最近幾年，工業(yè)軟件成為產(chǎn)業(yè)熱議的焦點。然而人們更多的目光放在了CAX、仿真類軟件;而作為制造工廠里最大資產(chǎn)占比的機器，它們所運行的嵌入式軟件，以及開發(fā)這些嵌入式應(yīng)用的平臺軟件尚未得到重視。本文將以機器開發(fā)的軟件演進，以及開發(fā)平臺如何有效的構(gòu)建機器的應(yīng)用軟件的機制，來闡述自動化開發(fā)工業(yè)平臺軟件的價值和意義。

　　文/貝加萊工業(yè)自動化(中國)有限公司

　　1 從印刷的視角看機器的演進

　　為了清晰地說明機器的發(fā)展，我們可以選擇其中一個行業(yè)，如印刷技術(shù)，來展示機器控制技術(shù)的演進。

　　印刷，改變著人類文明的進程，通過印刷，文字所承載的文明得以被傳承。經(jīng)歷了雕版/活字，到古登堡的機械傳動印刷機、輪轉(zhuǎn)印刷機、卷筒印刷這個鉛與火的時代，在20世紀進入了電氣傳動控制時代，印刷也快速進入了發(fā)展變更期，及至數(shù)字印刷技術(shù)的快速成長，并從單機發(fā)展到數(shù)字化運營時代。

　　自20世紀進入電氣時代，印刷機開始有了電機驅(qū)動機械長軸傳動的階段。到了約90年代，伺服電機被廣泛應(yīng)用，電子軸或稱為無軸傳動開始逐步取代機械長軸，以提供更高速和靈活的印刷作業(yè)。隨著紙張的種類開始擴張，瓦楞紙、塑料薄膜、金屬材料也被用于包裝材料，印刷開始擴張到軟包裝、紙板、金屬等包裝領(lǐng)域。印刷的速度不斷突破極限(高速新聞紙可以達到1200m/min速度)，而精度也在不斷的提高。另一方面，作為一個傳統(tǒng)領(lǐng)域，它在不斷的競爭中對于成本也變得苛刻——這就要求更低的廢品率，以及快速切換中降低浪費……凡此種種，都依賴于控制技術(shù)來保障。

　　圖1 印刷關(guān)鍵控制工藝軟件

　　如圖1所示，印刷機也需要更多的控制軟件支撐這些復(fù)雜的變化，以及更高的精度與速度要求。在印刷機里，包括張力控制、色標檢測、套色控制、視覺、智能調(diào)壓、智能學(xué)習(xí)等，都被應(yīng)用于各種印刷機組的控制系統(tǒng)中。

　　這種包括印刷機的各種領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)機器中運行的軟件，往往被忽視——而制造業(yè)的關(guān)鍵通常又在這里——設(shè)備是工廠最為重要的資產(chǎn)，它的穩(wěn)定運行決定企業(yè)的盈利能力。這些被看不到的軟件，決定著機器的競爭力：更高的品質(zhì)，更高速、更廣泛的材料適應(yīng)性，更為全局的連接。

　　而在不同的機器制造業(yè)，這種電氣傳動從機械轉(zhuǎn)為伺服軸控制已經(jīng)被廣泛普及，例如全電動注塑機、全伺服熱膜包裝、多電機傳動紡紗、全伺服軸嬰兒紙尿褲……以及材料科技在不同領(lǐng)域的擴展應(yīng)用，令工藝與傳動控制變得越發(fā)復(fù)雜。這同樣意味著機器的程序不再是30年前那種簡單邏輯、電氣傳動控制，更多的工藝控制、智能優(yōu)化需要被開發(fā)。

　　2 工業(yè)軟件在其中扮演的角色

　　早在1997年，貝加萊的Automation Studio工具平臺即被投入運行，它的架構(gòu)極為靈活。即使今天，20多年過去了，它依舊能夠不斷跟隨前沿技術(shù)，成為一個全集成自動化工程平臺。我們講制造業(yè)里的“工業(yè)軟件”，Automation Studio就是“軟件的軟件”，即用于這些控制系統(tǒng)應(yīng)用的開發(fā)，類似于半導(dǎo)體里的EDA設(shè)計軟件。

　　就如同PC在我們生活中的應(yīng)用一樣，它同樣需要一個開發(fā)平臺，無論是.Net、還是Java、Docker等，都需要開發(fā)工具。而裝備與這些軟件的開發(fā)更多的還在于它是一個跨平臺、跨學(xué)科的集成。

　　(1)控制對象的演進

　　在70-90年代的電氣發(fā)展時代，PLC雖然已經(jīng)很好地管理了機器，但那時的機器還主要是邏輯控制，有些機器會有算法需求，比如注塑、單晶爐、PECVD這類設(shè)備。而且，大多數(shù)機器也就是純機械，電氣傳動也是靠主軸傳動的方式，所以，使用變頻器就可以了，它能夠穩(wěn)定地提供速度環(huán)控制。

