軟件致勝——如何完美開(kāi)發(fā)機(jī)器？

    工業(yè)自動(dòng)化軟件其實(shí)涵蓋了多個(gè)方面，首先，最為重要的當(dāng)然是用戶(hù)所用的行業(yè)應(yīng)用軟件，第二個(gè)方面是開(kāi)發(fā)平臺(tái)，第三則是軟件的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。

工業(yè)自動(dòng)化軟件的價(jià)值體系

    工業(yè)自動(dòng)化軟件其實(shí)涵蓋了多個(gè)方面，因此也需要從多個(gè)角度闡述其重要性，首先，最為重要的當(dāng)然是用戶(hù)所用的行業(yè)應(yīng)用軟件，應(yīng)用軟件是對(duì)其Know-How的封裝，包括專(zhuān)業(yè)庫(kù)如張力控制、CNC和機(jī)器人，以及行業(yè)的如印刷套色、紡織勻整、焊接庫(kù)等具體的行業(yè)工藝，這樣的集成有利于客戶(hù)快速開(kāi)發(fā)應(yīng)用，形成機(jī)器與系統(tǒng)的快速運(yùn)行；第二個(gè)方面是開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)放平臺(tái)需要具有開(kāi)放性、集成性，而對(duì)用戶(hù)開(kāi)發(fā)而言就是要有友好性（User-friendly）。而開(kāi)發(fā)平臺(tái)包括了基礎(chǔ)的RTOS、runtime、解釋與編譯系統(tǒng)、HMI、邏輯、運(yùn)動(dòng)控制、CNC和機(jī)器人庫(kù)等軟件構(gòu)成。第三個(gè)是軟件的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題，包括PLCopenIEC61131-3集成、OPCUA、IEC61784的安全等標(biāo)準(zhǔn)通信的集成、C/C++的集成，F(xiàn)DA/Gamp認(rèn)證的集成等。

    開(kāi)發(fā)平臺(tái)是工業(yè)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，市場(chǎng)希望自動(dòng)化廠商能夠有豐富的已封裝的專(zhuān)業(yè)庫(kù)可用，如圖1所示，工業(yè)自動(dòng)化軟件的價(jià)值體系主要可以概括為幾個(gè)方面：

    （1）平臺(tái)集成能力——就像貝加萊的AutomationStudio，所有在一個(gè)環(huán)境中完成，包括HMI的畫(huà)面、PLC邏輯、運(yùn)動(dòng)控制（定位同步控制、CNC&機(jī)器人）、安全、網(wǎng)絡(luò)配置，這個(gè)是從對(duì)象角度看，另一個(gè)就是從配置、仿真、開(kāi)發(fā)、調(diào)試、維護(hù)的生命周期全流程看，都可以在AutomationStudio中完成。集成平臺(tái)降低開(kāi)發(fā)成本、學(xué)習(xí)成本，提高開(kāi)發(fā)效率。

    （2）行業(yè)軟件集成：針對(duì)不同的行業(yè)Know-How封裝有可用的模塊，這是機(jī)器與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)客戶(hù)最看重的。

    （3）開(kāi)放的軟件接口：如與MATLAB/Simulink、MapSim等仿真軟件的接口集成，與EPLAN、AutoCAD、Pro-e等軟件的接口能力，與云平臺(tái)等通過(guò)OPCUA、MQTT/AMQP等集成的能力。

    （4）標(biāo)準(zhǔn)化的支持能力：通信、編程、安全（信息安全與功能安全）的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)支撐，包括在不同行業(yè)里如制藥的FDA/Gamp認(rèn)證，印刷里的PDF，包裝里的OMAC/PackML，塑料里的Euromap等。

軟件很重要，但它很復(fù)雜

    對(duì)于機(jī)器的開(kāi)發(fā)者而言，我們總是需要面對(duì)“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(kāi)發(fā)過(guò)程亦是如此，我們要高速的響應(yīng)市場(chǎng)的變化，而工藝以及那些具有附加值的創(chuàng)新設(shè)計(jì)卻需要時(shí)間積累。

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

    相較于制造業(yè)，IT軟件開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性更高，也使得其對(duì)軟件工程的研究最為深刻，許多軟件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目所遭遇的情形正如Brooks在其著作《人月神話(huà)》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(wú)法逃脫滅頂?shù)臑?zāi)難”，程序設(shè)計(jì)工作正像一個(gè)泥潭……這一問(wèn)題被形容為“軟件危機(jī)”，具體表現(xiàn)包括開(kāi)發(fā)進(jìn)度難以預(yù)測(cè)、開(kāi)發(fā)成本難以控制、用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品功能難以滿(mǎn)意、產(chǎn)品質(zhì)量難以保證、軟件難以維護(hù)等。

    對(duì)于軟件的重要性，目前在業(yè)界已經(jīng)是共識(shí)，它是Know-How的封裝容器用于保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，軟件也賦予了機(jī)器智能，根據(jù)變化來(lái)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(dòng)化行業(yè)順序邏輯控制一個(gè)工程師可以控制，而今天，機(jī)器變得復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)控制、安全、網(wǎng)絡(luò)、IT連接、算法使得機(jī)器軟件的開(kāi)發(fā)變得更為復(fù)雜，如圖2所示。

    IEEE的軟件工程知識(shí)體系對(duì)于軟件項(xiàng)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(hù)經(jīng)常不知道需要什么或者哪些是可行的；

