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        什么是真正的解決方案?
        來源: 作者: B&R公司時間:2020-02-28 11:27:01點擊:8830

        在這個年代,“解決方案”是個好詞,被廣泛應用于機器與工廠自動化這個世界里,每個公司都號稱他們是做解決方案的,但是,如果你發現他們公司有“產品經理”的時候,你會很困惑,這個組織架構如何與方案這種模式相匹配?

        作為一個老牌的自動化行業解決方案企業,貝加萊對“方案”有著深刻的理解,要想成為一個方案,必須得有三個要素融合而成,缺一不可,即,硬件、軟件與專家,你問哪個更重要,我們想問離開哪個是可以的?

        機器自動化解決方案

        圖1-解決方案由硬件-軟件與機電工程專家構成

         

        解決方案必須有完整的硬件架構、面向行業的軟件、豐富經驗的現場工程師,其中硬件支撐整個實現的性能滿足要求,并能夠最優的性價比設計,而軟件則是機器靈活性、工藝功能、運行功能包括滿足行業特性需求的操作習慣等的設計,以及便利的診斷與報警功能,管理功能,而專家則扮演針對變化提供有效的解決方案的能力,并將其對工藝、電氣、控制的理解形成在時間、成本、工藝等約束條件下為客戶帶來最高性價比的機器系統開發、測試與系列化。

         

        硬件-如何獲得最佳性價比?

        產品導向的業務模式與方案導向的業務模式對硬件的思想是不同的,模塊化已經早已深入自動化行業,但是,如何獲得最佳的組合,卻蘊含深刻哲理,以集成架構導向的硬件設計看重內在的匹配與協同,以求獲得最佳性價比。


        為什么現在沒有人攢機了?

        記得在90年代中那會,Intel Pentium級的PC剛出來那會,各地的電腦城里分為品牌機和兼容機,兼容機就是自己拼湊的,而品牌機是由原廠組裝的,現在好像已經鮮有人再去買所謂的“兼容機”了,因此,現在的年輕人也不知道還知不知道“攢機”這個詞。

         

        電腦城里攢機的年代
        大家都知道“木桶理論”吧?就是系統的最高性能取決于系統最短的那塊板—比如CPU、內存、硬盤、地址和數據總線、顯卡相互速度都一致的時候,由于沒有人浪費掉性能,才使得系統具有了最高性價比。為什么后來自己攢機這個事情少了呢?因為人們發現,其實我買計算機不是為了體現我對計算機的了解,而是要用軟件來完成我的工作,完全沒有必要掌握如何選擇和配置這些不同廠商來的組件,其次,這些組件組裝起來經常出現故障,由于各種連接和不匹配造成的問題,因此,攢機這個活基本上也就越來越淡薄了,現在大家都買整機了,已經鮮有人再去攢機了。

        對于控制系統也是如此,一個廠商提供的控制系統,它的CPU可以完成的任務周期、總線刷新周期、驅動器的位置環任務周期往往具有高度一致性,這使得系統能夠保證最高性價比,同時,由于同一品牌的產品構成的系統也能實現最高的連接可靠性。

         

        舉幾個例子吧!
        例1:伺服驅動器集成多編碼器輸入的架構設計
        拿一個普遍看到的集成架構的例子,電子凸輪裁切, 通常在印刷、包裝的后道中都會有這個單元,通常裁切軸會跟隨外接的一個編碼器或主軸(一個變頻器也可以),貝加萊的ACOPOS P3可以外接額外的編碼器,對于同步計算而言,其直接在驅動器內完成,無需像右側傳統的PLC+運動控制的架構,在這個架構中,外接編碼器接入到PLC的I/O模塊,這樣,PLC對其進行掃描然后與運動控制進行同步,而這個架構受制于需要等待PLC的任務掃描后計算,才能與驅動器進行同步,這樣就會同步計算所需時間更長,而導致精度無法達到較高水準。

         ACOPOS運動控制

        圖2-ACOPOS運動控制架構與PLC+運動控制架構區別

         

        這就是產品的架構帶來的性能差異,在很多時候,貝加萊的硬件都設置有這樣的性能內部協同優化能力,使得整體硬件性能水平極高。

         

        例2:機器視覺與PLC任務的同步
        傳統上,做視覺的與做控制系統的往往是來自不同廠商,并且,企業都各自有各自的硬件,貝加萊采用了集成視覺的設計,它使得視覺、PLC任務、機器人、運動控制軸的任務都可以在同一架構中完成,那么,這樣的好處是什么?

