機(jī)器，作為制造業(yè)的核心資產(chǎn)，也是數(shù)字技術(shù)發(fā)揮價值的重要陣地。而控制器，則是機(jī)器的核心，機(jī)器的性能、功能設(shè)計(jì)，都圍繞控制器的。而控制器的發(fā)展，也是機(jī)器數(shù)字化演進(jìn)的體現(xiàn)。
邏輯控制與算法設(shè)計(jì)
機(jī)器，早期通過各種畜力、水力、蒸汽機(jī)等方式來實(shí)現(xiàn)傳動。操作也從人工操作演變到了電氣時代通過繼電器邏輯。伴隨著晶體管技術(shù)和IC封裝的進(jìn)步，PLC和變頻器逐漸被用于作為機(jī)器的控制與傳動。變頻電機(jī)大幅提升能源使用效率，而PLC則加快了機(jī)器的設(shè)計(jì)靈活性。
即使今天，很多人提及“PLC”，還是把它理解為“邏輯”控制器，畢竟它的名字在70年代就被定義了。今時今日，PLC這個詞似乎約束了PLC作為一種普遍存在的控制器的應(yīng)用邊界。盡管今天的PLC早已不是當(dāng)年的PLC—而且，很多應(yīng)用已經(jīng)不是傳統(tǒng)PLC可以解決的。并且，PLC作為“邏輯”控制器這種邊界在30年前其實(shí)就已經(jīng)被改變了。
就像貝加萊，在上世紀(jì)80年代，就開發(fā)了支持高級語言編程的PLC。之所以會這樣設(shè)計(jì)，與貝加萊早期所要面對的業(yè)務(wù)領(lǐng)域還是有比較大的關(guān)系的。當(dāng)時，貝加萊很多業(yè)務(wù)集中在塑料機(jī)械領(lǐng)域。而這類機(jī)器的特點(diǎn)就是需要多個溫度和壓力閉環(huán)控制，且相對流程工業(yè)來說，這些溫度和壓力閉環(huán)還響應(yīng)要求特別高。這使得對于控制器的算法設(shè)計(jì)能力及性能提出了較其它機(jī)器更為嚴(yán)格的需求。
圖1-80年代出品的黑色系列PLC
而當(dāng)時采用的PLC，通常采用匯編語言或梯形圖、順序功能圖等進(jìn)行編程。而這些編程對于復(fù)雜的回路調(diào)節(jié)任務(wù)的算法設(shè)計(jì)來說不大現(xiàn)實(shí)。因此，貝加萊據(jù)此需求開發(fā)了黑色系列控制器。它采用了經(jīng)典的MC68K芯片組—它有協(xié)處理器可以用于浮點(diǎn)運(yùn)算。并借助于OS9的分時多任務(wù)操作系統(tǒng)。使得PLC也可以支持BASIC高級語言編程。
到了90年代的2000系列（也稱為藍(lán)色系列），2003系列仍然采用MC68K芯片組。而2005系列已開始采用Intel X86芯片組及基于此的PC架構(gòu)-CPU/FPU和aPCI總線、RAM/ROM架構(gòu)設(shè)計(jì)。在這個硬件基礎(chǔ)上，運(yùn)行了定性分時多任務(wù)操作系統(tǒng)。當(dāng)時，它被命名為“可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC”。
圖2-貝加萊2000系列PCC
可見，貝加萊的控制器設(shè)計(jì)來源于產(chǎn)業(yè)需求—而像注塑、包裝這種領(lǐng)域，都會用到比較多的算法設(shè)計(jì)能力，并且考慮工藝的變化和分析，需要較大的存儲和對大塊數(shù)據(jù)的處理能力。而同樣是溫度控制，機(jī)器的溫控響應(yīng)速度又較之流程更快，達(dá)到mS級的任務(wù)。
機(jī)械到電子傳動的遷移
到了上世紀(jì)90年代。機(jī)器又對靈活性提出了更高的要求—即，在同一機(jī)器上生產(chǎn)變化的產(chǎn)品，批次更小，而品種更多。這需要機(jī)器能夠快速的進(jìn)行調(diào)整，例如：傳統(tǒng)的機(jī)械裁切刀，需要針對裁切尺寸準(zhǔn)備不同的刀輥，而采用電子凸輪（CAM）可以設(shè)置參數(shù)實(shí)現(xiàn)對不同尺寸的裁切-這種通過參數(shù)設(shè)置調(diào)整機(jī)器生產(chǎn)的應(yīng)用，成為了各個機(jī)器領(lǐng)域的需求。它主要是幾個考慮：
● 機(jī)械簡化，降低磨損帶來的維護(hù)成本；
