控制系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)應(yīng)用的影響
傳統(tǒng)PLC局限帶來的問題
比較常見的是歷史遺留的架構(gòu)，即傳統(tǒng)PLC的確比較擅長
邏輯控制，自70年代甚至到現(xiàn)在很長一段時(shí)間里，都存在著這種情況。像印刷里的套色、并條里的勻整、CNC與機(jī)器人系統(tǒng)等，通常都是專用系統(tǒng)，包括最近看到的光伏設(shè)備里的溫度控制，它需要非常強(qiáng)的自整定、溫區(qū)解耦要求，普通的PLC的確干不了這個(gè)事情，才產(chǎn)生了很多專用型控制器。
但是，實(shí)際上自90年代中，貝加萊推出基于定性分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC），就已經(jīng)支持高級(jí)語言編程，能夠?qū)?fù)雜的回路調(diào)節(jié)、時(shí)間嚴(yán)苛型任務(wù)（有個(gè)叫TPU的功能）、運(yùn)動(dòng)控制（CNC）集成于一體了。因此，像印刷套色系統(tǒng)替代專用套色、壁厚控制、多軸向經(jīng)編機(jī)等很多應(yīng)用中，得益于這一架構(gòu)，貝加萊用通用控制器代替了原來的專用控制器的應(yīng)用，這使得系統(tǒng)整體成本得到降低，因?yàn)椴恍枰獮榇酥Ц秲商紫到y(tǒng)的成本。
今天，包括Hypervisor的PC，集成Linux/RTOS，使得像邊緣調(diào)度、策略性任務(wù)也可以與實(shí)時(shí)控制任務(wù)集成，包括機(jī)器學(xué)習(xí)類都可以被集成到統(tǒng)一平臺(tái)。
圖 1 單循環(huán)掃描的 PLC 運(yùn)行機(jī)制
當(dāng)然，必須承認(rèn)這里有一個(gè)工藝Know-How移植的問題，以前老是和用戶談還是得自主掌握這些Know-How，專用系統(tǒng)其實(shí)都是因?yàn)楣に嘖now-How而非硬件值錢，但是，這些封閉的系統(tǒng)無法讓我們真正贏得競(jìng)爭(zhēng)力。但是，對(duì)于價(jià)格來說，還是通用平臺(tái)有更高的性價(jià)比。
在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，CNC通常也是一個(gè)專用系統(tǒng)，因?yàn)樗枰幚淼牟逖a(bǔ)運(yùn)算都需要反復(fù)的計(jì)算、動(dòng)態(tài)處理，因此， 會(huì)看到一些老的架構(gòu)采用一個(gè)CNC系統(tǒng)來處理，并同時(shí)用另一個(gè)控制器去處理插補(bǔ)任務(wù)，但是有時(shí)候一些需要用到CNC功能的非典型CNC(如車銑刨磨)機(jī)器中的CNC又僅僅只是簡(jiǎn)單的直線插補(bǔ)或圓弧插補(bǔ)，而由于普通的PLC+運(yùn)動(dòng)控制模塊處理不了，就又增加了一個(gè)CNC系統(tǒng)，這就很尷尬，為了一個(gè)簡(jiǎn)單的CNC必須架構(gòu)一個(gè)系統(tǒng)，價(jià)格倒也不高，但是很煩人，因?yàn)椋?這兩個(gè)系統(tǒng)還得協(xié)調(diào)。
包括機(jī)器人也存在這樣的情況，由于傳統(tǒng)意義上，機(jī)器人也是普通控制器處理不了的，因此，機(jī)器人控制系統(tǒng)都是有專用的控制系統(tǒng)，通常運(yùn)行Windows+RTOS這樣的架構(gòu)，隨著工藝的集成度越來越高，就會(huì)出現(xiàn)一些機(jī)器人針對(duì)打磨、焊接、涂裝等領(lǐng)域的工藝Know-How的封裝，這樣的機(jī)器人系統(tǒng)因?yàn)榧闪诵袠I(yè)Know-How，而變得更為專業(yè)。但是，在另外一些機(jī)器應(yīng)用中，例如注塑機(jī)的取件、包裝中的碼垛、印刷種的裝版等場(chǎng)景，這里的機(jī)器人工作相對(duì)比較單一，為此專門配置機(jī)器人系統(tǒng)控制似乎不那么合算，完全可以利用通用控制器的處理能力，并能夠在一個(gè)軟件架構(gòu)下編程，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與機(jī)器在位置、速度、時(shí)間上的高精度同步，這就是貝加萊的Machine Centric Robotics的理念，這樣，對(duì)于機(jī)器制造商來說，就可以直接在機(jī)器中集成一個(gè)機(jī)器人，這個(gè)應(yīng)用中，機(jī)器是中心，機(jī)器人相當(dāng)于一個(gè)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元。
