預(yù)先設(shè)計(jì)（upfront design）可以節(jié)省設(shè)計(jì)人員的時(shí)間和精力，還減少了在機(jī)器生命周期后期會(huì)出現(xiàn)的諸多麻煩。本文介紹了機(jī)器控制設(shè)計(jì)中的10個(gè)非常有用的技巧。 你是否有過(guò)這樣的經(jīng)歷：當(dāng)使用一臺(tái)機(jī)器設(shè)備時(shí)，你會(huì)抱怨工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)沒(méi)能充分考慮用戶的感受。為了幫助工程師設(shè)計(jì)出易于使用的機(jī)器，本文從自動(dòng)化、控制、儀表、傳感器、邏輯器件和通信技術(shù)等方面介紹了10個(gè)設(shè)計(jì)技巧。一旦掌握了這10個(gè)技巧，工程師們就可以在設(shè)計(jì)中節(jié)省大量的時(shí)間和精力，還能避免將來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)的諸多麻煩。 　　 1.調(diào)查、研究和量化 　　 搜集信息，做出計(jì)劃，然后一絲不茍地向既定目標(biāo)前進(jìn)。這是機(jī)器設(shè)計(jì)流程的一個(gè)寫(xiě)照。為了追求產(chǎn)品高度的靈活性和適應(yīng)性，工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)常常會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，不斷給產(chǎn)品添加新的功能，卻最終導(dǎo)致產(chǎn)品的過(guò)度復(fù)雜。 　　 工業(yè)系統(tǒng)集成商Concept Systems公司的創(chuàng)始人Michael Gurney 和 Ed Diehl介紹說(shuō)：“在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，一旦確定了優(yōu)先次序，那就應(yīng)該立刻從最劃算的地方著手。關(guān)于過(guò)程控制和質(zhì)量控制的統(tǒng)計(jì)分析是非常有用的信息?！? “模塊化的機(jī)器設(shè)計(jì)和制造方法可以一方面滿足不斷增長(zhǎng)的客制化的設(shè)計(jì)要求，另一方面縮短機(jī)器的開(kāi)發(fā)時(shí)間，同時(shí)還能降低OEM的制造成本?！盤(pán)hoenix Contact公司自動(dòng)化產(chǎn)品經(jīng)理Larry Komarek說(shuō)。 　　 Komarek還建議說(shuō)：“將機(jī)器或者機(jī)器系列分解為不同的功能部件，每一功能部件都具有相應(yīng)的機(jī)械、自控元件和軟件程序。將這些功能部件搭配組合就可以創(chuàng)建出用戶客制化的配置或者‘小型/中型/大型’的產(chǎn)品系列。經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)、預(yù)先文檔化和預(yù)先測(cè)試的功能部件可以被快速生產(chǎn)出來(lái)，而且還降低了生產(chǎn)成本。” 　　 2.標(biāo)準(zhǔn)和安全 　　 Gurney 和 Diehl指出，借助標(biāo)準(zhǔn)的通用接口，產(chǎn)品可以集成最佳的系統(tǒng)組件，同時(shí)還減少了專(zhuān)用控制系統(tǒng)的設(shè)備過(guò)時(shí)報(bào)廢等問(wèn)題。 　　 在設(shè)計(jì)軟件中積累的知識(shí)可以被轉(zhuǎn)化為機(jī)器代碼，從而避免了對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的修改。有些設(shè)計(jì)軟件提供了面向STEP和IGES文件格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。STEP，即產(chǎn)品型號(hào)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（ISO 10303），定義了如何描述和交換數(shù)字化的產(chǎn)品信息。 “在設(shè)計(jì)分布控制時(shí)要充分利用NEC code中群組電動(dòng)機(jī)安裝規(guī)定（group motor installation provisions）的第430.53 （c）條。這樣做的好處是，可以減少分支電路的數(shù)量，降低成本，消除EMC噪聲，無(wú)需重新布線和調(diào)試就可以更換各功能模塊，增強(qiáng)了產(chǎn)品的靈活性。” SEW-Eurodrive公司的電子產(chǎn)品經(jīng)理Rich Mintz介紹說(shuō)。 　　 Schneider Electric公司的機(jī)器安全產(chǎn)品經(jīng)理Larry Sunday說(shuō)：“在安全方面，自從NFPA-79 2002年修訂版發(fā)布以來(lái)，所有的通用機(jī)器設(shè)計(jì)都應(yīng)遵守IEC 60204-1 Category 4標(biāo)準(zhǔn)。它是安全規(guī)范的最高標(biāo)準(zhǔn)，要求所有的機(jī)器設(shè)計(jì)都應(yīng)考慮到安全繼電器和安全連鎖裝置?！?同時(shí)他又提到：“2002年修訂版將NFPA-79和IEC 60204-1國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一起來(lái)。美國(guó)人的慣常做法是在基本控制電路中使用標(biāo)準(zhǔn)的繼電器，以保證所謂的‘控制可靠度’。但對(duì)于IEC 60204-1 Category 4標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的?！? 　　 3.