【工控百家谈】贝加莱肖维荣博士聊机械自动化那些事

文章标题：贝加莱肖维荣博士聊机械自动化那些事


贝加莱大中华区总裁肖维荣博士在贝加莱橙色课堂直播，主题是《聊聊机械自动化那些事》，以下是《工控百家谈》小编的一些笔记重点分享。

分享人简介：肖维荣博士，贝加莱工业自动化（中国）有限公司大中华区总裁，德国卡塞尔大学电机工学博士，上海交通大学EMBA，山东大学客座教授，国标委/全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会（SAC/TC124）委员。

肖博士此次分享，主要有以下几个方面：

今天的PLC已经不是传统的PLC
硬件是基础，软件构建大厦
网络改变世界
技术竞争力问题
人才培养与文化因素
工业自动化的使命

一、贝加莱的技术发展历程

肖博首先从贝加莱的技术发展历程谈起，侧面也看到了这个行业的技术发展。

图1-贝加莱创新产品发展路径-I

1979年：贝加莱成立，今年是第41个年头。
1990年是贝加莱产品更新换代的重要时间线——1990年以前，贝加莱控制系统接近于传统PLC的产品，因为产品系列的颜色是黑色的，所以又称之为黑色系列，说“接近”传统PLC，是因为即使在这一代PLC产品，它的技术创新也是超常规的，譬如，为了解决客户的痛点，贝加莱也多出了一些PLC的架构、集成了CNC的控制卡、它用的语言是C语言高级语言，操作系统是OS9——在当时完全颠覆了PLC的概念。

1990年以后，贝加莱推出了确定性多任务系统的第二代控制器。1997年推出了著名的集成所有硬件和功能与一体的软件平台Automation Studio。

2000年左右，贝加莱先后推出了基于现场总线的伺服驱动系统ACOPOS和世界上第一个实时工业以太网POWERLINK，贝加莱伺服驱动是直接跨越了模拟量控制模式。

图2-贝加莱创新产品发展-II

2010年左右，贝加莱控制系统直接对接电脑仿真、自动生成代码，这对以后的自动算法以及创新设计奠定了基础。其次，极速响应技术（reACTION TECHNOLOGY）、代表下一代柔性工业输送系统的两大产品家族（SuperTrak和ACOPOStrak）以及集成的安全技术等这些都是贝加莱颠覆式的创新点。


二、说说咱熟悉的PLC

1、“多任务”的两种处理方式

一般来说我们对传统PLC的理解是，一个项目多个任务。比如说五个任务，系统有一个指针，一个系统周期指针先从第一个任务执行，一直执行到第5个任务。然后再回到第一个任务，这样周而复始…

而以贝加莱为代表的确定性多任务分时操作系统也是一个项目有多个任务，但是它的系统分为多个任务等级，每一个任务等级对应着一个循环周期。也就是说循环周期越短的它的优先级比较高，循环周期比较长的，它的优先级别就比较低。也就是说系统首先会去执行优先级别比较高循环周期比较短的任务，那么有时间再去执行优先级别比较低、循环周期比较长的任务。也就是说优先级比较低的任务会把它分成碎片插空插到那些高优先等级的任务空间里面。这样系统就会非常合理的非常优化的分配时间节点。总结起来就是一个项目多个任务，不同的循环周期。如图3所示。

图3-贝加莱定性分时多任务与传统PLC区别

看存储：传统是KB级的。新一代系统至少是MB/GB级；
浮点运算：传统不支持，只能用整数运算来模拟浮点预算。新一代有浮点运算这个标准。
运动控制：传统是不支持的。新一代系统它的运动控制很多功能都支持包括定位同步、CNC/机器人。
高级语言：传统的只有指令表和梯形图，没有高级语言。新一代支持高级语言：C语言/C++/C#。
执行任务：传统PLC主要以执行逻辑任务为主，而新一代系统不仅可以进行复杂的点位运算，复杂的公式处理，还可以处理复杂的工艺。
紧急事件处理：一些级别比较高的事件，传统PLC通常用中断方式来处理。新一代系统它基本上可以很轻松的用多任务分时的方式处理掉，很少用中断方式处理。

