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轉(zhuǎn)載自貝加萊工業(yè)自動(dòng)化

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的熱炒，使得自動(dòng)化在其中扮演了一個(gè)越發(fā)有意思的角色，一些缺乏對(duì)制造現(xiàn)場(chǎng)了解的人總是會(huì)把PLC理解為就是做邏輯控制的，而且提起現(xiàn)場(chǎng)總線總是CAN、Modbus等，似乎自動(dòng)化是一個(gè)“傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)”，一個(gè)已經(jīng)過(guò)去的時(shí)代，人們喜歡用自動(dòng)化、信息化、智能化來(lái)為智能制造進(jìn)行“斷代”來(lái)闡述其關(guān)系，然而，事實(shí)卻并非如此—因?yàn)椋詣?dòng)化是一個(gè)不斷在進(jìn)步的領(lǐng)域，而且，它是一個(gè)純粹的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，它所有的創(chuàng)新源泉來(lái)自于“客戶需求”。

今天，我們有必要重新梳理自動(dòng)化——它不僅是控制、也包括了邊緣計(jì)算的融合、數(shù)字孿生、機(jī)器學(xué)習(xí)的融合，成為整個(gè)制造的基礎(chǔ)與核心構(gòu)成。

1、開放互聯(lián)

開放互聯(lián)成為必然趨勢(shì)，在經(jīng)歷了現(xiàn)場(chǎng)總線、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，自動(dòng)化的開放互聯(lián)正邁入OPC UA over TSN的時(shí)代。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)遇到的最大的挑戰(zhàn)在于“連接”問(wèn)題，復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)總線和各種協(xié)議使得IT訪問(wèn)OT變得異常困難，不經(jīng)濟(jì)，成為了推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的第一大障礙。

OPC UA是一個(gè)推行“普通話”的過(guò)程，它使得各家不同廠商的控制器可以被采用統(tǒng)一語(yǔ)言，而TSN則扮演著“同聲傳譯”的角色。

目前整個(gè)自動(dòng)化行業(yè)的主流廠商、ICT廠商如華為、CISCO等均以開發(fā)了基于TSN的解決方案，即將進(jìn)入批量運(yùn)營(yíng)階段。

如圖1所示，OPC UA為整個(gè)智能工廠提供了在上下游供應(yīng)鏈、車間橫向設(shè)備間的集成，也完成從傳感器到云端的垂直連接，更為重要在于OPC UA信息模型為軟件的高效開發(fā)提供了保障，大幅降低工業(yè)互聯(lián)的工程成本。

2.柔性制造

無(wú)論談?wù)撝悄苤圃?、工業(yè)4.0還是所謂的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)，其實(shí)，本質(zhì)都是通過(guò)信息的采集，實(shí)現(xiàn)全局的制造效率提升，響應(yīng)“大規(guī)模定制”中的高品質(zhì)、低成本要求。

但是，在底層執(zhí)行中，會(huì)遇到一個(gè)“機(jī)械”的剛性連接障礙，因此，為了解決這個(gè)問(wèn)題，各家主流自動(dòng)化廠商均推出了柔性電驅(qū)輸送系統(tǒng)，如圖2的ACOPOStrak，它帶來(lái)的改變?cè)谟冢?

（1）傳統(tǒng)的產(chǎn)線復(fù)雜性、精度、柔性問(wèn)題被解決；

（2）滿足個(gè)性化定制的生產(chǎn)需求。

3.邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算主要聚焦于進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、連接，并在邊緣側(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)線、工廠的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度、優(yōu)化、策略問(wèn)題的解決，自動(dòng)化廠商在原有架構(gòu)上融合新的Web技術(shù)、云連接技術(shù)，將這些任務(wù)以分布式形式實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的構(gòu)架。

自動(dòng)化廠商積極的融合IT技術(shù)，解決現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題，作為一個(gè)銜接制造現(xiàn)場(chǎng)和IT的中間層，邊緣計(jì)算解決了本地的設(shè)備集成、OEE計(jì)算、能源計(jì)量、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、品質(zhì)管理的功能。

通過(guò)OPC UA，自動(dòng)化系統(tǒng)可以與來(lái)自開放世界的各種邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)開放連接，發(fā)揮各自的能力，包括與云端服務(wù)的對(duì)接，自動(dòng)化可以為其提供基礎(chǔ)的制造現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，以及預(yù)先處理好的結(jié)構(gòu)化信息。

4.機(jī)器學(xué)習(xí)

今天，我們討論機(jī)器人工智能，然而，工程本身就是數(shù)學(xué)問(wèn)題，在1931年，科爾莫哥洛夫發(fā)表了統(tǒng)計(jì)學(xué)和隨機(jī)過(guò)程方面的《概率論中的分析方法》，它奠定了馬爾科夫過(guò)程的理論基礎(chǔ)—它成為信息論、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)科學(xué)工具，然而，數(shù)問(wèn)題可以轉(zhuǎn)換為軟件問(wèn)題，首先在數(shù)學(xué)工具上可行，那么軟件才具有可行性，接著是實(shí)現(xiàn)—是否有足夠的計(jì)算能力，以及如何與對(duì)象結(jié)合。

事實(shí)上，在早期的控制器即可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，例如，貝加萊在90年代初即推出基于pSOS+定性分時(shí)多任務(wù)的操作系統(tǒng)，已經(jīng)可以支持高級(jí)語(yǔ)言的編程，今天的PLC已經(jīng)可以直接運(yùn)行基于C/C++等高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)的程序，基于PC架構(gòu)的控制器可以通過(guò)多種形式來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能的算法運(yùn)行。

