺(tái)需要不斷地學(xué)習(xí)，采購(gòu)新設(shè)備會(huì)增加成本，備品庫(kù)存需要消化處理和對(duì)變化自然恐懼的阻力。
這些論點(diǎn)的聲音現(xiàn)在越來(lái)越小，采用基于功能、標(biāo)準(zhǔn)的控制規(guī)范在最終用戶身邊越發(fā)加速。接受先進(jìn)技術(shù)供應(yīng)商產(chǎn)品的客戶越來(lái)越多，這也讓機(jī)械制造商和系統(tǒng)集成商建立了信心，選擇一流自動(dòng)化技術(shù)的產(chǎn)品成為他們與其他對(duì)手的競(jìng)爭(zhēng)法寶。這也導(dǎo)致新技術(shù)自動(dòng)化供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)了兩位數(shù)的增長(zhǎng)，并在自動(dòng)化的領(lǐng)域中有了自己的立足之地。
回想上世紀(jì)的60年代和70年代，在IT業(yè)內(nèi)有 “會(huì)使用IBM計(jì)算機(jī)的人不會(huì)失業(yè)”之說(shuō)，這種極端保守主義的思想仍然殘存在當(dāng)今一些工業(yè)自動(dòng)化用戶頭腦中。畢竟，當(dāng)企業(yè)的主要任務(wù)是保證生產(chǎn)不間斷時(shí)，任何變化都等同于有可能產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。
然而，現(xiàn)在企業(yè)的任務(wù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了簡(jiǎn)單的保證生產(chǎn)線運(yùn)行?？沙掷m(xù)發(fā)展、全球競(jìng)爭(zhēng)力和精益化生產(chǎn)都需要系統(tǒng)增加吞吐量，減少材料使用，節(jié)約能源、水和其他自然資源等內(nèi)容。面對(duì)這些挑戰(zhàn)的唯一途徑就是要做出改變。
自動(dòng)化技術(shù)中的“趨同”
這種“趨同”意味著：使用一個(gè)軟件開發(fā)環(huán)境，基于一種應(yīng)用軟件開發(fā)程序，采用一種控制硬件平臺(tái)，使用一個(gè)系列的處理器(可能多個(gè)內(nèi)核)，運(yùn)行一種控制網(wǎng)絡(luò)(如E網(wǎng)到底)，來(lái)完成所有的控制功能。這也意味著：人機(jī)界面、運(yùn)動(dòng)控制、邏輯與計(jì)算、機(jī)器人、傳感器和執(zhí)行器、功能安全、能源管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、配方管理、診斷和維護(hù)可以實(shí)現(xiàn)更好的性價(jià)比。
十到十五年前，高速運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)沒有足夠的帶寬能容納額外的節(jié)點(diǎn)，如I/O和變頻器。人機(jī)界面(HMI)和可編程邏輯控制器(PLC)之間的連接與設(shè)備網(wǎng)絡(luò)是分開的，運(yùn)動(dòng)控制器也可能是一種專用連接或使用PLC背板總線，功能安全是硬接線的，圖形都需要在專用的個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)或HMI上顯示，數(shù)據(jù)采集?可能會(huì)使用一條非確定性的以太網(wǎng)或需要一臺(tái)“數(shù)據(jù)集中”的PLC。
每個(gè)機(jī)器人都需要自己的專用控制器和不同的通信驅(qū)動(dòng)軟件與機(jī)器的PLC同步。硬件、軟件許可證和工程成本是非常大的?？缭蕉鄠€(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)不同控制器之間的通信使系統(tǒng)運(yùn)行的速度很慢。PLC那時(shí)候也沒有分成低、中、高平臺(tái)，每種PLC都需要自己的編程環(huán)境，而且往往使用不同的I/O模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊。
雖然這些現(xiàn)象正在改變，但這些產(chǎn)品仍在廣泛使用，甚至使用在新建的設(shè)備上。必須承認(rèn)，基于現(xiàn)有的融合技術(shù)，這些限制是不必要的。這種融合已被一批先進(jìn)的機(jī)械制造商接受，并已在一些新項(xiàng)目中實(shí)施。
此時(shí)的“i”