肖博展示了一些贝加莱在过去和高校合作的教材。从书名可以看出，控制器的称谓已经是“可编程计算机控制器”。肖博强调，贝加莱从开始创新就不是循规蹈矩的，最根本的是以客户需求为导向去创新。所以一开始就越过了传统PLC，贝加莱的PLC就不是PLC，而是PLC plus/PLC+。

图4-贝加莱可编程计算机控制器及工程相关教材

2、CPU速度有意义吗？

当然有意义。在解决复杂问题需要大的运算量或者是需要快速任务执行的时候，当然要选择一个速度比较快的CPU。大多厂商会在市场宣传中凸显这些卖点：所谓CPU 一秒钟可以处理多少条指令等等，用以表明PLC速度有多快。

但是CPU的系统速度快，系统的速度就一定会快吗？肖博认为这个不是绝对的。水桶容量大小取决于那个短板。控制系统处理速度道理也是如此。

图5-木桶理论

肖博给出了一个图示：远程维护及云连接是100mS级、HMI任务是50mS级、传感器与执行器是10mS级、I/O任务是mS级、运动控制/视觉是100微秒级。

图6-任务等级划分

肖博认为，所谓系统的速度，需要有一个附着点——速度指的是谁的速度？是IO速度？还是传感器的速度？事实上这个不是CPU的速度单独决定的。


三、PLC不再是原来的PLC

肖博从贝加莱自动化方案框图牵出了这个有趣的话题——“PLC已经不是原来的PLC”。

图7-自动化已经从PLC到整个机电系统

首先是控制器，也就是PLC的CPU；紧接着是IO系统，包括分布式IO；再就是机械自动化里面比较重要的元素：运动控制，包括分布式驱动系统，如图7所示。

大家所熟知的SuperTrak/ACOPOStrak柔性电驱输送系统就是贝加莱对传统观点的颠覆，因为在此系统中不仅有电的部件还有机械的部件，主要是电气自动化电气技术的扩展。不仅如此，

再看MCR（Machine Centric Robotics），它是指以机器为中心的集成式机器人，肖博认为，这个概念又是贝加莱的一大创新。这个创新点在于机器人作为机器的一部分与主控协调共享资源而集成。换句话说就是机械部件与机械部件集成在一起，电气系统集成在一起。

对于贝加莱近年在热推的集成器视觉，肖博认为这个集成含义有两层：一是系统资源的共享；二是它集成了针对行业的视觉方案。视觉可以很好的融入到机器控制方案中去。

此外，功能安全以及实时通信、人机交互界面、远程服务以及信息安全等等，构成了机械自动化较为完备的方案。

这里看到的仅仅只是硬件的架构，而工业自动化的发展不仅仅是新的硬件产品的突破，更多的是软件，软件会越来越重要，如图8所示。

图8-自动化行业的大厦基于硬件和软件的集成

第一层是集成开发环境、智能算法与AI、软件标准化。集成开发环境是指与自动化相关的产品集成在一个平台上，把与自动化运作的所有的功能库、系统库集成在一个环境里面去。包括通信，运动控制等等；智能算法就是机械自动化创作价值的一个亮点；软件标准化就是效率。

第二层就是专业库，一些算法等等。
第三层就是与行业有关的一些应用库。

肖博将整个自动化方案比喻成一个大厦：硬件构建基础，软件构建主体。肖博认为PLC已经不再是传统PLC，与PLC相关、自动化方案相关的范畴就已经变得很宽广，PLC就不能独立存在，包括机械部件、机电一体化系统他都属于这个大的范畴。