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

    ③對(duì)于問(wèn)題理解的不斷加深以及情況的變化經(jīng)常會(huì)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(guò)程構(gòu)建的；

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

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

    ⑦軟件開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)技術(shù)變化非?？?。

    隨著機(jī)器變得復(fù)雜，自動(dòng)化行業(yè)的軟件也復(fù)雜，如何又“快速”又能“高品質(zhì)”的開(kāi)發(fā)機(jī)器軟件成為了“魚(yú)與熊掌”一樣的問(wèn)題。

機(jī)器開(kāi)發(fā)效率提升方法

    自動(dòng)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(shí)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(duì)機(jī)器開(kāi)發(fā)而言，通常其開(kāi)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(kāi)發(fā)軟件的過(guò)程，即，對(duì)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(gè)主要的問(wèn)題：①軟件生產(chǎn)效率問(wèn)題：在軟件無(wú)需從零開(kāi)始的情況下，它可以大幅度縮短開(kāi)發(fā)周期，②軟件質(zhì)量問(wèn)題：由于被復(fù)用的軟件往往已經(jīng)經(jīng)過(guò)了反復(fù)的應(yīng)用測(cè)試，較之新的模塊而言，其出錯(cuò)的概率將大幅度降低。

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

    貝加萊的mapp的設(shè)計(jì)思想基于PLCopen標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)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(zhǎng)期使用，但是，設(shè)備的開(kāi)發(fā)同時(shí)也要實(shí)現(xiàn)個(gè)性化，解決這一問(wèn)題的方法即是模塊化，通過(guò)對(duì)模塊根據(jù)機(jī)器進(jìn)行共性劃分，然后使得每個(gè)獨(dú)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3反映了mapp的幾個(gè)大的框架功能劃分。

    如圖4所示，基于mapp來(lái)開(kāi)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(duì)油壓、帶伺服泵、全電動(dòng)注塑機(jī)等各種類(lèi)型的機(jī)器，其共性的包括了配方、OEE、用戶(hù)管理、報(bào)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(duì)單軸、多軸來(lái)實(shí)現(xiàn)全電動(dòng)注塑機(jī)的開(kāi)發(fā)，機(jī)器人集成可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線(xiàn)級(jí)的配合，通過(guò)能源監(jiān)測(cè)、OEE可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理。

    mapp的思想解決“魚(yú)與熊掌”兼得的問(wèn)題：通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的軟件封裝解決快速開(kāi)發(fā)問(wèn)題，通過(guò)基于復(fù)用思想開(kāi)發(fā)的組件也同時(shí)解決了軟件的穩(wěn)定可靠問(wèn)題。

2.集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)

    當(dāng)然，像mapp這樣的機(jī)器開(kāi)發(fā)思想，必須基于AutomationStudio這樣的集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)也是一個(gè)解決軟件開(kāi)發(fā)效率的設(shè)計(jì)，它解決的問(wèn)題在于：

    --減少在多個(gè)開(kāi)發(fā)工具之間的切換；

    --通過(guò)工具的集成，節(jié)省開(kāi)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AutomationStudio即是一個(gè)典型的集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)，如圖5所示，它包含了兩個(gè)維度的集成：

    第一面向所有對(duì)象，PLC/PC/運(yùn)動(dòng)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(gè)是它從軟件的配置，選型（ServoSoft）、仿真接口（Matlab/Simulink，MapSim）、開(kāi)發(fā)（IEC61131-3，C，C++）、調(diào)試（軸測(cè)試，機(jī)械共振分析等）、維護(hù)（分布式程序下載，F(xiàn)TPServer,VNCServer,WebServer）全部集成在一個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境里。

    此外，在智能時(shí)代，集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)不僅提供編程環(huán)境，也包括了以下一些與產(chǎn)線(xiàn)、智能相關(guān)的功能集成，如圖6所示：

    --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(duì)OPCUA/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(fǎng)問(wèn)與功能集成；

    集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)就是讓高速開(kāi)發(fā)與穩(wěn)定可靠的項(xiàng)目得以平衡。

3.仿真建模

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

    例如：如何吊裝得更快又更穩(wěn)？集裝箱吊裝因?yàn)殓姅[效應(yīng)而無(wú)法快速定位，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(guò)在MATLAB/Simulink中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行建模，然后生成代碼并下載到X20PLC，通過(guò)PLC對(duì)牽引變頻器的速度/位置控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)搖擺的抑制，如圖7所示。

    圖8所示是基于貝加萊AutomationStudio與MATLAB/Simulink的防搖系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程，通過(guò)電子防搖系統(tǒng)開(kāi)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(diǎn)，并且在效率方面也能達(dá)到20%的提升。對(duì)于那些超過(guò)10000個(gè)標(biāo)準(zhǔn)箱的貨船而言，每個(gè)吊裝過(guò)程的時(shí)間節(jié)省意味著整個(gè)碼頭的吞吐能力，也意味著進(jìn)出口額的增加。

    借助于AutomationStudio平臺(tái)、仿真建模技術(shù)、mapp可以讓機(jī)器制造商更快的設(shè)計(jì)機(jī)器，并且針對(duì)工廠客戶(hù)的需求提供面向大數(shù)據(jù)分析、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的應(yīng)用接口，讓機(jī)器制造商更快地響應(yīng)市場(chǎng)的需求，贏得先機(jī)。