軟件如何塑造機器智能與創新的靈魂？
發布時間：2021-12-29 www.xstr.xyz
軟件，正在成為機器的靈魂，無論是在傳統意義上的工藝Know-How封裝，還是在現代意義的智能算法應用，機器制造業都在醞釀一場變革。
工業軟件何以重要？
工業軟件正在成為熱點，對于機器制造業來說，這已經有很多年的歷史，因為有三個顯著的原因：
01 軟件關乎競爭力
實際上，在很多年前，機器制造領域的先進廠商已經開始逐漸在用軟件“封裝”其Know-How，包括今天我們探討數字化轉型，其實它也有一個隱藏的戰略，就是它更易于封裝Know-How。
另一方面，我們會觀察到即使同樣的PLC，不同的廠商可以做出完全不同的機器，優秀的廠商更擅長發揮軟件的力量，讓機器賦予更多功能和便利性設計，贏得用戶青睞。
圖1-軟件成為機器智能與創新關鍵因素
02 軟件關乎創新與智能
任何一個硬件產品、機器、產線，它的硬件部分所有的智能實際上是由機器背后的軟件來實現的。無論我們希望機器有差異化，還是希望讓機器適應更多的生產場景，這些，都是依賴于人為機器提供軟件的設計。
03 軟件關乎效率
在30年前，一臺機器有PLC和變頻傳動已經是非常先進的了，一個工程師可以掌控整個機器的軟件開發，在很長一段時間，大家都認為中專畢業就可以。不過，今天，機器已經不是只有邏輯，而是有高速回路控制、高精度定位與同步、CNC和機器人，也有機器視覺、像貝加萊還有ACOPOStrak這樣包含了機械融合的系統。
機器軟件也不局限于機器內部，開始延伸到產線，延伸到車間、工廠，你還需要與IT軟件結合。
當軟件變得復雜的時候，軟件開發效率將成為企業決勝的關鍵—這使得“軟件工程”成為了一個必修課。
工業軟件的煉成
工業軟件，就其本質而言，它是一種知識的復用，就像圖2，材料、工藝、操作這些知識與經驗，被通過數學建模、測試驗證形成可復用的軟件模塊，包括行業知識存在的工藝軟件，也包括作為工具本身的軟件。
圖2-軟件的煉成簡明過程
工業軟件與商業軟件顯著的不同在于，它和物理對象有較高的耦合關系，這使得它必須與硬件緊密結合，對于任何工藝如流體變形、金屬成型、印刷色彩控制、灌裝曲線等等，它都是一個軟硬件一體的反復測試驗證過程，這也是它的難，也是它的價值所在，也是我們今天工業軟件發展的核心問題—真正掌握核心工藝，并非易事。
自動化大部分時間與軟件相關
盡管已經有人定義自動化是軟件行業了，雖不完全準確，畢竟還是有PLC、驅動、電機這樣的硬件，但是，工業自動化領域軟件的角色自PLC開始那一天就已經在不斷的占比變大。而對于機器而言，機械、電氣與軟件在整個開發過程中的占比中，軟件也變得更大—這是一種共識。我們從圖3可以看到其實，今天我們的工作已經大量的與軟件相關。
圖3-自動化行業的軟件價值體系
但是，即使如此，對于工業軟件，很多人仍然把它與CAD/CAE、工藝仿真軟件聯系起來，然而，在自動化的世界里，集成開發平臺也是非常關鍵的，因為，幾乎所有的機器與系統應用開發都無法離開。以貝加萊的Automation Studio為例，來分析軟件為機器智能可以帶來什么？
首先是運行任務的實時操作系統，對于貝加萊的PLC而言，早在90年代初即運行定性分時多任務的操作系統，有了這樣的操作系統，它就可以盡最大努力發展CPU的資源和能力，并可運行解釋器和編譯器，支持BASIC、C高級語言開發，并具有Web Server/VNC Server/FTP Server這樣的IT能力，這已經有20余年的發展歷史。今天，貝加萊將實時操作系統(RTOS)與通用操作系統融合(GPOS)，RTOS處理運動控制任務確保實時性，而GPOS如Windows/Linux可以處理圖形圖像、仿真、邊緣計算任務。