傳感器和機(jī)器視覺(jué) “不要在設(shè)計(jì)末期才考慮到傳感器的問(wèn)題。小型智能的傳感器常常會(huì)帶來(lái)意想不到的好處。在元件底板空間已經(jīng)確定的情況下，一個(gè)價(jià)廉物美的傳感器有時(shí)會(huì)解決大問(wèn)題”, Banner Engineering公司的技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理Joseph Dolinsky說(shuō)。 　　 Cognex公司的In-Sight 視覺(jué)傳感器產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Mark Sippel指出，采用何種方式處理檢測(cè)和過(guò)程反饋取決于很多的因素。 　　 這些因素包括：反饋信息是否需要在多路離散檢測(cè)、抑制或其他系統(tǒng)間共享？是否需要有一個(gè)控制器負(fù)責(zé)檢測(cè)結(jié)果與輔助任務(wù)的協(xié)調(diào)？如何交流和使用檢測(cè)結(jié)果？如果I/O設(shè)備用于通信的話，那么其他的控制端口的類(lèi)型是什么？位置在哪兒？燈光、電源和數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蛩匾残枰豢紤]到。 [ALIGN=CENTER] 圖1：SpanTech（傳輸設(shè)備OEM）使用SEW Eurodrive的模塊化分 散控制技術(shù)重新配置生產(chǎn)線時(shí)，體現(xiàn)了速度和靈活性。[/ALIGN] 4.軟硬件的邏輯平臺(tái) 　　 National Instruments工業(yè)數(shù)據(jù)采集和控制部門(mén)的產(chǎn)品經(jīng)理Rahul Kulkarni說(shuō)：“機(jī)器設(shè)計(jì)漫長(zhǎng)征途的第一步，就是正確地選擇一個(gè)邏輯平臺(tái)?，F(xiàn)在普遍采用的控制器有：PLC，PC-104，PCI，PXI或者是常規(guī)的電路板。在決定采用哪一個(gè)控制器平臺(tái)前，一定要充分考慮該控制器所要執(zhí)行的全部功能（例如邏輯控制、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)以及機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控等）。 　　 編程工具應(yīng)該易于掌握，生成的代碼應(yīng)該是模塊化、易升級(jí)和可重用的。Rockwell Automation的全球OEM技術(shù)顧問(wèn)Dan Seger介紹說(shuō)：“選定一個(gè)控制架構(gòu)解決方案以使設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。從控制器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，到外圍設(shè)備和操作員界面，對(duì)于這些組件的選擇如果只從采購(gòu)成本最低的角度考慮，那么就會(huì)給后期開(kāi)發(fā)帶來(lái)麻煩。同樣，良好的連通性（例如將各個(gè)設(shè)備組件緊湊裝配，緊密通信）可以提高效率和降低成本。相反地，如果在設(shè)計(jì)中采用的是廉價(jià)的設(shè)備通信方案，那么不僅難以使用，而且會(huì)在工程起始和維護(hù)階段耗費(fèi)大量的時(shí)間?！睘榱巳〉米罴训男Ч?，他建議將控制和信息共享兩部分的編程工作分開(kāi)進(jìn)行。其他有價(jià)值的做法還包括：結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)形式，下拉式菜單以及根據(jù)功能分類(lèi)的基于代碼的對(duì)象庫(kù)等。 　　 5.執(zhí)行機(jī)構(gòu) 　　 根據(jù)應(yīng)用需要，選擇合適的氣動(dòng)、液壓和電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同樣，運(yùn)動(dòng)控制器也需要認(rèn)真選擇。那么，可以采用電動(dòng)機(jī)控制單元（MCU）或者數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）進(jìn)行電動(dòng)機(jī)控制嗎？ 　　 Texas Instruments的電動(dòng)機(jī)控制策略專(zhuān)家Kedar Godbole建議，要尋求性能創(chuàng)新和降低系統(tǒng)成本，在性能和價(jià)格間取得平衡（獲得最佳的性?xún)r(jià)比），在快速軟件開(kāi)發(fā)中采用高效的C/C++內(nèi)核，使用靈活易用的工具，以及進(jìn)行高水平的模擬集成。 SEW-Eurodrive公司的Jan Lindholm說(shuō)：“相對(duì)于機(jī)械摩擦機(jī)構(gòu)，控制機(jī)構(gòu)往往更加適用而高效。與離合制動(dòng)器等類(lèi)似的解決方案相比，變頻器（特別是閉環(huán)的）能夠?qū)⒅芷谘娱L(zhǎng)至2到3倍，同時(shí)還能降低設(shè)備的磨損和維護(hù)的成本。” Lindholm又解釋說(shuō)：“變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)與無(wú)傳感器矢量控制、磁通矢量控制和交流無(wú)刷伺服系統(tǒng)相結(jié)合，可以解決很多電機(jī)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題?！? 　　 6.顯示屏和按鈕，孰優(yōu)孰劣 ？ 　　 基于顯示屏的人機(jī)界面（HMI）和按鈕，孰優(yōu)孰劣？答案是：用觸摸屏代替按鈕是有益的。HMI工具包自帶的模板適應(yīng)性強(qiáng)，而且可以重用。 　　 