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工业软件-机器制造商可持续研发的关键

作者:www.cechina.cn2023.10.27阅读 3283

  最近几年,工业软件成为产业热议的焦点。然而更多的焦点放在了CAX、仿真类软件。而作为制造工厂里最大资产占比的机器,它们所运行的嵌入式软件,以及开发这些嵌入式应用的平台软件尚未得到重视。本文将以机器开发的软件演进,以及开发平台如何有效的构建机器的应用软件的机制,来阐述自动化开发工业平台软件的价值和意义。
  例:印刷的视角看机器的演进
  为清晰说明机器的发展,我们可以选择其中一个,例如,印刷技术来展示机器的控制技术的演进。
  印刷,改变着人类文明的进程,通过印刷,文字所承载的文明得以被传承。经历了雕版/活字,到古登堡的机械传动印刷机、轮转印刷机、卷筒印刷这个铅与火的时代,在20世纪进入了电气传动控制,印刷也快速进入了发展变更期。

图1-机器的控制演进举例

  自20世纪进入电气时代,印刷机开始有了电机驱动机械长轴的传动。约90年代,伺服电机被广泛应用,电子轴开始逐步取代机械长轴,以提供更高速和灵活的印刷。随着纸张的种类开始扩张,瓦楞纸、塑料薄膜、金属材料也被用于包装材料CONTROL ENGINEERING China版权所有,印刷开始扩张到软包装、纸板、金属等包装领域。印刷的速度不断突破极限(新闻纸轮转印刷机组可以达到1200m/min速度),而精度也在不断的提高。作为一个传统领域,它在不断的竞争中,对于成本也变得苛刻-这就要求更低的废品率,以及快速切换中的浪费降低…凡此种种,都依赖于控制技术来保障。
  如图2所示,印刷机也需要更多的控制软件支撑这些复杂的变化,以及更高的精度与速度要求。在印刷机里,包括张力控制、色标检测、套色控制、视觉、智能调压、智能学习等,都被应用于各种印刷机组的控制。

图2-印刷关键控制工艺软件

  这种印刷领域的机器运行中的软件,往往被忽视-而制造业的关键通常又在这里。这些被看不到的软件,决定着机器的竞争力。更高的品质、更高速、更广泛的材料适应性、更为全局的连接。
  而在不同的机器制造业,这种电气传动从机械转为伺服轴控制已经被广泛普及,例如全电动注塑机、全伺服热膜包装、多电机传动纺纱、全伺服轴婴儿纸尿裤…以及材料科技在不同领域的扩展应用,工艺与传动控制变得越发复杂。这同样意味着机器的程序不再是30年前那种简单逻辑、电气传动控制,更多的工艺控制、智能优化需要被开发。
  工业软件在其中扮演的角色
  1997年,贝加莱的Automation Studio平台软件即投入运行,它的架构极为灵活。即使今天,20多年过去了,它依旧能够不断跟随前沿技术进行扩张,成为一个全集成的自动化工程平台。我们讲制造业里的"工业软件",Automation Studio就是"软件的软件",即,用于这些控制系统应用的开发,类似于半导体里的EDA设计软件。
  就如同PC在我们的生活中的应用一样,它同样需要一个开发平台,无论是.Net、还是Java、Docker等,都需要开发工具。而装备与这些软件的开发更多的还在于它是一个跨平台、学科的集成。

图3-全集成开发平台面向所有对象及全流程的任务

  如图3,Automation Studio对于装本制造商而言,它有两个维度的任务处理:
  1控制对象的演进
  在70-90年代的电气发展时代,PLC虽然已经很好的管理了机器,但那时候的机器还主要是逻辑控制,有些机器会有算法需求,比如注塑、单晶炉、PECVD这类设备。而且,大多数机器也就是纯机械,电气传动也是靠主轴传动的方式,所以,变频器就可以了-能够稳定的提供速度环控制。
  机器之所越来越复杂,在于越来越高的加工需求:
  ->运动控制:印刷机从机械轴改为电子轴,而注塑机也从液压改为全电动、纺织机械从机械改为多电机传动,连火车都由单一车头牵引改为"动车组"-这些都是一种独立驱动技术。他的目的在于为机器提供更为灵活的生产能力。
  ->视觉:今天,视觉成本越来越低,他本身可以获得更多的检测;
  ->机器人:被集成到了机器里,以配合生产的外围捡取、上下料任务,有些是配合机器的加工任务。
  柔性输送
  ->安全:随着机器的速度提高,以及连线生产、机器人的集成,它对于人的潜在伤害风险也随之加大,而功能安全成为了机器人身安全的保障。它需要机器安装独立的采集与控制单元,并经由安全测试与认证。
  ->HMI,以前仅从几个按钮,仪表,这显然无法满足较为复杂的图形界面显示如动画控制工程网版权所有,它会让机器操作更为简单。
  ->AI集成:在硬件上,控制器的算力得到了进一步提升,而另一方面作为一种软件对象,它为机器提供了更为智能的动态迭代能力,因此,也成为了当前快速发展的领域。它需要与机器的实时控制交互来让机器变得更聪明。
  2.机器开发的流程
  机器开发的过程,包含了很多个任务…
  首先在工程方面的配置、代码开发与封装方面,需要平台进行支持-在仿真方面,也需要与第三方的机械、工艺进行交互与协助,在测试验证方面,需要针对逻辑、运动、机器人动作等进行联调,以确保符合设计。
  其次,在仿真方面,除了控制系统自身,也需要结合机电传动控制、工艺建模与仿真,并实现机电、工艺与控制的协同仿真。采用虚拟测试验证方式来降低物理测试验证成本,以及并行开发来缩短机器开发周期。
  其三,在机器的调试阶段,针对逻辑、工艺、电气传动轴的程序、参数来进行调试,并能够为工程师反馈机器本身的运行状态及潜在的机械问题-进而有效的提升开发效率。
  最后,在机器运行现场,平台软件可以进行诊断与维护,并提供现场人员的程序升级等任务。通过便捷的支持,实现远程的机器运维工作。
  Automation Studio对于机器研发的意义
  Automation Studio设计为机器的开发者提供专业的开发平台支持,它在机器开发的各个阶段提供高效开发集成。
  建模与仿真
  它可以针对硬件、机器层面、生产过程多个级别的仿真,通过FMU/FMI或OPC UA接口,提供与第三方的仿真软件之间的交互与协作。

