创新永不止步——自动化技术进步的贝加莱视角

　　现在的制造业，比任何时候更为热闹，充满了各种所谓的“智能”、“转型”、“颠覆”的热词。一直默默服务于制造的自动化莫名经常被冠以“封闭”、“被颠覆”的力量;然而，这种纯然的无明，并不能真实还原自动化行业持续不断的创新，并且无法清晰理解自动化“工程”创新带来的持续价值——这种力量在过去的数十年里已然被证实，且继续发生。本文将以贝加莱视角来看待制造业的自动化技术进步。

　　企业发展的五个力量

　　管理学大师迈克尔?波特早在竞争理论中阐述了企业所面临的五个力量，称为五力模型。同样，对于任何一个企业或组织，其发展来自图1中所表示的这五大力量。

　　其实，企业核心在于使命驱动下，为用户提供所需的产品技术，为员工谋福利，以及为股东谋利益，这是企业自身发展的内生动力。客户需求导向的产品设计产生拉动力，横向技术的进步产生推动力，通过工程创新，为用户提供优于竞争者更高性价比的产品技术与解决方案。

　　回到制造的本质

　　无论赋予智能制造何种光鲜，制造本身都是要提供高品质产品、低成本与快速交付能力的。今天的技术并无新鲜，一切都是技术是否达到经济的临界点，因此，信息化、智能化都是附着于自动化之上的工具扩展，而非制造本身。图2梳理了自动化、信息化与智能化之间的关系，他们作为一种方案工具共同服务于不断变化的制造业需求。

　　图 1 企业乃至行业发展的重要力量

　　图 2 质量 / 成本与交付是制造的本质诉求

　　更快、更高、更强的机器

　　对于制造业而言，其总是遵循着奥运会精神，那就是“更快、更高、更强”。对于机器而言，就是“更快的速度、更高的品质、更强的功能”，工厂对于机器的要求就是“既要品质高、又要省材料、还要一机多用生产不同的产品”，这就是“投资回报”。

　　机器控制何以变得越来越复杂?

　　控制，从机械传动与手动操作、继电器逻辑、PLC，再到PC算法设计，AI 集成能力，这一切都是为了让机器变得能够胜任更为复杂的工作。一机多能， 就意味着最快的调整，以生产不同的产品，越来越快的机器要更高的生产产能，而精度越来越高则为了更高的品质。

　　似乎大部分对机器的控制器的理解都不断停留在PLC只能做逻辑控制的层面，这似乎对于自动化有较过时的理解一直弥漫在制造业，然而事实并非如此，至少在贝加莱并非如此。贝加莱在80年代开始进入PLC市场，但起点选择了PC与PLC融合的架构，即，选择PLC的稳定可靠、又有PC的复杂算法设计、浮点运算能力，这使得贝加莱在90年代即可采用BASIC/C编程以实现复杂的算法设计，赋予机器更高的工艺实现能力。

　　如图3，今天，贝加莱的控制器按照用户需求，提供了各种能力的扩展产品组合，涵盖了机架式PLC、Power Panel 控制显示一体、APC-先进的工业PC、Panel PC-PLC、PC与面板集成、X90的移动装备控制器，这些控制器基于Intel X86/ARM架构，可以支持RTOS和复杂算法的实现。

图 3 多样控制技术满足各种需求

　　通过本身的高性能处理器、以及丰富的网络集成能力、内嵌的服务(FTP/ Web、OPCUA)能力，在数字化时代， 贝加莱的控制器依旧具有领先的数字化能力。在满足控制任务的实时性同时， 也提供数字化连接能力，以及边缘计算任务处理能力。

　　工业通信——从机器到工厂集成

　　总线的历史若从早期的仪表总线算起，也有大约60年的时间，从IEC的“现场总线”这个定义也有近40年了。早期总线主要来自于流程工业的需求，因为流程工业像是一台大机器(装置)，有对于工程接线、配置和诊断的需求。随着机器也开始逐渐接入更多的传感器、伺服轴、视觉系统等，更多需要连线生产，而离散制造业属于“时间严苛型任务”，因此，它对实时性有着较高的要求。随着机器的需求变得更为迫切，普遍采用了三层更为精简的架构来满足实时性要求，并借助于以太网将L1/L2统一，但保持了原有的L7应用层。

　　当机器要进行连线生产的时候，就会遇到机器-机器(M2M)交互问题， 异构网络怎么集成。这使得OPC UA的语义互操作能力得到迫切需求，而另一方面，由于集成后的边缘任务、数字孪生任务都会产生大量多业务数据流调度问题，而由于每个由厂商独自掌控的网络阻碍了这种集成，因此，由更为中立的IEEE发起的TSN就使得各个厂商终于聚在一起，寻求新的网络解决方案。

　　贝加莱早期的控制器已经集成了CAN总线，包括伺服短暂的经历过脉冲与模拟量控制，即纳入了分布式智能的架构下，在90年代推出的ACOPOS伺服驱动器就已经配置CAN接口。到2001年开发了POWERLINK实时以太网技术，采用以太网+CANopen应用层架构，提供高实时性应用。而到了2017年开始逐渐进入TSN的研发中，在应用层，也开始采用OPC UA统一来规划未来的系统通信架构，以确保机器与系统可以被容易地集成到工厂的整个架构中，包括设备与管理系统的双向交互。