         

        一體化視覺帶來的同步優勢
        對于傳統的視覺而言,分立的鏡頭、相機、處理器、光源照明,與控制器之間無法良好的同步,而采用集成的視覺,相機的快門與燈光的頻閃如果可以同步,則在快門瞬間開放燈光,可以提供瞬時高強度的照明,但如果不能同步,意味著需要更長的照明窗口時間—這意味著LED光源壽命的影響,對于頻繁進行的視覺檢測來說,這個影響會是比較大的,而且對成像效果也是不足的。

         

        視覺與自動化同步優化了系統性價比

        集成機器視覺

        圖3-集成視覺與其它自動化構成整體協同

         

        在傳統的分立架構中,視覺處理任務、信號傳輸、控制器響應、運動控制任務之間總會有一個瓶頸,為了達到最高的響應,比如,系統任務要達到1mS,但是,由于控制器任務比較慢,就得預留給它時間多一些,而其他的組件就必須盡量壓縮時間,這導致了必須要有極高性能的相機來處理,使得必須選擇一個成本很高的視覺系統來彌補系統所需消耗的整體時間。

        而對于集成架構中的視覺而言,它與控制器、運動控制軸之間都建立在例如POWERLINK的200uS、100uS的任務周期上,大家步調一致,就不會產生某個人必須極高性能來壓縮整體時間的問題。

         

        例3:Hypevisor技術的應用
        當越來越多的智能應用需求產生的時候,傳統的分立組件廠商將如何應對這些應用的集成?集成架構的工業PC也提供了更高性價比的設計。
         Hypervisor

        圖4-Hypervisor使得PC與嵌入式架構融合滿足不同應用需求

         

        應用場景舉例:
        在深度學習這種需要高算力的應用中,普通的PLC就無法應對,通過Hypervisor的工業PC,運行Windows/Linux來處理機器學習算法程序,并可針對PCI接口的AI加速器進行任務處理,而同時,通過虛擬網絡與工業控制的對象模型緊密交互,可以實現機器學習與控制的緊密融合。

        在這個場景中,機器學習離數據源最近,并可直接與對象模型交互,進行部署,可以實現高性能的工業智能應用。

        因此,集成架構看上似乎只是產品硬件被集成了,其實其內在所反映的卻是“協同產生的性價比”,通過消除不必要的環節,降低了整個系統的成本。

         

        軟件—知識復用提高效率
        在解決方案的第二個構成要素中,軟件則是一個關鍵一環,在2019年由于很多原因導致了人們開始更加重視工業軟件這一環,除了CAD/CAE/CAM/CAPP等軟件屬于設計端平臺軟件,但在OT運營端實際上也有很多平臺軟件。

         

        自動化也有銀彈技術嗎?
        《人月神話》是一本非常著名的書,它談到了“銀彈技術”,即,是否存在著一勞永逸的辦法解決軟件工程中極其復雜的需求變更、架構等問題,而作者最初認為不存在“銀彈技術”(在歐洲中世紀,有一種怪物,只能用銀彈才能射殺—寓意一種一招致命的武器),后來基于組件的開發思想被推廣后,作者終于承認有銀彈技術,基于組件的開發(Component Based Development),在自動化行業同樣被應用,貝加萊的mapp技術就是典型的采用CBD開發的模式,讓用戶可以快速的構建自己的應用。

         基于組件的機器軟件

        圖5-基于組件開發的機器軟件

         

        就像電腦城里的攢機的年代一樣,用戶需要的是一個可用的機器,而不是要自己掌握控制器技術。


        為什么要有集成開發平臺?
        對于需要集成的方案而言,沒有集成開發平臺,幾乎難以想象期間的困難,如果來自不同的HMI和PLC,用戶就需要采用不同的軟件分別來編輯HMI和PLC邏輯任務,而對于另一個CNC任務則需要專用的CNC軟件來匹配,運動控制又是一個軟件,對于工程師來說,必須在這些軟件間進行切換,學習不同的軟件,而且,有幾個問題是必須考慮的:
        (1)造成復雜的學習成本,風格各異的軟件;
        (2)在軟件中存在著不匹配的能力,導致某一方硬件的特性無法發揮;
        (3)額外的接口軟件帶來的不穩定與頻繁跟隨應用的修改;
        (4)針對不同階段的任務也需要不同應用程序之間的切換;