在2010年之前，工業(yè)自動(dòng)化的一些預(yù)言家開始設(shè)想未來(lái)的HMI像iPhone或是iPad。這種“啊--哈”的時(shí)刻現(xiàn)在已經(jīng)來(lái)到了，由于自動(dòng)化供應(yīng)商還沒有充分準(zhǔn)備好，投入足夠的研發(fā)資源，現(xiàn)在還無(wú)法從根本上簡(jiǎn)化他們的軟件，而且多點(diǎn)面板觸控的工業(yè)計(jì)算機(jī)也沒有大批量生產(chǎn)。
這種預(yù)測(cè)已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)了，技術(shù)人員可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，使用iPhone和iPad中的App連接至企業(yè)的控制系統(tǒng)，這樣就可以從任何地方查看甚至操作廣場(chǎng)中的系統(tǒng) -- 另一邊的機(jī)器或另一邊的世界。
工作人員不再受限于在機(jī)器的面板上操作，包括靈活的彈簧線吊盤和移動(dòng)的臂式HMI面板?，F(xiàn)在，他們可以在大型機(jī)器或生產(chǎn)線的周邊四處巡視且不會(huì)失去操作。
但是，游戲還遠(yuǎn)未結(jié)束。真正的飛躍是用iPhone的視覺和觸覺體驗(yàn)、優(yōu)雅簡(jiǎn)單的導(dǎo)航來(lái)訪問(wèn)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在的iPhone和其它的智能手機(jī)已經(jīng)永遠(yuǎn)改變了世界，這個(gè)現(xiàn)實(shí)也同樣作用于自動(dòng)化。
多點(diǎn)觸控、高清的工業(yè)電腦現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，IP65級(jí)的外殼并有各種類型，從與iPhone差不多的大小到更大的各種尺寸。工業(yè)軟件供應(yīng)商開始推出多點(diǎn)觸控的應(yīng)用App。新的革命，雖然緩慢，但已經(jīng)開始。
有誰(shuí)需要多點(diǎn)觸控的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)?也許監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)需要更多逼真的圖形化流程描繪;也許HMI面板需要更多色彩的字母數(shù)字顯示器;也許現(xiàn)有灰色盤柜上的指示燈與按鈕需要替換。無(wú)論如何，這是今后的發(fā)展趨勢(shì)，沒有人愿意走回頭路。
仿真和代碼生成
Mathworks公司的Matlab和Simulink軟件工具，可以讓工程師在PLC或可編程自動(dòng)化控制器(PAC)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真和控制編程之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成。這在數(shù)控系統(tǒng)世界早已成為現(xiàn)實(shí)，如STEP NC早已完成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)的鏈接。
要做到這一點(diǎn)，需要處理速度和網(wǎng)絡(luò)能力足夠強(qiáng)。從傳統(tǒng)編程方法到自動(dòng)編程的轉(zhuǎn)移還需要這種催化劑：在今后的生產(chǎn)中，通過(guò)這種方法能夠獲得更大的收益。
融合其他應(yīng)用可以用別的方法減少編程和數(shù)據(jù)的輸入。例如，軟件開發(fā)環(huán)境能夠與ePlan這樣的應(yīng)用軟件建立接口，可以節(jié)省接線圖的繪制并自動(dòng)生成物料清單。
HMI儀表板
當(dāng)控制平臺(tái)過(guò)渡到用硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的工業(yè)PC時(shí)，幾乎可以支持任何的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言。當(dāng)HMI結(jié)合更先進(jìn)的應(yīng)用軟件時(shí)，用戶不再需要通過(guò)代碼進(jìn)行故障排除、配方更改和流程優(yōu)化。他們使用圖形化顯示、菜單式操作來(lái)完成這些工作。
