機器制造商：軟件視角的系統選擇策略
http://www.debgrams.com 2022-05-31 15:07 來源：貝加萊
關乎產品戰略，不得不慎
機器與裝備，作為一個復雜的機電一體化對象。有些行業如印刷、紡織經歷上百年的發展，而新興的電子半導體也有數十年的歷史，他們正在不斷的走向自動化、智能化，這使得機器的控制系統在其中的重要性不斷提升。并且，今天，領先的機器制造商所采取的更多是將工藝Know-How以軟件形式封裝，其差異化競爭力也多來自于軟件的能力。這個時候，作為控制系統就必然成為了裝備制造企業的產品戰略的實施關鍵，這戰略關乎長期的發展。
因此，需要謹慎的評估合作伙伴—系統，它不同于組件的選擇，可以通過數據表對比即可，而系統它本身的特點就是具有系統性、全局性、整合性。因此，控制系統合作伙伴會成為一種戰略性資源引入，幫助企業推進產品戰略的升級，因此，選擇的是一個伙伴，而不僅僅是個供應商。
應避免數據表的對比
用一些性能參數來對比，似乎是客觀的，但是，其實，這是純粹的硬件思維，而不是全局的思維，“局部數據強完全不代表全局最優”。對于機器制造商而言，控制系統選擇，應該避免對于傳統遺留的問題，這包括幾個常見的問題：
(1).用過去的產品結構來思考今天的問題：就像PLC一直被分為大型/中型/小型的局限，實際上，這種分類方法僅存在于對I/O處理能力的考慮，而對于機器控制來說，I/O處理響應并不高，真正要求高的是運動控制、機器人、CNC類的任務，這個與30年前比較PLC的I/O容量時代已經發生了很大的變化（2）.避免用單步指令執行來考量性能，因為這是早期PLC硬件執行任務的指標，而基于分時多任務操作系統，并不采用這一指標，因為有了RTOS的任務調度、時間片劃分機制，是以任務周期作為指標的；（3）.系統的速度取決于最短那塊板，有些廠商過分夸大通信任務的響應能力—但是卻掩蓋了其網絡架構帶來的同步在數個周期才能完成-逼不得已的快這個事實。還有一個問題在于，系統的性能往往受到最短那塊板影響，也即，最優的系統是控制、通信、運動控制任務周期保持一致。
這種基于產品DataSheet的比較分析，對于決定機器與裝備這類產品戰略性決策來說，絕非好的策略。
硬件已經不是障礙-軟件競爭力
隨著IC技術、存儲、通信等技術的進步，控制系統已然不存在硬件瓶頸這樣的問題。另外，由于自動化廠商都提供寬范圍的產品線供選擇，在這個意義上，硬件只是根據需要選擇的問題。
表1-多種應用場景匹配的控制器組合
就像貝加萊的控制系統，其實在X20系列就包含了像中小型機器所需的緊湊型PLC，以及特別適合于機器制造業的Power Panel系列的HMI和PLC融合產品—這個在機器制造業非常受歡迎，在于它結構簡單，穩定可靠（省略掉了PLC與HMI的通信-采用連接器的高可靠連接）。以及PC和Panel PC，包括面向工程機械的X90系列控制器，以及面向工廠的ARPOL DCS和SCDA系統。
這些控制器的自身的RAM都是在MB-GB級，而可擴展的CF卡可以達到百GB/TB級，而通信也包括了POWERLINK、TSN實時以太網和標準千兆以太網通信能力。
任務等級從100μS到10mS不等，因此，它不存在一種PLC不能勝任，而是配置出你需要的最合適的硬件系統。
系統選擇的幾個重要維度
根據與機器制造商多年的合作，我們可以從幾個方面考慮系統評價體系，全面的看待合作應該有些考量：
圖1-控制系統伙伴的幾個考量因素
穩定與可靠的系統
這對于制造業而言，是一種基準線，穩定與可靠主要在于它是否經過大量的“驗證”—即，在這個領域或相關領域已經有多少機器被發往現場，這個現場包括全球的制造商用戶。