         

        貝加萊Automation Studio是整個自動化世界中為數不多具有成熟應用歷史(自1997年推出),它凝聚了貝加萊對于自動化方案理解的所有深入的思想:
        -->模塊化:讓機器更具有模塊化組合的靈活性
        -->標準化:讓機器的程序穩定可靠的封裝,被復用,與模塊化設計共同平衡靈活性與可靠性之間的矛盾。
        -->開放性連接:開放性包括互聯技術、開放的軟件連接(與電子設計、建模仿真)、開放的Web結束;
        -->軟硬件獨立:應用軟件、操作系統平臺、硬件平臺之間相互獨立,沒有緊密綁定。

        集成開發平臺

        圖6-集成開發平臺是創新的武器平臺

         

        所謂“工欲善其事,必先利其器”,Automation Studio就是一款機器創新與方案設計的利器,“刀、槍、棍、劍、斧、鉞、鉤、叉、鞭、锏、錘、抓、镋、棍、槊、棒、拐、流星錘”,十八般兵器看你解決什么問題,武裝工程師的武器庫,畢竟,一個好的江湖劍客,總得有把趁手的武器。

         

        為什么要軟件復用?
        為什么要采用CBD,就是為了讓軟件復用,軟件復用的本質是知識的復用,這個復用在工業開發中包含了兩個層面的意義:
        (1)開發知識被復用:包括測試、安全、運動控制這些自動化任務的開發測試知識被集成成各種小型工具,集成于Automation Studio平臺中,讓工程師作為工具拿來干各種活。
        (2)Know-How‘被復用:垂直的行業都有其獨特的工藝,而這些工藝是各個領域的核心工藝,通過大量的測試,針對不同場景的應用,被封裝成可復用的工藝模塊,這樣可以提高機器的開發效率—避免重復開發。

         

        貝加萊針對各個工業場景,塑料(注塑、吹瓶、擠出)、印刷機械(凹版、柔版、膠?。?、包裝(啤酒飲料灌裝產線、食品包裝、瓦楞紙、煙草、制藥包裝)、風力發電、光伏切割等眾多領域提供垂直行業解決方案。

         

        案例:包裝工業解決方案系列
        以啤酒飲料灌裝工業為例,在整個包裝工業領域,貝加萊提供了非常有效的產品與解決方案,包括IP69K防護等級的Panel PC,IP65防護等級的ACOPOSmotor電機驅動一體化產品、1μS響應的reACTION功能、mapp Packaging的應用軟件包、mappVIEW的HMI編輯功能。
        (1)伺服拉伸吹瓶單元
        在大量的灌裝線之前往往是吹瓶站提供瓶胚吹瓶,以快速的為后道灌裝提供高速的瓶子供應,然后通過清洗烘干等工序提供給后道灌裝單元。


         伺服拉伸控制

        圖7-貝加萊ACOPOSmotor的伺服拉伸控制

        在伺服拉伸的吹瓶站(如圖7),硬件上:貝加萊提供了ACOPOSmotor伺服驅動系統來滿足飲料工業的苛刻環境要求,ACOPOSmotor是電機驅動一體的緊湊型安裝,并且IP65防護等級,可以直接安裝于每個吹瓶站(可以多達36個),而且防止水的沖濺,節省空間和電柜,能滿足極高速度的吹瓶速度需求。通過ACOPOSremote提供的分布式電源,可以實現多個伺服站的連接,特別值得一提的是,ACOPOSmotor可以驅動第三方直線電機。在軟件上,開發了針對吹瓶的拉伸高精度的控制任務,這些任務被封裝為標準功能塊供客戶應用。

         

        (2)高速灌裝系統

        高速灌裝控制 
        圖8-高速灌裝控制

        在灌裝環節,貝加萊的高速電子閥控制采用了專用的XV閥組控制模塊,由總線控制第三方閥組的動作(如圖8),每個XV模塊可以控制20余組閥的動作,僅需10余個XV模塊即可實現上包含上千個高速電子閥的邏輯動作,大量的節省現場接線,整個任務的處理周期在400μS即可完成并與主線其它設備保持高速同步。

