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自動(dòng)化早已不是那個(gè)自動(dòng)化
隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的熱炒,使得自動(dòng)化在其中扮演了一個(gè)越發(fā)有意思的角色,一些缺乏對(duì)制造現(xiàn)場(chǎng)了解的人總是會(huì)把PLC理解為就是做邏輯控制的,而且提起現(xiàn)場(chǎng)總線總是CAN、Modbus等,似乎自動(dòng)化是一個(gè)“傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)”,一個(gè)已經(jīng)過(guò)去的時(shí)代,人們喜歡用自動(dòng)化、信息化、智能化來(lái)為智能制造進(jìn)行“斷代”來(lái)闡述其關(guān)系,然而,事實(shí)卻并非如此—因?yàn)?,自?dòng)化是一個(gè)不斷在進(jìn)步的領(lǐng)域,而且,它是一個(gè)純粹的應(yīng)用產(chǎn)業(yè),它所有的創(chuàng)新源泉來(lái)自于“客戶(hù)需求”。
今天,我們有必要重新梳理自動(dòng)化——它不僅是控制、也包括了邊緣計(jì)算的融合、數(shù)字孿生、機(jī)器學(xué)習(xí)的融合,成為整個(gè)制造的基礎(chǔ)與核心構(gòu)成。
1、開(kāi)放互聯(lián)
開(kāi)放互聯(lián)成為必然趨勢(shì),在經(jīng)歷了現(xiàn)場(chǎng)總線、實(shí)時(shí)以太網(wǎng),自動(dòng)化的開(kāi)放互聯(lián)正邁入OPC UA over TSN的時(shí)代。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)遇到的大的挑戰(zhàn)在于“連接”問(wèn)題,復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)總線和各種協(xié)議使得IT訪問(wèn)OT變得異常困難,不經(jīng)濟(jì),成為了推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的大障礙。
OPC UA是一個(gè)推行“普通話”的過(guò)程,它使得各家不同廠商的控制器可以被采用統(tǒng)一語(yǔ)言,而TSN則扮演著“同聲傳譯”的角色。
圖1-基于OPC UA的制造業(yè)信息集成
目前整個(gè)自動(dòng)化行業(yè)的主流廠商、ICT廠商如華為、CISCO等均以開(kāi)發(fā)了基于TSN的解決方案,即將進(jìn)入批量運(yùn)營(yíng)階段。
如圖1所示,OPC UA為整個(gè)智能工廠提供了在上下游供應(yīng)鏈、車(chē)間橫向設(shè)備間的集成,也完成從傳感器到云端的垂直連接,更為重要在于OPC UA信息模型為軟件的開(kāi)發(fā)提供了保障,大幅降低工業(yè)互聯(lián)的工程成本。
2.柔性制造
無(wú)論談?wù)撝悄苤圃?、工業(yè)4.0還是所謂的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng),其實(shí),本質(zhì)都是通過(guò)信息的采集,實(shí)現(xiàn)全局的制造效率提升,響應(yīng)“大規(guī)模定制”中的高品質(zhì)、低成本要求。
但是,在底層執(zhí)行中,會(huì)遇到一個(gè)“機(jī)械”的剛性連接障礙,因此,為了解決這個(gè)問(wèn)題,各家主流自動(dòng)化廠商均推出了柔性電驅(qū)輸送系統(tǒng),如圖2的ACOPOStrak,它帶來(lái)的改變?cè)谟冢?/span>
(1)傳統(tǒng)的產(chǎn)線復(fù)雜性、精度、柔性問(wèn)題被解決;
(2)滿(mǎn)足個(gè)性化定制的生產(chǎn)需求。
圖2-可支持匯流與分流的ACOPOStrak柔性電驅(qū)輸送系統(tǒng)
它本身代表著電氣控制向機(jī)械的延展,運(yùn)動(dòng)控制邁入了機(jī)電軟一體化時(shí)代。
3.邊緣計(jì)算
邊緣計(jì)算主要聚焦于進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、連接,并在邊緣側(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)線、工廠的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度、優(yōu)化、策略問(wèn)題的解決,自動(dòng)化廠商在原有架構(gòu)上融合新的Web技術(shù)、云連接技術(shù),將這些任務(wù)以分布式形式實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的構(gòu)架。
圖3-邊緣計(jì)算軟件與硬件擴(kuò)展架構(gòu)
