1 邏輯控制與算法設(shè)計(jì)

　　機(jī)器，早期通過各種畜力、水力、蒸汽機(jī)等方式來實(shí)現(xiàn)傳動。操作也從人工操作演變到了電氣時(shí)代通過繼電器邏輯來實(shí)現(xiàn)。伴隨著晶體管技術(shù)和IC封裝的進(jìn)步，PLC和變頻器逐漸被用于作為機(jī)器的控制與傳動的核心部件。變頻電機(jī)可大幅提升能源使用效率，而PLC則加快了機(jī)器的設(shè)計(jì)靈活性。

       即使在今天，很多人提及“PLC”，還是把它理解為“邏輯”控制器，畢竟它的名字在70年代就被定義了。今時(shí)今日，PLC這個(gè)詞似乎約束了“PLC”作為一種普遍存在的控制器的應(yīng)用邊界。盡管今天的PLC早已不是當(dāng)年的PLC——而且，很多應(yīng)用已經(jīng)不是傳統(tǒng)PLC可以解決的，并且，PLC作為“邏輯”控制器這一邊界在30年前其實(shí)就已經(jīng)被改變了。

　　就像貝加萊，在上世紀(jì)80年代，就開發(fā)了支持高級語言編程的PLC。之所以會這樣設(shè)計(jì)，與貝加萊早期所要面對的業(yè)務(wù)領(lǐng)域有比較大的關(guān)系。當(dāng)時(shí)，貝加萊很多業(yè)務(wù)集中在塑料機(jī)械領(lǐng)域，而這類機(jī)器的特點(diǎn)就是需要多個(gè)溫度和壓力閉環(huán)控制，且相對流程工業(yè)來說，這些溫度和壓力閉環(huán)的響應(yīng)要求都特別高，這使得對于控制器的算法設(shè)計(jì)能力及性能提出了較其它機(jī)器更為嚴(yán)格的需求。

　　而當(dāng)時(shí)的PLC，通常采用匯編語言或梯形圖、順序功能圖等進(jìn)行編程，這些編程對于復(fù)雜的回路調(diào)節(jié)任務(wù)算法設(shè)計(jì)來說不大現(xiàn)實(shí)，因此，貝加萊據(jù)此需求開發(fā)出了黑色系列控制器。它采用經(jīng)典的MC68K芯片組——具有協(xié)處理器可以用于浮點(diǎn)運(yùn)算，并借助于OS9的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，使得PLC也可以支持BASIC高級語言編程。到了90年代的2000系列(也被稱為藍(lán)色系列)，2003系列仍然采用MC68K芯片組;而2005系列已開始采用Intel X86芯片組及基于此的PC架構(gòu)CPU/FPU和aPCI總線、RAM/ROM架構(gòu)設(shè)計(jì)。在這種硬件基礎(chǔ)上，運(yùn)行了定性分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)，它被命名為“可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC”。

　　由此可見，貝加萊的控制器設(shè)計(jì)來源于產(chǎn)業(yè)需求——像注塑、包裝機(jī)械這種領(lǐng)域，都會用到比較多的算法設(shè)計(jì)能力，并且考慮工藝的變化和分析，需要較大的存儲和對大塊數(shù)據(jù)的處理能力;而同樣是溫度控制，機(jī)器的溫控響應(yīng)速度又較之流程更快，達(dá)到mS級任務(wù)級別。

　　2 機(jī)械到電子傳動的遷移

　　到了上世紀(jì)90年代，機(jī)器對于靈活性提出了更高的要求，即在同一機(jī)器上生產(chǎn)變化的產(chǎn)品，批次更小，而品種更多。這需要機(jī)器能夠快速地實(shí)現(xiàn)調(diào)整，例如：傳統(tǒng)的機(jī)械裁切刀，需要針對裁切尺寸準(zhǔn)備不同的刀輥，而采用電子凸輪(CAM)可以設(shè)置參數(shù)實(shí)現(xiàn)對不同尺寸的裁切——這種通過參數(shù)設(shè)置來調(diào)整機(jī)器生產(chǎn)的應(yīng)用，成為了各類機(jī)器領(lǐng)域的主要需求。它的應(yīng)用優(yōu)勢主要有：

　　? 機(jī)械簡化，降低磨損帶來的維護(hù)成本;