        灌裝曲線則是整個控制的核心,針對不同的灌裝瓶型、容量、密度等,設計不同的灌裝曲線,整個灌裝過程由低速開始,進入高速灌裝,然后回到低速穩定(防止液位的波動),可以自由設定灌裝曲線以適應不用的灌裝生產需求,在升級的方案中,reACTION模塊可以實現更高速的電子流量計的連接,并極其高速(1μS任務)的控制閥,在一些高速,成本比較高對灌裝精度要求更高的環節有更好的效果,整個貝加萊的灌裝系統可以處理比如礦泉水、啤酒、油脂、醬油、白酒等各種類型的飲料灌裝工藝與過程。

         

        (3)伺服旋蓋單元
         伺服旋蓋控制

        圖9-伺服旋蓋控制單元

        在伺服旋蓋環節,ACOPOSmotor的單電纜技術也得到了應用,采用電機、編碼器電纜混合減少了接線環節,而在軟件上能夠實現基于mappMOTION的速度環與扭矩環的快速切換,因為在旋蓋過程中,我們需要平衡速度和扭矩控制,快速旋蓋確保整機速度,而扭矩控制則確保質量,在ACOPOSmotor中可以實現速度環與扭矩環的高速平滑切換,確保高速高精度的旋蓋。

         

        (4)高速貼標單元
        在旋蓋結束后,如圖10,每個瓶子都要貼標處理,對于礦泉水可能是一個標簽,對于啤酒會有三個標簽(正面、背面、頸部),整個貼標單元由多個伺服實現送標、射標、貼標動作,并可以支持熱熔膠、不干膠等多種標簽類型,可實現高達2000/分鐘的貼標控制,其中reACTION功能可以滿足1μS的任務控制,完全滿足高速射標任務。在軟件上,貝加萊的工程師針對復雜的貼標類型和工藝變化,開發了貼標控制模塊化程序,用戶僅根據需要簡單配置(軟件:電子凸輪裁切與送標同步),即可自動生成相應的工藝參數,勝任多種機器的任務。


         高速伺服貼標

        圖10-高速伺服貼標單元

        (5)熱收縮膜控制解決方案
        針對啤酒飲料的后道包裝,就像大家每天在超市里買到的那些紙箱或塑料薄膜包裝的飲料、可樂,都是通過熱收縮膜或紙箱包裝機器來加工的,在這里貝加萊有大量的成功應用。

        熱收縮膜包裝 
        圖11-熱收縮膜包裝設備
         


        熱模拔樁

        圖12-熱模拔樁結構圖

        貝加萊為整個機器的電動分瓶、上紙板(紙箱包)、趕膜、挑膜、裹膜提供控制,如圖12,并整體封裝為mapp PACKAGING大的解決方案包中,由各種mapp功能來組成,對于其控制而言,實現分瓶曲線的在線修改,針對薄膜張力控制實現多個工序在柔性材料上的高度同步匹配,達到高速120以上的包裝速度,并且對于薄膜的適應性強—即使較差的薄膜也可以勝任。


        軟件:支持PackML的開發
        PackML 

        圖13-基于Web配置的PackML功能

        PackML是針對包裝工業的一種統一的規范,由啤酒飲料工業的End User、OEM和自動化廠商共同推動,PackML也已經成為OPC UA的行業信息模型之一,貝加萊的Automation Studio支持針對PackML功能的開發。

        PackML可以實現以下開發:
        -->統一的界面:針對整個包裝機械,可以構建統一的HMI界面,由啟動、停機、等待、清洗等工序構成,可以實現統一的操作界面,不管來自哪個控制器廠商對用戶都是統一的,降低學習成本,簡化機器操作。


        PackML制藥設備

        圖14-PackML在制藥裝備上的應用

        -->PackML建立的信息模型便于與MES系統進行高效交互,其中包括了OEE計算、RCA質量分析參數,可以為產線管理提供支撐。

        貝加萊支持PackML的開發,在實際應用中已經被多家知名的企業所采用。


        專家—工程師才是機器創新的靈魂
        再好的菜,也得有好的廚師,真正的大廚,不僅可以做出好的菜,還能創新新的菜式贏得食客,創新無處不在,對于機械制造業而言,工程師就是這掌勺的大廚,賦予機器創新設計來贏得市場競爭力。