　　機器之所越來越復(fù)雜，在于越來越高的加工需求，包括：

　　l 運動控制：印刷機從機械軸改為電子軸，而注塑機也從液壓改為全電動，紡織機械從機械改為多電機傳動，連火車都由單一車頭牽引改為“動車組”——這些都是一種獨立驅(qū)動技術(shù)，目的在于為機器提供更為靈活的生產(chǎn)能力;

　　l 視覺：今天，視覺成本越來越低，其本身可以獲得更多的檢測資源;

　　l 機器人：被集成到了機器里，以配合生產(chǎn)的外圍撿取、上下料任務(wù)，有些是配合機器的加工任務(wù);

　　l 柔性輸送：采用電磁控制的長定子直線電機，也被用于后道的組裝，以改變機械輸送對生產(chǎn)的束縛，讓生產(chǎn)獲得更大柔性，并在個性化時代獲得效率提升;

　　l 安全：隨著機器速度的提高，以及連線生產(chǎn)、機器人的集成，它對于人的潛在傷害風(fēng)險也隨之加大，而功能安全成為了機器人身安全的保障，它需要機器安裝獨立的采集與控制單元，并經(jīng)由安全測試與認證;

　　l HMI：以前僅需要幾個按鈕、儀表，這顯然無法滿足較為復(fù)雜的圖形界面顯示(如動畫)，它會讓機器操作更為簡單;

　　l AI集成：在硬件上，控制器的算力得到了進一步提升，而另一方面作為一種軟件對象，它為機器提供了更為智能的動態(tài)迭代能力，因此，也成為了當前快速發(fā)展的領(lǐng)域，它需要與機器的實時控制交互來讓機器變得更聰明。

　　(2)機器開發(fā)的流程

　　機器開發(fā)的過程，包含了很多個任務(wù)。

　　首先，在工程方面的配置、代碼開發(fā)與封裝方面，需要平臺進行支持——在仿真方面，也需要與第三方的機械、工藝進行交互與協(xié)助，在測試驗證方面，需要針對邏輯、運動、機器人動作等進行聯(lián)調(diào)，以確保符合設(shè)計。

　　其次，在仿真方面，除了控制系統(tǒng)自身，也需要結(jié)合機電傳動控制、工藝建模與仿真，并實現(xiàn)機電、工藝與控制的協(xié)同仿真，采用虛擬測試驗證方式來降低物理測試驗證成本，以及并行開發(fā)來縮短機器開發(fā)周期。

　　其三，在機器的調(diào)試階段，針對邏輯、工藝、電氣傳動軸的程序、參數(shù)來進行調(diào)試，并能夠為工程師反饋機器本身的運行狀態(tài)及潛在的機械問題，進而有效地提升開發(fā)效率。

　　最后，在機器運行現(xiàn)場，平臺軟件可以進行診斷與維護，并提供現(xiàn)場人員的程序升級等任務(wù)，通過便捷的支持，實現(xiàn)遠程的機器運維工作。

　　3 Automation Studio對于機器研發(fā)的意義

　　Automation Studio設(shè)計為機器的開發(fā)者提供專業(yè)的開發(fā)平臺支持，它在機器開發(fā)的各個階段提供高效開發(fā)集成。

　　(1)建模與仿真

　　它可以針對硬件、機器層面、生產(chǎn)過程多個級別的仿真，通過FMU/FMI或OPC UA接口，提供與第三方的仿真軟件之間的交互與協(xié)作。

　　通過這些建模仿真軟件間的協(xié)作，可以實現(xiàn)機器開發(fā)中的各種仿真，以提高開發(fā)效率。

　　圖2 多個層級的建模與仿真軟件接口

　　(2)軟件與工藝集成

　　對于任何機器而言，其實它們的應(yīng)用軟件具有相同的分類：

　　如圖3所示，可以看到，機器本身的運行平臺、實時操作系統(tǒng)確保機器的高速實時響應(yīng)。

　　而機器的軟件，則由不同的應(yīng)用構(gòu)成。機器也同樣由大量的APP構(gòu)成，包括：

　　l mappControl——主要聚焦在工藝控制類，如溫度、壓力、張力等，這些構(gòu)成了控制的工藝核心算法;

　　l mappMotion——用于軸、軸同步、CNC、機器人、液壓庫等，提供機器的機電傳動控制;

　　l mappVIEW——用于機器的可視化，基于Web技術(shù)，多終端訪問并支持拖拽的畫面編排;

　　l mappService——包括機器的基本功能、報警、趨勢、配方、用戶、數(shù)據(jù)等各種功能;

　　l mappSafety——提供滿足功能安全的安全邏輯設(shè)計、測試與驗證……

　　圖3 Automation Studio的裝備應(yīng)用軟件開發(fā)平臺

　　如果mapp中沒有的行業(yè)或客戶獨特的算法，則可以基于C/C++等開發(fā)，或采用MATLAB/Simulink為復(fù)用的模塊開發(fā)，也可以被封裝為不同的APP，與其它已有模塊共同構(gòu)成機器應(yīng)用。