圖4-基于Hypervisor的PC混合操作系統架構
對于PC架構的控制器（工業PC）來說，通過Windows/Linux+RTOS各自實現復雜的圖形圖像、數據監測與趨勢等任務，與運動控制、邏輯等實時任務的集成使得架構更為緊湊，提升性價比，如圖4所示為貝加萊Hypervisor架構。
這擴展了機器本身的能力，使得它不僅局限于機器本身的邏輯與運動過程，也讓機器變得更為功能多樣性。
mapp-讓您分享各個產業智慧
mapp是模塊化應用（modular Application）,它是Automation Studio平臺的核心價值，其實在很多公司都會有一句類似的話，讓您從繁重的工作中脫離出來，專注于您自身的核心業務創新。是的，Automation Studio平臺上的模塊化應用mapp，它讓您將精力放在“行業任務的組合”，就是如何為您的用戶搭建一個業務邏輯，而不是關注實現它的每個模塊。
機器制造商在分享的是貝加萊在各個領域的知識，對于特定機器制造商而言，它需要專注在自身的行業工藝。而貝加萊則為各個行業提供服務，例如：張力控制技術，它在諸如紙張與薄膜印刷、流延膜生產、紡紗、彈簧成型、鋼板開卷校平等領域有廣泛應用，各種材料、各種工藝流程，閉環/開環，各種需求中，貝加萊積累了如何更好的去設計“張力控制”，如圖5所示，這個數字印刷機的張力處理也來自傳統印刷的張力控制。因此，當一個用戶在使用mapp中一個模塊的時候，它已經有幾十年的迭代歷史了，經歷過各種嚴苛的場景，它曾經開到1000m/min分鐘的速度，像PE一樣非常容易變形的薄膜，也去為鋼卷進行過穩定的送料控制。
圖5-基于mapp的機器模塊化開發
因此，當機器制造商使用到這些模塊的時候，很多行業已經為此進行了大量測試驗證了，這樣的例子不勝枚舉，Automation Studio平臺的力量來源于各個領域的專業庫積累，使得廠商可以快速“配置”而非“編程”的方式開發機器。
這些在各種場景下的應用最終被系統性的建模、測試成為一個標準的mapp模塊， 您不需要再考慮它，而是考慮您的機器如何按照用戶的流程、規格范圍、操作范圍來配置您的機器應用。
mapp不僅是張力控制，也有機器的mappVIEW-HMI設計、mappUser-用戶管理、mappData-處理機器數據、mappMotion-用于軸/軸組控制、mappTemperature-溫度控制、mappAudit-審計追蹤、mappPackML、mappTrak-柔性輸送系統應用……。
開放軟件的接口
對于機器的創新而言，其必須遵循嚴格的工程開發過程，尤其在變化的機器時代，每個機器都需要具有廣泛的生產適用性，例如針對不同的紙張、薄膜、復合材料的卷繞、復合、成型工藝。那么，這需要大量的物理測試驗證成本，而“建模仿真”則讓這個成本大幅度下降，因為，你可以在軟件中對它的各種工藝參數進行測試，并且安全環境下，可以任意的選擇極限測試。而這些軟件，如果能夠與自動化控制算法結合，則可以對機器進行機械、電氣與工藝的協同仿真，實現更為高效的機器創新開發。
而Automation Studio還可以讓您跟他們交互，以實現“基于模型的開發”過程，它對創新的貢獻在哪里？
圖6-Automation Studio與仿真軟件之間的協同
● 可以將機械、電氣、工藝融合，開發新的機器功能，因為，在這個環境里，這種虛擬測試驗證可以不花錢材料成本，一卷紙可能10分鐘就試完了，有些昂貴的材料測試費用—我相信有時候，那測試過程讓您膽戰心驚，它不是一卷料，它是一卷錢，區別可能在于它是多大面值。
