机器控制设计10大技巧
导语：本文从自动化、控制、仪表、传感器、逻辑器件和通信技术等方面介绍了10个设计技巧。
预先设计（upfront design）可以节省设计人员的时间和精力，还减少了在机器生命周期后期会出现的诸多麻烦。本文介绍了机器控制设计中的10个非常有用的技巧。 你是否有过这样的经历：当使用一台机器设备时，你会抱怨工程师们在设计产品时没能充分考虑用户的感受。为了帮助工程师设计出易于使用的机器，本文从自动化、控制、仪表、传感器、逻辑器件和通信技术等方面介绍了10个设计技巧。一旦掌握了这10个技巧，工程师们就可以在设计中节省大量的时间和精力，还能避免将来可能会出现的诸多麻烦。 1.调查、研究和量化 搜集信息，做出计划，然后一丝不苟地向既定目标前进。这是机器设计流程的一个写照。为了追求产品高度的灵活性和适应性，工程师们在设计产品时常常会耗费大量的时间和精力，不断给产品添加新的功能，却最终导致产品的过度复杂。 工业系统集成商Concept Systems公司的创始人Michael Gurney 和 Ed Diehl介绍说：“在产品设计中，一旦确定了优先次序，那就应该立刻从最划算的地方着手。关于过程控制和质量控制的统计分析是非常有用的信息。” “模块化的机器设计和制造方法可以一方面满足不断增长的客制化的设计要求，另一方面缩短机器的开发时间，同时还能降低OEM的制造成本。”Phoenix Contact公司自动化产品经理Larry Komarek说。 Komarek还建议说：“将机器或者机器系列分解为不同的功能部件，每一功能部件都具有相应的机械、自控元件和软件程序。将这些功能部件搭配组合就可以创建出用户客制化的配置或者‘小型/中型/大型’的产品系列。经过预先设计、预先文档化和预先测试的功能部件可以被快速生产出来，而且还降低了生产成本。” 2.标准和安全 Gurney 和 Diehl指出，借助标准的通用接口，产品可以集成最佳的系统组件，同时还减少了专用控制系统的设备过时报废等问题。 在设计软件中积累的知识可以被转化为机器代码，从而避免了对设计参数的修改。有些设计软件提供了面向STEP和IGES文件格式的数据转换器。STEP，即产品型号数据交换标准（ISO 10303），定义了如何描述和交换数字化的产品信息。 “在设计分布控制时要充分利用NEC code中群组电动机安装规定（group motor installation provisions）的第430.53 （c）条。这样做的好处是，可以减少分支电路的数量，降低成本，消除EMC噪声，无需重新布线和调试就可以更换各功能模块，增强了产品的灵活性。” SEW-Eurodrive公司的电子产品经理Rich Mintz介绍说。 Schneider Electric公司的机器安全产品经理Larry Sunday说：“在安全方面，自从NFPA-79 2002年修订版发布以来，所有的通用机器设计都应遵守IEC 60204-1 Category 4标准。它是安全规范的最高标准，要求所有的机器设计都应考虑到安全继电器和安全连锁装置。” 同时他又提到：“2002年修订版将NFPA-79和IEC 60204-1国际标准统一起来。美国人的惯常做法是在基本控制电路中使用标准的继电器，以保证所谓的‘控制可靠度’。但对于IEC 60204-1 Category 4标准来说，这是远远不够的。” 3.传感器和机器视觉 “不要在设计末期才考虑到传感器的问题。小型智能的传感器常常会带来意想不到的好处。在元件底板空间已经确定的情况下，一个价廉物美的传感器有时会解决大问题”, Banner Engineering公司的技术市场经理Joseph Dolinsky说。 Cognex公司的In-Sight 视觉传感器产品市场经理Mark Sippel指出，采用何种方式处理检测和过程反馈取决于很多的因素。 这些因素包括：反馈信息是否需要在多路离散检测、抑制或其他系统间共享？是否需要有一个负责检测结果与辅助任务的协调？如何交流和使用检测结果？如果I/O设备用于通信的话，那么其他的控制端口的类型是什么？位置在哪儿？灯光、电源和数据传输等因素也需要被考虑到。 [ALIGN=CENTER]