Omron Electronics的軟件產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Joe Rubino介紹說(shuō)：“HMI還有其他一些優(yōu)點(diǎn)，如數(shù)據(jù)互聯(lián)和診斷能力。診斷能力可以帶來(lái)機(jī)器軟硬件正常運(yùn)行時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)、簡(jiǎn)便連通能力和降低編程工作量，真是物有所值。” 　　 7.網(wǎng)絡(luò)與通信 　　 采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以減輕機(jī)器內(nèi)外布線和通信譯碼的工作量。Opto 22 公司的行銷(xiāo)專(zhuān)家 David Crump介紹說(shuō)：“機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）通信技術(shù)增強(qiáng)了機(jī)器的連通性。借助于無(wú)線技術(shù)，可將機(jī)器設(shè)備與企業(yè)信息系統(tǒng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控和啟動(dòng)，生產(chǎn)狀況實(shí)時(shí)報(bào)告以及其他一些操作。M2M還能幫助機(jī)器設(shè)計(jì)人員跟蹤機(jī)器的生命周期，識(shí)別故障點(diǎn)，改進(jìn)未來(lái)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，M2M還能為企業(yè)創(chuàng)造更多的營(yíng)收機(jī)會(huì)，例如，為用戶提供超前設(shè)備維護(hù)和維修等增值服務(wù)。” 　　 NI的Kulkarni說(shuō)：“無(wú)線技術(shù)種類(lèi)繁多。對(duì)于遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和工廠HMI/SCADA系統(tǒng)間的M2M通信，由于傳輸距離長(zhǎng)達(dá)數(shù)百英里，所以應(yīng)該采用衛(wèi)星通信或者蜂窩電話通信方式。對(duì)于控制器/PLC和HMI/SCADA系統(tǒng)間的通信，IEEE 802.11無(wú)線通信技術(shù)是最適用的。然而，對(duì)于控制器和傳感器間的通信，由于傳輸距離只有10～100 米，采用藍(lán)牙技術(shù)或Zigbee技術(shù)則更為有效?！? 　　 Rockwell Automation的Seger指出：“（在設(shè)計(jì)不同設(shè)備間的通信時(shí)）要避免采用RS-232和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，否則要耗費(fèi)大量的時(shí)間編寫(xiě)專(zhuān)用的通信驅(qū)動(dòng)程序來(lái)支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。這是一件費(fèi)時(shí)費(fèi)力而又不會(huì)增值的工作。而對(duì)于機(jī)器內(nèi)部，如果I/O級(jí)采用一個(gè)安全的終端技術(shù)則可以節(jié)省裝配和檢修的時(shí)間?！?Wago公司的市場(chǎng)經(jīng)理Dean Norton說(shuō)：“Wago公司的免螺絲籠式彈簧夾持（Cage Clamp）端子具有更高的靈活性，可以縮短60%的布線時(shí)間，在有些應(yīng)用場(chǎng)合可以免除每6至8個(gè)月對(duì)機(jī)器進(jìn)行加固的需要。該接線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)布線，滿足所有機(jī)器I/O的要求，并可方便在設(shè)計(jì)后期采用合適的總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制器的通信?！? [ALIGN=CENTER] 圖2：提供籠式彈簧夾持端子/無(wú)線端子的Wago公司說(shuō)， 選用免螺絲端子方式可以節(jié)省60%的布線時(shí)間。[/ALIGN] 8.電源 　　 直接購(gòu)買(mǎi)電源系統(tǒng)，而不要試圖自己設(shè)計(jì)它們，這樣可以節(jié)省大量時(shí)間和精力。 　　 電源、總線、管理系統(tǒng)和智能組件都能向HMI提交報(bào)告，這樣可以達(dá)到更高的系統(tǒng)集成和效率。隔離、監(jiān)測(cè)和屏蔽措施可以保證最小的傳輸線和EMF干擾。 　　 9.集成 　　 從整個(gè)生產(chǎn)流程的角度考慮機(jī)器設(shè)計(jì)可以極大的提高效率。FlexLink Systems AB的CEO Fredrik J歯sson說(shuō)：“通常情況下，一條機(jī)器生產(chǎn)線的能力只被發(fā)揮了30%。如果能從整個(gè)生產(chǎn)流程的角度考慮機(jī)械設(shè)計(jì)的話，那么生產(chǎn)線的利用率會(huì)被大大提高。” 　　 綜合來(lái)自機(jī)床的信息會(huì)產(chǎn)生比機(jī)器本身更多的效益。一些主要的工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)組織指出，STEP數(shù)據(jù)庫(kù)可以降低分別高達(dá)35% 和75%的生產(chǎn)計(jì)劃和制造控制成本（數(shù)據(jù)來(lái)源：Step Tools Inc）。 　　 10.及時(shí)的項(xiàng)目總結(jié) 　　 當(dāng)項(xiàng)目接近尾聲時(shí)，不妨抽些時(shí)間對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估和總結(jié)，以方便下一輪的設(shè)計(jì)。