自動(dòng)化廠商積極的融合IT技術(shù),解決現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題,作為一個(gè)銜接制造現(xiàn)場(chǎng)和IT的中間層,邊緣計(jì)算解決了本地的設(shè)備集成、OEE計(jì)算、能源計(jì)量、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、品質(zhì)管理的功能。
通過(guò)OPC UA,自動(dòng)化系統(tǒng)可以與來(lái)自開(kāi)放世界的各種邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)開(kāi)放連接,發(fā)揮各自的能力,包括與云端服務(wù)的對(duì)接,自動(dòng)化可以為其提供基礎(chǔ)的制造現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),以及預(yù)先處理好的結(jié)構(gòu)化信息。
4.機(jī)器學(xué)習(xí)
今天,我們討論機(jī)器人工智能,然而,工程本身就是數(shù)學(xué)問(wèn)題,在1931年,科爾莫哥洛夫發(fā)表了統(tǒng)計(jì)學(xué)和隨機(jī)過(guò)程方面的《概率論中的分析方法》,它奠定了馬爾科夫過(guò)程的理論基礎(chǔ)—它成為信息論、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)科學(xué)工具,然而,數(shù)問(wèn)題可以轉(zhuǎn)換為軟件問(wèn)題,首先在數(shù)學(xué)工具上可行,那么軟件才具有可行性,接著是實(shí)現(xiàn)—是否有足夠的計(jì)算能力,以及如何與對(duì)象結(jié)合。
事實(shí)上,在早期的控制器即可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制,例如,貝加萊在90年代初即推出基于pSOS+定性分時(shí)多任務(wù)的操作系統(tǒng),已經(jīng)可以支持語(yǔ)言的編程,今天的PLC已經(jīng)可以直接運(yùn)行基于C/C++等語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的程序,基于PC架構(gòu)的控制器可以通過(guò)多種形式來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能的算法運(yùn)行。
圖4-機(jī)器學(xué)習(xí)可以直接運(yùn)行于PLC
實(shí)際上,機(jī)器學(xué)習(xí)并非那么神秘,簡(jiǎn)單說(shuō),自動(dòng)化系統(tǒng)大的優(yōu)勢(shì)在于已有的機(jī)器控制模型,在這個(gè)模型上加一個(gè)觀測(cè)器,采用成本函數(shù)對(duì)其進(jìn)行約束,在非線性階段對(duì)其進(jìn)行“學(xué)習(xí)”,而學(xué)習(xí)是一個(gè)數(shù)學(xué)意義上的概念,只要數(shù)學(xué)上有模型,即可編程,并運(yùn)行于控制器上。對(duì)于更為復(fù)雜的學(xué)習(xí),其同樣是可以在控制器上編程的,很多人理解的PLC是邏輯控制,但是,像貝加萊的控制器早已可以采用語(yǔ)言編程—這件事情20多年前就可以了。
圖5-通過(guò)Hypervisor技術(shù)實(shí)現(xiàn)多核任務(wù)處理
對(duì)于一些簡(jiǎn)單的機(jī)器學(xué)習(xí)而言直接在PLC上即可運(yùn)行,同時(shí),在貝加萊新的Hypervisor技術(shù),可以將PCI標(biāo)準(zhǔn)的AI加速卡插入,由Windows對(duì)其進(jìn)行處理,并同時(shí)并行運(yùn)行RTOS來(lái)與物理被控對(duì)象連接,可以直接在一個(gè)架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)與對(duì)象的直接交互。
5.軟件定義智能
自動(dòng)化的確正在成為一個(gè)軟件行業(yè),因?yàn)?,智能通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),簡(jiǎn)單的修改即可實(shí)現(xiàn)復(fù)用,而且,軟件本身在智能制造中的角色也變得更為復(fù)雜,我們會(huì)驚奇的發(fā)現(xiàn),自動(dòng)化行業(yè)里*的軟件,無(wú)論是RTOS還是集成開(kāi)發(fā)環(huán)境如Automation Studio,還是針對(duì)行業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化PLCopen庫(kù)、以及為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)放互聯(lián)的Web服務(wù)器集成。
