PLCopen運(yùn)動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)——機(jī)器設(shè)計(jì)新理念：從機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)電一體化
發(fā)布時(shí)間：2022-05-07 來(lái)源：控制工程網(wǎng)
圖片來(lái)源：PLCopen
標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)動(dòng)控制功能塊與PLCopen 的狀態(tài)圖相結(jié)合，有助于將機(jī)械設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)電一體化設(shè)計(jì)，從而幫助機(jī)械制造商和最終用戶提升機(jī)器效率。
由于用戶需求的變化，需要新的機(jī)器設(shè)計(jì)理念：機(jī)械部件正被機(jī)電系統(tǒng)所取代。為了簡(jiǎn)化機(jī)械制造商和系統(tǒng)集成商對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用，并讓用戶更好地理解這些系統(tǒng)，PLCopen 及其成員開(kāi)發(fā)了一套結(jié)合狀態(tài)圖的標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)動(dòng)控制功能塊。
PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范指定了一個(gè)獨(dú)立的功能塊庫(kù)。這提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的命令集，同時(shí)向用戶隱藏了底層架構(gòu)和復(fù)雜性（被稱為抽象）。這種結(jié)構(gòu)可以在許多平臺(tái)和體系架構(gòu)上使用。應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)可以獨(dú)立于控制體系架構(gòu)或品牌，開(kāi)發(fā)人員可以在開(kāi)發(fā)周期的最后階段決定使用哪種體系結(jié)構(gòu)。對(duì)機(jī)器制造商帶來(lái)的好處是，支持不同平臺(tái)的成本較低，并且可以自由地以獨(dú)立方式開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件，而不會(huì)破壞生產(chǎn)力。此外，系統(tǒng)維護(hù)更容易，教育周期也更短。
從機(jī)械設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)電一體化設(shè)計(jì)
一個(gè)重要的用戶群體是機(jī)械制造商，其中包裝行業(yè)最為活躍。該行業(yè)通常需要提供替代包裝技術(shù)，以對(duì)消費(fèi)者行為的變化做出快速響應(yīng)。這必須由生產(chǎn)線中更靈活的機(jī)器來(lái)完成。為了提供這種靈活性，我們必須放棄機(jī)械解決方案，轉(zhuǎn)向機(jī)電替代方案。當(dāng)然，這包括起關(guān)鍵作用的適應(yīng)性軟件。
運(yùn)動(dòng)控制功能塊規(guī)范的接受程度很高，尤其是受到歐洲包裝行業(yè)供應(yīng)商的青睞。他們的包裝機(jī)械出口到世界各地，這意味著不同地區(qū)會(huì)使用到不同品牌的控制器。即使這些控制器用在同一臺(tái)機(jī)器上并提供相同的功能，但為了全球出口，需要實(shí)施幾個(gè)不同品牌的控制器。
圖1：使用控制體系結(jié)構(gòu)從機(jī)械設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，可以提高機(jī)器性能并降低機(jī)器的復(fù)雜性。
從傳統(tǒng)的機(jī)器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)，會(huì)減少部件數(shù)量，更易于清潔。機(jī)電操作系統(tǒng)也更簡(jiǎn)單、透明、快速和便宜。這也是最終用戶想要的。
在機(jī)電一體化解決方案中，控制系統(tǒng)及其軟件起著至關(guān)重要的作用。這和控制系統(tǒng)軟件相關(guān)，而不是機(jī)械的質(zhì)量。這通常會(huì)導(dǎo)致一些傳統(tǒng)的機(jī)械制造商內(nèi)部出現(xiàn)不同的問(wèn)題（例如有著幾十年甚至上百年歷史的，具有機(jī)械設(shè)計(jì)背景的家族企業(yè)）。從一個(gè)具有傳統(tǒng)機(jī)械思維的組織，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)專注于軟件和控制的組織要面臨很多困難。
在PLCopen 運(yùn)動(dòng)控制中，人們認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了邏輯和運(yùn)動(dòng)任務(wù)之間的緊密結(jié)合。在包裝機(jī)械的成功應(yīng)用中，控制軟件扮演著越來(lái)越重要的角色。30年前，機(jī)器設(shè)計(jì)幾乎沒(méi)有軟件。現(xiàn)在軟件約占生產(chǎn)線總成本的50%。
