在設(shè)計下一代機(jī)器時，控制系統(tǒng)中的尖端技術(shù)、軟件架構(gòu)和機(jī)電部件有助于實現(xiàn)區(qū)別于競爭對手的自動化系統(tǒng)。本文將討論機(jī)器開發(fā)人員當(dāng)前所面臨的最大軟硬件挑戰(zhàn)，并提供性能驅(qū)動方案以應(yīng)付這些挑戰(zhàn)。

軟件挑戰(zhàn)

1. 整合多種軟件架構(gòu)

最適合對機(jī)器編程的軟件架構(gòu)和結(jié)構(gòu)取決于需要優(yōu)化的關(guān)鍵性能指標(biāo)。為了優(yōu)化對故障的反應(yīng)時間，設(shè)計師需要一個“反應(yīng)性”事件驅(qū)動的架構(gòu)。如果設(shè)計師的自動檢查系統(tǒng)要求對捕獲的圖像進(jìn)行分析，那么就需要一個針對信號處理功能作了優(yōu)化的架構(gòu)。狀態(tài)機(jī)架構(gòu)非常適合于批處理或封裝機(jī)器。半導(dǎo)體晶圓處理機(jī)需要基于高級模型的控制算法，該算法得益于支持實時積分解算器的架構(gòu)。需要高速測試并進(jìn)行實時分析的機(jī)器可以從數(shù)據(jù)流架構(gòu)中獲益。簡單的邏輯和算法操作可以采用諸如可編程邏輯控制器（PLC）這樣的序列式架構(gòu)獲得最佳執(zhí)行效果。

確定和應(yīng)用正確的軟件架構(gòu)組合來解決自動化系統(tǒng)問題將成為未來設(shè)計的艱巨挑戰(zhàn)。基于IEC 61131-3的語言（例如梯形邏輯和功能方塊圖）適合大部分主要完成開/關(guān)操作的離散型制造應(yīng)用。不過，由于現(xiàn)代機(jī)器要求多次轉(zhuǎn)換并包含預(yù)防性的維護(hù)例程，像國家儀器（NI）的LabVIEW這種以單一開發(fā)平臺方式出現(xiàn)的語言能有效地整合用于規(guī)定操作模式的狀態(tài)機(jī)、用于監(jiān)視例程的數(shù)據(jù)流、用于精確控制的實時積分解算器、用于故障響應(yīng)的事件以及用于開/關(guān)操作的時序邏輯。

圖1：狀態(tài)機(jī)、積分解算器、時序邏輯、數(shù)據(jù)流和事件等不同的編程模型最好運(yùn)行在明確的目標(biāo)設(shè)備上，比如PC、PLC、PAC、DSP、FPGA和微處理器。

2. 一次編寫，到處運(yùn)行

雖然“一次編寫，到處運(yùn)行”的概念在采用.NET和Java技術(shù)的消費(fèi)領(lǐng)域中逐漸普及，但在自動化控制領(lǐng)域中，實際情況仍與理想有很大差距。用梯形邏輯編寫的針對某個PLC的IEC 61131-3兼容程序可能無法在另一個供應(yīng)商提供的類似PLC上運(yùn)行。因此，許多公司為了確?；ゲ僮餍员黄葘蝹€供應(yīng)商施行標(biāo)準(zhǔn)化，在許多情況下這樣做會導(dǎo)致非最優(yōu)的性能，整個系統(tǒng)的總成本也相對較高。