图4-多个层级的建模与仿真软件接口

  通过这些建模仿真软件间的协作,可以实现机器开发中的各种仿真,以提高开发效率。
  软件与工艺集成
  对于任何的机器而言,其实他们的应用软件具有相同的分类:

图5-Automation Studio的装备应用软件开发平台

  如图5,我们可以看到,机器本身的运行平台,实时操作系统确保机器的高速实时响应。
  而机器的软件,则由不同的应用构成。机器也同样由大量的APP构成:
  mappControl-主要聚焦在工艺控制类,温度、压力、张力等,这些构成了控制的工艺核心算法。
  mappMotion-轴、轴同步、CNC、机器人、液压库等,提供机器的机电传动控制。
  mappVIEW-机器的可视化,基于Web技术CONTROL ENGINEERING China版权所有,多终端访问,并支持拖拽的画面编排。
  mappService-机器的基本功能、报警、趋势、配方、用户、数据等各种功能;
  mappSafety-提供满足功能安全的安全逻辑设计、测试与验证。
  …
  如果mapp中没有的行业或客户独特的算法,可以基于C/C++等开发,或采用MATLAB/Simulink的为复用的模块开发,也可以被封装为不同的app,与其它已有模块共同构成机器应用。
  连接-为了更高效率的机器
  在任何时候,机器的速度与精度总是矛盾的-唯一可以协调这个矛盾的,就是通信的时间粒度,我们也称为"实时性"。通过更快的采样频率,传输、控制循环达到更为高速、高精度的机器。
  工程连接,必须有足够的开放性,以支持跨供应商的协作-贝加莱提供了针对各个实时网络的网络模块,包括硬件和软件的。
  连接的另一个应用在于"远程"的诊断与维护,这可以通过无所不在的云资源来实现。

图6-连接与服务

  贝加莱不仅提供硬件的通信模块,这些各种通信的配置、软件调用都被封装为可直接使用的模块,通过简单配置,即可与第三方系统实现连接。
  AI-让机器更聪明的
  AI的相关方法,如机器学习、深度学习,其实很早就已经被控制理论研究所应用于控制。但是,过去由于算力的成本高昂,另一方面,也因为机理下的竞争也"够用",因此,AI尚未被工业界有效的采用。
  今天,首先是竞争的越来越走向物理的极限,这导致了在剩余的那些改善空间里的提升都是致胜的关键。其次,算力也不再那么昂贵。AI提供了一种对机器的动态持续改善。
  自动化与AI的资源桥接-交互。毕竟一个是周期性任务(Cyclic Task)、一个是事件驱动型任务(Event-driven Task),其运行的平台也通常为RTOS和GPOS,因此需要构建一个连接CONTROL ENGINEERING China版权所有,让IT和OT可以交互,以发挥各自的优势。

图7-exOS连接AI世界

  在贝加莱,exOS是一个可以将基于Linux平台的算法打包为Automation Studio可调用的模块导入,使得周期性的控制任务,可以为AI的学习系统提供数据。而另一方面,通过学习系统训练的模型,也可以为实时任务提供新的"经过优化的参数"或"判断和推理的规则"。
  通过IT与OT融合,机器会变得更聪明,这就相当于过去的自动化任务是按照既定逻辑来调度红绿灯,而现在,它可以根据检测的流量,来为各个方向的红绿灯配置最合适的时间,以达到整个交通流的效率最高。这里的关键词是"更聪明"-因为,它在持续采样,持续学习,持续分析决策。
  打造装备企业软实力
  Automation Studio是一款机器装备开发的工具平台,它能够为不同领域的用户提供高效的机器开发,打造企业自身的软实力,它是机器控制领域的首选工业软件平台。总结它带来的好处以下几点:
  ->构建长期可用的高质量发展平台
  对于装备企业的长期发展,的确需要一个稳定的,能够支撑其可持续的技术研发平台。这可以确保企业的知识和资源能够被有效的保存。进入一个良性的研发迭代过程,为企业的高质量发展奠定基础。
  ->创新性开发
  开放的架构,会让装备企业能够通过与机电仿真、控制工艺建模软件间形成创新性的设计。并且,在数字时代,可以与AI的应用资源结合。
  ->知识复用降低工程成本
  Automation Studio的知识封装,积累了行业数十年的经验-与用户分享,同时,自主开发的功能也可以被复用。这都是降低工程成本的关键因素-也降低了人员流动带来的知识流失风险。
  ->快速面市
  让机器能够更为快速的迭代CONTROL ENGINEERING China版权所有,并且升级的机器也节省大量开发时间,这就使得机器制造商,总能走在市场的前沿。

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