增加了對(duì)靈活設(shè)計(jì)的需求
不斷變化的消費(fèi)者需求，轉(zhuǎn)化為對(duì)更靈活的制造和包裝的需求。咖啡產(chǎn)品就是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。我們都熟悉真空密封的包裝，它們已經(jīng)在商店的貨架上出售很久了。超市貨架上的種類繁多，有著不同的口味，使用不同的包裝技術(shù)。咖啡本身并沒(méi)有改變，工藝端已經(jīng)定型，無(wú)法提供更高的效率。這意味著應(yīng)將注意力放在市場(chǎng)展示以及消費(fèi)者身上。
另一個(gè)例子是當(dāng)下流行的小包裝食品，在一個(gè)大包裝內(nèi)包含多個(gè)較小的包裝，以保證產(chǎn)品新鮮度。要實(shí)現(xiàn)這一變化，必須改變生產(chǎn)環(huán)境中的基礎(chǔ)設(shè)施：添加包裝功能。同樣的生產(chǎn)線需要執(zhí)行這些以及其它臨時(shí)變更，以滿足更多樣化的需求。
圖2：向最終用戶隱藏軟件架構(gòu)的復(fù)雜性，被稱為抽象。機(jī)器制造商正在使用抽象來(lái)改進(jìn)機(jī)電一體化機(jī)器的設(shè)計(jì)。
新一代包裝機(jī)必須滿足用戶的兩個(gè)要求：免維護(hù)機(jī)器（至少是低維護(hù)量和可預(yù)測(cè)的維護(hù)）和易于清潔以最大程度地保持衛(wèi)生。如果你將這兩個(gè)目標(biāo)用于新包裝機(jī)的開(kāi)發(fā)，結(jié)果會(huì)是什么？
他們會(huì)要求機(jī)器制造商必須移除所有可能產(chǎn)生灰塵或需要潤(rùn)滑油的機(jī)械部件：如滑輪、皮帶、齒輪箱和機(jī)械凸輪。實(shí)際上，這意味著從傳統(tǒng)機(jī)器的118 個(gè)功能單元，減少到23 個(gè)，減少幅度達(dá)81%。
圖3：在此案例中，轉(zhuǎn)向機(jī)電一體化機(jī)器設(shè)計(jì)，可將機(jī)器零件減少 81%，從而通過(guò)降低復(fù)雜性和減少維護(hù)來(lái)加強(qiáng)機(jī)器設(shè)計(jì)。
統(tǒng)一了不同的機(jī)器結(jié)構(gòu)
運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)有各種各樣的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。它們都有不同的技術(shù)、語(yǔ)言、總線、開(kāi)發(fā)環(huán)境和其他差異等。盡管需要標(biāo)準(zhǔn)化，但卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
機(jī)器制造商希望通過(guò)可復(fù)用的應(yīng)用程序，服務(wù)于更廣闊的市場(chǎng)。通常，機(jī)器制造商提供多個(gè)層級(jí)的產(chǎn)品：高端機(jī)器、中端機(jī)器和低端機(jī)器。機(jī)器制造商不想?yún)⑴c三種類型的應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。對(duì)一個(gè)軸的移動(dòng)，明明一個(gè)描述就可以，為什么還需要10 個(gè)？為什么我們必須知道在應(yīng)用階段使用了哪些電機(jī)、控制器或編碼器？
在不同層面上響應(yīng)用戶，其中所有系統(tǒng)特性都在運(yùn)動(dòng)控制功能中實(shí)現(xiàn)，而且獨(dú)立于硬件。PLCopen 運(yùn)動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)可以做到這一點(diǎn)。
PLCopen 運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的第一部分，包括單軸和多軸運(yùn)動(dòng)功能、若干管理任務(wù)和狀態(tài)圖。后者用于控制和安全方面：并非所有命令都可以隨時(shí)向機(jī)器發(fā)出，命令必須經(jīng)歷一定的例行程序才能發(fā)出。
在測(cè)試新連接的軸時(shí)，解決方案的獨(dú)立性得以展示。無(wú)論使用哪種系統(tǒng)，用戶只需幾個(gè)步驟就可以使軸旋轉(zhuǎn)：打開(kāi)電源，啟動(dòng)主程序，最后給軸一個(gè)移動(dòng)命令。通過(guò)三個(gè)簡(jiǎn)單的步驟，軸就可以移動(dòng)。
人們并不想知道接口后面是什么網(wǎng)絡(luò)。這是供應(yīng)商應(yīng)該做的事情。該標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)可在小程序中調(diào)用的程序塊。編譯代碼，下載并運(yùn)行。如果軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，則問(wèn)題出在供應(yīng)商，而不是用戶。
