一、軟件變得更為重要

智能制造是當(dāng)前最為熱門的話題，然而，對(duì)于智能制造必須提及軟件的開發(fā)，整個(gè)產(chǎn)業(yè)界對(duì)于軟件的價(jià)值認(rèn)識(shí)逐漸加深，然而，軟件在智能制造中的意義，以及如何更好的開發(fā)軟件成為了必須討論的話題，無論對(duì)于OEM機(jī)械制造商還是EndUser而言，智能機(jī)器的開發(fā)是構(gòu)成智能制造的重要環(huán)節(jié)，如何高效的開發(fā)軟件，對(duì)于前沿的自動(dòng)化廠商如貝加萊，有著深刻的理解和認(rèn)識(shí)，軟件的價(jià)值在于：

（1）.軟件可以讓同一硬件平臺(tái)發(fā)揮最大的效益

國(guó)產(chǎn)機(jī)器從電氣控制硬件角度已然是采用了最為先進(jìn)的控制系統(tǒng)，然而，仍然與歐美的機(jī)械開發(fā)有著差距，在軟件的能力方面，我們可以發(fā)現(xiàn)很大的差異，這種能力不僅包括軟件平臺(tái)的選用、軟件的開發(fā)、軟件的使用等，例如人性化的設(shè)計(jì)、易用性設(shè)計(jì)，都使得其機(jī)器較之我們更高的附加值，因?yàn)椋容^完硬件系統(tǒng)后，我們發(fā)現(xiàn)它是相等的，那么構(gòu)成系統(tǒng)的軟件就成為了溢價(jià)部分。

（2）.軟件是封裝Know-How的容器

對(duì)于不同的行業(yè)而言，其Know-How就硬件或者機(jī)械角度容易被復(fù)制，而軟件所設(shè)計(jì)的工藝封裝、功能設(shè)計(jì)等則是不易于被復(fù)制的，這使得歐美企業(yè)更傾向于在“軟”的方面下功夫來保護(hù)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這已經(jīng)是歐美企業(yè)的共識(shí)。

（3）.軟件使得機(jī)器更為智能

通過簡(jiǎn)單的操作，即可使得機(jī)器實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用和加工規(guī)格等的切換，而后臺(tái)的運(yùn)算均通過智能算法來實(shí)現(xiàn)，這就是軟件賦予的機(jī)器的智能，當(dāng)然，更為重要的是軟件所蘊(yùn)含的工程師對(duì)于機(jī)器的理解—這些人的智能傳遞到機(jī)器的能力。

二、智能制造的用戶視角定義

智能制造顯然有很多定義，但大多數(shù)是從智能制造技術(shù)本身去看待，而我們則試圖從用戶角度去評(píng)估什么是智能制造的定義：

S3MART

對(duì)S3MART，我們將分解如下：

1.S3的解析

1.1.簡(jiǎn)單易用性設(shè)計(jì)（Simplicity）

簡(jiǎn)單易用是一種客戶的需求—這是智能的集中體現(xiàn)，因?yàn)?，正如iPhone的設(shè)計(jì)思想一樣，消費(fèi)者僅需通過手指間的滑動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)功能的操作，這就如同機(jī)器的設(shè)計(jì)一樣，必須對(duì)于使用機(jī)器的人易于操作，這種簡(jiǎn)單體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①易于操作與維護(hù)

②易于開發(fā)

③易于學(xué)習(xí)

1.2.安全（Safety）表現(xiàn)在對(duì)人身的安全關(guān)注，比如：采用Safety-滿足IEC61508標(biāo)準(zhǔn)下的安全集成，然而，新的時(shí)代，也存在新的問題，如何解決機(jī)器的安全協(xié)同問題？因?yàn)樵O(shè)備已經(jīng)并非單機(jī)生產(chǎn)狀態(tài)了。

①安全問題必須予以協(xié)同考慮

②安全必須與生產(chǎn)效率平衡

安全必須在未來予以考慮的重要原因在于：設(shè)備互聯(lián)時(shí)候單機(jī)的安全動(dòng)作會(huì)對(duì)連續(xù)的生產(chǎn)帶來效率的降低風(fēng)險(xiǎn)，并帶來制成品的浪費(fèi)等諸多問題。

1.3標(biāo)準(zhǔn)化（Standard）-必須確保機(jī)器能夠被納入到通用系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)化是降低成本的方案，同時(shí)也是為了降低互聯(lián)的難度的關(guān)鍵一環(huán)，這包括了多個(gè)層次的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)：