● 電子傳動更為靈活，可以根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)-配置下載即可，而無需復(fù)雜的機(jī)械調(diào)整；
● 精度更高-相對于機(jī)械傳動，電子軸提供更高的傳動精度，也會讓品質(zhì)一致性更好；
這個階段，機(jī)器產(chǎn)業(yè)的傳動控制從機(jī)械化專向“電子”化的過程：
● 電子軸印刷機(jī)
在印刷行業(yè)，機(jī)械長軸正被電子軸取代，卷筒紙凹版、柔版，以及印后裝訂的書夾數(shù)量的調(diào)節(jié)，都通過伺服系統(tǒng)來完成，如圖3所示。
圖3（a）.機(jī)械長軸的印刷機(jī)械
圖3（b）-采用電子軸的凹版印刷機(jī)
● 多電機(jī)傳動粗紗/細(xì)紗
采用機(jī)械結(jié)構(gòu)的粗紗/細(xì)紗，被多電機(jī)傳動的電子結(jié)構(gòu)所替代。而在經(jīng)編機(jī)里，電子送經(jīng)（EBM）和電子橫移(ELS)也成為主體。
● 全電動注塑機(jī)
全電動注塑機(jī)、全電動吹瓶機(jī)開始進(jìn)入主流。
● 全伺服熱膜包裝
在飲料包裝領(lǐng)域，原來采用機(jī)械傳動的熱收縮膜包裝，也開始改為全伺服傳動。
早在90年代，貝加萊藍(lán)色系列的PCC就支持NC模塊，用于定位、同步和CNC的運(yùn)動控制。到了1997年，貝加萊推出ACOPOS系列伺服驅(qū)動器時候，運(yùn)動控制的庫如電子凸輪、鼓序列發(fā)生器、電子凸輪、虛擬主軸這些都被列為PCC的一個任務(wù)。無需額外的運(yùn)動控制模塊即可。
圖4-總線型的ACOPOS驅(qū)動系統(tǒng)
由于貝加萊是做控制器出身，使得貝加萊擁有了“全局看待機(jī)器與系統(tǒng)”的能力。因此，運(yùn)動控制的任務(wù)僅僅是PCC的任務(wù)之一，而PCC會運(yùn)行運(yùn)行運(yùn)動控制功能，包括定位同步控制、CNC和機(jī)器人，來作為運(yùn)動控制的協(xié)調(diào)調(diào)度中心，而每個驅(qū)動器又自身具有智能執(zhí)行的能力—這使得整個控制架構(gòu)效率非常高。因?yàn)椋刂破骺梢詤f(xié)調(diào)多的軸、任務(wù)之間的關(guān)系，而無需過高的負(fù)載，而驅(qū)動器本身具有智能性，可以自主執(zhí)行。
電子傳動對于實(shí)時通信的需求
流程工業(yè)大量的部署儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及中央控制的需求，從70年代即開始發(fā)展總線技術(shù)。這就是將信號、通信、控制實(shí)現(xiàn)數(shù)字化—這個數(shù)字化更多意義是在將模擬的轉(zhuǎn)為數(shù)字的，更易于傳輸、匯集。與此同時離散制造業(yè)里單機(jī)生產(chǎn)，對于總線還沒有這么多需求。但是，隨著更多的伺服軸、傳感器的接入—接線復(fù)雜性成為問題，總線也開始在離散裝備上有了需求。但是，離散制造又屬于時間嚴(yán)苛型任務(wù)，因此，它更為強(qiáng)調(diào)實(shí)時性，因此，就對PLC的實(shí)時通信能力提出了需求。
到了2001年左右，POWERLINK已經(jīng)成為了標(biāo)配，它直接采用了以太網(wǎng)技術(shù)，這與貝加萊的PLC本身的強(qiáng)處理能力有關(guān)。這與當(dāng)時的PLC不同的原因在于采用的復(fù)雜指令集架構(gòu)的處理器—由于以太網(wǎng)本身的數(shù)據(jù)解包/打包、校驗(yàn)等任務(wù)，也是挺消耗資源的—因?yàn)椋蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)塊比較大，但是這種架構(gòu)的處理器本身就擅長處理大塊數(shù)據(jù)。并且，這使得控制器擁有更大的數(shù)據(jù)存儲能力—在2000年左右，當(dāng)大部分PLC的內(nèi)存用kB計(jì)算的時候，貝加萊已經(jīng)是MB級的存儲能力。