四、网络改变世界

肖博感叹，网络真的是改变了工控世界！

图9-网络改变工业世界

1990年以前的网络架构叫做集中控制，它的特点系统规模很小，通过远程IO以及网络扩展的余地有限，主站的速度最快。

上世纪90年代中期发展到以现场总线为主的分布式网络控制。它的特点是网络的覆盖面大，系统规模得到提升，分布式智能得到应用和推广，但此时的系统同步周期是100ms级的。那个时候要做GPS时钟同步是很难立即执行的。令肖博士感到骄傲的是，贝加莱这个时期的变电站的项目上曾经做过2ms级的GPS时钟同步精度。

2001年是具有里程碑式的实时网络元年。贝加莱在这一年推出世界第一个实时工业以太网PWOERLINK。有了实时网络，分布式控制以及集中控制在时域上实现了统一。在这个阶段，由于市场上接踵而来的各种不同的实时以太网协议，使得机械制造商的工控方案也变得五花八门，增加了系统的复杂性和未来的升级成本。

2018年推出的OPC UA over TSN实时网络架构确实改变了工控世界。它不仅实现了集中与分布式控制的统一，它也将一个网络一整天下，将工控网络更是实时化，简单化，同时这也是物联网的基础。


五、通用化&专业化

在机械自动化领域，隐形冠军贝加莱为了其可持续发展的战略，一直在突出通用化和专业化的模式。

何为通用化？

肖博认为通用化有两点：一是满足工业自动化标准，二是它适用所有行业。

图10是满足所有自动化行业的硬件：PLC、变频器、伺服驱动、电机、HMI等等。它们的标准有IEC标准、ISO标准、UL标准等等。图中也能看到贝加莱的目标行业。

图10-通用硬件与专业软件服务于各个工业领域

何为专业化？

不同的行业有特殊的技术需求。比如有些行业有能源采样的需求，贝加莱有交流采样模块；比如贝加莱也有设备早期故障诊断用的振动模块，以及极速控制用的极速响应模块。当然还有许多包括称重模块、步进电机控制、测频、测幅、相位等，如图11所示。

图11-专业的硬件解决行业特殊问题

贝加莱可以为客户提供特殊的硬件和软件。贝加莱专业化的优点就是为重点客户提供专业的软用库，肖博列举了四个机械自动化的典型案例：

1.机床、机器人与柔性生产单元，它的相似之处就是有CNC的动作、机器人动作、机器人和产线配合站的配合动作。他需要的是CNC/机器人库，它不仅仅是贝加莱运动控制技术的亮点，那也是MCR也就是以机器为中心的集成机器人的核心软元库，如图12。

图12-CNC、机器人与柔性输送系统的软件功能

2.集装箱吊装、起重机、龙门吊，他们的共同点就是吊装，如果吊装的对象速度很快的情况下，它会出现摇晃或者是扭转，影响吊动效率，这就需要防摇防扭。贝加莱开发了防摇防扭库，有了这个就可以有效提高吊动效率，如图13。

图13-防摇防扭算法解决港口、起重、工厂天车的效率

3.薄膜收放卷、纺织机械、印刷机械。它们共同点是收放卷/张力控制。贝加莱在这方面也有相对应的软元库以及集中运算控制算法。

图14-各个行业所需的卷取与张力控制模块

4.注塑机、吹瓶机、工程机械。它们的共同点就是液压。贝加莱为此开发了液压控制库。

图15-贝加莱针对液压的控制

肖博认为，这些专业库都为贝加莱方案竞争力起到支撑的作用。


六、什么是方案竞争力？

方案竞争力在四个方面体现客户的优势。

肖博特别强调：方案竞争力不是把自己做得强大，而是让客户做得强大。

1.方案竞争力必须使客户的技术保持领先；
2.必须让客户的产品有快速面市的能力；
3.必须赋予客户柔性生产的能力；
4.新的操作观：机器智能化、操作简单化、画面美观化、结合艺术等元素，让这个画面赏心悦目体现现在的操作观。