①通信的標(biāo)準(zhǔn)：例如：OPCUA、POWERLINK實(shí)時(shí)通信規(guī)約

②軟件的標(biāo)準(zhǔn)化：PLCopen

③數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化：XML格式

④操作的標(biāo)準(zhǔn)化：OMAC/PackML的機(jī)器語言定義了相同的操作界面

例如：采用基于廣泛使用的IE瀏覽器對(duì)機(jī)器進(jìn)行訪問、診斷、維護(hù)即可降低成本，且易于實(shí)現(xiàn)，并不過時(shí)。

2.模塊化設(shè)計(jì)（Modularity）

模塊化的機(jī)器設(shè)計(jì)為了提高效率，這是一個(gè)必須得以平衡的問題，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的大規(guī)模定制生產(chǎn)中，批量較小，而種類不多，因此，這會(huì)帶來生產(chǎn)的成本降低，因此，多品種與小批量被認(rèn)為是一種成本高昂的生產(chǎn)。

必須解決這個(gè)問題，最好的平衡方式是采用模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

任何的自動(dòng)化系統(tǒng)軟件包含了三個(gè)層面的模塊化設(shè)計(jì)：

①基礎(chǔ)的自動(dòng)化庫(kù)

②專業(yè)庫(kù)

③行業(yè)庫(kù)

模塊化對(duì)于降低成本有幾個(gè)作用：

（1）.重用性代碼可以避免重新開發(fā)

（2）.經(jīng)過測(cè)試與驗(yàn)證的庫(kù)可以被安全使用，降低測(cè)試中的時(shí)間與材料浪費(fèi)；

（3）.降低了開發(fā)難度：

例如：貝加萊的mapp設(shè)計(jì)即可降低67%的研發(fā)時(shí)間。

3高可用性（Avaliability）

對(duì)于OEM設(shè)備而言，顯然，一個(gè)設(shè)備的投資用于更多的產(chǎn)品制造會(huì)帶來巨大的競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)于EndUser而言，這也意味著成本的節(jié)省，因?yàn)?，越少的投資卻可以適應(yīng)更多的產(chǎn)品生產(chǎn)，顯然是一個(gè)合算的投資。

通常：運(yùn)動(dòng)控制在這里扮演重要的角色。

（1）.運(yùn)動(dòng)控制帶來的柔性：運(yùn)動(dòng)控制首先是提供了高精度和高速的生產(chǎn)，然而，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是高性能伺服系統(tǒng)帶給機(jī)器的作用，通過簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置，不同的裁切尺寸、包裝規(guī)格、印刷長(zhǎng)度、裝訂厚度、瓶子的類型均可實(shí)現(xiàn)變換，而這一切自動(dòng)來完成。

在印刷工業(yè)我們稱之為“按需印刷“，在包裝工業(yè)我們也稱為”按需包裝“，最大的靈活性也是對(duì)設(shè)備投資的安全性保護(hù)。

（2）.早期故障診斷實(shí)現(xiàn)機(jī)器的高可用性，還包括機(jī)器的使用壽命，例如：采用預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)（基于早期診斷的狀態(tài)監(jiān)測(cè)）可以對(duì)高值設(shè)備的關(guān)鍵零部件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備使用壽命的最大延續(xù)。

4穩(wěn)定性（Reliability）

對(duì)于自動(dòng)化系統(tǒng)而言，穩(wěn)定性是必須的，很多時(shí)候，穩(wěn)定性不僅包含了硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定，也包括了軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選擇標(biāo)準(zhǔn)的，經(jīng)過測(cè)試與大量實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證過的軟件功能塊對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定也至關(guān)重要。

穩(wěn)定性就是一種高附加值的投資保障，對(duì)于自動(dòng)化行業(yè)而言，它與大部分工業(yè)領(lǐng)域一樣，穩(wěn)定可靠就是基礎(chǔ)-是默認(rèn)值。

反倒不用多言。

5工藝集成（Technology）

不同的行業(yè)，有不同的Know-How，這些是企業(yè)賴以生存的本錢，例如：印刷的套色控制、色標(biāo)的檢測(cè)，漿紗機(jī)的牽伸比控制、梳棉機(jī)的勻整算法、吹瓶的壁厚控制、岸橋的防搖，每一個(gè)機(jī)器都存在其獨(dú)特的行業(yè)工藝，對(duì)于鈑金加工、沖壓、注塑、擠出、機(jī)器人，每個(gè)行業(yè)均是如此。

自動(dòng)化行業(yè)必然以方案為導(dǎo)向的一個(gè)產(chǎn)業(yè)，所謂的方案集成，必須以行業(yè)工藝為核心，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的集成，否則，只能截取邊緣而無法涉足核心。

