采用整體方案實(shí)現(xiàn)全集成工廠自動化

作者： Steven Keeping 2024-08-01

標(biāo)簽 [工程] [診斷][嵌入式處理] [工業(yè)自動化][工業(yè)控制][接口][電機(jī)控制] [機(jī)器人][感測] [有線通信] [機(jī)電] [電源與電路保護(hù)][測試 - 工具和其它產(chǎn)品]

回想一下制造業(yè)數(shù)字化的早期階段，那時孤島思維盛行。設(shè)計與規(guī)劃、機(jī)器編程與生產(chǎn)之間幾乎沒有信息共享。生產(chǎn)工程師拿著前臺打印好的 CAD 和物料清單 (BOM)，來到工廠車間對機(jī)床手動編程。然后，生產(chǎn)工程師會排除生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，而不會將問題和相關(guān)的解決方案反饋給產(chǎn)品設(shè)計人員。設(shè)計與制造之間的脫節(jié)讓廠商無法改進(jìn)產(chǎn)品以使制造變得更簡單、更快捷、更經(jīng)濟(jì)。

但情況已經(jīng)發(fā)生了變化。如今，連通性已成為現(xiàn)代工廠的重中之重。工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)將設(shè)計、規(guī)劃、編程和生產(chǎn)連通起來，讓工廠的每個部分都可以與其他部分甚至全世界共享信息。其結(jié)果就是信息的自由流動，能夠讓工程師優(yōu)化裝配流程，從而提高生產(chǎn)力和質(zhì)量，同時最大限度地減少浪費(fèi)。

沒那么簡單

整個工廠連通是一件好事，這一點(diǎn)毋庸置疑。但建立這樣一個系統(tǒng)也絕非易事，這一點(diǎn)也無可爭議。由于成本和復(fù)雜性，網(wǎng)絡(luò)上通常運(yùn)行著不可互操作的軟件和無線協(xié)議，而這些軟件和協(xié)議依賴于來自不同制造商的控制器、傳感器、可編程邏輯控制器 (PLC) 和人機(jī)接口 (HMI)。這種情況意味著工程師要花費(fèi)大量時間實(shí)施變通方案，確保一切正常運(yùn)轉(zhuǎn)，至少在下一次故障發(fā)生之前是這樣。為了保持系統(tǒng)正常運(yùn)行，需要不斷進(jìn)行修補(bǔ)，這會成倍增加維護(hù)和升級成本。

有一些專門的商業(yè)解決方案可以克服互操作性和兼容性挑戰(zhàn)。這些產(chǎn)品通常效果良好，但缺點(diǎn)是增加了解決方案的復(fù)雜性和持續(xù)碎片化。另一種方法是采用整體方案，即使用單一供應(yīng)商的全集成式自動化平臺，讓網(wǎng)絡(luò)、組件和軟件元素協(xié)調(diào)工作。

什么是全集成式自動化平臺？

“全集成式自動化平臺”是營銷人員熱衷于在宣傳手冊中使用的話。但它到底意味著什么呢？不同的人對其有著不同的定義，但自動化供應(yīng)商 [Omron]將其描述成連通制造工廠的信息技術(shù) (IT) 與運(yùn)營技術(shù) (OT) 部門的網(wǎng)絡(luò)（圖 2）。

圖 2：制造工廠的全集成式自動化平臺包括 IT 和 OT 網(wǎng)絡(luò)。（圖片來源：Omron）

網(wǎng)絡(luò)的 IT 部門由進(jìn)行設(shè)計和生產(chǎn)規(guī)劃的前臺以及工廠自動化部分組成。工廠自動化負(fù)責(zé)機(jī)器編程、操作員界面和機(jī)器到機(jī)器 (M2M) 通信。集成自動化平臺的 OT 部門包括工廠和機(jī)器監(jiān)控、傳感器、機(jī)器人和機(jī)器控制。

Omron 的 [Sysmac] 就是這樣一個平臺。Sysmac 簡化了整個工廠的連通，因?yàn)槠涫褂昧斯I(yè)以太網(wǎng)連接（IT 和工廠自動化使用 EtherNet/IP，OT 網(wǎng)絡(luò)使用 EtherCAT）、單機(jī)自動化控制器和共享監(jiān)控軟件。

自動化控制器是平臺的核心

IT 與 OT 網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是機(jī)器自動化控制器（下稱“控制器”），在 Omron 解決方案中，它就是運(yùn)行 Sysmac 機(jī)器控制軟件的一臺工業(yè) PC。該控制器根據(jù) IT 系統(tǒng)確定的制造協(xié)議對所有機(jī)器運(yùn)動、安全、視覺、機(jī)器人、傳感和數(shù)據(jù)庫連接進(jìn)行同步控制。

控制器的一個實(shí)例是 Omron 的 [NX102-1020]。該控制器無需網(wǎng)關(guān)即可處理來自 IT 數(shù)據(jù)庫的信息。在提供高速、高精度機(jī)器控制的同時，它還可以監(jiān)控機(jī)器安全并維持生產(chǎn)質(zhì)量。該裝置基于 [Intel] Core i7 微處理器，可在 0.37 ns 內(nèi)執(zhí)行基本指令，并每隔 125 μs 就向伺服系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)更新一次指令。傳感器快速將機(jī)器位置、位移和間隙信息反饋給控制器。因此，凸輪可動作平穩(wěn)且機(jī)器各個軸可保持高精度運(yùn)動。

NX102-1020（圖 3）采用寬度為 66 mm 的緊湊型設(shè)計，具有三個工業(yè)以太網(wǎng)端口（兩個 EtherNet/IP 和一個 EtherCAT）、一個 CPU 單元和一個電源。該控制器使用 PLCopen 功能模塊進(jìn)行運(yùn)動控制，且符合 IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)涵蓋 PLC 中控制程序的基本軟件架構(gòu)和編程語言。

圖 3：緊湊型 NX102-1020 控制器具有三個工業(yè)以太網(wǎng)端口、一個 CPU 單元和一個電源。（圖片來源：Omron）

單一軟件平臺

軟件，或者更確切地說，幾個拼湊在一起來實(shí)現(xiàn)整體工作的軟件，可能是工廠自動化平臺的致命弱點(diǎn)。維護(hù)并保持這樣一個系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行需要花費(fèi)大量時間，而且會妨礙工程師專注于優(yōu)化生產(chǎn)過程。

Omron 的解決方案使用一個軟件包來運(yùn)行整個系統(tǒng)（包括對 NX102-1020 控制器進(jìn)行編程），解決了這一難題。該軟件名為 [Sysmac Studio]（圖 4），實(shí)際上是一個集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，還包含一個定制 3D 運(yùn)動仿真工具。與 Omron 控制器一樣，該 IDE 完全符合 IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)。該 IDE 允許使用變量編程，這意味著工程師無需了解 PLC 的內(nèi)部存儲器映射。此外，還意味著程序可以重復(fù)使用。

圖 4：Sysmac Studio 包含一個自定義的 3D 運(yùn)動仿真工具，允許工程師在實(shí)施之前檢查和改進(jìn)生產(chǎn)過程。（圖片來源：Omron）

結(jié)語

工廠互聯(lián)代表著制造業(yè)的未來，但是將各個部分拼湊在一起并使之順利運(yùn)行卻極具挑戰(zhàn)性。另一種方法是采用整體方案，使用單一供應(yīng)商的全集成式自動化平臺，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、組件和軟件元素協(xié)調(diào)工作，讓工程師專注于優(yōu)化制造過程。

審核編輯 黃宇