　　4 連接——為了更高效率的機器

　　在任何時候，機器的速度與精度總是矛盾的——唯一可以協(xié)調(diào)這個矛盾的，就是通信的時間粒度，也被稱為“實時性”。通過更快的采樣頻率，機器的傳輸、控制循環(huán)可達到更為高速、高精度。

　　工程連接，必須有足夠的開放性，以支持跨供應(yīng)商的協(xié)作，貝加萊提供了針對各個實時網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模塊，包括硬件和軟件。

　　連接的另一個應(yīng)用在于“遠程”的診斷與維護，這可以通過無所不在的云資源來實現(xiàn)。

　　圖5 連接與服務(wù)

　　貝加萊不僅提供硬件的通信模塊，并且這些各種通信的配置、軟件調(diào)用都被封裝為可直接使用的模塊，通

　　過簡單配置，即可與第三方系統(tǒng)實現(xiàn)連接。

　　5 AI讓機器更“聰明”

　　AI的相關(guān)方法，如機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)，其實很早就已經(jīng)被控制理論研究所應(yīng)用于控制。但是，過去由于算力的成本高昂，另一方面，也因為機理下的競爭也“夠用”，因此，AI尚未被工業(yè)界有效的采用。

　　今天，首先是競爭越來越走向物理的極限，這導(dǎo)致了在剩余的那些改善空間里的提升都是致勝的關(guān)鍵。其次，算力也不再那么昂貴。這些為AI提供了一種對機器的動態(tài)持續(xù)改善。

　　自動化與AI的資源橋接——交互。畢竟一個是周期性任務(wù)(Cyclic Task)、一個是事件驅(qū)動型任務(wù)(Event-driven Task)，其運行的平臺也通常為RTOS和GPOS，因此需要構(gòu)建一個連接，讓IT和OT可以交互，以發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

　　圖6 exOS連接AI世界

　　在貝加萊，exOS是一個可以將基于Linux平臺的算法打包為Automation Studio可調(diào)用的模塊導(dǎo)入，使得周期性的控制任務(wù)，可以為AI的學(xué)習(xí)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。而另一方面，通過學(xué)習(xí)系統(tǒng)訓(xùn)練的模型，也可以為實時任務(wù)提供新的“經(jīng)過優(yōu)化的參數(shù)”或“判斷和推理的規(guī)則”。

　　通過IT與OT融合，機器會變得更“聰明”，這就相當于過去的自動化任務(wù)是按照既定邏輯來調(diào)度紅綠燈，而現(xiàn)在，它可以根據(jù)檢測的流量，來為各個方向的紅綠燈配置最合適的時間，以達到整個交通流的效率最高。這里的關(guān)鍵詞是“更聰明”——因為，它在持續(xù)采樣，持續(xù)學(xué)習(xí)，持續(xù)分析決策。

　　6 打造裝備企業(yè)的軟實力

　　Automation Studio是一款機器裝備開發(fā)的工具平臺，它能夠為不同領(lǐng)域的用戶提供高效的機器開發(fā)工具，打造企業(yè)自身的軟實力，它是機器控制領(lǐng)域的首選工業(yè)軟件平臺?？偨Y(jié)它帶來的好處可以包括以下幾點：

　　(1)構(gòu)建長期可用的高質(zhì)量發(fā)展平臺

　　對于裝備企業(yè)的長期發(fā)展，的確需要一個穩(wěn)定的、能夠支撐其可持續(xù)的技術(shù)研發(fā)平臺，這可以確保企業(yè)的知識和資源能夠被有效的保存，進入一個良性的研發(fā)迭代過程，為企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

　　(2)創(chuàng)新性開發(fā)

　　開放的架構(gòu)，會讓裝備企業(yè)能夠通過與機電仿真、控制工藝建模軟件間形成創(chuàng)新性的設(shè)計，并且，在數(shù)字時代，可以與AI的應(yīng)用資源結(jié)合。

　　(3)知識復(fù)用降低工程成本

　　Automation Studio的知識封裝，積累了行業(yè)數(shù)十年的經(jīng)驗，可以與用戶分享，同時，自主開發(fā)的功能也可以被復(fù)用，這都是降低工程成本的關(guān)鍵因素，也降低了人員流動帶來的知識流失風(fēng)險。

　　(4)快速面市

　　讓機器能夠更為快速的迭代，并且升級的機器也可以節(jié)省大量開發(fā)時間，這就使得機器制造商總能走在市場的前沿。