這也是雀巢機(jī)械自動(dòng)化和控制部門采取的重要舉措。他們不想讓維修人員操作由機(jī)器制造商為他們包裝生產(chǎn)線寫的代碼。機(jī)器制造商也同意，在現(xiàn)有的條件下，想辦法解決設(shè)備維護(hù)成本高和生產(chǎn)可能的停機(jī)問(wèn)題。
在這種情況下，雀巢公司建議機(jī)器制造商改用HMI執(zhí)行大多數(shù)的任務(wù)。這意味著，機(jī)器制造商必須增加他們的HMI軟件功能。這導(dǎo)致了曾經(jīng)用行代碼執(zhí)行的功能轉(zhuǎn)變?yōu)榻换ナ絻x表板參數(shù)操作，而復(fù)雜的任務(wù)在屏幕后端執(zhí)行。這大大降低了維護(hù)人員的技術(shù)門檻，使維護(hù)任務(wù)更加方便快捷，同時(shí)也使HMI的水平發(fā)展到了一個(gè)更新的高度。
像這樣的HMI儀表板使控制變得更加容易。
安全就等于生產(chǎn)力
安全曾經(jīng)是一項(xiàng)監(jiān)管合規(guī)、避免責(zé)任的工作，但它同時(shí)也會(huì)增加制造的成本。這是過(guò)去的情況，隨著安全技術(shù)的不斷進(jìn)步，功能安全的產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)得到很大的發(fā)展，更安全的機(jī)器也意味著更高效的機(jī)器。
一臺(tái)安全的機(jī)器應(yīng)該有更少的停機(jī)時(shí)間和更高的綜合設(shè)備績(jī)效(OEE)。當(dāng)然，安全員工的任務(wù)不能缺，沒有緊急停止的機(jī)器意味著潛在的損失會(huì)更少。如果盡可能采用放緩的措施，而非使用停機(jī)的措施，這就能保證生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)線的吞吐量，這是操作員可以做的最棒的事情。
安全連網(wǎng)的機(jī)器或生產(chǎn)線代表了一種更高的生產(chǎn)力水平。安全連網(wǎng)遵從歐盟新的安全規(guī)范。在發(fā)生故障時(shí)，不需要停止控制電源，安全系統(tǒng)能提供安全扭矩、安全速度、安全機(jī)器人。在有人為干預(yù)時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)會(huì)在安全模式下運(yùn)行。
想象一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，如休閑食品油炸設(shè)備或塑料擠出機(jī)器，原來(lái)必須停機(jī)來(lái)清除阻塞的物質(zhì)。如果現(xiàn)在的設(shè)備或機(jī)器改為放緩，而不是停止，也許比最初的設(shè)計(jì)會(huì)提供更高的效率;假如操作員能夠安全地進(jìn)入一個(gè)機(jī)器人區(qū)域拿走損壞的托盤或空的瓦楞紙箱會(huì)怎樣?現(xiàn)在想象一下機(jī)器人手臂可以繼續(xù)工作，但速度足夠慢，扭矩足夠低，區(qū)域足夠操作，且不會(huì)觸及員工，或觸及也不會(huì)傷害員工會(huì)怎么樣?
這是一個(gè)嶄新的安全的世界。
集成控制是收縮的基礎(chǔ)
事實(shí)上，機(jī)器控制器、機(jī)器人、視覺系統(tǒng)與第三方設(shè)備之間的通信通常占用了30%的控制軟件用量。而這對(duì)每臺(tái)機(jī)器制造商而言往往是重復(fù)的，即使他們使用的是相同的第三方設(shè)備供應(yīng)商。
集成控制能夠減少了機(jī)器上離散控制器的數(shù)量，因此應(yīng)該使用強(qiáng)大而先進(jìn)的機(jī)器控制器。例如，做圖像處理的視覺供應(yīng)商，提供了一臺(tái)專用的工業(yè)PC。今天，符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的功能塊可能是需要集中處理的任務(wù)。這時(shí)，用PC可以把HMI和PLC的功能二合為一，由英特爾提供的控制器來(lái)完成所有的工作。
機(jī)器人控制器是一種專用的“黑盒子”。人們?cè)缙趪L試用傳統(tǒng)的PLC或PAC控制機(jī)器人，已經(jīng)生成了運(yùn)行緩慢的運(yùn)動(dòng)程序。后來(lái)，有了帶專用機(jī)器人軟件的工業(yè)PC模塊，使PLC能夠執(zhí)行機(jī)器人的控制。但在實(shí)現(xiàn)中，這仍然是運(yùn)行在兩個(gè)控制器中的兩個(gè)程序，過(guò)于昂貴。
回到摩爾定律 – 在一個(gè)高度集成的硬件和軟件平臺(tái)上運(yùn)行機(jī)器人的控制程序 – 會(huì)是一個(gè)好的或更好的解決方案。