基于開放架構(gòu)的控制器，借用了開放的芯片世界中的處理
能力、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)通信能力，而將Know-How以軟件形式運(yùn)行
圖 2 定性分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)架構(gòu)下的控制器
于其上，這樣的架構(gòu)就更能滿足集成性高、開放連接多的新時(shí)代機(jī)器配置需求。
2.降低成本帶來的組合
另一種情況，就是一些廠商可能把系統(tǒng)拆分為一個(gè)個(gè)的
產(chǎn)品、組件來理解，以純采購的模式來分析系統(tǒng)，然后尋找最便宜的解決方案，曾經(jīng)見過一個(gè)機(jī)器上用了A家的PLC、B家的HMI用于機(jī)器操作、C家的運(yùn)動(dòng)控制器、D家的驅(qū)動(dòng)器、E家的電機(jī)、F家的工業(yè)PC用于Windows畫面、H家的I/O端子、I家的變頻器里面有J家的電源、K家的低壓電器，還有一個(gè)找人開發(fā)的板子，總之，那個(gè)是我見過最壯觀的自動(dòng)化產(chǎn)品展示柜。看了后，我第一個(gè)想法就是這些東西如果出現(xiàn)了問題，到
底要找誰來解決問題？而且，這工程師為了寫這些程序、調(diào)試這些參數(shù)怎么辦？硬件看上去便宜了，但是，軟的方面卻帶來了很大的問題，工程師也無可奈何。
集成系統(tǒng)自有它的好處，但如果一個(gè)控制器即可完成邏輯、運(yùn)動(dòng)控制、高級(jí)算法等功能，則更經(jīng)濟(jì)，人們總是忽略了工程師的成本，以及耗費(fèi)在軟件上的成本——今天，在這種局面下，人工成本不斷上升，軟件越來越復(fù)雜，我想這種架構(gòu)可能也比較少見了吧？
3.歷史遺留問題——規(guī)劃的問題
宜組件的視角，但是，它經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)多個(gè)PLC或多個(gè)PC堆疊的情況，也有幾個(gè)HMI的，你說是模塊化吧？好像也并非如此， 后來通過很多用戶的交流，才發(fā)現(xiàn)也是歷史遺留問題。這個(gè)機(jī)器的系統(tǒng)現(xiàn)在的格局是在不同階段做的，然后后來又增加了一個(gè)需求，然后原來的控制器做不了，加一個(gè)新的系統(tǒng)，這個(gè)又跟前面不兼容，后來又需要增加一個(gè)子系統(tǒng)，然后又增加了一個(gè)專門處理這個(gè)復(fù)雜任務(wù)的PC或PLC。而這些系統(tǒng)之間要么就沒有什么關(guān)系，要么就是寫了復(fù)雜的接口或?qū)ｉT的轉(zhuǎn)化模塊， 應(yīng)該說并非是最優(yōu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而且成本也很高，再就是退出成本也很高，就是你想更換系統(tǒng)，還退不了，因?yàn)?，這種遷移成本會(huì)很高。
最近和一名同事又聊到了為什么用戶設(shè)計(jì)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)很多架構(gòu)上其實(shí)并不經(jīng)濟(jì)的問題，大概想來是我們這個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展太快造成的，先做個(gè)能用的，其實(shí)并未有一個(gè)長遠(yuǎn)的規(guī)劃，導(dǎo)致了系統(tǒng)的架屋疊床的局面，在單一的組件上看上去成本低，但是，當(dāng)新的子系統(tǒng)進(jìn)入時(shí)，由于無法兼容之前的，并且原有程序無法輕易移植，導(dǎo)致了必須保留它，多次這樣的設(shè)計(jì)，就導(dǎo)致最終成本很高，但是又處于無奈，因?yàn)橥瞬怀鰜恚匦聛磉^又需要大量的開發(fā)與測(cè)試，結(jié)果導(dǎo)致積重難返。
系統(tǒng)規(guī)劃是一個(gè)“磨刀不誤砍柴工”的事情，必須預(yù)先考慮到未來的潛在需求，規(guī)劃人員必須站在5-10年的視野來看待系統(tǒng)架構(gòu)。不僅僅是硬件架構(gòu)，而且，更多是未來的機(jī)器軟件架構(gòu)，能夠具有長期可擴(kuò)展，而在新增時(shí)，如何避免大動(dòng)干戈的調(diào)整，推到重來的代價(jià)實(shí)際上是非常高的。但是，換個(gè)視角，又發(fā)現(xiàn)工程師在整個(gè)項(xiàng)目的決策中受到了很多不利因素的影響，做出了妥協(xié)，要么因?yàn)闀r(shí)間與進(jìn)度關(guān)系，或者因?yàn)槭袌?chǎng)銷售方面的決策因素，或者因?yàn)榉悄撤N特殊政策（單一品牌戰(zhàn)略），導(dǎo)致了無法選擇更為全局長遠(yuǎn)的架構(gòu)規(guī)劃——記得以前讀《用工程師思維來工作》一書提到，工程師思維很重要的一個(gè)點(diǎn)，即讓工程師來決策，但是，顯然這很難做到。