PLCopen 定義了一套運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范。第1 部分– 基礎(chǔ)，包括初始版本中在第2 部分定義的擴(kuò)展。第3 部分-用戶指南，第4 部分- 協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和第5 部分引導(dǎo)程序。第3 部分- 用戶指南說(shuō)明了用戶如何根據(jù)IEC 標(biāo)準(zhǔn)和PLCopen 運(yùn)動(dòng)控制功能塊，創(chuàng)建一組構(gòu)建塊。這些塊可以跨項(xiàng)目和平臺(tái)復(fù)用。
例如，在第2 部分中，定義了一個(gè)注冊(cè)函數(shù)，而不提供所使用的輸入。傳感器輸入可能來(lái)自未知位置（直接或網(wǎng)絡(luò)），和/ 或傳感器需要補(bǔ)償。此功能由標(biāo)準(zhǔn)塊組成，其中注冊(cè)功能與其它用戶自定義的塊一起使用，并且可以添加到公司自己的庫(kù)中。這個(gè)注冊(cè)功能可以在公司范圍內(nèi)使用，并且源代碼可以在不同的平臺(tái)上使用。這樣在生產(chǎn)下一臺(tái)機(jī)器時(shí)可以節(jié)省時(shí)間和金錢。
對(duì)供應(yīng)鏈?zhǔn)袌?chǎng)的影響
PLCopen 運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范為供應(yīng)鏈所面臨的挑戰(zhàn)提供了解決方案。供應(yīng)鏈通常由獨(dú)立軟件供應(yīng)商、控制硬件供應(yīng)商、機(jī)器制造商及其最終用戶客戶組成。軟件供應(yīng)商滿足于使用運(yùn)動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，這使軟件供應(yīng)商更容易與其潛在用戶（控制供應(yīng)商）交流。他們只需要實(shí)施一次運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范，對(duì)底層架構(gòu)做一些小的更改。
擁有新系統(tǒng)的硬件供應(yīng)商，也將此視為向前邁出的重要一步：他們不再需要開(kāi)發(fā)自己的規(guī)范。由于擔(dān)心其差異化的可能性會(huì)受到限制，因此具有較長(zhǎng)歷史的運(yùn)動(dòng)控制供應(yīng)商，對(duì)接受運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范可能有點(diǎn)猶豫。這種擔(dān)心是沒(méi)有必要的。通過(guò)提供的構(gòu)建塊、工具軟件套件、伺服范圍、編碼器、調(diào)諧和其它設(shè)計(jì)元素，可以實(shí)現(xiàn)多樣化。運(yùn)動(dòng)供應(yīng)商愿意將其現(xiàn)有平臺(tái)集成到一個(gè)環(huán)境中，同時(shí)合并其不同運(yùn)動(dòng)控制組的專有技術(shù)，以增強(qiáng)協(xié)同效應(yīng)。運(yùn)動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)提供了一種潛在的方法，來(lái)避免各種不同實(shí)現(xiàn)方式所造成的混亂。
供應(yīng)鏈的下一個(gè)環(huán)節(jié)是機(jī)器制造商。對(duì)于一些制造商來(lái)說(shuō)，技術(shù)與過(guò)去有了明顯的突破。他們正在與開(kāi)發(fā)機(jī)電一體化解決方案的知識(shí)中心合作。這種趨勢(shì)導(dǎo)致了兼并和收購(gòu)，創(chuàng)造了更大的業(yè)務(wù)，需要通過(guò)提供新一代的機(jī)器來(lái)擴(kuò)大和拓寬市場(chǎng)。
在供應(yīng)鏈的末端是購(gòu)買和使用機(jī)器的最終用戶。他們需要高的靈活性、更少的停機(jī)時(shí)間和更低的成本，而這也是PLCopen 運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范所支持的。（作者：Eelco van der Wal, PLCopen）
關(guān)鍵概念：
■ PLCopen 運(yùn)動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)為機(jī)器設(shè)計(jì)提供高功能性、抽象性。
■ 為了更好地為客戶服務(wù)，機(jī)器設(shè)計(jì)師正在從機(jī)械設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)電一體化機(jī)器設(shè)計(jì)。
■ PLCopen 運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范可以統(tǒng)一各種機(jī)器架構(gòu)。
思考一下：
您的機(jī)器設(shè)計(jì)是否包括運(yùn)動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，以降低機(jī)器的復(fù)雜性和維護(hù)工作？