未來的挑戰(zhàn)是一次性編寫控制程序，然后將相同的程序應(yīng)用到各種PC、PLC或嵌入式目標(biāo)設(shè)備中去。自動化工程師需要在滿足自動化系統(tǒng)的性價比要求基礎(chǔ)上對PLC、可編程自動化控制器（PAC）、微處理器、數(shù)字信號處理器（DSP）或FPGA器件作出正確選擇。NI LabIEW圖形化開發(fā)平臺提供的各種模塊可以幫助設(shè)計師將代碼移植到不同的平臺上。設(shè)計師可以利用LabVIEW以圖形化的方式開發(fā)程序，然后利用LabVIEW Real-Time工具在實時操作系統(tǒng)上配置應(yīng)用程序，利用LabVIEW FPGA將代碼輸出到FPGA，利用LabVIEW DSP將代碼配置到DSP，并利用LabVIEW Embedded將代碼傳送給32位微處理器。

3. 系統(tǒng)驗證

目前大多數(shù)開發(fā)過程中都包含有代碼審查階段，它能保證所設(shè)計軟件的可靠性。但是，由于現(xiàn)在的機(jī)電系統(tǒng)中軟件和硬件結(jié)合得相當(dāng)緊密，因此很有必要進(jìn)行完整的系統(tǒng)驗證。工程師們正在從只執(zhí)行一個“配置”階段轉(zhuǎn)向要經(jīng)歷“設(shè)計、原型、配置”三個階段。設(shè)計階段除了控制系統(tǒng)硬件的算法和控制邏輯外，還包括對硬件的機(jī)械、熱和流特性進(jìn)行仿真。原型階段包括建立機(jī)械和控制設(shè)計的虛擬或物理原型，以幫助工程師在最終實現(xiàn)之前進(jìn)行概念性驗證。配置階段包括將控制算法和邏輯配置到PLC、PAC或嵌入式目標(biāo)中，并對伺服制動裝置、氣動裝置和水力裝置等機(jī)械部件實施裝配。

工程師所面臨的挑戰(zhàn)是在每個設(shè)計、原型和配置階段高效執(zhí)行程序，并且在每個階段將代碼裝入不同開發(fā)工具時不損失時間。LabVIEW為每個階段提供了單一開發(fā)平臺，為設(shè)計階段提供了機(jī)械（SolidWorks、COSMOSWorks、COSMOSMOtion、MSC.ADAMS、MTS I-DEAS）、數(shù)學(xué)（MathCAD、Mathematica、MathWorks公司的MATLAB）、電子（Multisim、Ansoft、Anadigm、SPICE）、嵌入式（Code Composer Studio）和控制（MATRIXx、MathWorks公司的Simulink、CarSim）設(shè)計工具方面的接口；為原型階段提供了PC平臺上的集成化模擬I/O、數(shù)字I/O、運(yùn)動、視像和通信接口；并根據(jù)性價比要求為配置階段提供了各種配置目標(biāo)（PC、PAC、FPGA、DSP、微處理器）。

圖2：LabVIEW為從設(shè)計到原型再到最終系統(tǒng)配置的圖形化系統(tǒng)設(shè)計提供了單一的工作環(huán)境。

硬件挑戰(zhàn)

未來的自動化系統(tǒng)將在各種不同的產(chǎn)品上執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，而且經(jīng)常是同時進(jìn)行。設(shè)計這種系統(tǒng)在硬件方面的挑戰(zhàn)是，在實現(xiàn)復(fù)雜的自動化任務(wù)的同時要達(dá)到規(guī)定的吞吐量、良品率和可用時間指標(biāo)。

1.吞吐量

機(jī)器的速度直接影響吞吐量。為了達(dá)到較高的速度，最好使用象線性馬達(dá)這樣磨擦力較小的機(jī)械部件，而不要使用象滾珠螺旋致動器這樣的部件。設(shè)計師可以利用嵌入式技術(shù)提高控制系統(tǒng)的速度，比如具有1MHz環(huán)速率的FPGA，而非環(huán)速率只有1kHz的傳統(tǒng)PLC。伺服系統(tǒng)將繼續(xù)控制那些不再采用傳統(tǒng)齒輪/凸輪系統(tǒng)的機(jī)器。