        解決方案是解決問題
        談“解決方案”,必須有問題能夠解決,因此,而基于產品設計思想則是基于跟隨市場的標桿,通過對標然后指定競爭的成本策略,而解決方案則以貼近解決客戶個性化的問題,并為整個行業設計標準化與模塊化融合的軟件來提供應用方案,將知識被復用,提高整體效率。


        通過跨界融合獲得經濟性
        優秀的工程師,一定是在多重約束條件下實現可能性,而整個機器的設計過程本身是一個創新過程,在材料成本、系統架構、時間、品質等約束條件下,使得生產獲得最佳的過程,這就是創新,因此,工程師的工作,本身就是一個創新的過程。

         機器智能融合

        圖15-機器的智能融合跨界技術于一體

        解決方案必須有方法論支撐
        對于機器與產線設計而言,創新必須基于方法論基礎,而非靈光一現,創新是一個嚴謹的過程,一個實現經濟性的道路,在材料消耗越低、時間越短、流程越簡單、加工周期越短、可加工對象越多、實現成本最低,那么整個工藝過程就需要良好的方法制成,否則,混亂的過程將造成巨大的浪費:
        (1)并行工程
        并行工程主要是讓整個研發過程最約束的時間,以滿足高速的靈活響應市場動態的變化能力。


        機電系統開發 
        圖16-機電系統開發的并行工程

        通過建模仿真,可以在早期進行軟件的開發與測試驗證,在整個機器開發的項目中,測試驗證是最耗費精力和物理測試成本的,采用建模仿真,可以在機械與電氣安裝之前就可以進行功能、性能的驗證,以縮短在整個調試過程中的周期,壓縮整體開發周期,降低成本,提升市場應變能力。

        (2)建模仿真
        建模仿真是機電創新設計“原創性”的關鍵,基于數字建模,對整個機械的傳動(慣量匹配、摩擦力等)、傳感器的信號采集、控制器的控制工藝參數、邏輯流程等進行綜合建模,并對其中的參數隨著外部環境、程序設定的變化進行控制效果的測試,完全虛擬環境中進行虛擬調試,降低物理測試的成本消耗。

         

        建模仿真機器

        圖17-基于建模仿真的創新機器開發流程

        數字孿生更為強調動態交互,即上行數據與下行數據的交互,不僅包含了單機的建模仿真,也包括了整個產線級的建模,流程的建模仿真,貝加萊的Automation Studio平臺可以通過FMU(功能打樣單元)/FMI(功能打樣接口)與第三方數字化設計軟件如MapleSIM、Industrial Physics進行連接,實現統一機械-電氣-軟件之間的一體化交互,進行早期驗證、虛擬調試、以及與云平臺、機器學習等構成整體的數字孿生運營。


        數字孿生機器 

        圖18-數字孿生進行機器產線研發測試與運營

        (3)軟件復用
        軟件復用是一個更大的循環中的思想,即,對已有的知識進行復用,降低整個機器的開發周期,將那些比如基于組件的開發、面向對象、面向服務架構等都是一種構建模塊化與標準化的復用方法與過程。


        卓越工程師的工作
        對于自動化行業的解決方案工程師,就是一種需要具有全棧能力的工程師,必須在工藝控制、邏輯、建模仿真、工業通信、視覺等多種工藝間進行協同,使得他們能夠相互匹配,獲得對問題的解決。


        機器設計工程師 
        圖19-工程師的工作

        工程師采用工具,借助于工具方法(并行工程、建模仿真),以實現機器的開發任務,并達到高的品質、文檔與規范運作、按時交付的整個過程。


        真正的解決方案就是以用戶的現場實際需求為導向,提供針對性的解決方案,這依賴于工程師在機械、電氣、控制、工藝方面的豐富經驗,通過先進的方法論指導,構建整個機器的硬件配置、軟件工藝流程、操作與維護程序,并通過大量的現場實踐不斷優化,成為穩定可靠的系統,整個過程包含了大量的約束條件下的技術創新、方法創新,并最終實現用戶機器的質量、成本和交付能力的不斷提升,贏得市場的競爭力,我們的工作正在于通過硬件、軟件、專家知識與經驗共同為您帶來競爭力的提升。

         

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