對(duì)于智能裝備、制造系統(tǒng)的集成同樣如此，Know-How有時(shí)也不完全以專業(yè)工藝來體現(xiàn)，而以知識(shí)的積累，如何有效的組織生產(chǎn)對(duì)于MES就會(huì)至關(guān)重要，而不同行業(yè)的不同處理如醫(yī)藥的批次處理，流程行業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)特性，離散行業(yè)的工藝順序，甚或夾具的設(shè)計(jì)都會(huì)成為Know-How的構(gòu)成。

總結(jié)即：Know-How以工藝本身出現(xiàn)，也以不同的知識(shí)集合出現(xiàn)，或者大數(shù)據(jù)分析形式出現(xiàn)，智能制造必須掌握核心Know-How，即Technology-才能生存。

三、標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化的意義

通過對(duì)S3MART的定義，我們可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)合軟件，我們可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于智能機(jī)器開發(fā)而言，標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化是關(guān)鍵，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化和模塊化的軟件帶來了我們所說的S3MART的每個(gè)環(huán)節(jié)要素。

1.標(biāo)準(zhǔn)化的意義

標(biāo)準(zhǔn)化（Standardization）對(duì)于機(jī)器開發(fā)而言就是要解決簡(jiǎn)單（Simplictiy）、可靠（Reliablity）、Technology（工藝）的問題，標(biāo)準(zhǔn)化的軟件使得代碼重用性提高，通過封裝減少實(shí)現(xiàn)機(jī)器開發(fā)的簡(jiǎn)化，并通過封裝的過程對(duì)其測(cè)試驗(yàn)證確保其可靠的軟件應(yīng)用，而標(biāo)準(zhǔn)封裝也確保了Technology-核心技術(shù)的保護(hù)，因此，標(biāo)準(zhǔn)化是智能機(jī)器開發(fā)的基礎(chǔ)。

2.模塊化設(shè)計(jì)

模塊化（Modularity）就是模塊化的軟件設(shè)計(jì)，它是為了解決可用性Avaliability的問題，智能機(jī)器集成至產(chǎn)線必須具有柔性，而模塊化軟件則讓機(jī)器的應(yīng)用程序可以被按照需求搭建，這樣可以形成不同的應(yīng)用組合，也使得機(jī)器實(shí)現(xiàn)智能—模塊化本身就是實(shí)現(xiàn)智能的一個(gè)方面。

機(jī)器開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化和個(gè)性化本身就是矛盾的，標(biāo)準(zhǔn)化降低成本卻往往會(huì)使得靈活性受到限制，那么兩者的融合便是機(jī)器開發(fā)的未來，通過不同的標(biāo)準(zhǔn)模塊組合，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器開發(fā)的靈活性，例如：貝加萊的mapp技術(shù)，即是按此設(shè)計(jì)，而mapp則是結(jié)合PLCopen的標(biāo)準(zhǔn)化和其自身的擴(kuò)展行業(yè)庫(kù)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器應(yīng)用的封裝。

四、PLCopen與智能機(jī)器開發(fā)的結(jié)合

我們對(duì)SMART進(jìn)行了理解，也對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化進(jìn)行了融合，我們?cè)賮砜碢LCopen，更有利于我們認(rèn)識(shí)其價(jià)值。

事實(shí)上，基于PLCopen的開發(fā)是被廣泛應(yīng)用的，目前國(guó)際知名的自動(dòng)化廠商如SIEMENS、B&R等均對(duì)PLCopen進(jìn)行了支持，PLCopen可以實(shí)現(xiàn)未來智能制造時(shí)代對(duì)于軟件開發(fā)的全面勝任能力：

PLCopenIEC61131-3包括了對(duì)邏輯控制的基礎(chǔ)語言與功能塊；

PLCopenMotion則包含了基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)控制、協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制（機(jī)器人與CNC）、液壓控制；

PLCopenOPCUA實(shí)現(xiàn)了對(duì)M2M、B2M的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，滿足智能制造與工業(yè)4.0時(shí)代的機(jī)器互聯(lián)需求；

PLCopenXML則針對(duì)未來的設(shè)備描述，例如工藝配方、生產(chǎn)制程數(shù)據(jù)的管理等；

PLCopen組織是一個(gè)公益性組織，獨(dú)立性確保了在利益平衡上的優(yōu)勢(shì)，也因此得以為眾多廠商普遍支持，未來，專業(yè)學(xué)生可以通過PLCopen的編程開發(fā)思想對(duì)不同的企業(yè)的控制器進(jìn)行學(xué)習(xí)，并實(shí)際開發(fā)應(yīng)用。

相對(duì)于傳統(tǒng)上學(xué)習(xí)某家廠商產(chǎn)品的模式，PLCopen更具潛力，更符合智能制造時(shí)代的產(chǎn)業(yè)需求。