● 有哪些接口可用？
Automation Studio是可以和MATLAB/Simulink、MapleSIM、IndustrialPhysics等軟件有接口，貝加萊也參與Modelica組織，支持在FMU/FMI接口上的支持能力，以確保與更多的軟件進行協同仿真。
對于機器這種典型的機電一體化對象來說，軟件之間的分工協作，也是智能時代的要素。
集成-是工程的核心任務
作為一個工具平臺，Automation Studio也是全球市場為數不多的“集成開發平臺”。其實，在很多時候，創新實際上是技術的組合，它是對已有技術的組合，來解決新的問題。自動化從來都是一個面向問題解決的行業。而大部分漸進式的創新應用都是“集成”，硬件對象幾乎是一樣的，無非是I/O數量的差異，而軟件才是讓他們黏連在一個整體，并實現對生產制造的成本、效率的管控。
圖7-集成工具平臺面向所有對象與任務
圖7顯示了Automation Studio的集成能力，包括所有對象，如PLC邏輯任務、算法，運動控制（定位同步控制、CNC和機器人）、HMI畫面。另一個維度是在機器的編程、調試、維護階段都可以采用這個單一平臺來實現。
Automation Studio的為您機器創新的貢獻主要在于效率：
01 開發者不必在多個軟件間協調
如果沒有集成開發平臺，那么，需要在邏輯開發、HMI、SCADA、運動控制、機器人、視覺、輸送系統等多個對象間分別進行配置和編程，然后編寫接口，這會帶來復雜的工程師工作任務與學習。
02 它有很多寶藏可以供您使用，各種各樣
圖8-貝加萊的多種武器集成于Automation Studio
像圖8一樣，無論是要進行現場總線的連接與配置、SQL數據庫的查詢、基于Web的數據發布、OPC UA的設備互聯，以及與管理系統（ERP/MES,云端）的交互，還是與第三方數字化設計軟件、存儲項目，開發應用，各種mapp的庫，都是由Automation Studio可以提供。
03 全生命周期的工具平臺
對于一個機器的開發而言，在最初的選型配置階段、編程、仿真測試、電氣與軸測試、現場的遠程診斷與維護而言，Automation Studio對您的機器全程進行支持和服務。如圖9所示，您可以在現場通過它來測試您的軸控制，而這能夠更有效讓您了解機械設計中存在的問題，例如共振與剛性問題。
圖9-軸測試與診斷
還有一個很重要的是，隱藏在這個背后的邏輯，Automation Studio賦予工程師全局的視野看待機器，因為，與分立組件的系統相比，工程師可以既考慮控制、運動控制、網絡、視覺、智能算法等，它也讓協同工作變得簡單。
它適合您的企業構建持續發展的平臺
其實，對于機器制造商，需要維護多個產品線，并在集團級構建一個資源共享的平臺，讓其工藝知識、行業Know-How的機器操作、通信連接、規約、特殊工藝等能夠在內部分享，以獲得最大的利用效率，那么，Automation Studio平臺提供了這種可能性。
除了mapp這樣的共性模塊，也包括了自定義的模塊，這些都可以以軟件復用被資源最大化，避免投資在這些應用上的工程師資源，他們的智慧與努力，可以被重復利用。
在本質意義上，機器的智能就是“知識復用”，而我們今天產業關注工業軟件的原因，就在于它可以讓我們積累自己的可持續發展的工藝知識，并被不斷迭代，提升開發效率。
Automation Studio可以像圖10所示一樣保護您公司內部的知識產權安全，它的編譯系統會讓運行于PLC的程序成為二進制代碼。
圖10-程序安全