图1：SpanTech（传输设备OEM）使用SEW Eurodrive的模块化分散控制技术重新配置生产线时，体现了速度和灵活性。[/ALIGN] 4.软硬件的逻辑平台 National Instruments工业数据采集和控制部门的产品经理Rahul Kulkarni说：“机器设计漫长的第一步，就是正确地选择一个逻辑平台。现在普遍采用的有：PLC，PC-104，PCI，PXI或者是常规的电路板。在决定采用哪一个平台前，一定要充分考虑该所要执行的全部功能（例如逻辑控制、过程控制、运动控制、自动检测以及机器状态监控等）。 编程工具应该易于掌握，生成的代码应该是模块化、易升级和可重用的。Rockwell Automation的全球OEM技术顾问Dan Seger介绍说：“选定一个控制架构解决方案以使设计变得简单。从和网络技术，到外围设备和操作员界面，对于这些组件的选择如果只从采购成本最低的角度考虑，那么就会给后期开发带来麻烦。同样，良好的连通性（例如将各个设备组件紧凑装配，紧密通信）可以提高效率和降低成本。相反地，如果在设计中采用的是廉价的设备通信方案，那么不仅难以使用，而且会在工程起始和维护阶段耗费大量的时间。”为了取得最佳的效果，他建议将控制和信息共享两部分的编程工作分开进行。其他有价值的做法还包括：结构化的数据形式，下拉式菜单以及根据功能分类的基于代码的对象库等。 5.执行机构 根据应用需要，选择合适的气动、液压和电气执行机构。同样，运动也需要认真选择。那么，可以采用电动机控制单元（MCU）或者数字信号处理器（DSP）进行电动机控制吗？ Texas Instruments的电动机控制策略专家Kedar Godbole建议，要寻求性能创新和降低系统成本，在性能和价格间取得平衡（获得最佳的性价比），在快速软件开发中采用高效的C/C++内核，使用灵活易用的工具，以及进行高水平的模拟集成。 SEW-Eurodrive公司的Jan Lindholm说：“相对于机械摩擦机构，控制机构往往更加适用而高效。与离合制动器等类似的解决方案相比，变频器（特别是闭环的）能够将周期延长至2到3倍，同时还能降低设备的磨损和维护的成本。” Lindholm又解释说：“变频驱动技术与无传感器矢量控制、磁通矢量控制和交流无刷伺服系统相结合，可以解决很多电机驱动问题。” 6.显示屏和按钮，孰优孰劣 ？ 基于显示屏的人机界面（HMI）和按钮，孰优孰劣？答案是：用触摸屏代替按钮是有益的。HMI工具包自带的模板适应性强，而且可以重用。 Omron Electronics的软件产品市场经理Joe Rubino介绍说：“HMI还有其他一些优点，如数据互联和诊断能力。诊断能力可以带来机器软硬件正常运行时间上的优势、简便连通能力和降低编程工作量，真是物有所值。” 7.网络与通信 采用网络技术可以减轻机器内外布线和通信译码的工作量。Opto 22 公司的行销专家 David Crump介绍说：“机器对机器（M2M）通信技术增强了机器的连通性。借助于无线技术，可将机器设备与企业信息系统连接起来，实现远程设备监控和启动，生产状况实时报告以及其他一些操作。M2M还能帮助机器设计人员跟踪机器的生命周期，识别故障点，改进未来的设计。同时，M2M还能为企业创造更多的营收机会，例如，为用户提供超前设备维护和维修等增值服务。” NI的Kulkarni说：“无线技术种类繁多。对于远程计算机和工厂HMI/SCADA系统间的M2M通信，由于传输距离长达数百英里，所以应该采用卫星通信或者蜂窝电话通信方式。