连线能力是现代工厂的核心。工业乙太网路将设计、规划、编程和生产活动连结起来,使工厂各部门能共享资讯,甚至连接至全世界。而使用单一供应商的完全整合式自动化平台,使得网路、组件和软体元件设计能够和谐运作。
试着回想制造业数位化的早期,普遍各自为政。设计与规划、机器编程和生产活动之间几??没有共享任何资讯。工程师会向决策部门取得CAD和物料清单(BOM)的影本,然後在厂区手动编程机床。之後若出现生产问题,这些工程师会直接解决,而不会向产品设计人员回报问题及相关修正方案。这种设计与制造之间的断连,使产品无法得以改良,进而以更简单快速且成本更低的方式制造。
但今时不同往日。现在,连线能力是现代工厂的核心(图一)。工业乙太网路将设计、规划、编程和生产活动连结起来,使工厂各部门能共享资讯,甚至连接至全世界。如此一来,资讯得以自由流转,工程师能最隹化装配流程,进而提高生产力和品质,同时最大程度减少浪费。
![图一 : 连线式工厂让工程师能快速更新装配机程式,将品质和生产力提升至最高。(source:Omron)](/art/2024/08/282038384510/p1S.JPG)
图一 : 连线式工厂让工程师能快速更新装配机程式,将品质和生产力提升至最高。(source:Omron) |
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欲速则不达
在工厂全面建立连线无疑是件好事,但要建立这种系统也同样绝非易事。成本和复杂性通常会导致网路执行无法互通的软体和无线协定,这些协定仰赖的控制器、感测器、可编程逻辑控制器(PLC)和人机介面(HMI),也通常由许多不同厂商制造。面对这种情况,工程师需要投入大量时间进行权宜变通,确保一切运作正常,不会崩溃。但为求运作如常而持续修修补补,会使维护和升级成本翻倍。
现今有些专业商用解决方案能克服互通性和相容性挑战。这些产品一般都很有效,但缺点是会增加复杂性,且总是在使用零碎拼凑的解决方案。另一种方式是采取全面的作法,使用单一供应商的完全整合式自动化平台,其中网路、组件和软体元件设计可彼此和谐运作。
什麽是完全整合式自动化平台?
「完全整合式自动化平台」是行销简册中经常出现的用词。但其确切涵义究竟为何?虽然定义因人而异,但自动化供应商 Omron 将网路描述为「将制造工厂的资讯科技(IT)和营运技术(OT)相互连结」(图二)。
![图二 : 制造工厂的完全整合式自动化平台,由 IT 和 OT 网路组成。(source:Omron)](/art/2024/08/282038384510/p2S.JPG)
图二 : 制造工厂的完全整合式自动化平台,由 IT 和 OT 网路组成。(source:Omron) |
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网路的IT部分包含决策部门和工厂自动化部分。其中,决策部门负责进行设计与生产规划,工厂自动化则负责机器编程、操作人员介面,以及机器对机器(M2M)通讯。整合式自动化平台的OT部分,包含工厂和机器监测、感测器、机器人及机器控制。
Omron的Sysmac即是此类平台。Sysmac可简化整间工厂的连线,因为此平台采用工业乙太网路连线(适用於IT和工厂自动化的EtherNet/IP,以及适用於OT网路的EtherCAT)、单一机器自动化控制器,以及共用式监控软体。
自动化控制器是平台的核心命脉
机器自动化控制器(简称控制器)是IT和OT网路之间的关键连结;在Omron的解决方案中,此控制器为执行Sysmac机器控制软体的工业PC。控制器根据IT系统确定的制造协定,同步控制所有机器动作、安全性、视觉、机器人、感测和资料库连线。
Omron的NX102-1020是此控制器范例之一。此控制器无需闸道器就能处理来自IT资料库的资讯。另外,该控制器还能监测机器安全性和维持生产品质,同时十分精准快速地控制机器。此装置采用Intel Core i7微处理器,能在短短0.37 ns内执行基本指令,而且每 125 μs就能更新伺服机和步进马达接收的命令。感测器会将机器位置、位移和齿隙资讯迅速回送至控制器。因此即能让凸轮顺畅动作,以及机器轴以高精密度移动。
NX102-1020的宽度为 66 mm,设计小巧紧凑,具有三个工业乙太网路连接埠 (两个 EtherNet/IP和一个EtherCAT)、一个 CPU 单元和一个电源供应器。此控制器符合 IEC 61131-3 标准,涵盖 PLC 中控制程式的基本软体架构与编程语言,并使用 PLCopen 功能块进行动作控制。
单一软体平台
工厂中由几种形式拼凑在一起运作的软体,可能会是工厂自动化平台的致命弱点。要维护这种系统并使其顺畅运作,需要投入大量时间,也可能使工程师无法专注於生产制程的最隹化。
为因应这一挑战,Omron提供单一软体套件解决方案执行其整个系统,包括对NX102-1020 控制器进行编程。此软体 Sysmac Studio(图三)实际上是一个整合式开发环境 (IDE),且随附客制化的3D动作模拟工具。与Omron控制器一样,此IDE完全符合 IEC 61131-3标准。此IDE允许以变数进行编程,因此工程师不需要学习PLC的内建记忆体对应。这也代表程式能重复使用。
![图三 : Sysmac Studio随附客制化的3D动作模拟工具,让工程师能检查及改良生产制程,而不贸然实作。(source:Omron)](/art/2024/08/282038384510/p3S.JPG)
图三 : Sysmac Studio随附客制化的3D动作模拟工具,让工程师能检查及改良生产制程,而不贸然实作。(source:Omron) |
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结论
连线式工厂是制造业未来的趋势,但是要连结各个环节并顺畅运作,具有一定的挑战性。可采取全面性的作法,使用一个完全整合式自动化平台(网路、组件和软体零件来自同一供应商),达到无缝合作,并让人员能专注於生产制程的最隹化。
(本文作者Barley Li为DigiKey Electronics亚太区技术内容部门应用工程经理)