實(shí)際上，機(jī)器學(xué)習(xí)并非那么神秘，簡(jiǎn)單說(shuō)，自動(dòng)化系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于已有的機(jī)器控制模型，在這個(gè)模型上加一個(gè)觀測(cè)器，采用成本函數(shù)對(duì)其進(jìn)行約束，在非線性階段對(duì)其進(jìn)行“學(xué)習(xí)”，而學(xué)習(xí)是一個(gè)數(shù)學(xué)意義上的概念，只要數(shù)學(xué)上有模型，即可編程，并運(yùn)行于控制器上。對(duì)于更為復(fù)雜的學(xué)習(xí)，其同樣是可以在控制器上編程的，很多人理解的PLC是邏輯控制，但是，像貝加萊的控制器早已可以采用高級(jí)語(yǔ)言編程—這件事情20多年前就可以了。

對(duì)于一些簡(jiǎn)單的機(jī)器學(xué)習(xí)而言直接在PLC上即可運(yùn)行，同時(shí)，在貝加萊新的Hypervisor技術(shù)，可以將PCI標(biāo)準(zhǔn)的AI加速卡插入，由Windows對(duì)其進(jìn)行處理，并同時(shí)并行運(yùn)行RTOS來(lái)與物理被控對(duì)象連接，可以直接在一個(gè)架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)與對(duì)象的直接交互。

5.軟件定義智能

自動(dòng)化的確正在成為一個(gè)軟件行業(yè)，因?yàn)?，智能通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單的修改即可實(shí)現(xiàn)復(fù)用，而且，軟件本身在智能制造中的角色也變得更為復(fù)雜，我們會(huì)驚奇的發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)化行業(yè)里無(wú)所不在的軟件，無(wú)論是RTOS還是集成開發(fā)環(huán)境如Automation Studio，還是針對(duì)行業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化PLCopen庫(kù)、以及為了實(shí)現(xiàn)開放互聯(lián)的Web服務(wù)器集成。

軟件正在成為自動(dòng)化行業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力—數(shù)十年于各個(gè)領(lǐng)域知識(shí)的積累，并且在未來(lái)，這些積累的控制對(duì)象與模型成為知識(shí)集成的基礎(chǔ)，也為數(shù)據(jù)分析與人工智能奠定基礎(chǔ)。

6.機(jī)器視覺

隨著生產(chǎn)的集成，自動(dòng)化正在將視覺系統(tǒng)也納入到其架構(gòu)中，在2018年，貝加萊即推出“集成視覺”，這個(gè)視覺系統(tǒng)將機(jī)器的邏輯、運(yùn)動(dòng)控制與視覺感知在統(tǒng)一架構(gòu)下進(jìn)行編程開發(fā)，實(shí)現(xiàn)最為直接的同步，并且，解決由于傳統(tǒng)視覺與自動(dòng)化系統(tǒng)之間的“通信連接”、“配置”、“編程”的壁壘，這帶來(lái)很多好處：

?無(wú)需復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)配置；

?可以無(wú)縫的軟件變量耦合；

?可以最高級(jí)別的實(shí)現(xiàn)同步關(guān)系；

?避免多個(gè)軟件的銜接影響各自性能的發(fā)揮。

7.建模仿真 

個(gè)性化制造最大的挑戰(zhàn)在于“開機(jī)浪費(fèi)”、“測(cè)試驗(yàn)證”中的浪費(fèi)，這往往是一個(gè)燒錢的過(guò)程，因此，在過(guò)去的數(shù)十年里，建模仿真技術(shù)一直應(yīng)用于機(jī)器與系統(tǒng)開發(fā)，然而在過(guò)去，仿真后的程序又需要復(fù)雜的過(guò)程才能實(shí)現(xiàn)在控制器上的運(yùn)行，而自2008年Mathworks推出基于C代碼自動(dòng)生成的工具，貝加萊Automation Studio即可實(shí)現(xiàn)一鍵導(dǎo)入，這樣可以直接在控制器上運(yùn)行自動(dòng)代碼。

另外，通過(guò)與MapSim通過(guò)FMI接口，實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣控制的協(xié)同仿真，這樣的方式可以讓機(jī)電一體化更為緊密的結(jié)合，在系統(tǒng)中對(duì)傳動(dòng)鏈、控制邏輯與對(duì)象進(jìn)行融合，并實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中的測(cè)試驗(yàn)證。

建模仿真也構(gòu)成了今天“數(shù)字孿生”概念的核心部分，在圖8中，通過(guò)MapSim的建?？梢耘c控制對(duì)象的模型進(jìn)行交互，并通過(guò)Scene Viewer實(shí)現(xiàn)三維呈現(xiàn)，可以直接在控制器上運(yùn)行并反饋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際傳感器回饋數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)字與物理對(duì)象的交互，為早期驗(yàn)證與虛擬調(diào)試提供便利。

建模仿真是一種創(chuàng)新性的開發(fā)方法，在今天，我們?cè)絹?lái)越多的應(yīng)用這些方法來(lái)解決很多產(chǎn)業(yè)問(wèn)題：

（1）早期驗(yàn)證與測(cè)試，虛擬調(diào)試，最大程度降低測(cè)試驗(yàn)證成本；

（2）開發(fā)可復(fù)用的軟件模塊，降低系統(tǒng)開發(fā)成本；

（3）通過(guò)自動(dòng)代碼生成降低開發(fā)成本。

……

自動(dòng)化顯然已經(jīng)不是那個(gè)自動(dòng)化，然而，自動(dòng)化永遠(yuǎn)都是以“用戶為中心”的產(chǎn)業(yè)，開放連接、集成各種領(lǐng)域知識(shí)，一切都是為了讓制造業(yè)的用戶體會(huì)到“質(zhì)量的不斷提高”、“成本的不斷下降”、“快速交付”，以及今天更為“個(gè)性化定制”的需求。