因為除了硬件的可靠穩定外，軟件的穩定與可靠同樣重要，這有賴于對標準化的模塊使用，例如采用PLCopen、IEC61131-3的編程，以及經過大量軟件工程測試驗證的可靠軟件。
工業領域的軟件，依賴于高水平的軟件規劃與架構，以及工程師的工程能力，而這方面的伙伴專業性必須予以考慮。
開放性，為機器創新提供支撐
對于機器制造商而言，系統的開放性主要對于機器的幾個方面有影響：
（1）.自己開發的工藝Know-How的封裝，比較封閉的系統往往會缺乏讓機器制造商自主編寫可用模塊的能力，包括對高級語言的支持，這些都會導致機器制造商自主創新的實現無法被有效執行。如圖2，貝加萊的軟件包括了mapp-提高開發速度的通用軟件，以及機器制造商Know-How封裝的C/ST/C++自定義庫，通過建模仿真來開發的自主工藝建模軟件。
圖2-開放的軟件體系
（2）.與第三方工程軟件的連接
因為這牽扯到機械系統設計時的一些模型，以及這些模型與控制系統的協同仿真問題，比較常見的如MATLAB/Simulink、MapleSim、IndustrialPhysics這些。通過FMU/FMI也可以與更多Modelica組織的軟件進行協作。
圖3-開放的軟件連接
（3）.開放性也同樣是總線的支持能力：圖X顯示了貝加萊一個控制器除了標配的通信，還可以通過插槽、與I/O同尺寸槽位的通信模塊（CNA,IO-Link,RS485）來擴展。
圖4-開放的總線支持能力
可擴展性-機器的靈活性
可擴展性在幾個方面：
（1）硬件可擴展性,包括模塊化—這個在自動化行業已經普遍實現，熱插拔的支持、總線支持能力；
（2）軟件可擴展性：這主要體現在軟件與硬件的獨立性，例如在貝加萊PLC上的程序，它可以運行在Power Panel系列，也可以運行在APC和Panel PC上，這就是軟件在硬件平臺上的可擴展性，另一個方面的可擴展性也指版本的兼容性問題。
長周期的交付與服務支撐能力，考慮到機器往往需要運行10年甚至更久的時間，因此，程序的兼容性，即便更換到新的系統上，也需要保持它的可移植性也是必須予以考慮的。
圖5-長期可用性
如圖5所示，從90年代的2000系列到今天的X20系列（也經歷了Pentium/Atom/Core i系列多個階段的CPU等級），貝加萊的Automation Studio一直能夠為其提供技術的服務支撐，確保版本的兼容，以及程序的可移植性。
（3）.機器的數字化能力-可持續性發展架構
機器的可持續發展，包括機器的長期可用性，在較長的時間，你不能讓系統落后，這樣最大的避免過幾年后，你的系統被淘汰了，而新的系統無法與原有系統兼容。像圖6-貝加萊采用的通用計算架構的控制器，基于Hypervisor的PC，運行通用操作系統（Windows/Linux）和實時操作系統于不同的CPU核。
它可以實現云端的模型訓練，本地的計算推理這樣的AI應用架構，也可以直接控制驅動與電機、I/O實時控制任務。確保在自動化基礎應用與擴展的智能化應用中得到兼容。
圖6-面向未來的架構
開放架構的好處就在于此，它采用了通用的芯片、網絡通信架構、計算、云平臺的連接能力，這確保在較長的時間里，機器都能保持可持續性的發展能力。
集成性-最優系統設計與工程效率
機器是一個機械-電氣-軟件一體化的系統，因此，它必須是一個整體來考慮，這里包含了幾個方面的問題：
（1）.集成架構利于內部最優：通過不同的分立組件拼裝的系統，最大的問題就在于它無法發揮每個組件的最大性能，另外，在接口處往往存在不穩定性，而且在軟件實現方面，也通常會需要多個軟件的配合，這需要工程師掌握多個軟件，并在其間進行切換。
