從控制器視角看自動化機器的演進
發布時間：2024-07-03 作者：宋華振
圖片來源：貝加萊
本文探討了機器控制器的演進歷程，以及機器軟件能力的提升和智能時代對機器自我學習和進化能力的需求。
機器，作為制造業的核心資產，也是數字技術發揮價值的重要陣地。而控制器，則是機器的核心，機器的性能、功能設計，都圍繞控制器的。而控制器的發展，也是機器數字化演進的體現。
01 邏輯控制與算法設計
機器，早期通過各種畜力、水力、蒸汽機等方式來實現傳動。操作也從人工操作演變到了電氣時代通過繼電器邏輯。伴隨著晶體管技術和IC封裝的進步，PLC和變頻器逐漸被用于作為機器的控制與傳動。變頻電機大幅提升能源使用效率，而PLC則加快了機器的設計靈活性。
即使今天，很多人提及“PLC”，還是把它理解為“邏輯”控制器，畢竟它的名字在70年代就被定義了。今時今日，PLC這個詞似乎約束了PLC作為一種普遍存在的控制器的應用邊界。盡管今天的PLC早已不是當年的PLC—而且，很多應用已經不是傳統PLC可以解決的。并且，PLC作為“邏輯”控制器這種邊界在30年前其實就已經被改變了。
就像貝加萊，在上世紀80年代，就開發了支持高級語言編程的PLC。之所以會這樣設計，與貝加萊早期所要面對的業務領域還是有比較大的關系的。當時，貝加萊很多業務集中在塑料機械領域。而這類機器的特點就是需要多個溫度和壓力閉環控制，且相對流程工業來說，這些溫度和壓力閉環還響應要求特別高。這使得對于控制器的算法設計能力及性能提出了較其它機器更為嚴格的需求。
▲圖1：貝加萊的X20 PLC
而當時采用的PLC，通常采用匯編語言或梯形圖、順序功能圖等進行編程。而這些編程對于復雜的回路調節任務的算法設計來說不大現實。因此，貝加萊據此需求開發了黑色系列控制器。它采用了經典的MC68K芯片組，有協處理器可以用于浮點運算。并借助于OS9的分時多任務操作系統，使得PLC也可以支持BASIC高級語言編程。
到了90年代的2000系列（也稱為藍色系列），2003系列仍然采用MC68K芯片組。而2005系列已開始采用Intel X86芯片組及基于此的PC架構——CPU/FPU和aPCI總線、RAM/ROM架構設計。在這個硬件基礎上，運行了定性分時多任務操作系統。當時，它被命名為“可編程計算機控制器PCC”。
可見，貝加萊的控制器設計來源于產業需求。而像注塑、包裝這種領域，都會用到比較多的算法設計能力，并且考慮工藝的變化和分析，需要較大的存儲和對大塊數據的處理能力。同樣是溫度控制，機器的溫控響應速度又較之流程更快，達到mS級的任務。
02 機械到電子傳動的遷移
到了上世紀90年代，機器又對靈活性提出了更高的要求：在同一機器上生產變化的產品，批次更小，而品種更多。這需要機器能夠快速的進行調整，例如：傳統的機械裁切刀，需要針對裁切尺寸準備不同的刀輥，而采用電子凸輪（CAM）可以設置參數實現對不同尺寸的裁切-這種通過參數設置調整機器生產的應用，成為了各個機器領域的需求。它主要是幾個考慮：
■ 機械簡化，降低磨損帶來的維護成本；
■ 電子傳動更為靈活，可以根據需要調整參數-配置下載即可，而無需復雜的機械調整；
■ 精度更高-相對于機械傳動，電子軸提供更高的傳動精度，也會讓品質一致性更好；
早在90年代，貝加萊藍色系列的PCC就支持NC模塊，用于定位、同步和CNC的運動控制。到了1997年，貝加萊推出ACOPOS系列伺服驅動器時候，運動控制的庫如電子凸輪、鼓序列發生器、電子凸輪、虛擬主軸這些都被列為PCC的一個任務。無需額外的運動控制模塊即可。
▲圖2：PLC開發所需的集成開發平臺Automation Studio
由于貝加萊是做控制器出身，使得貝加萊擁有了“全局看待機器與系統”的能力。因此，運動控制的任務僅僅是PCC的任務之一，而PCC會運行運行運動控制功能，包括定位同步控制、CNC和機器人，來作為運動控制的協調調度中心，而每個驅動器又自身具有智能執行的能力，這使得整個控制架構效率非常高。因為，控制器可以協調多的軸、任務之間的關系，而無需過高的負載，而驅動器本身具有智能性，可以自主執行。
03 電子傳動對于實時通信的需求
流程工業大量的部署儀表、執行機構及中央控制的需求，從70年代即開始發展總線技術。這就是將信號、通信、控制實現數字化，這個數字化更多意義是在將模擬的轉為數字的，更易于傳輸、匯集。與此同時離散制造業里單機生產，對于總線還沒有這么多需求。但是，隨著更多的伺服軸、傳感器的接入—接線復雜性成為問題，總線也開始在離散裝備上有了需求。但是，離散制造又屬于時間嚴苛型任務，因此，它更為強調實時性，因此，就對PLC的實時通信能力提出了需求。