　　灵活性需求——运动控制贡献最大

　　从直流驱动，到交流，从变频到伺服的大量应用，运动控制最重要的应用包括了定位与同步控制、CNC和机器人。

　　机器的灵活性变化需求使得采用机械方式需要费时费力的变化和调校，而伺服电机则以快速响应、高精度，使得机器的这种调校变得简单， 因此，越来越多的伺服电机不像最初主要聚焦定位精度和速度位置同步任务，而更多变成了满足机器变化生产的需求。

　　在2008年，贝加莱推出GMC，将定位同步、CNC和机器人纳入统一架构。

　　为了解决机器控制的各种需求，贝加莱的ACOPOS系列有针对性地提供了ACOPOSmulti双轴共直流母线驱动、ACOPOSmotor分布式运动控制、ACOPOS P3三轴驱动， 如图4所示，而ACOPOStrak汇流分流的磁悬浮输送，以及ACOPOS 6D具有平面磁悬浮输送能力的运动控制产品，如图5所示。

　图 4 满足各种场景的 ACOPOS 系列

图 5 多维运动控制技术

　　而磁悬浮输送技术又是一个更大的潮流，因为，它需要解决如何将整个生产连接起来，以将传统的离散制造转化为向流程工业一样的连续型生产，进而缩短中间的搬运、输送与等待时间。另一个问题在于“调度”，即，通过寻找在个性化产品的生产流程组合中，获得最优(时间最短、路径最短)的效率组合。这是由ACOPOStrak和ACOPOS 6D内置的智能调度算法来实现的。

　　软件技术

　　软件之所以变得重要就在于它可以赋予机器更多的灵活性，以应对变化，软件作为一种Know-How封装的容器，也被机器制造商所看重，从图6我们可以看到，自动化包含了非常多与软件相关的工作。

图 6 软件的价值体系

　　1.集成开发平台的需求

　　机器越来越多的对象和任务集成，使得提升机器开发效率成为了必须，因此，贝加莱在1997年即推出了Automation Studio集成工具平台。其实，在今天大家广泛讨论的工业软件中，针对嵌入式系统应用开发的工具平台往往会被忽略，但是，不要忘记，所有运行在机器上的控制系统必须有一个软件集成工具。而Automation Studio的开放灵活是贝加莱形成各种解决方案的关键一环。

　　2.建模仿真

　　为了满足物理建模，贝加莱在很早就推出与MATLAB/ Simulink的接口，而2008年Mathworks的Simulink PLC支持C代码自动生成，由于贝加莱PLC支持C开发，而第一批受益。之后为了加强与机械及产线仿真的集成，贝加莱又通过FMU/ FMI接口与MapleSim、ISG的Virtuos、IndustrialPhysics等软件的交互，以实现协同仿真。

　　3.提升机器与系统开发效率的模块化软件

　　尽管工业软件今天很“热”，但是，其实，对于自动化厂商而言，提升开发效率，降低代码的编写，即所谓的低代码， 其实本质就是用高内聚的模块来提升机器软件的“组织”， 而贝加莱的mapp即基于组件的开发(Component-Based Development)思想来实现标准化封装，进而降低机器开发的编程量，从而快速配置机器的应用系统，主要是为了节省时间，降低开发成本。

　　4.智能算法的支持

　　就本质而言，AI也是工业知识的软件化，因此，以软件形式运行于嵌入式PLC还是PC，乃至未来所谓云化PLC均可，部署于哪里只是根据需要可自由灵活配置的问题。

　　对于自动化厂商来说，其实开发平台工具软件是一方面， 另一方面也在于垂直行业的Know-How封装，因此，这都是价值的体现。

　　自动化从未停止创新的步伐

　　事实上，自动化的疆界一直在扩展，从贝加莱的视角，我们可以看到自动化技术发展的几个关键点：

? 1.横向技术+纵向应用

借助于横向技术来解决垂直行业问题，是自动化的使命与基本工作，因此，所谓的技术，只要它能满足要求，并具有经济性，那么，自动化就可以将其纳入整个架构，并以工业的特殊性进行适当的改造，从而解决用户行业的特定问题。

? 2.向两个方向的延伸

　　首先，ACOPOStrak和ACOPOS 6D这样的技术使得自动化开始向机械部分延伸，而OPC UA over TSN架构下的边缘任务则向全局的工厂连接扩展。

? ? 3.自动化核心价值在塑造客户“巧实力”

与炫耀工具平台本身不同，自动化的创新都是在解决用户工艺、质量、成本与交付能力几个问题为其竞争力，而并非在平台工具本身。

　　中国制造业的发展，自动化与智能化是必然趋势，但是， 一切都围绕着技术的凝聚和沉淀，我们需要的是一种关注需求、“打磨”产品与技术的精益精神。