对于/PLC和HMI/SCADA系统间的通信，IEEE 802.11无线通信技术是最适用的。然而，对于和传感器间的通信，由于传输距离只有10～100 米，采用蓝牙技术或Zigbee技术则更为有效。” Rockwell Automation的Seger指出：“（在设计不同设备间的通信时）要避免采用RS-232和标准以太网技术，否则要耗费大量的时间编写专用的通信驱动程序来支持数据传输。这是一件费时费力而又不会增值的工作。而对于机器内部，如果I/O级采用一个安全的终端技术则可以节省装配和检修的时间。” Wago公司的市场经理Dean Norton说：“Wago公司的免螺丝笼式弹簧夹持（Cage Clamp）端子具有更高的灵活性，可以缩短60%的布线时间，在有些应用场合可以免除每6至8个月对机器进行加固的需要。该接线技术可以实现预布线，满足所有机器I/O的要求，并可方便在设计后期采用合适的总线协议实现的通信。” [ALIGN=CENTER]
图2：提供笼式弹簧夹持端子/无线端子的Wago公司说，选用免螺丝端子方式可以节省60%的布线时间。[/ALIGN] 8.电源 直接购买电源系统，而不要试图自己设计它们，这样可以节省大量时间和精力。 电源、总线、管理系统和智能组件都能向HMI提交报告，这样可以达到更高的系统集成和效率。隔离、监测和屏蔽措施可以保证最小的传输线和EMF干扰。 9.集成 从整个生产流程的角度考虑机器设计可以极大的提高效率。FlexLink Systems AB的CEO Fredrik J歯sson说：“通常情况下，一条机器生产线的能力只被发挥了30%。如果能从整个生产流程的角度考虑机械设计的话，那么生产线的利用率会被大大提高。” 综合来自机床的信息会产生比机器本身更多的效益。一些主要的工程设计和生产组织指出，STEP数据库可以降低分别高达35% 和75%的生产计划和制造控制成本（数据来源：Step Tools Inc）。 10.及时的项目总结 当项目接近尾声时，不妨抽些时间对项目进行评估和总结，以方便下一轮的设计。
图1：SpanTech（传输设备OEM）使用SEW Eurodrive的模块化分散控制技术重新配置生产线时，体现了速度和灵活性。[/ALIGN] 4.软硬件的逻辑平台 National Instruments工业数据采集和控制部门的产品经理Rahul Kulkarni说：“机器设计漫长的第一步，就是正确地选择一个逻辑平台。现在普遍采用的有：PLC，PC-104，PCI，PXI或者是常规的电路板。在决定采用哪一个平台前，一定要充分考虑该所要执行的全部功能（例如逻辑控制、过程控制、运动控制、自动检测以及机器状态监控等）。 编程工具应该易于掌握，生成的代码应该是模块化、易升级和可重用的。Rockwell Automation的全球OEM技术顾问Dan Seger介绍说：“选定一个控制架构解决方案以使设计变得简单。从和网络技术，到外围设备和操作员界面，对于这些组件的选择如果只从采购成本最低的角度考虑，那么就会给后期开发带来麻烦。同样，良好的连通性（例如将各个设备组件紧凑装配，紧密通信）可以提高效率和降低成本。相反地，如果在设计中采用的是廉价的设备通信方案，那么不仅难以使用，而且会在工程起始和维护阶段耗费大量的时间。”为了取得最佳的效果，他建议将控制和信息共享两部分的编程工作分开进行。其他有价值的做法还包括：结构化的数据形式，下拉式菜单以及根据功能分类的基于代码的对象库等。 5.执行机构 根据应用需要，选择合适的气动、液压和电气执行机构。同样，运动也需要认真选择。那么，可以采用电动机控制单元（MCU）或者数字信号处理器（DSP）进行电动机控制吗？ Texas Instruments的电动机控制策略专家Kedar Godbole建议，要寻求性能创新和降低系统成本，在性能和价格间取得平衡（获得最佳的性价比），在快速软件开发中采用高效的C/C++内核，使用灵活易用的工具，以及进行高水平的模拟集成。 SEW-Eurodrive公司的Jan Lindholm说：“相对于机械摩擦机构，控制机构往往更加适用而高效。与离合制动器等类似的解决方案相比，变频器（特别是闭环的）能够将周期延长至2到3倍，同时还能降低设备的磨损和维护的成本。” Lindholm又解释说：“变频驱动技术与无传感器矢量控制、磁通矢量控制和交流无刷伺服系统相结合，可以解决很多电机驱动问题。” 6.显示屏和按钮，孰优孰劣 ？ 基于显示屏的人机界面（HMI）和按钮，孰优孰劣？答案是：用触摸屏代替按钮是有益的。HMI工具包自带的模板适应性强，而且可以重用。 Omron Electronics的软件产品市场经理Joe Rubino介绍说：“HMI还有其他一些优点，如数据互联和诊断能力。诊断能力可以带来机器软硬件正常运行时间上的优势、简便连通能力和降低编程工作量，真是物有所值。” 7.网络与通信 采用网络技术可以减轻机器内外布线和通信译码的工作量。Opto 22 公司的行销专家 David Crump介绍说：“机器对机器（M2M）通信技术增强了机器的连通性。借助于无线技术，可将机器设备与企业信息系统连接起来，实现远程设备监控和启动，生产状况实时报告以及其他一些操作。M2M还能帮助机器设计人员跟踪机器的生命周期，识别故障点，改进未来的设计。同时，M2M还能为企业创造更多的营收机会，例如，为用户提供超前设备维护和维修等增值服务。” NI的Kulkarni说：“无线技术种类繁多。对于远程计算机和工厂HMI/SCADA系统间的M2M通信，由于传输距离长达数百英里，所以应该采用卫星通信或者蜂窝电话通信方式。对于/PLC和HMI/SCADA系统间的通信，IEEE 802.11无线通信技术是最适用的。然而，对于和传感器间的通信，由于传输距离只有10～100 米，采用蓝牙技术或Zigbee技术则更为有效。” Rockwell Automation的Seger指出：“（在设计不同设备间的通信时）要避免采用RS-232和标准以太网技术，否则要耗费大量的时间编写专用的通信驱动程序来支持数据传输。这是一件费时费力而又不会增值的工作。而对于机器内部，如果I/O级采用一个安全的终端技术则可以节省装配和检修的时间。” Wago公司的市场经理Dean Norton说：“Wago公司的免螺丝笼式弹簧夹持（Cage Clamp）端子具有更高的灵活性，可以缩短60%的布线时间，在有些应用场合可以免除每6至8个月对机器进行加固的需要。该接线技术可以实现预布线，满足所有机器I/O的要求，并可方便在设计后期采用合适的总线协议实现的通信。” [ALIGN=CENTER] 图2：提供笼式弹簧夹持端子/无线端子的Wago公司说，选用免螺丝端子方式可以节省60%的布线时间。[/ALIGN] 8.电源 直接购买电源系统，而不要试图自己设计它们，这样可以节省大量时间和精力。 电源、总线、管理系统和智能组件都能向HMI提交报告，这样可以达到更高的系统集成和效率。隔离、监测和屏蔽措施可以保证最小的传输线和EMF干扰。 9.集成 从整个生产流程的角度考虑机器设计可以极大的提高效率。FlexLink Systems AB的CEO Fredrik J歯sson说：“通常情况下，一条机器生产线的能力只被发挥了30%。如果能从整个生产流程的角度考虑机械设计的话，那么生产线的利用率会被大大提高。” 综合来自机床的信息会产生比机器本身更多的效益。一些主要的工程设计和生产组织指出，STEP数据库可以降低分别高达35% 和75%的生产计划和制造控制成本（数据来源：Step Tools Inc）。 10.及时的项目总结 当项目接近尾声时，不妨抽些时间对项目进行评估和总结，以方便下一轮的设计。