機(jī)器的軟件能力需求提升
當(dāng)機(jī)器變得更為靈活時候，機(jī)器的軟件模塊化也成為了一個比較緊迫的需求。其實(shí)，機(jī)器變得復(fù)雜的原因很多，在各個領(lǐng)域，都會隨著材料更為復(fù)雜，而導(dǎo)致了機(jī)器需要應(yīng)對各種變化：
隨著機(jī)器的復(fù)雜，大量的運(yùn)動控制來配置參數(shù)—這在物理意義上如此，從機(jī)械傳動的參數(shù)，但是機(jī)器的另一個大的演進(jìn)是被處理的材料的變化多樣性。
圖5-X20 PLC
隨著貝加萊在各個領(lǐng)域的涉足，這使得貝加萊對于“軟件”的價值和意義更為深刻的認(rèn)識。因此，在接下來的很多年里，貝加萊的控制器主要精力就在軟件方面的投入。硬件隨著Intel的芯片升級而升級，確保兼容性，在2003年X20系列發(fā)布時，采用了刀片式I/O結(jié)構(gòu)，算力更強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更為緊湊。同時，為了保持與市場統(tǒng)一改為通稱的PLC。
軟件，首先就是平臺的問題-Automation Studio必須作為一個平臺，讓用戶快速的完成自己的機(jī)器任務(wù)搭建。并且能夠針對不同的對象增加可以擴(kuò)展，對第三方則要有豐富的通信支持能力。
圖6-PLC開發(fā)所需的集成開發(fā)平臺Automation Studio
2008年Simulink PLC
在Mathworks推出Simulink PLC的時候，就支持C代碼的自動生成（Code Automatic Generation）-剛好，由于貝加萊的PLC支持C編程，這就成了水到渠成的事情。
2012年mapp技術(shù)
其實(shí)在mapp推出之前，map it概念就已經(jīng)在貝加萊內(nèi)部成為了一個標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃。由于貝加萊所提供支持的行業(yè)特別多，那么，這就意味著，如何能夠在不同行業(yè)提供快速的用戶機(jī)器構(gòu)建，讓機(jī)器的軟件像建筑領(lǐng)域的“預(yù)制件”一樣。在軟件工程上，這也被稱為基于組件的開發(fā)（CBD-Component-Based Development），以提高開發(fā)效率。
信息時代的機(jī)器-控制與計(jì)算融合
傳統(tǒng)流程工業(yè)先天具有連續(xù)性—因此，流程工業(yè)會有更高的人均產(chǎn)值。但是，離散的制造業(yè)在最初都是通過單機(jī)生產(chǎn)零配件，然后由人工進(jìn)行搬運(yùn)，甚至在不同企業(yè)間轉(zhuǎn)運(yùn)，形成最終產(chǎn)品。但是，對于一些長流程而言，顯然能夠?qū)崿F(xiàn)連線生產(chǎn)，則效率就因?yàn)槭÷灾虚g環(huán)節(jié)而效率更高。
一些典型的連續(xù)型生產(chǎn)線在離散制造業(yè)出現(xiàn)：
● 啤酒飲料工業(yè):吹瓶-清洗-灌裝-旋蓋-貼標(biāo)-膜包連線生產(chǎn)的設(shè)備；
● 印刷工業(yè):制版-印刷-折頁-配頁-膠裝-切書聯(lián)線生產(chǎn)設(shè)備；
● 制藥:成型-泡罩-裁切-視覺檢測-裝盒一體機(jī)；
● 紡織:開清棉、清梳聯(lián)等；
除此之外，在這個階段，通過機(jī)器人、機(jī)械輸送系統(tǒng)，制造業(yè)開始把整個生產(chǎn)集成起來，并形成連續(xù)流動的生產(chǎn)過程。這種生產(chǎn)對于控制的需求，包括了以下幾個方面：
● 設(shè)備的統(tǒng)一規(guī)約與連接
● 機(jī)器人的集成
● 全局的信息集成
● 數(shù)據(jù)采集與處理能力
● 操作流程與仿真軟件需求
這些算力要求較高的機(jī)器與產(chǎn)線，會需要機(jī)器的控制器具有控制與計(jì)算能力的融合—這個時候，采用PC架構(gòu)的控制器也被更多應(yīng)用，如圖7。
圖7-貝加萊APC系列工業(yè)控制計(jì)算機(jī)