到了2001年左右，POWERLINK已經成為了標配，它直接采用了以太網技術，這與貝加萊的PLC本身的強處理能力有關。這與當時的PLC不同的原因在于采用的復雜指令集架構的處理器（由于以太網本身的數據解包/打包、校驗等任務，也是挺消耗資源的）。因為，以太網數據塊比較大，但是這種架構的處理器本身就擅長處理大塊數據。并且，這使得控制器擁有更大的數據存儲能力。
04 機器的軟件能力需求提升
當機器變得更為靈活時候，機器的軟件模塊化也成為了一個比較緊迫的需求。其實，機器變得復雜的原因很多，在各個領域都會隨著材料更為復雜，而導致了機器需要應對各種變化。
隨著貝加萊在各個領域的涉足，這使得貝加萊對于“軟件”的價值和意義更為深刻的認識。因此，在接下來的很多年里，貝加萊的控制器主要精力就在軟件方面的投入。硬件隨著Intel的芯片升級而升級，確保兼容性，在2003年X20系列發布時，采用了刀片式I/O結構，算力更強，結構更為緊湊。同時，為了保持與市場統一改為通稱的PLC。
軟件，首先就是平臺的問題。Automation Studio必須作為一個平臺，讓用戶快速的完成自己的機器任務搭建。并且能夠針對不同的對象增加可以擴展，對第三方則要有豐富的通信支持能力。
2008年Simulink PLC：在Mathworks推出Simulink PLC的時候，就支持C代碼的自動生成。剛好，由于貝加萊的PLC支持C編程，這就成了水到渠成的事情。
2012年mapp技術：其實在mapp推出之前，map it概念就已經在貝加萊內部成為了一個標準計劃。由于貝加萊所提供支持的行業特別多，那么，這就意味著，如何能夠在不同行業提供快速的用戶機器構建，讓機器的軟件像建筑領域的“預制件”一樣。在軟件工程上，這也被稱為基于組件的開發，以提高開發效率。
05 信息時代的機器-控制與計算融合
傳統流程工業先天具有連續性，因此，流程工業會有更高的人均產值。離散的制造業在最初都是通過單機生產零配件，然后由人工進行搬運，甚至在不同企業間轉運，形成最終產品。但是，對于一些長流程而言，顯然能夠實現連線生產，則效率就因為省略中間環節而效率更高。
一些典型的連續型生產線在離散制造業出現，例如啤酒飲料、印刷、制藥和紡織。除此之外，在這個階段，通過機器人、機械輸送系統，制造業開始把整個生產集成起來，并形成連續流動的生產過程。這種生產對于控制的需求，包括了以下幾個方面：設備的統一規約與連接；機器人的集成；全局的信息集成；數據采集與處理能力；操作流程與仿真軟件需求。這些算力要求較高的機器與產線，會需要機器的控制器具有控制與計算能力的融合。這個時候，采用PC架構的控制器也被更多應用。
▲圖3：貝加萊APC系列工業控制計算機
貝加萊的APC系列工控機采用Intel X86處理器，但其Automation Runtime和Windows均可獨立運行。這樣Windows任務的HMI操作、Web服務、通信等任務都在Windows下。而RTOS仍然執行PLC的任務。當然，機器制造商也仍然更喜歡HMI與控制集成的控制系統。因此，貝加萊Panel PC系列又得到了青睞。
Panel PC將HMI、PC、PLC集成于一體，還將按鍵的操作能力也集成在一起，通過總線連接驅動，構成架構清晰簡單的控制系統。
▲圖4：Panel PC融控制、計算與顯示于一身
除了機器的控制網絡需要高實時性，以及第三方設備的總線連接。在信息時代，機器不但得擁有內部的高實時響應能力。還需要再與管理系統建立比較高效的連接能力。而機器也需要更多的遠程診斷與維護功能，這些都可以借助于無所不在的網路來實現。
經過這么多年發展，貝加萊的PLC/PC已經可以支持非常廣泛的總線和通信規范。這使得它所控制的機器，具有強的融入數字化系統的能力。
06 更聰明的機器-智能時代的控制
雖然軟件已經變得更為關鍵，生產也更為靈活與柔性。但是，這些都是在機理模型下為主的，或者由人根據經驗給出的設置：而機器它的下一代是“更為聰明”的訴求——它必須能夠不依賴于人的經驗，具有自我學習、自我進化的能力。
在貝加萊的X86硬件架構下，進一步利用新的CPU的超強算力和多核架構。可以在貝加萊的APC、Panel PC上劃分出基于Windows或Linux任務的運行，以及PLC的Runtime運行。
Hypervisor技術使得APC可以運行為PLC與PC，而且相互之間可以通過內部的虛擬以太網高速交互。exOS一個兩棲型操作系統，則用于解決工程開發的接口銜接—它將Linux的代碼編譯導入到Automation Studio，使得在Linux下的Java、Python開發的程序可以與實時任務交互。使得事件觸發的學習任務與控制的周期性任務，可以實現數據的交互。