　　? 電子傳動更為靈活，可以根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)(配置下載即可)，而無需復(fù)雜的機(jī)械調(diào)整;

　　? 精度更高，相對于機(jī)械傳動，電子軸提供更高的傳動精度，也會讓品質(zhì)一致性更好。在這個(gè)階段，機(jī)器產(chǎn)業(yè)的傳動控制是從機(jī)械化專向“電子化”的過程，例如：

　　? 電子軸印刷機(jī)

       在印刷行業(yè)，機(jī)械長軸正被電子軸取代，卷筒紙凹版、柔版以及印后裝訂的書夾數(shù)量的調(diào)節(jié)都通過伺服系統(tǒng)來完成;

　　? 多電機(jī)傳動粗紗/細(xì)紗

　　采用機(jī)械結(jié)構(gòu)的粗紗/細(xì)紗，被多電機(jī)傳動的電子結(jié)構(gòu)所替代;而在經(jīng)編機(jī)里，電子送經(jīng)(EBM)和電子橫移(ELS)也成為主體;

　　? 全電動注塑機(jī)

　　全電動注塑機(jī)、全電動吹瓶機(jī)開始成為應(yīng)用主流;

　　? 全伺服熱膜包裝

　　在飲料包裝領(lǐng)域，原來采用機(jī)械傳動的熱收縮膜包裝，也開始改為全伺服傳動。早在90年代，貝加萊藍(lán)色系列的PCC就支持NC模塊，用于定位、同步和CNC的運(yùn)動控制。到了1997年，貝加萊推出ACOPOS系列伺服驅(qū)動器的時(shí)候，運(yùn)動控制庫如電子凸輪、鼓序列發(fā)生器、電子凸輪、虛擬主軸等都被列為PCC的一類任務(wù)，無需額外的運(yùn)動控制模塊即可。

　　由于貝加萊是做控制器出身，使得貝加萊擁有了“全局看待機(jī)器與系統(tǒng)”的能力。因此，運(yùn)動控制的任務(wù)僅僅是PCC的任務(wù)之一，而PCC會運(yùn)行運(yùn)動控制功能，包括定位同步控制、CNC和機(jī)器人，來作為運(yùn)動控制的協(xié)調(diào)調(diào)度中心，而每個(gè)驅(qū)動器又自身具有智能執(zhí)行的能力——這使得整個(gè)控制架構(gòu)的效率非常高，這是因?yàn)榭刂破骺梢詤f(xié)調(diào)多軸、任務(wù)之間的關(guān)系，而無需過高的負(fù)載，且驅(qū)動器本身具有智能性，可以自主執(zhí)行。

　　3 電子傳動對于實(shí)時(shí)通信的需求

　　因應(yīng)流程工業(yè)大量的部署儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及中央控制的需求，從70年代開始發(fā)展總線技術(shù)，就是將信號、通信、控制實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，這個(gè)數(shù)字化更多意義是在將模擬轉(zhuǎn)為數(shù)字，更易于傳輸、匯集。與此同時(shí)在離散制造業(yè)里單機(jī)生產(chǎn)對于總線技術(shù)還沒有太多的需求，但隨著更多的伺服軸、傳感器的接入——接線復(fù)雜性成為問題，總線技術(shù)也開始在離散裝備上有了使用需求。但是，離散制造又屬于時(shí)間嚴(yán)苛型任務(wù)領(lǐng)域，它更為強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性，因此，就對PLC的實(shí)時(shí)通信能力提出了新的需求。

　　到了2001年左右，POWERLINK已經(jīng)成為了行業(yè)標(biāo)配，它直接采用了以太網(wǎng)技術(shù)，這與貝加萊PLC本身的強(qiáng)處理能力有關(guān)。與當(dāng)時(shí)PLC不同的是，它采用了復(fù)雜指令集架構(gòu)的處理器——由于以太網(wǎng)本身的數(shù)據(jù)解包/打包、校驗(yàn)等任務(wù)是非常消耗資源的(因?yàn)橐蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)塊比較大)，但是這種架構(gòu)的處理器本身就擅長處理大塊數(shù)據(jù)。并且，這使得控制器擁有更大的數(shù)據(jù)存儲能力——在2000年左右，當(dāng)大部分PLC的內(nèi)存用kB計(jì)算的時(shí)候，貝加萊PLC已經(jīng)具備了MB級的存儲能力。