貝加萊的APC系列工控機(jī)-采用Intel X86處理器，但其Automation Runtime和Windows均可獨(dú)立運(yùn)行。這樣Windows任務(wù)的HMI操作、Web服務(wù)、通信等任務(wù)都在Windows下。而RTOS仍然執(zhí)行PLC的任務(wù)。當(dāng)然，機(jī)器制造商也仍然更喜歡HMI與控制集成的控制系統(tǒng)。因此，貝加萊Panel PC系列又得到了青睞，如圖8。
圖8-Panel PC融控制、計(jì)算與顯示于一身
Panel PC將HMI、PC、PLC集成于一體，像這些還集成了按鍵的將操作能力也集成在一起，通過總線連接驅(qū)動，構(gòu)成架構(gòu)清晰簡單的控制系統(tǒng)。
除了機(jī)器的控制網(wǎng)絡(luò)需要高實(shí)時性，以及第三方設(shè)備的總線連接。在信息時代，機(jī)器不但得擁有內(nèi)部的高實(shí)時響應(yīng)能力。還需要再與管理系統(tǒng)建立比較高效的連接能力。而機(jī)器也需要更多的遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)功能—這些都可以借助于無所不在的網(wǎng)路來實(shí)現(xiàn)。
圖9-貝加萊控制器豐富網(wǎng)絡(luò)支持能力
如圖9所示，經(jīng)過這么多年發(fā)展，貝加萊的PLC/PC已經(jīng)可以支持非常廣泛的總線和通信規(guī)范—這使得它所控制的機(jī)器，具有強(qiáng)的融入數(shù)字化系統(tǒng)的能力。
更聰明的機(jī)器-智能時代的控制
雖然軟件已經(jīng)變得更為關(guān)鍵，生產(chǎn)也更為靈活與柔性。但是，這些都是在機(jī)理模型下為主的，或者由人根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出的設(shè)置：而機(jī)器它的下一代是“更為聰明”的訴求—它必須能夠不依賴于人的經(jīng)驗(yàn)，具有自我學(xué)習(xí)、自我進(jìn)化的能力。
在貝加萊的X86硬件架構(gòu)下，進(jìn)一步利用新的CPU的超強(qiáng)算力和多核架構(gòu)。可以在貝加萊的APC、Panel PC上劃分出基于Windows或Linux任務(wù)的運(yùn)行，以及PLC的Runtime運(yùn)行。
圖10-計(jì)算與控制融合的控制系統(tǒng)架構(gòu)
圖10為貝加萊Hypervisor技術(shù)，它使得APC可以運(yùn)行為PLC與PC，而且相互之間可以通過內(nèi)部的虛擬以太網(wǎng)高速交互。exOS一個兩棲型操作系統(tǒng)，則用于解決工程開發(fā)的接口銜接—它將Linux的代碼編譯導(dǎo)入到Automation Studio，使得在Linux下的Java、Python開發(fā)的程序可以與實(shí)時任務(wù)交互。使得事件觸發(fā)的學(xué)習(xí)任務(wù)與控制的周期性任務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。
圖11-讓機(jī)器變得更聰明的軟件編程
如圖11，exOS使得IT與OT的工程集成實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，計(jì)算與控制得到融合。
滿足需求是創(chuàng)新的核心
貝加萊的控制器，以適應(yīng)范圍廣，其可以應(yīng)對小型機(jī)器、中型到大型的機(jī)器控制。又能夠以多種形式，即可是機(jī)架式的PLC，又可以嵌入式HMI形式、Panel PC的形式、PC形式。也可以虛擬PLC形式，包括采用不同的操作系統(tǒng)。
這一切，都是因?yàn)椴煌挠脩粲兄煌男枨蟆Ｗ詣踊褪遣粩嗟慕柚跈M向科技的進(jìn)步，創(chuàng)新的方式開發(fā)自動化的產(chǎn)品與技術(shù)，并最終為用戶解決在工業(yè)生產(chǎn)中的各種復(fù)雜工程難題。為客戶的問題尋找創(chuàng)新性的答案-這就是貝加萊自動化技術(shù)發(fā)展的理念。