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机器制造商:软件视角的系统选择策略

机器制造商:软件视角的系统选择策略

关乎产品战略,不得不慎

机器与装备,作为一个复杂的机电一体化对象。有些行业如印刷、纺织经历上百年的发展,而新兴的电子半导体也有数十年的历史,他们正在不断的走向自动化、智能化,这使得机器的控制系统在其中的重要性不断提升。并且,今天,领先的机器制造商所采取的更多是将工艺Know-How以软件形式封装,其差异化竞争力也多来自于软件的能力。这个时候,作为控制系统就必然成为了装备制造企业的产品战略的实施关键,这战略关乎长期的发展。

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因此,需要谨慎的评估合作伙伴—系统,它不同于组件的选择,可以通过数据表对比即可,而系统它本身的特点就是具有系统性、全局性、整合性。因此,控制系统合作伙伴会成为一种战略性资源引入,帮助企业推进产品战略的升级,因此,选择的是一个伙伴,而不仅仅是个供应商。

应避免数据表的对比

用一些性能参数来对比,似乎是客观的,但是,其实,这是纯粹的硬件思维,而不是全局的思维,“局部数据强完全不代表全局最优”。对于机器制造商而言,控制系统选择,应该避免对于传统遗留的问题,这包括几个常见的问题:

(1).用过去的产品结构来思考今天的问题:就像PLC一直被分为大型/中型/小型的局限,实际上,这种分类方法仅存在于对I/O处理能力的考虑,而对于机器控制来说,I/O处理响应并不高,真正要求高的是运动控制、机器人、CNC类的任务,这个与30年前比较PLC的I/O容量时代已经发生了很大的变化

(2).避免用单步指令执行来考量性能,因为这是早期PLC硬件执行任务的指标,而基于分时多任务操作系统,并不采用这一指标,因为有了RTOS的任务调度、时间片划分机制,是以任务周期作为指标的;

(3).系统的速度取决于最短那块板,有些厂商过分夸大通信任务的响应能力—但是却掩盖了其网络架构带来的同步在数个周期才能完成-逼不得已的快这个事实?;褂幸桓鑫侍庠谟?,系统的性能往往受到最短那块板影响,也即,最优的系统是控制、通信、运动控制任务周期保持一致。

这种基于产品DataSheet的比较分析,对于决定机器与装备这类产品战略性决策来说,绝非好的策略。

硬件已经不是障碍-软件竞争力

随着IC技术、存储、通信等技术的进步,控制系统已然不存在硬件瓶颈这样的问题。另外,由于自动化厂商都提供宽范围的产品线供选择,在这个意义上,硬件只是根据需要选择的问题。

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表1-多种应用场景匹配的控制器组合

就像贝加莱的控制系统,其实在X20系列就包含了像中小型机器所需的紧凑型PLC,以及特别适合于机器制造业的Power Panel系列的HMI和PLC融合产品—这个在机器制造业非常受欢迎,在于它结构简单,稳定可靠(省略掉了PLC与HMI的通信-采用连接器的高可靠连接)。以及PC和Panel PC,包括面向工程机械的X90系列控制器,以及面向工厂的ARPOL DCS和SCDA系统。

这些控制器的自身的RAM都是在MB-GB级,而可扩展的CF卡可以达到百GB/TB级,而通信也包括了POWERLINK、TSN实时以太网和标准千兆以太网通信能力。

任务等级从100μS到10mS不等,因此,它不存在一种PLC不能胜任,而是配置出你需要的最合适的硬件系统。

系统选择的几个重要维度

根据与机器制造商多年的合作,我们可以从几个方面考虑系统评价体系,全面的看待合作应该有些考量:

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图1-控制系统伙伴的几个考量因素

稳定与可靠的系统

这对于制造业而言,是一种基准线,稳定与可靠主要在于它是否经过大量的“验证”—即,在这个领域或相关领域已经有多少机器被发往现场,这个现场包括全球的制造商用户。

因为除了硬件的可靠稳定外,软件的稳定与可靠同样重要,这有赖于对标准化的??槭褂?,例如采用PLCopen、IEC61131-3的编程,以及经过大量软件工程测试验证的可靠软件。

工业领域的软件,依赖于高水平的软件规划与架构,以及工程师的工程能力,而这方面的伙伴专业性必须予以考虑。

开放性,为机器创新提供支撑

对于机器制造商而言,系统的开放性主要对于机器的几个方面有影响:

(1).自己开发的工艺Know-How的封装,比较封闭的系统往往会缺乏让机器制造商自主编写可用??榈哪芰?,包括对高级语言的支持,这些都会导致机器制造商自主创新的实现无法被有效执行。如图2,贝加莱的软件包括了mapp-提高开发速度的通用软件,以及机器制造商Know-How封装的C/ST/C++自定义库,通过建模仿真来开发的自主工艺建模软件。

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图2-开放的软件体系

(2).与第三方工程软件的连接

因为这牵扯到机械系统设计时的一些模型,以及这些模型与控制系统的协同仿真问题,比较常见的如MATLAB/Simulink、MapleSim、IndustrialPhysics这些。通过FMU/FMI也可以与更多Modelica组织的软件进行协作。

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图3-开放的软件连接

(3).开放性也同样是总线的支持能力:图X显示了贝加莱一个控制器除了标配的通信,还可以通过插槽、与I/O同尺寸槽位的通信??椋–NA,IO-Link,RS485)来扩展。

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图4-开放的总线支持能力

可扩展性-机器的灵活性

可扩展性在几个方面:

(1)硬件可扩展性,包括??榛飧鲈谧远幸狄丫毡槭迪?,热插拔的支持、总线支持能力;

