基于邊緣計算的軟件定義機器智能化

    今天，智能制造給出了“智能”多重的定義，但是，如果換個視角，僅僅從用戶的角度來講智能，那么可以把所有的智能總結為一句話：“智能化=簡單高效的實現靈活的制造應用”。

    對于用戶而言，搭建什么樣的體系架構、采用什么樣的智能算法亦或模型都是次要問題，如何在個性化時代，響應客戶個性化的需求，高品質而低成本地生產出滿足消費者個性化需求的產品才是問題的本質。

個性化的體現

    個性化在于差異，人們可以在超市看到琳瑯滿目的產品，發(fā)現原來的可口可樂單一的標簽為個性化的標簽所代替，以適應年輕人的個性化喜好，包括通過App來定制西裝這樣的需求、個性化的冰箱已經不稀奇，為了贏得消費者，生產制造商開發(fā)了各種產品，然而，這些都對傳統(tǒng)的制造帶來了挑戰(zhàn)，包括機器如何適應這種變化，需要更為有效的技術支撐。

軟件是智能的最集中體現

    對于生產制造而言，首先是機器的智能生產實現，而從各個領域，無論是包裝、塑料、印刷工業(yè)都可以看到，軟件才是“智能化”的關鍵，例如：在注塑機里，為了適應各種需求，通過模塊化軟件設計，可以為不同的機型如油壓注塑機、電液混合型、全電動、立式注塑機配置了不同的軟件，僅通過參數設置即可適應不同的注塑生產，而包裝后道的裁切僅通過參數設置即可讓電子凸輪裁切進行匹配生產，硬件系統(tǒng)往往是通用的，而差異來自于不同行業(yè)的工業(yè)Know-How軟件的差異，也因此，產業(yè)界都認同軟件才是未來競爭的關鍵。

軟件定義機器智能

    而對于機器的智能，軟件又分為多個方向的集成能力，首先，得有一個集成平臺，才讓它們能夠實現在垂直和水平方向的智能集成，以貝加萊的AutomationStudio為例，它為機器智能化提供了基礎平臺保障。圖1描述了在該平臺實現智能的多個方面。

圖1機器智能化的幾個方面

（1）IIoT融合接口支撐

    如果控制的智能是基于“信號”，因此，對于AutomationStudio而言可以通過對PLC、Motion進行機器的模塊化軟件集成來實現分布式運動控制，以及軟件的分布式，而對于計算（Computing）--基于“信息”的策略與優(yōu)化問題，AutomationStudio提供了標準互聯(lián)的接口支撐，包括OPCUA，以及在OPCUA基礎上針對塑料機械領域的Euromap77、Euromap67，以及未來的Euromap79，針對包裝工業(yè)的PackML，這些垂直行業(yè)的信息模型使得機器數據與MES/ERP以及各種智能系統(tǒng)、IIoT數據分析平臺進行接口，并實現對生產質量、工藝參數、能耗等的優(yōu)化。

（2）建模仿真

    對于每個機器而言，都會有其內在的工藝建模需求—這才能讓機器更為簡便的接受不同的生產任務，例如：對于灌裝系統(tǒng)而言，每個批次的灌裝會有不同的邏輯處理、不同規(guī)格的瓶型會需要不同的灌裝曲線、針對不同的速度需要不同的運動控制間的協(xié)調，灌裝單元與前道的吹瓶、后道的旋蓋、貼標、膜包都有關聯(lián)關系，這些關系可以通過統(tǒng)一的建模，在軟件上形成其內在的控制模型，當瓶型、速度、液體等變化時，系統(tǒng)仍然具有自我適應能力，而無需人員進行重新的編程或者調校。

    如圖2所示，基于AutomationStudio平臺，可以實現對機器的各種控制如薄膜材料卷繞張力控制、注塑機的液壓、溫度控制等，而仿真軟件可以是MapleSoft、MATLAB/Simulink、Virtuos等，然后通過代碼自動生產以及與AutomationStudio的自動導入直接下載到控制器、驅動，實現智能算法的開發(fā)。