象NI的CompactRIO這樣的可編程自動化控制器包含有可編程FPGA和運(yùn)行實時操作系統(tǒng)的浮點處理器，它們非常適合高吞吐量應(yīng)用，例如分類或組裝應(yīng)用。

2.良品率

通過提高可重復(fù)性減少浪費(fèi)是取得較高良品率的關(guān)鍵。而對機(jī)器編程讓其遵循理想的運(yùn)動控制軌跡是實現(xiàn)可重復(fù)性的重要因素。通過將馬達(dá)調(diào)整為較短的延遲時間和較低過沖的階躍響應(yīng)可以實現(xiàn)這一目標(biāo)。為了更好地進(jìn)行調(diào)整，可以使用基于模型的控制方法來滿足正確的PID調(diào)整參數(shù)要求，或者采用基于模型的控制算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID算法。而自動化檢查和RFID等技術(shù)在篩選過程中具有重要的作用，可以顯著加快進(jìn)度。

LabVIEW控制設(shè)計和仿真工具結(jié)合LabVIEW SoftMotion Development Module可以幫助設(shè)計師開發(fā)出采用模型控制算法的定制運(yùn)動控制器，如線性二次調(diào)節(jié)器（LQR）或H-infinity，從而實現(xiàn)更好的可重復(fù)性和更高的良品率。NI公司的Vision Development Module可以幫助設(shè)計師開發(fā)出具有200多個圖像處理和機(jī)器圖形功能的自動化檢查系統(tǒng)。

圖3：設(shè)計師可以實現(xiàn)包括PID、MFA和基于模型的控制在內(nèi)的各種控制策略，從而縮短產(chǎn)品的上市時間和轉(zhuǎn)換時間，提高可重復(fù)性。

3.可用時間

現(xiàn)代的封裝機(jī)器需要在同一條生產(chǎn)線上處理10個以上的產(chǎn)品。這不僅涉及到系統(tǒng)中部件的可靠性，還涉及到不同產(chǎn)品之間的轉(zhuǎn)換時間，而轉(zhuǎn)換時間將影響系統(tǒng)的可用時間。通過設(shè)置控制算法以適應(yīng)一條生產(chǎn)線處理不同產(chǎn)品的各種情況，能夠改善轉(zhuǎn)換時間?；谀Ｐ偷淖赃m應(yīng)控制是最近出現(xiàn)的新方法，它不需要調(diào)整就能使控制系統(tǒng)適應(yīng)系統(tǒng)的變化。如果在系統(tǒng)中采用智能監(jiān)視和預(yù)見性維護(hù)手段，則能更好地提高系統(tǒng)可靠性。振動監(jiān)視、數(shù)據(jù)記錄、報警和部門間通信對提高未來系統(tǒng)的可靠性都有非常重要的作用。

設(shè)計師可以在任何LabVIEW Real-Time或LabVIEW FPGA模塊上應(yīng)用Cybosoft公司針對LabVIEW開發(fā)的無模型自適應(yīng)（MFA）控制算法，從而無需調(diào)整即可適應(yīng)系統(tǒng)的負(fù)載變化。NI公司的Compact FieldPoint和PXI平臺可以幫助設(shè)計師整合高速模擬I/O和智能監(jiān)視與預(yù)見性維護(hù)解決方案，從而很好地實現(xiàn)振動監(jiān)視、數(shù)據(jù)記錄、報警和部門間的連接。

今后，機(jī)器控制領(lǐng)域?qū)⒚媾R更大的挑戰(zhàn)，比如在一個復(fù)雜的自動化系統(tǒng)中整合多個軟件架構(gòu)，進(jìn)行系統(tǒng)驗證，并達(dá)到較好的吞吐量、良品率和可用時間指標(biāo)。自動化系統(tǒng)成功的關(guān)鍵是，為系統(tǒng)選擇到最適合當(dāng)前任務(wù)、并能在未來擴(kuò)展功能的軟硬部件。

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