PLCopen，例如圖中的狀態(tài)機(jī)即時(shí)PLCopenMotion對(duì)于機(jī)器控制的理解，它本身也是一種很好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法論，運(yùn)動(dòng)控制是由不同的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)切換的，回零、連續(xù)運(yùn)動(dòng)、同步運(yùn)動(dòng)、間歇運(yùn)動(dòng)、急停、停止、待機(jī)，如果我們?nèi)ダ斫鈾C(jī)器的話，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)不管是多么復(fù)雜的機(jī)器，其本身的過程均是由PLCopen所定義的不同狀態(tài)構(gòu)成的，并且進(jìn)行切換，那么，我們可以使用PLCopen的狀態(tài)機(jī)思想來開發(fā)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制過程，無論使用哪家公司的產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)思想?yún)s是統(tǒng)一而且規(guī)范的，那么，對(duì)于學(xué)生而言，學(xué)習(xí)一個(gè)方法就可以應(yīng)用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。

五、PLCopen庫(kù)的應(yīng)用舉例

例1:印刷機(jī)的控制開發(fā)

對(duì)于印刷機(jī)械而言，其核心在于印刷套色，基于PLCopen的庫(kù)，我們可以通過圖中的功能塊RegMarkCapture001來進(jìn)行色標(biāo)的抓取，通過RegMarkCacl001進(jìn)行色標(biāo)偏差的計(jì)算和解耦算法，并通過Offset進(jìn)行相位偏移的控制輸出，這三個(gè)功能塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)印刷的套色計(jì)算和控制，結(jié)合速度控制模塊、扭矩控制實(shí)現(xiàn)對(duì)張力控制的計(jì)算。

除了應(yīng)用于凹版印刷機(jī)的套色控制，PLCopen在柔版、商業(yè)輪轉(zhuǎn)機(jī)等高性能卷筒紙印刷領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，大大降低了開發(fā)周期。

例2：PLCopen庫(kù)在旋蓋控制中的應(yīng)用

在啤酒飲料灌裝系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)更高效且高品質(zhì)的旋蓋控制，即可借助于PLCopen的庫(kù)：

對(duì)于旋蓋而言，角度控制MC_MoveAdditive可以提高速度，它可以確保旋蓋過程以極大的速度進(jìn)行，但是，卻不能保障每個(gè)旋蓋動(dòng)作的扭矩控制質(zhì)量，通過TorqueControl模塊，可以確保每個(gè)瓶蓋的相同力矩，確保旋蓋質(zhì)量的一致性，但是，TorqueControl卻會(huì)降低效率，因?yàn)椴荒苓^高的速度，否則會(huì)將瓶子損壞。

因此，通過MC_MoveAdditive和MC_BR_TorqueControl的混合使用可以確保高品質(zhì)同時(shí)高速的旋蓋控制。

例3：PLCopenSafety安全庫(kù)的應(yīng)用

仍然以啤酒飲料灌裝設(shè)備來看，對(duì)于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器，必須考慮人身的安全以及設(shè)備的運(yùn)行安全，尤其是對(duì)連續(xù)生產(chǎn)的智能產(chǎn)線而言，其由吹瓶、清洗、灌裝、旋蓋、貼標(biāo)、膜包等一系列流程構(gòu)成，如果某個(gè)單元出現(xiàn)安全動(dòng)作，則整個(gè)生產(chǎn)線將因此停滯，帶來巨大的潛在浪費(fèi)，而SLS和STO可以解決這一問題，通過PLCopenSafety庫(kù)設(shè)計(jì)，我們可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)安全功能來確保生產(chǎn)效率與安全的平衡。

1SLS降低產(chǎn)線速度，低速運(yùn)行的機(jī)器將會(huì)帶給人身風(fēng)險(xiǎn)的極大下降，通常在人員進(jìn)入機(jī)器的安全區(qū)則速度下降，如從10m/S的線速度下降到0.5m/S，則會(huì)大幅度降低傳動(dòng)設(shè)備對(duì)人身的潛在傷害，而同時(shí)產(chǎn)線并不會(huì)因此停止帶來再開機(jī)的成本以及在制品的浪費(fèi)。

2STO，通過伺服驅(qū)動(dòng)的待機(jī)狀態(tài)，在人員進(jìn)入工作區(qū)，僅切斷力矩輸出，而不切斷電源，確保機(jī)器處于安全狀態(tài)，在人員離開后，重新啟動(dòng)工作，從當(dāng)前位置繼續(xù)。

此兩者均是基于生產(chǎn)效率與安全的平衡設(shè)計(jì)，可以通過PLCopen的Safety庫(kù)軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。