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2019中国智能制造发展论坛 菲尼克斯电气Radioline无线系统
PLC

基于PLCopen的智能机器开发

  2019年01月14日  

  一、软件变得更为重要

  智能制造是当前最为热门的话题,然而,对于智能制造必须提及软件的开发,整个产业界对于软件的价值认识逐渐加深,然而,软件在智能制造中的意义,以及如何更好的开发软件成为了必须讨论的话题,无论对于OEM机械制造商还是End User而言,智能机器的开发是构成智能制造的重要环节,如何高效的开发软件,对于前沿的自动化厂商如贝加莱,有着深刻的理解和认识,软件的价值在于:

  (1).软件可以让同一硬件平台发挥最大的效益

  国产机器从电气控制硬件角度已然是采用了最为先进的控制系统,然而,仍然与欧美的机械开发有着差距,在软件的能力方面,我们可以发现很大的差异,这种能力不仅包括软件平台的选用、软件的开发、软件的使用等,例如人性化的设计、易用性设计,?#38469;?#24471;其机器?#29616;?#25105;们更高的附加值,因为,比较完硬件系统后,我们发现它是相等的,那么构成系统的软件就成为了溢价部分。

  (2).软件是封装Know-How的容器

  对于不同的行业而言,其Know-How就硬件或者机械角?#28909;?#26131;被复制,而软件所设计的工艺封装、功能设计?#20173;?#26159;不易于被复制的,这使得欧美企业更倾向于在“软”的方面下功夫来保护其知识产权,这已经是欧美企业的共识。

  (3).软件使得机器更为智能

  通过简单的操作,即可使得机器实现不同的应用和加工规格等的切换,而后台的运算均通过智能算法来实现,这就是软件赋予的机器的智能,当然,更为重要的是软件所蕴含的工程师对于机器的理解—这些人的智能传递到机器的能力。

  二、智能制造的用户视角定义

  智能制造显然有很多定义,但大多数是从智能制造?#38469;?#26412;身去看待,而我们则试图从用户角?#28909;?#35780;估什么是智能制造的定义:

  S3MART

  对S3MART,我们将分解如下:

  1.S3的解析

  1.1.简单易用性设计(Simplicity)

  简单易用是一种客户的需求—这是智能的集中体现,因为,正如iPhone的设计思想一样,消费者仅需通过?#31181;?#38388;的滑动即可实现对功能的操作,这就如同机器的设计一样,必须对于使用机器的人易于操作,这种简单体现在以下几个方面:

  ①易于操作与维护

  ②易于开发

  ③易于学习

  1.2.安全(Safety)表现在对人身的安全关注,?#28909;紓?#37319;用Safety-满足IEC61508标准下的安全集成,然而,新的?#36125;?#20063;存在新的问题,如何解决机器的安全协同问题?因为设备已经并非单机生产状态了。

  ①安全问题必须予以协同考虑

  ②安全必须与生产效率平衡

  安全必须在未?#20174;?#20197;考虑的重要原因在于:设备互联时候单机的安全动作会对连续的生产带来效率的降低风险,并带来制成品的浪费等诸多问题。

  1.3标准化(Standard)-必须确保机器能够被纳入到通用系统中,标准化是降低成本的方案,同时也是为了降低互联的难度的关键一环,这包括了多个层次的标准化设计:

  ①通信的标准:例如:OPC UA、POWERLINK实时通信规约

  ②软件的标准化:PLCopen

  ③数据的标准化:XML格式

  ④操作的标准化:OMAC/PackML的机器语言定义了相同的操作界面

  例如:采用基于广泛使用的IE浏览器对机器进行访问、诊断、维护即可降低成本,且易于实现,并?#36824;?#26102;。

  2.模块化设计(Modularity)

  模块化的机器设计为了提高效率,这是一个必须得以平衡的问题,因为在传统的大规模定制生产中,批量较小,而种类不多,因此,这会带来生产的成本降低,因此,多品种与小批量被认为是一种成本高昂的生产。

  必须解决这个问题,最好的平衡方式是采用模块化与标准化设计。

  任何的自动化系统软件包含了三个层面的模块化设计:

  ①基础的自动化库

  ②专业库

  ③行业库

  模块化对于降低成本有几个作用:

  (1).重用性代码可以避免重新开发

  (2).经过测试与验证的库可以?#35805;?#20840;使用,降低测试中的时间与材料浪费;

  (3).降低了开发难度:

  例如:贝加莱的mapp设计即可降低67%的研发时间。

  3高可用性(Avaliability)

  对于OEM设备而言,显然,一个设备的投资用于更多的产品制造会带来巨大的竞争力,对于End User而言,这也意味着成本的节省,因为,越少的投资却可以?#35270;?#26356;多的产品生产,显然是一个合算的投资。

  通常:运动控制在这里扮演重要的角色。

  (1).运动控制带来的柔性:运动控制首先是提供了高精度和高速的生产,然而,这?#23545;?#19981;是高性能?#27431;?#31995;统带给机器的作用,通过简单的?#38382;?#35774;置,不同的?#20204;?#23610;寸、包装规格、印刷长度、装订厚度、瓶子的类型均可实现变换,而这一切自动来完成。

  在印刷工业我们称之为“按需印刷“,在包装工业我们也称为”按需包装“,最大的灵活性也是对设备投资的安全性保护。

  (2).早期故?#38505;?#26029;实现机器的高可用性,还包括机器的使用寿命,例如:采用预测性维护?#38469;?基于早期诊断的状态监测)可以对高值设备的关键零部件进行监测,可以实现对设备使用寿命的最大?#26377;?/FONT>

  4稳定性(Reliability)

  对于自动化系统而言,稳定性是必须的,很多时候,稳定性不仅包含了硬件系统的稳定,也包括了软件系统的稳定性,选择标准的,经过测试与大量实际应用验证过的软件功能块对于系统的稳定?#20179;?#20851;重要。

  稳定性就是一种高附加值的投资保障,对于自动化行业而言,它与大部分工业领域一样,稳定可靠就是基础-是默认值。

  反?#20849;挥?#22810;言。

  5工艺集成(Technology)

  不同的行业,有不同的Know-How,这些是企业赖以生存的本钱,例如:印刷的套色控制、色标的检测,浆纱机的牵伸比控制、梳棉机的匀整算法、吹瓶的壁厚控制、岸桥的防摇,每一个机器都存在其独特的行业工艺,对于钣金加工、冲压、注塑、挤出、机器人,每个行业均是如此。

  自动化行业必然以方案为导向的一个产业,所谓的方案集成,必须以行业工艺为核心,才能实现整个系统的集成,否则,只能截取边缘而无法涉足核心。

  对于智能装备、制造系统的集成同样如此,Know-How有时也不完全以专业工艺来体现,而以知识的积累,如何有效的组织生产对于MES就会至关重要,而不同行业的不同处理如医药的批次处理,流程行业的连续生产特性,离散行业的工艺顺序,甚或夹具的设计都会成为Know-How的构成。

  总结即:Know-How以工艺本身出现,也以不同的知识集合出现,或者大数据分析?#38382;?#20986;现,智能制造必须掌握核心Know-How,即Technology-才能生存。

  三、标准化与模块化的意义

  通过对S3MART的定义,我们可以发现,结合软件,我们可以发现对于智能机器开发而言,标准化和模块化是关键,因为标准化和模块化的软件带来了我们所说的S3MART的每个环节要素。

  1.标准化的意义

  标准化(Standardization)对于机器开发而言就是要解决简单(Simplictiy)、可靠(Reliablity)、Technology(工艺)的问题,标准化的软件使得代码重用性提高,通过封装减少实现机器开发的简化,并通过封装的过程对其测试验证确保其可靠的软件应用,而标准封装也确保了Technology-核心?#38469;?#30340;保护,因此,标准化是智能机器开发的基础。

  2.模块化设计

  模块化(Modularity)就是模块化的软件设计,它是为了解决可用性Avaliability的问题,智能机器集成至产线必须具有柔性,而模块化软件则让机器的应用程序可以?#35805;?#29031;需求搭建,这样可以形成不同的应用组合,也使得机器实现智能—模块化本身就是实现智能的一个方面。

  机器开发的标准化和个性化本身就是矛盾的,标准化降低成本却往往会使得灵活性受?#36739;?#21046;,那么两者的融合便是机器开发的未来,通过不同的标准模块组合,可以实现机器开发的灵活性,例如:贝加莱的mapp?#38469;酰?#21363;是按此设计,而mapp则是结合PLCopen的标准化?#25512;?#33258;身的扩展行业库来实现机器应用的封装。

  四、PLCopen与智能机器开发的结合

  我们对SMART进行了理解,也对标准化和模块化进行了融合,我们再来看PLCopen,更有利于我们认识其价值。

  事实上,基于PLCopen的开发是?#36824;?#27867;应用的,目前国际知名的自动化厂商如SIEMENS、B&R等均对PLCopen进行了支持,PLCopen可以实现未来智能制造?#36125;?#23545;于软件开发的全面胜任能力:

  PLCopen IEC61131-3包括了对逻辑控制的基础语言与功能块;

  PLCopen Motion则包含了基础运动控制、协同运动控制(机器人与CNC)、液压控制;

  PLCopen OPC UA实现了对M2M、B2M的互联标准,满足智能制造与工业4.0?#36125;?#30340;机器互联需求;

  PLCopen XML则针对未来的设备描述,例如工艺配方、生产制程数据的管理等;

  PLCopen组织是一个公益性组织,独立性确保了在利益平衡上的优势,也因此得以为众多厂商普遍支持,未来,专业学生可以通过PLCopen的编程开发思想对不同的企业的控制器进行学习,并实际开发应用。

  相对于传?#25104;?#23398;习某家厂商产品的模式,PLCopen更具潜力,更符合智能制造?#36125;?#30340;产业需求。

  PLCopen ,例如图中的状态机即时PLCopen Motion对于机器控制的理解,它本身也是一种很好的系?#25104;杓品?#27861;论,运动控制是由不同的状态来实?#26234;?#25442;的,回零、连续运动、同步运动、间歇运动、急停、停止、待机,如果我们去理解机器的话,我们会发现?#36824;?#26159;多么复杂的机器,其本身的过程均是由PLCopen所定义的不同状态构成的,并且进行切换,那么,我们可以使用PLCopen的状态机思想来开发设备的运动控制过程,无论使用哪家公司的产品,其设计思想却是统一而且规范的,那么,对于学生而言,学习一个方法就可以应用于各种应用领域。

  五、PLCopen库的应用举例

  例1:印刷机的控制开发

  对于印刷机械而言,其核心在于印刷套色,基于PLCopen的库,我们可以通过图中的功能块RegMarkCapture001来进行色标的抓取,通过RegMarkCacl001进行色标偏差的计算和解耦算法,并通过Offset进行相位偏移的控制输出,这三个功能块可以实现对印刷的套色计算和控制,结合速度控制模块、扭矩控制实现对张力控制的计算。

  除了应用于?#21450;?#21360;刷机的套色控制,PLCopen在柔版、商业轮转机等高性能卷?#20179;接?#21047;领域也得到了广泛应用,大大降低了开发周期。

  例2:PLCopen库在旋盖控制中的应用

  在啤酒饮料灌装系统中,如?#38382;?#29616;更高效且高品质的旋盖控制,即可借助于PLCopen的库:

  对于旋盖而言,角度控制MC_MoveAdditive可以提高速度,它可以确保旋盖过程以极大的速度进行,但是,却不能保障每个旋盖动作的扭矩控制质量,通过TorqueControl模块,可以确保每个瓶盖的相同力矩,确保旋盖质量的一致性,但是,TorqueControl却会降低效率,因为不能过高的速度,否则会将瓶子损坏。

  因此,通过MC_MoveAdditive和MC_BR_TorqueControl的混合使用可以确保高品质同时高速的旋盖控制。

  例3:PLCopen Safety安全库的应用

  仍然以啤酒饮料灌装设备来看,对于高速运转的机器,必须考虑人身的安全以及设备的运行安全,尤其是对连续生产的智能产线而言,其?#32433;?#29942;、清?#30784;?#28748;装、旋盖、贴标、膜包等一系列流程构成,如果某个单元出现安全动作,则整个生产线将因此停?#20572;?#24102;来巨大的潜在浪费,而SLS和STO可以解决这一问题,通过PLCopen Safety库设计,我们可以实现两个安全功能来确保生产效率与安全的平衡。

  1. SLS降低产线速度,低速运行的机器将会带给人身风险的极大下降,通常在人员进入机器的安全区则速度下降,如从10m/S的线速度下降到0.5m/S,则会大幅度降低传动设备对人身的潜在伤害,而同时产线并不会因此停止带来再开机的成本以及在制品的浪?#36873;?/FONT>

  2. STO,通过?#27431;?#39537;动的待机状态,在人员进入工作区,仅切断力矩输出,而不切断电源,确保机器处于安全状态,在人员离开后,重新启动工作,从当前位置继续。

  此两者均是基于生产效率与安全的平衡设计,可以通过PLCopen的Safety库软件设计来实现

标签:贝加莱 PLCopen我要反馈
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