魚與熊掌難以兼得

對于機(jī)器的開發(fā)者而言，我們總是需要面對“快”與“準(zhǔn)”的矛盾，就像旋蓋一樣，既要精確的力矩輸出以確保旋蓋的質(zhì)量可靠，又不能速度慢，機(jī)器控制如此，機(jī)器的開發(fā)過程亦是如此，我們要高速的響應(yīng)市場的變化，而工藝以及那些具有附加值的創(chuàng)新設(shè)計卻需要時間積累。

而“快”與“穩(wěn)”這樣類似的矛盾卻到處可見，正如同魚與熊掌一樣，二者通常難以兼得。

軟件很重要，但它多復(fù)雜呢？

相較于制造業(yè)，IT軟件開發(fā)的復(fù)雜性更高，也使得其對軟件工程的研究最為深刻，許多軟件開發(fā)項目所遭遇的情形正如Brooks在其著作《人月神話》中所形容的：“……正像一只逃亡的野獸落到泥潭中做垂死掙扎，越是掙扎，陷得越深，最后無法逃脫滅頂?shù)臑?zāi)難”，程序設(shè)計工作正像一個泥潭…這一問題被形容為“軟件危機(jī)”，具體表現(xiàn)包括開發(fā)進(jìn)度難以預(yù)測、開發(fā)成本難以控制、用戶對產(chǎn)品功能難以滿意、產(chǎn)品質(zhì)量難以保證、軟件難以維護(hù) 。

圖1-軟件成為機(jī)器開發(fā)最為重要一環(huán)

對于軟件的重要性，目前在業(yè)界已經(jīng)是共識，它是Know-How的封裝容器用于保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，軟件也賦予了機(jī)器智能，根據(jù)變化來進(jìn)行生產(chǎn)的適應(yīng)與調(diào)整，然而，這也使得復(fù)雜性得以大幅度提高，傳統(tǒng)的自動化行業(yè)順序邏輯控制一個工程師可以控制，而今天，機(jī)器變得復(fù)雜，運動控制、安全、網(wǎng)絡(luò)、IT連接、算法使得機(jī)器軟件的開發(fā)變得更為復(fù)雜。

IEEE的軟件工程知識體系對于軟件項目管理所面臨的特殊困難進(jìn)行了總結(jié)，具體如下：

1.客戶經(jīng)常不知道需要什么或者哪些是可行的；

2.客戶經(jīng)常缺少對于軟件工程所固有的復(fù)雜性的認(rèn)識，特別是需求變更的影響；

3.對于問題理解的不斷加深以及情況的變化經(jīng)常會產(chǎn)生新的軟件需求或需求的變化；

4.由于需求變化，軟件經(jīng)常是以一種迭代化序列化的過程構(gòu)建的；

5.軟件工程必須將創(chuàng)造性和規(guī)范性兩個方面相結(jié)合，在兩者之間維持平衡常常很困難；

6.軟件開發(fā)的創(chuàng)新性和復(fù)雜性經(jīng)常很高；

7.軟件開發(fā)的基礎(chǔ)技術(shù)變化非常快。

隨著機(jī)器變得復(fù)雜，自動化行業(yè)的軟件也復(fù)雜，如何又“快速”又能“高品質(zhì)”的開發(fā)機(jī)器軟件成為了“魚與熊掌”一樣的問題。

魚我熊掌兼得—機(jī)器開發(fā)效率提升方法

自動化不同于商業(yè)軟件如辦公軟件、管理軟件那么龐大，但在產(chǎn)業(yè)邁向智能的時代，其復(fù)雜性也大幅度提升，因此，重視軟件工程也成為了必然。針對機(jī)器開發(fā)而言，通常其開發(fā)效率提升方法有以下幾種。

1.軟件復(fù)用與組件技術(shù)