　　4 機(jī)器的軟件能力需求提升

　　當(dāng)機(jī)器變得更為靈活之時(shí)，機(jī)器的軟件模塊化也成為了一個(gè)比較緊迫的需求。其實(shí)，機(jī)器變得復(fù)雜的原因很多，例如在各個(gè)領(lǐng)域都會隨著材料的發(fā)展而變得更為復(fù)雜，導(dǎo)致機(jī)器需要應(yīng)對各種變化，要用到大量的運(yùn)動控制技術(shù)來配置各種參數(shù)。

　　隨著產(chǎn)品方案的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，這使得貝加萊對于“軟件”的價(jià)值和意義有著更為深刻的認(rèn)識。因此，在接下來的很多年里，貝加萊在控制器部分的開發(fā)精力主要放在了對軟件的投入上。而硬件則隨著Intel的芯片升級而升級，確保兼容性，在2003年X20系列發(fā)布時(shí)，貝加萊采用了刀片式I/O結(jié)構(gòu)，算力更強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更為緊湊，同時(shí)為了保持與市場統(tǒng)一，改為通稱的PLC。

　　軟件，首先就是平臺的問題——Automation Studio必須作為一個(gè)平臺(圖1)，讓用戶能夠快速完成自己的機(jī)器任務(wù)搭建，并且針對不同的對象增加可以擴(kuò)展，對第三方則要有豐富的通信支持能力。

　　2008年Simulink PLC

　　在Mathworks推出Simulink PLC的時(shí)候，就支持C代碼的自動生成(Code Automatic Generation)——剛好由于貝加萊PLC支持C編程，這就成了水到渠成的事情。

　　2012年mapp技術(shù)

　　其實(shí)在mapp推出之前，map it概念就已經(jīng)在貝加萊內(nèi)部成為了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃。由于貝加萊所提供支持的行業(yè)非常多，這就意味著如何能夠在不同行業(yè)種提供快速的用戶機(jī)器構(gòu)建能力，讓機(jī)器的軟件像建筑領(lǐng)域的“預(yù)制件”一樣，在軟件工程上，這也被稱為基于組件的開發(fā)(CBDComponent-Based Development)，以提高開發(fā)效率。

圖 1 PLC 開發(fā)所需的集成開發(fā)平臺 Automation Studio

5 信息時(shí)代的機(jī)器——控制與計(jì)算融合

　　傳統(tǒng)流程工業(yè)先天具有連續(xù)性，因此，流程工業(yè)會有更高的人均產(chǎn)值。但是，離散制造業(yè)在最初都是通過單機(jī)生產(chǎn)零配件，然后由人工進(jìn)行搬運(yùn)，甚至在不同企業(yè)間轉(zhuǎn)運(yùn)，形成最終產(chǎn)品。但是，對于一些長流程而言，顯然能夠?qū)崿F(xiàn)連線生產(chǎn)，則效率就因?yàn)槭÷灾虚g環(huán)節(jié)而更高。一些典型的連續(xù)型生產(chǎn)線正在離散制造業(yè)中出現(xiàn)，例如：

　　? 啤酒飲料工業(yè)：吹瓶-清洗-灌裝-旋蓋-貼標(biāo)-膜包連線生產(chǎn)的設(shè)備;

　　? 印刷工業(yè)：制版-印刷-折頁-配頁-膠裝-切書聯(lián)線生產(chǎn)設(shè)備;

　　? 制藥：成型-泡罩-裁切-視覺檢測-裝盒一體機(jī);

　　? 紡織：開清棉、清梳聯(lián)等。

　　除此之外，在這個(gè)階段，通過機(jī)器人、機(jī)械輸送系統(tǒng)，制造業(yè)開始把整個(gè)生產(chǎn)集成起來，并形成連續(xù)流動的生產(chǎn)過程。這種生產(chǎn)對于控制的需求，包括了以下幾個(gè)方面：

　　? 設(shè)備的統(tǒng)一規(guī)約與連接;

　　? 機(jī)器人的集成;

　　? 全局的信息集成;

　　? 數(shù)據(jù)采集與處理能力;

　　? 操作流程與仿真軟件需求。

　　這些算力要求較高的機(jī)器與產(chǎn)線會需要機(jī)器的控制器具有控制與計(jì)算能力的融合——這個(gè)時(shí)候，采用PC架構(gòu)的控制器也就得到了更為廣泛的應(yīng)用，如圖2。