4.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
有一次，一個(gè)友商朋友問到，為何在進(jìn)行電子凸輪裁切這
類任務(wù)的時(shí)候切不好，我說當(dāng)然切不好，因?yàn)槟愕募軜?gòu)決定了這個(gè)結(jié)果。貝加萊的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它是可以直接把外接編碼器接入到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的（多個(gè)編碼器槽直接在驅(qū)動(dòng)器上），那么這個(gè)
架構(gòu)會(huì)帶來的好處在于，它可以直接在驅(qū)動(dòng)器中計(jì)算同步外接編碼器的位置或速度，這使得它可以獲得更高的響應(yīng)，而采用PLC的I/O反饋外接編碼器來跟隨的模式，就會(huì)達(dá)不到高速下的高精度裁切，因?yàn)檫@個(gè)同步關(guān)系受到了PLC任務(wù)的延時(shí)影響。
還有一個(gè)就是像POWERLINK，有些人提出它的通信周期100微秒好像并不算快，但是，POWERLINK的架構(gòu)并非是一個(gè)主站集中控制模式下的運(yùn)行，而是基于分布式架構(gòu)的廣播幀方式，可支持交叉通信，因此，很多同步任務(wù)并不需要去主站，而是軸間可以通過廣播幀實(shí)現(xiàn)直接跟隨關(guān)系。因此，它并不必須通信周期那么快，卻可以實(shí)現(xiàn)高的控制任務(wù)響應(yīng)，包括它的PRC省略握手過程的機(jī)制等優(yōu)化方法，這都是架構(gòu)的力量。
系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際上在于“巧”，所謂的“四兩撥千斤” 就是這個(gè)意思，從產(chǎn)品思維出身和從方案思維出身的企業(yè)決定了對(duì)于“系統(tǒng)”的理解是不同的，而做系統(tǒng)的人，他會(huì)有全局優(yōu)化的概念，而做產(chǎn)品的更多從局部思考問題，很難做到全局最優(yōu)的設(shè)計(jì)。因此，做控制系統(tǒng)出身的廠商和電機(jī)出身的廠商，看待運(yùn)動(dòng)控制的視角也是不同的，控制因?yàn)樽鳛橹髡荆枰謪f(xié)同，而做電機(jī)出身的做運(yùn)動(dòng)控制，其視角主要在電機(jī)本身的性能與對(duì)象的匹配這個(gè)局部問題上。
5.底層架構(gòu)的影響
其實(shí)，像開放架構(gòu)非常適合于開發(fā)自主的應(yīng)用，所謂開
放，其實(shí)主要是指采用“開放世界”的技術(shù)，即橫向產(chǎn)業(yè)技術(shù)，這個(gè)事情要回到十多年前，做銷售的時(shí)候，其實(shí)客戶愿意用已有的封閉專用系統(tǒng)，因?yàn)檫@樣快，雖然那時(shí)就和客戶談自主研發(fā)工藝Know-How的重要性，但是，受制于對(duì)封閉系統(tǒng)的路徑依賴，其實(shí)，我們也并未掌握核心工藝，這種依賴會(huì)隨著系統(tǒng)越來越強(qiáng)，最終導(dǎo)致今天缺乏工業(yè)軟件，雖然很多人把工業(yè)軟件聚焦到了CAD/CAE，但嵌入式應(yīng)用的Know-How一樣是普遍存在于工業(yè)系統(tǒng)的。
還有一個(gè)問題在于我們對(duì)工業(yè)軟件理解的問題，就是商用軟件或者在設(shè)計(jì)端的工業(yè)軟件，與在運(yùn)行端的嵌入式軟件、DCS這樣的軟件的發(fā)展模式實(shí)際上完全相反，因此，用軟件的發(fā)展思維來發(fā)展工業(yè)軟件實(shí)際上一定會(huì)出問題的。
IT系統(tǒng)的軟件是一種自上而下的架構(gòu)，先有骨架再去“豐滿”，而OT的軟件研發(fā)是先有應(yīng)用問題需要解決，然后再標(biāo)準(zhǔn)化的過程，而工業(yè)軟件的模式則必須經(jīng)歷不斷的工程迭代過程，這個(gè)時(shí)候，就必須考慮非常強(qiáng)的底層架構(gòu)設(shè)計(jì)，以讓這樣的系統(tǒng)具有擴(kuò)展能力，而又不會(huì)影響原來的架構(gòu)。