軟件復(fù)用指為了復(fù)用目的而開發(fā)軟件的過程，即，對共性的軟件模塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，以獲得重復(fù)利用，軟件復(fù)用主要為了解決兩個主要的問題：①.軟件生產(chǎn)效率問題：在軟件無需從零開始的情況下，它可以大幅度縮短開發(fā)周期，②.軟件質(zhì)量問題：由于被復(fù)用的軟件往往已經(jīng)經(jīng)過了反復(fù)的應(yīng)用測試，較之新的模塊而言，其出錯的概率將大幅度降低。

《人月神話》的作者曾經(jīng)認(rèn)為軟件開發(fā)沒有“銀彈”—一種寓意為解決問題的徹底性方法，而隨著軟件工程的發(fā)展，他也意識到“軟件復(fù)用”是解決軟件問題的“銀彈”。

圖2-基于軟件復(fù)用思想開發(fā)的mapp是高效開發(fā)機(jī)器的利器

貝加萊的mapp的設(shè)計思想基于PLCopen標(biāo)準(zhǔn)庫設(shè)計，采用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計在于降低成本，如同機(jī)械組件一樣，標(biāo)準(zhǔn)化的配件制造成熟并可批量使用，因此，可以降低其使用成本，只需一次投入即可長期使用，但是，設(shè)備的開發(fā)同時也要實現(xiàn)個性化，解決這一問題的方法即是模塊化，通過對模塊根據(jù)機(jī)器進(jìn)行共性劃分，然后使得每個獨立的模塊被標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而達(dá)到成本降低與機(jī)器的靈活性之間的平衡。圖2反映了mapp的幾個大的框架功能劃分。

如圖3，基于mapp來開發(fā)注塑機(jī)，各種模塊的組合構(gòu)成了不同機(jī)器的應(yīng)用集成，例如：針對油壓、帶伺服泵、全電動注塑機(jī)等各種類型的機(jī)器，其共性的包括了配方、OEE、用戶管理、報警等，行業(yè)工藝模塊如注射循環(huán)、熔膠、鎖模等也被封裝為標(biāo)準(zhǔn)可服用功能塊，針對單軸、多軸來實現(xiàn)全電動注塑機(jī)的開發(fā)，機(jī)器人集成可以實現(xiàn)產(chǎn)線級的配合，通過能源監(jiān)測、OEE可以實現(xiàn)產(chǎn)線的生產(chǎn)運營管理。

圖3-基于mapp的注塑機(jī)開發(fā)

mapp的思想解決“魚與熊掌”兼得的問題：通過標(biāo)準(zhǔn)的軟件封裝解決快速開發(fā)問題，通過基于復(fù)用思想開發(fā)的組件也同時解決了軟件的穩(wěn)定可靠問題。

2.集成開發(fā)平臺

當(dāng)然，像mapp這樣的機(jī)器開發(fā)思想，必須基于Automation Studio這樣的集成開發(fā)平臺來實現(xiàn)，集成開發(fā)平臺也是一個解決軟件開發(fā)效率的設(shè)計，它解決的問題在于：

--減少在多個開發(fā)工具之間的切換；

--通過工具的集成，節(jié)省開發(fā)周期；

--提供軟件封裝的基礎(chǔ)能力；

--減少培訓(xùn)與教育的成本；

貝加萊的Automation Studio即是一個典型的集成開發(fā)平臺，如圖4，它包含了兩個維度的集成：

圖4-Automation Studio面向所有對象和整個流程的集成開發(fā)

第一面向所有對象，PLC,PC,運動控制（CNC,機(jī)器人與液壓）,網(wǎng)絡(luò)配置,功能安全進(jìn)行集成，第二個是它從軟件的配置，選型（ServoSoft）、仿真接口（Matlab/Simulink,MapSim）、開發(fā)（IEC61131-3,C,C++）、調(diào)試（軸測試，機(jī)械共振分析等）、維護(hù)（分布式程序下載，F(xiàn)TP Server,VNC Server,Web Server）全部集成在一個開發(fā)環(huán)境里。