圖 2 貝加萊 APC 系列工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

圖 3 Panel PC 融控制、計(jì)算與顯示于一身

　　貝加萊的APC系列工控機(jī)采用Intel X86處理器，但其Automation Runtime和Windows均可獨(dú)立運(yùn)行。這樣，HMI操作、Web服務(wù)、通信等任務(wù)都在Windows環(huán)境下進(jìn)行;而RTOS仍然執(zhí)行PLC的任務(wù)。當(dāng)然，機(jī)器制造商仍然更喜歡HMI與控制集成的控制系統(tǒng)，因此，貝加萊Panel PC系列也得到了青睞，如圖3。

　　Panel PC將HMI、PC、PLC集成于一體，并集成了按鍵操作功能，通過總線連接驅(qū)動，構(gòu)成架構(gòu)清晰、簡單的控制系統(tǒng)。除了機(jī)器的控制網(wǎng)絡(luò)需要高實(shí)時(shí)性之外，還要求與第三方設(shè)備實(shí)現(xiàn)總線連接。在信息時(shí)代，機(jī)器不但要擁有內(nèi)部的高實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，還需要與管理系統(tǒng)建立高效的連接，此外機(jī)器也需要更多的遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)功能——這些都可以借助于無所不在的網(wǎng)路技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

　　如圖4所示，經(jīng)過這么多年發(fā)展，貝加萊的PLC/PC已經(jīng)可以支持非常廣泛的總線和通信規(guī)范，這使得它所控制的機(jī)器具有較強(qiáng)的融入數(shù)字化系統(tǒng)的能力。

圖 4 貝加萊控制器豐富的網(wǎng)絡(luò)支持能力

6 更聰明的機(jī)器——智能時(shí)代的控制

　　雖然軟件已經(jīng)變得更為關(guān)鍵，生產(chǎn)也更為靈活與柔性，但這些都是以機(jī)理模型下為主的，或者由人根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出的設(shè)置;而下一代機(jī)器面對的是“更為聰明”的訴求——它必須能夠不依賴于人的經(jīng)驗(yàn)，而具有自我學(xué)習(xí)、自我進(jìn)化的能力。

　　在貝加萊的X86硬件架構(gòu)下，進(jìn)一步利用新的CPU超強(qiáng)算力和多核架構(gòu)，可以在貝加萊APC、Panel PC上劃分出基于Windows或Linux的運(yùn)行任務(wù)，以及PLC的Runtime運(yùn)行任務(wù)。

　　圖5為貝加萊Hypervisor技術(shù)，它使得APC可以運(yùn)行為PLC與PC，而且相互之間可以通過內(nèi)部的虛擬以太網(wǎng)高速交互。exOS是一類兩棲型操作系統(tǒng)，用于解決工程開發(fā)的接口銜接——它將Linux的代碼編譯導(dǎo)入到AutomationStudio，使得在Linux下的Java、Python開發(fā)程序可以與實(shí)時(shí)任務(wù)實(shí)現(xiàn)交互，令到事件觸發(fā)的學(xué)習(xí)任務(wù)與控制的周期性任務(wù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

　　如圖6，exOS使得IT與OT的工程集成實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，計(jì)算與控制得到了融合。

圖 5 計(jì)算與控制融合的控制系統(tǒng)架構(gòu)

圖 6 讓機(jī)器變得更聰明的軟件編程

7 滿足需求是創(chuàng)新的核心

　　貝加萊的控制器適應(yīng)范圍廣，可應(yīng)對各種小型、中型及大型機(jī)器控制，也能夠采用多種形式來實(shí)現(xiàn)，既可是機(jī)架式PLC，也可以是嵌入式HMI形式、Panel PC形式、PC形式，還可以是虛擬PLC形式，包括采用不同的操作系統(tǒng)等等。

　　這一切，都是因?yàn)椴煌挠脩粲兄煌男枨蟆Ｗ詣踊夹g(shù)，就是不斷的借助于橫向科技的進(jìn)步，以創(chuàng)新的方式開發(fā)新的產(chǎn)品與技術(shù)，并最終為用戶解決在工業(yè)生產(chǎn)中所遇到的各種復(fù)雜工程難題，為客戶的問題尋找創(chuàng)新性的答案——這就是貝加萊自動化技術(shù)發(fā)展的理念。