圖2仿真建模的應用架構

    對于每個行業(yè)而言，其智能都必須考慮復雜的生產個性化變化，進而能夠針對這些變化形成最佳的工藝路徑，以及從生產系統(tǒng)接受任務來計算機器本身的最佳工藝參數。

（3）機電一體化融合

    智能產線中運動控制、機器人扮演非常重要的角色，因為它們是實現智能化的執(zhí)行機構，而另一方面，從軟件的角度而言，它們也關系到對MES的反饋，并接受來自生產指令，因此，今天的智能運動控制系統(tǒng)已經肩負“柔性”的重任，例如：對于注塑機，機器人配合已經成為了機器人第三大應用場景（來自IFR統(tǒng)計），而對機器人與工藝設備的集成而言，傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)會遇到障礙，而對于基于PLCopenPartIV協(xié)同運動控制編程的自動化系統(tǒng)而言，注塑機的控制與機器人是可以完全在同一架構下完美匹配的。

圖3注塑機與機器人的應用集成

    圖4則是一款最新設計的稱為SuperTrak的貝加萊柔性電驅輸送系統(tǒng)，它可以將注塑機、機械手、輸送、輔助加工進行集成，實現最大靈活性的生產。

圖4機-電-軟一體化的SuperTrak集成

（4）知識自動化

    軟件開發(fā)軟件、智能機器的軟件開發(fā)可以基于軟件復用來提高效率，而將領域知識進行封裝成組件模塊，重復利用本身也是“知識自動化”的范疇，知識自動化是智能化重要的構成，這樣可以讓機器快速的適應生產，而無需復雜的編碼、測試過程。

    貝加萊的mappPLASTIC就是為塑料工業(yè)所開發(fā)的，如圖5-mapp將機器分為機電一體化對象（機器人、軸控、軸組、液壓的控制），射膠、熔膠、開合模、保壓等專用的注塑機控制行業(yè)專用模塊，再加上基礎的文件、配方、報警等管理，可以快速的為注塑機實現油壓、伺服泵、全電動注塑機，以及注塑機與機械手、關節(jié)機器人、SCARA機器人的整體智能制造單元的集成。

圖5貝加萊基于mapp的注塑機開發(fā)

圖6塑料工廠智能集成應用場景

（5）通信互聯(lián)

    總線技術讓系統(tǒng)更為智能在于它可以獲取更多的參數，除了信號之外，可以為機器提供維護、使用時間累計、當前狀態(tài)、故障記錄等。而實時以太網技術則讓生產變得更為高效—快速的切換工藝，當生產的工藝發(fā)生變化時，通過高速的以太網快速下達指令，運動控制系統(tǒng)可以讓生產快速適應新的工藝需求。

    OPCUA不僅僅是一個通信協(xié)議，OPCUA在智能制造中扮演最為重要的角色：通過共享的信息模型，使得OT、IT和CT之間可以實現語義互操作，這樣，IT與OT即可實現真正的融合，通過類似于共享內存的機制，每個單元包括控制、MES、IIoT等均可訪問地址空間，獲取自己想要的數據。通信互聯(lián)構成了智能制造的基礎骨干，智能的實現都依賴于標準規(guī)范的傳輸、連接。

（6）智慧工廠集成能力

    智慧工廠的集成能力同樣是軟件的集成，包括了機器控制器所提供的機器狀態(tài)參數，基于EUROMAP77進行注塑機的MES系統(tǒng)集成，包括OPCUA與云平臺的集成，與邊緣計算平臺的互聯(lián)。

IIoT的價值

    工業(yè)物聯(lián)網（IndustrialInternetofThing）是德國工業(yè)4.0、美國工業(yè)互聯(lián)網組織IIC所推動的在整個制造層的互聯(lián)架構，在中國，我們稱之為Internet+。