面向智能時代的開發(fā)

圖5-智能時代的機(jī)器開發(fā)要素

在智能時代，集成開發(fā)平臺不僅提供編程環(huán)境，也包括了以下一些與產(chǎn)線、智能相關(guān)的功能集成：

--機(jī)電一體化：不僅包括定位同步控制，也包括機(jī)器人、SuperTrak智能輸送系統(tǒng)的集成；

--IIoT集成：對OPC UA/MQTT/REST等集成的支持能力；

--工廠集成：提供OEE、能源、維護(hù)等的數(shù)據(jù)訪問與功能集成；

集成開發(fā)平臺就是讓高速開發(fā)與穩(wěn)定可靠的項目得以平衡。

3.仿真建模

降低物理材料消耗，獲得無法現(xiàn)實獲得的場景，縮短開發(fā)周期與時間，這是普遍在歐洲使用的設(shè)備開發(fā)方法，通過MATLAB/Simulink、MapSim等仿真及自動代碼生成功能生成的代碼可以直接被導(dǎo)入運行于PLC上，對于復(fù)雜的工藝仿真而言，建模仿真對于提高開發(fā)效率降低成本作用巨大。

圖6-MATLAB/Simulink仿真自動代碼生成直接下載到PLC

例：如何吊裝的更快又更穩(wěn)？

圖7-集裝箱吊裝的搖擺問題

集裝箱吊裝因為鐘擺效應(yīng)而無法快速定位，如圖7所示，因此，如何讓集裝箱快速定位就是“防搖系統(tǒng)”所需要完成的任務(wù)，通過在MATLAB/Simulink中對該系統(tǒng)進(jìn)行建模，然后生成代碼并下載到X20PLC，通過PLC對牽引變頻器的速度/位置控制進(jìn)而實現(xiàn)對搖擺的抑制。

圖8-基于建模的防搖系統(tǒng)開發(fā)過程

圖8是基于貝加萊Automation Studio與MATLAB/Simulink的防搖系統(tǒng)開發(fā)過程，通過電子防搖系統(tǒng)開發(fā)，替代傳統(tǒng)機(jī)械、液壓等防搖系統(tǒng)的磨損，難以維護(hù)等缺點，并且在效率方面也能達(dá)到20%的提升。對于那些超過10000個標(biāo)準(zhǔn)箱的貨船而言，每個吊裝過程的時間節(jié)省意味著整個碼頭的吞吐能力，也意味著進(jìn)出口額的增加。

借助于Automation Studio平臺、仿真建模技術(shù)、mapp可以讓機(jī)器制造商更快的設(shè)計機(jī)器，并且，針對工廠客戶的需求提供面向大數(shù)據(jù)分析、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時代的應(yīng)用接口，讓機(jī)器制造商更快的響應(yīng)市場的需求，贏得先機(jī)。

要了解mapp、Automation Studio、建模仿真，您可以來到貝加萊在廣州自動化展的展臺，共同交流。

歡迎光臨貝加萊SIAF廣州國際工業(yè)自動化展展臺3.1-E17

關(guān)于貝加萊

貝加萊是一個總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新驅(qū)動型自動化企業(yè)，2017年7月，貝加萊成為ABB集團(tuán)的一個業(yè)務(wù)單元。作為全球工業(yè)自動化領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，貝加萊融合了前沿技術(shù)與先進(jìn)的工程能力，為各個產(chǎn)業(yè)客戶提供機(jī)器與工廠自動化、運動控制、HMI以及集成安全技術(shù)的完整解決方案。通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及貝加萊強大的Automation Studio軟件開發(fā)環(huán)境，貝加萊不斷重新定義自動化工程的未來。貝加萊保持持續(xù)的創(chuàng)新精神，為客戶提供更為簡化以及超出預(yù)期的工業(yè)自動化領(lǐng)域前沿技術(shù)與方案。