(2)软件可扩展性:这主要体现在软件与硬件的独立性,例如在贝加莱PLC上的程序,它可以运行在Power Panel系列,也可以运行在APC和Panel PC上,这就是软件在硬件平台上的可扩展性,另一个方面的可扩展性也指版本的兼容性问题。

长周期的交付与服务支撑能力,考虑到机器往往需要运行10年甚至更久的时间,因此,程序的兼容性,即便更换到新的系统上,也需要保持它的可移植性也是必须予以考虑的。

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图5-长期可用性

如图5所示,从90年代的2000系列到今天的X20系列(也经历了Pentium/Atom/Core i系列多个阶段的CPU等级),贝加莱的Automation Studio一直能够为其提供技术的服务支撑,确保版本的兼容,以及程序的可移植性。

(3).机器的数字化能力-可持续性发展架构

机器的可持续发展,包括机器的长期可用性,在较长的时间,你不能让系统落后,这样最大的避免过几年后,你的系统被淘汰了,而新的系统无法与原有系统兼容。像图6-贝加莱采用的通用计算架构的控制器,基于Hypervisor的PC,运行通用操作系统(Windows/Linux)和实时操作系统于不同的CPU核。

它可以实现云端的模型训练,本地的计算推理这样的AI应用架构,也可以直接控制驱动与电机、I/O实时控制任务。确保在自动化基础应用与扩展的智能化应用中得到兼容。

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图6-面向未来的架构

开放架构的好处就在于此,它采用了通用的芯片、网络通信架构、计算、云平台的连接能力,这确保在较长的时间里,机器都能保持可持续性的发展能力。

集成性-最优系统设计与工程效率

机器是一个机械-电气-软件一体化的系统,因此,它必须是一个整体来考虑,这里包含了几个方面的问题:

(1).集成架构利于内部最优:通过不同的分立组件拼装的系统,最大的问题就在于它无法发挥每个组件的最大性能,另外,在接口处往往存在不稳定性,而且在软件实现方面,也通?;嵝枰喔鋈砑呐浜?,这需要工程师掌握多个软件,并在其间进行切换。

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图7-集成开发平台提升工程效率

(2)集成开发平台-提升工程效率

像Automation Studio,作为一个平台,它可以为机器的持续创新提供长期支撑,这个已经在商业运行25年的平台架构依旧保持着强的扩展能力,包括与最新的智能型开发。

集成,在于对象和流程两个维度,如图7所示。对于复杂变化的机器产品类管理,包括软件版本控制、复用的软件组件(Component-Based Development)、由厂商提供的mapp组件,这些都是提升机器开发效率、并确保长期投资安全的集成性。

随着软件的复杂性提高,在软件方面的工程师资源、测试验证工时都是巨大的,因此,提升工程效率需要较好的工具平台,正所谓“工欲善其事必先利其器”。

(3).巧用架构,四两拨千斤

控制系统的架构设计也很关键,其实,集成架构,就使得系统更为简洁,进而降低不必要的连接和额外的软件测试成本。

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图8-ACOPOS伺服驱动直接的编码器输入

在传统的伺服电子凸轮裁切中,需要裁切轴跟随外接的测量材料速度的编码器,PLC+运动控制??榈募芄雇嗦肫鹘尤氲絀/O测。如图8所示,贝加莱的ACOPOS系列则直接接入到伺服驱动器的插槽中,这样直接的计算就会获得更快的响应能力,确保裁切的精度。

还有一些情况,就像机器的网络采用集中式网络架构,需要经由主站为从站之间进行同步关系的协同,那么就会导致这个网络需要经过多个分发周期才能完整这个同步任务,而分布式网络则可以通过交叉通信来实现从站间的同步,在表面上看,集中式网络的每个传输都是非??斓?,但其整体最终获得的性能却并不一定快,人们很容易被这种数字上的快所误导。

其实,这样架构的差异带来很多的不同,在此不一一列举。

行业专家-懂你的系统

从合作的视角来看,一个合作伙伴应该是一个非常懂得机器开发的,他们快速把握机器的关键问题,丰富的经验,就是一种资源,将他们的知识、经验、远见卓识,作为一个顾问分享给机器制造商。

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图9丰富的行业应用经验

像贝加莱,在各个装备制造业,有非常深厚的专家,以及培训体系支持的工程训练、行业Know-How的软件积累、专用的硬件,对于机器制造商来说,都是可被有效利用的资源。

总拥有成本的评价

对于任何一个机器制造商,其终端大厂往往有非常严格的指标对机器进行综合的评估。如图10,TCO是一个较为全面的评价方式,它会牵扯到整个设备的运行中的问题,包括如图所示的几个方面:TCO、预测性维护、OEE、产品换型带来的交付能力、ROI。而不是设备的采购价格的高与低—因为对于工厂,设备是重要的资产投资,而投资的评价是按照回报来评价,以及它在现场的表现,对于用户来说,其实,稳定而高品质的生产,任何时候都是核心的考量,因为任何的调校、等待、不正常宕机都是成本。

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图10-终端用户对设备的评估要点

终端生产企业,尤其是领先的制造商,有非常强的计算力,来综合评估机器与系统的能力,这点上,必须在机器的设计中以这种“用户需求”为导向,在每个细节上,精心打磨,确?;髟谏杓?、开发、运营阶段,都能够去考虑“成本”的节省,成本节省可以被设计出来,预先规划。

表2-全局的系统成本观

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表2列举了贝加莱的硬件和软件在各个阶段能够提供的成本节省的方案,在每个细节上,都预先为机器制造商进行了考虑。

总结:选择系统与伙伴,在今天这个时代,更需要关注“软件实力”。并有效打造您的机器软实力,赢得长期、差异化的竞争力。

审核编辑(
王静
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