圖7-集成開發平臺提升工程效率
（2）集成開發平臺-提升工程效率
像Automation Studio，作為一個平臺，它可以為機器的持續創新提供長期支撐，這個已經在商業運行25年的平臺架構依舊保持著強的擴展能力，包括與最新的智能型開發。
集成，在于對象和流程兩個維度，如圖7所示。對于復雜變化的機器產品類管理，包括軟件版本控制、復用的軟件組件（Component-Based Development）、由廠商提供的mapp組件，這些都是提升機器開發效率、并確保長期投資安全的集成性。
隨著軟件的復雜性提高，在軟件方面的工程師資源、測試驗證工時都是巨大的，因此，提升工程效率需要較好的工具平臺，正所謂“工欲善其事必先利其器”。
（3）.巧用架構，四兩撥千斤
控制系統的架構設計也很關鍵，其實，集成架構，就使得系統更為簡潔，進而降低不必要的連接和額外的軟件測試成本。
圖8-ACOPOS伺服驅動直接的編碼器輸入
在傳統的伺服電子凸輪裁切中，需要裁切軸跟隨外接的測量材料速度的編碼器，PLC+運動控制模塊的架構往往將編碼器接入到I/O測。如圖8所示，貝加萊的ACOPOS系列則直接接入到伺服驅動器的插槽中，這樣直接的計算就會獲得更快的響應能力，確保裁切的精度。
還有一些情況，就像機器的網絡采用集中式網絡架構，需要經由主站為從站之間進行同步關系的協同，那么就會導致這個網絡需要經過多個分發周期才能完整這個同步任務，而分布式網絡則可以通過交叉通信來實現從站間的同步，在表面上看，集中式網絡的每個傳輸都是非常快的，但其整體最終獲得的性能卻并不一定快，人們很容易被這種數字上的快所誤導。
其實，這樣架構的差異帶來很多的不同，在此不一一列舉。
行業專家-懂你的系統
從合作的視角來看，一個合作伙伴應該是一個非常懂得機器開發的，他們快速把握機器的關鍵問題，豐富的經驗，就是一種資源，將他們的知識、經驗、遠見卓識，作為一個顧問分享給機器制造商。
圖9豐富的行業應用經驗
像貝加萊，在各個裝備制造業，有非常深厚的專家，以及培訓體系支持的工程訓練、行業Know-How的軟件積累、專用的硬件，對于機器制造商來說，都是可被有效利用的資源。
總擁有成本的評價
對于任何一個機器制造商，其終端大廠往往有非常嚴格的指標對機器進行綜合的評估。如圖10，TCO是一個較為全面的評價方式，它會牽扯到整個設備的運行中的問題，包括如圖所示的幾個方面：TCO、預測性維護、OEE、產品換型帶來的交付能力、ROI。而不是設備的采購價格的高與低—因為對于工廠，設備是重要的資產投資，而投資的評價是按照回報來評價，以及它在現場的表現，對于用戶來說，其實，穩定而高品質的生產，任何時候都是核心的考量，因為任何的調校、等待、不正常宕機都是成本。
圖10-終端用戶對設備的評估要點
終端生產企業，尤其是領先的制造商，有非常強的計算力，來綜合評估機器與系統的能力，這點上，必須在機器的設計中以這種“用戶需求”為導向，在每個細節上，精心打磨，確保機器在設計、開發、運營階段，都能夠去考慮“成本”的節省，成本節省可以被設計出來，預先規劃。
表2-全局的系統成本觀
表2列舉了貝加萊的硬件和軟件在各個階段能夠提供的成本節省的方案，在每個細節上，都預先為機器制造商進行了考慮。
總結：選擇系統與伙伴，在今天這個時代，更需要關注“軟件實力”。并有效打造您的機器軟實力，贏得長期、差異化的競爭力。
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