图16-方案竞争力的构成

那么如何让我们走到方案中去呢？

肖博给大家解读了当下工业控制的两大命题：

一是精确认知对象；二是确定最佳的操作或控制方法。

我们日常在解决工控难题时也不外乎在做这两件事。这就像医生，只有准确把握病人的病症，才能对症下药。

肖博由此引出，改变设计者工作方式的建模仿真。

传统的机械或者是过程算法设计都是周期长，资源耗费大，设计余量大，结果还不理想。

为什么余量大呢？是因为我们对对象了解得并不清楚，我们担心预留不够，所以留下了足够的余量。就比如说我们在机械设计上，我们留的余量大了，那么资源耗费也大，能源耗费大，那么自然成本也就上升了。

而建模仿真的方法就是认知对象的有效解决途径，可以缩短开发周期，同时也可以降低成本。说到优势，肖博举了一个打字机的例子，传统打字机打不好经常是撤掉重打，有了文字处理系统之后，我们可以随意修改后再打。同样，机械设备可以通过建模仿真做虚拟调试、灵活调整，还能做到软件复用、降低安全风险、降低测试验证成本。

图17-建模仿真的价值


七、关于工业人工智能

近几年人工智能特别热。工业人工智能也正是跟上述命题紧密关联。贝加莱成立的自动化方案研究院正是利用自身的优势，在工业人工智能应用上拓展。方向有三：参数寻优、智能辨识（质量管理，运动智能导航相关）、预测性维护，如图18所示。

图18-贝加莱工业人工智能聚焦实际产业应用


八、技术的竞争力问题

企业技术竞争力的问题是汲取和发展技术能力的势。

图19-企业技术竞争力塑造

1.技术团队的创新力：不仅取决于创新的环境，还取决于创新的文化。
2.企业的技术规划与流程：让创新的人才照着标准的轨道前行。
3.企业做到知识的不断积累和传承：一项经过验证的成熟的应用技术无需重复开发而是可以重复使用，而且还可以往下传承，这就是贝加莱的mapp软件复用和组件技术的优势：缩短开发周期，避免技术风险。


九、关于人才培养和工程师文化

早期做过老师，如今还在大学任客座教授，甚至还写过一些教材，作为贝加莱大中华区领军人，肖博对于“人才”这个话题特别有感情。
企业技术竞争力离不开人，文化的建设与人的培养是重点。肖博对此有自己的一番心得。

1.要消除“差不多”思想，这不是我们一代人可以解决的问题，它直接影响我们的技术方案的执行与效果。往往设计是好的，但是最后实施的结果是不尽人意的；

2.技术沟通语言，要基于事实而非感觉， “大概”、“也许”、“可能”、“感觉”，这些都不是技术语言；

3.要有不断的学习精神，这是技术创新和发展的重要过程。

图20-贝加莱工程师宿营

在自动化领域，需要的人才也在不断的变化。一个有能力的工程师，要具备解决问题的思路与能力，要有更为宽泛的知识架构——不仅要懂机电一体化、还要懂数学（通过数学手段可以很容易找到解决问题的的办法）、还要懂数学跟机电一体化如何链接。

一般来说，一个新的工程师入职后通过几个月的培训，再派去做项目，一般要经过两年的试错跟锤炼，才能真正给公司带来收益。肖博介绍，贝加莱“工程师训练营”缩短了这个周期，同时在训练营整个过程培养有专业素养的有规范意识的工程师。在这里不仅学习如何专业化、规范化的解决行业的难题，而且还学习团队合作的精神以及项目管理的技能。


十、工业自动化的使命是什么？

最后，肖博抛出了“工业自动化的使命是什么”这个我们从业者也许自己都没有细想的问题，他认为，工业自动化应该起到杠杆的作用，让客户用最小的付出获得最大的收益，而且是持续性的，“我们输入的是价值，得到的是信任”，肖博总结——这就是“举重若轻”。


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