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作者： Steven Keeping 2024-08-01

標簽 [工程] [診斷][嵌入式處理] [工業自動化][工業控制][接口][電機控制] [機器人][感測] [有線通信] [機電] [電源與電路保護][測試 - 工具和其它產品]

回想一下制造業數字化的早期階段，那時孤島思維盛行。設計與規劃、機器編程與生產之間幾乎沒有信息共享。生產工程師拿著前臺打印好的 CAD 和物料清單 (BOM)，來到工廠車間對機床手動編程。然后，生產工程師會排除生產過程中出現的問題，而不會將問題和相關的解決方案反饋給產品設計人員。設計與制造之間的脫節讓廠商無法改進產品以使制造變得更簡單、更快捷、更經濟。

但情況已經發生了變化。如今，連通性已成為現代工廠的重中之重。工業以太網網絡將設計、規劃、編程和生產連通起來，讓工廠的每個部分都可以與其他部分甚至全世界共享信息。其結果就是信息的自由流動，能夠讓工程師優化裝配流程，從而提高生產力和質量，同時最大限度地減少浪費。

沒那么簡單

整個工廠連通是一件好事，這一點毋庸置疑。但建立這樣一個系統也絕非易事，這一點也無可爭議。由于成本和復雜性，網絡上通常運行著不可互操作的軟件和無線協議，而這些軟件和協議依賴于來自不同制造商的控制器、傳感器、可編程邏輯控制器 (PLC) 和人機接口 (HMI)。這種情況意味著工程師要花費大量時間實施變通方案，確保一切正常運轉，至少在下一次故障發生之前是這樣。為了保持系統正常運行，需要不斷進行修補，這會成倍增加維護和升級成本。

有一些專門的商業解決方案可以克服互操作性和兼容性挑戰。這些產品通常效果良好，但缺點是增加了解決方案的復雜性和持續碎片化。另一種方法是采用整體方案，即使用單一供應商的全集成式自動化平臺，讓網絡、組件和軟件元素協調工作。

什么是全集成式自動化平臺？

“全集成式自動化平臺”是營銷人員熱衷于在宣傳手冊中使用的話。但它到底意味著什么呢？不同的人對其有著不同的定義，但自動化供應商 [Omron]將其描述成連通制造工廠的信息技術 (IT) 與運營技術 (OT) 部門的網絡（圖 2）。

圖 2：制造工廠的全集成式自動化平臺包括 IT 和 OT 網絡。（圖片來源：Omron）

網絡的 IT 部門由進行設計和生產規劃的前臺以及工廠自動化部分組成。工廠自動化負責機器編程、操作員界面和機器到機器 (M2M) 通信。集成自動化平臺的 OT 部門包括工廠和機器監控、傳感器、機器人和機器控制。

Omron 的 [Sysmac] 就是這樣一個平臺。Sysmac 簡化了整個工廠的連通，因為其使用了工業以太網連接（IT 和工廠自動化使用 EtherNet/IP，OT 網絡使用 EtherCAT）、單機自動化控制器和共享監控軟件。

自動化控制器是平臺的核心

IT 與 OT 網絡之間的關鍵環節是機器自動化控制器（下稱“控制器”），在 Omron 解決方案中，它就是運行 Sysmac 機器控制軟件的一臺工業 PC。該控制器根據 IT 系統確定的制造協議對所有機器運動、安全、視覺、機器人、傳感和數據庫連接進行同步控制。

控制器的一個實例是 Omron 的 [NX102-1020]。該控制器無需網關即可處理來自 IT 數據庫的信息。在提供高速、高精度機器控制的同時，它還可以監控機器安全并維持生產質量。該裝置基于 [Intel] Core i7 微處理器，可在 0.37 ns 內執行基本指令，并每隔 125 μs 就向伺服系統和步進電機更新一次指令。傳感器快速將機器位置、位移和間隙信息反饋給控制器。因此，凸輪可動作平穩且機器各個軸可保持高精度運動。

NX102-1020（圖 3）采用寬度為 66 mm 的緊湊型設計，具有三個工業以太網端口（兩個 EtherNet/IP 和一個 EtherCAT）、一個 CPU 單元和一個電源。該控制器使用 PLCopen 功能模塊進行運動控制，且符合 IEC 61131-3 標準，這項標準涵蓋 PLC 中控制程序的基本軟件架構和編程語言。

圖 3：緊湊型 NX102-1020 控制器具有三個工業以太網端口、一個 CPU 單元和一個電源。（圖片來源：Omron）

單一軟件平臺

軟件，或者更確切地說，幾個拼湊在一起來實現整體工作的軟件，可能是工廠自動化平臺的致命弱點。維護并保持這樣一個系統平穩運行需要花費大量時間，而且會妨礙工程師專注于優化生產過程。

Omron 的解決方案使用一個軟件包來運行整個系統（包括對 NX102-1020 控制器進行編程），解決了這一難題。該軟件名為 [Sysmac Studio]（圖 4），實際上是一個集成開發環境 (IDE)，還包含一個定制 3D 運動仿真工具。與 Omron 控制器一樣，該 IDE 完全符合 IEC 61131-3 標準。該 IDE 允許使用變量編程，這意味著工程師無需了解 PLC 的內部存儲器映射。此外，還意味著程序可以重復使用。

圖 4：Sysmac Studio 包含一個自定義的 3D 運動仿真工具，允許工程師在實施之前檢查和改進生產過程。（圖片來源：Omron）