    工業(yè)物聯(lián)網主要聚焦于解決在工廠級的分析與優(yōu)化問題，與自動化技術聚焦于控制的精度、速度、邏輯不通，工業(yè)物聯(lián)網與分析系統(tǒng)能夠為工廠提供在管理級的優(yōu)化，包括了如圖7所示的資產、運營、服務三個維度的工作，這些與生產運營、品質、能耗、維護保養(yǎng)相關的問題均可被納入到這個層面。

    圖8是來自于IIC的數據分析報告，對一些制造業(yè)公司進行調研后，企業(yè)的需求按照緊迫性進行的對比，顯然，預測性維護、客戶/市場相關分析對設計的改善、通過數據驅動來改善產品質量的需求較為明顯與迫切。

圖7IIoT為制造業(yè)帶來的價值

圖8未來1-3年數據應用分析對企業(yè)應用重要性的調研

邊緣計算的軟件智能

    邊緣計算（EdgeComputing）相對于云計算，其旨在通過對現場的數據采集并進行實時的控制，與云計算的差異在于云相對較長的數據采樣周期（秒、分、小時、天）。

    對于邊緣計算以及云計算，則基本上由軟件構成，其硬件基本為開放互聯(lián)的傳輸設備和服務器架構，這些在商業(yè)領域已經非常成熟，而另一方面，在這個層面的軟件則更趨于開放，可以采用各種軟件包括數據庫、移動端APP的開發(fā)、智能的分析平臺軟件來進行應用的處理，包括基于Web技術的訪問。

    邊緣計算是實現工業(yè)物聯(lián)網IIoT的一個重要方法與途徑，通過邊緣計算，將機器、工廠數據進行采集，除了用于本地計算所需的實時性高的數據外，也可以提供給云平臺進行更為全局的計算與優(yōu)化。

    而對于貝加萊而言，其APROL平臺可以作為塑料、包裝等工廠的邊緣計算平臺，當然，作為自動化廠商已經為其集成了包括PDA、EnMon、ConMon等數據采集、能源、維護的軟件，并且，通過mappVEIW為機器開發(fā)的顯示可以通過任意的移動端設備如iPhone、Andriod平臺的智能終端、iPAD等，他們只要有支持HTML5、Javascript、CSS的瀏覽器即可，如GoogleChrome、Apple的Safari、Microsoft的IE瀏覽器。

    在邊緣計算層的軟件完全可以基于這些開放架構的軟件來實現，包括本地云、智能分析軟件均可借助于這些已經非常成熟并接口開放易于開發(fā)的軟件來實現。

    圖9顯示了整個基于時間的各個層面的任務分級整個工廠、企業(yè)的數據流，對于自動化OT技術而言其主要聚焦于微秒、毫秒級的任務處理，而邊緣計算則聚焦于數十毫秒-秒的計算，而云計算則處理更大時間周期的任務，整個數據流與層級通過圖9所示的結構被有效的分級處理。

圖9各種計算的時間需求

    OPCUA也被集成在設備的控制器中，由于OPCUA支持Web服務的訪問、Pub/Sub這種訂閱方式的數據傳輸，這使得機器可以被邊緣平臺訪問，提供智能分析，并快速返回給設備，對整個產線進行工藝的優(yōu)化與改善。

    圖10為基于這個時間分層結構的注塑機工廠架構，而底層的控制器處理本地的注塑機產品制造任務，而邊緣側處理整個工廠的OEE、質量、維護等本地數據，而云平臺則處理整個工廠與材料消耗、能源統(tǒng)計、質量整體優(yōu)化的數據分析應用。

圖10基于邊緣計算的塑料工廠實現

    可以看到，在這整個智能制造中，機器與工廠被軟件所覆蓋，基于軟件的智能使得機器從底層的數據采集、工藝、通信互聯(lián)、工藝分析、運營管理的接口實現完整的本地智能和全局智能交互。