圖6-自動(dòng)化軟件價(jià)值體系
軟件正在成為自動(dòng)化行業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力—數(shù)十年于各個(gè)領(lǐng)域知識(shí)的積累,并且在未來(lái),這些積累的控制對(duì)象與模型成為知識(shí)集成的基礎(chǔ),也為數(shù)據(jù)分析與人工智能奠定基礎(chǔ)。
6.機(jī)器視覺(jué)
隨著生產(chǎn)的集成,自動(dòng)化正在將視覺(jué)系統(tǒng)也納入到其架構(gòu)中,在2018年,貝加萊即推出“集成視覺(jué)”,這個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)將機(jī)器的邏輯、運(yùn)動(dòng)控制與視覺(jué)感知在統(tǒng)一架構(gòu)下進(jìn)行編程開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)為直接的同步,并且,解決由于傳統(tǒng)視覺(jué)與自動(dòng)化系統(tǒng)之間的“通信連接”、“配置”、“編程”的壁壘,這帶來(lái)很多好處:
?無(wú)需復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)配置;
?可以無(wú)縫的軟件變量耦合;
?可以別的實(shí)現(xiàn)同步關(guān)系;
?避免多個(gè)軟件的銜接影響各自性能的發(fā)揮。
圖7-集成機(jī)器視覺(jué)
集成視覺(jué)為機(jī)器與產(chǎn)線協(xié)同提供了為有效的改善,這將成為未來(lái)視覺(jué)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。
7.建模仿真
個(gè)性化制造大的挑戰(zhàn)在于“開(kāi)機(jī)浪費(fèi)”、“測(cè)試驗(yàn)證”中的浪費(fèi),這往往是一個(gè)燒錢(qián)的過(guò)程,因此,在過(guò)去的數(shù)十年里,建模仿真技術(shù)一直應(yīng)用于機(jī)器與系統(tǒng)開(kāi)發(fā),然而在過(guò)去,仿真后的程序又需要復(fù)雜的過(guò)程才能實(shí)現(xiàn)在控制器上的運(yùn)行,而自2008年Mathworks推出基于C代碼自動(dòng)生成的工具,貝加萊Automation Studio即可實(shí)現(xiàn)一鍵導(dǎo)入,這樣可以直接在控制器上運(yùn)行自動(dòng)代碼。
另外,通過(guò)與MapSim通過(guò)FMI接口,實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣控制的協(xié)同仿真,這樣的方式可以讓機(jī)電一體化更為緊密的結(jié)合,在系統(tǒng)中對(duì)傳動(dòng)鏈、控制邏輯與對(duì)象進(jìn)行融合,并實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中的測(cè)試驗(yàn)證。
圖8-基于數(shù)字孿生設(shè)計(jì)的ACOPOStrak應(yīng)用
建模仿真也構(gòu)成了今天“數(shù)字孿生”概念的核心部分,在圖8中,通過(guò)MapSim的建模可以與控制對(duì)象的模型進(jìn)行交互,并通過(guò)Scene Viewer實(shí)現(xiàn)三維呈現(xiàn),可以直接在控制器上運(yùn)行并反饋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際傳感器回饋數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)字與物理對(duì)象的交互,為早期驗(yàn)證與虛擬調(diào)試提供便利。
建模仿真是一種創(chuàng)新性的開(kāi)發(fā)方法,在今天,我們?cè)絹?lái)越多的應(yīng)用這些方法來(lái)解決很多產(chǎn)業(yè)問(wèn)題:
(1)早期驗(yàn)證與測(cè)試,虛擬調(diào)試,大程度降低測(cè)試驗(yàn)證成本;
(2)開(kāi)發(fā)可復(fù)用的軟件模塊,降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本;
(3)通過(guò)自動(dòng)代碼生成降低開(kāi)發(fā)成本。
……
自動(dòng)化顯然已經(jīng)不是那個(gè)自動(dòng)化,然而,自動(dòng)化永遠(yuǎn)都是以“用戶(hù)為中心”的產(chǎn)業(yè),開(kāi)放連接、集成各種領(lǐng)域知識(shí),一切都是為了讓制造業(yè)的用戶(hù)體會(huì)到“質(zhì)量的不斷提高”、“成本的不斷下降”、“快速交付”,以及今天更為“個(gè)性化定制”的需求。