在設(shè)計(jì)下一代機(jī)器時(shí)，控制系統(tǒng)中的尖端技術(shù)、軟件架構(gòu)和機(jī)電部件有助于實(shí)現(xiàn)區(qū)別于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的自動(dòng)化系統(tǒng)。本文將討論機(jī)器開(kāi)發(fā)人員當(dāng)前所面臨的最大軟硬件挑戰(zhàn)，并提供性能驅(qū)動(dòng)方案以應(yīng)付這些挑戰(zhàn)。

　　軟件挑戰(zhàn)

　　1. 整合多種軟件架構(gòu)

　　最適合對(duì)機(jī)器編程的軟件架構(gòu)和結(jié)構(gòu)取決于需要優(yōu)化的關(guān)鍵性能指標(biāo)。為了優(yōu)化對(duì)故障的反應(yīng)時(shí)間，設(shè)計(jì)師需要一個(gè)“反應(yīng)性”事件驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)。如果設(shè)計(jì)師的自動(dòng)檢查系統(tǒng)要求對(duì)捕獲的圖像進(jìn)行分析，那么就需要一個(gè)針對(duì)信號(hào)處理功能作了優(yōu)化的架構(gòu)。狀態(tài)機(jī)架構(gòu)非常適合于批處理或封裝機(jī)器。半導(dǎo)體晶圓處理機(jī)需要基于高級(jí)模型的控制算法，該算法得益于支持實(shí)時(shí)積分解算器的架構(gòu)。需要高速測(cè)試并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析的機(jī)器可以從數(shù)據(jù)流架構(gòu)中獲益。簡(jiǎn)單的邏輯和算法操作可以采用諸如可編程邏輯控制器（PLC）這樣的序列式架構(gòu)獲得最佳執(zhí)行效果。

　　確定和應(yīng)用正確的軟件架構(gòu)組合來(lái)解決自動(dòng)化系統(tǒng)問(wèn)題將成為未來(lái)設(shè)計(jì)的艱巨挑戰(zhàn)?；贗EC 61131-3的語(yǔ)言（例如梯形邏輯和功能方塊圖）適合大部分主要完成開(kāi)/關(guān)操作的離散型制造應(yīng)用。不過(guò)，由于現(xiàn)代機(jī)器要求多次轉(zhuǎn)換并包含預(yù)防性的維護(hù)例程，像國(guó)家儀器（NI）的LabVIEW這種以單一開(kāi)發(fā)平臺(tái)方式出現(xiàn)的語(yǔ)言能有效地整合用于規(guī)定操作模式的狀態(tài)機(jī)、用于監(jiān)視例程的數(shù)據(jù)流、用于精確控制的實(shí)時(shí)積分解算器、用于故障響應(yīng)的事件以及用于開(kāi)/關(guān)操作的時(shí)序邏輯。

　　機(jī)器開(kāi)發(fā)的最大軟硬件挑戰(zhàn)及性能驅(qū)動(dòng)解決方案

　　圖1：狀態(tài)機(jī)、積分解算器、時(shí)序邏輯、數(shù)據(jù)流和事件等不同的編程模型最好運(yùn)行在明確的目標(biāo)設(shè)備上，比如PC、PLC、PAC、DSP、FPGA和微處理器。

　　2. 一次編寫(xiě)，到處運(yùn)行

　　雖然“一次編寫(xiě)，到處運(yùn)行”的概念在采用.NET和Java技術(shù)的消費(fèi)領(lǐng)域中逐漸普及，但在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中，實(shí)際情況仍與理想有很大差距。用梯形邏輯編寫(xiě)的針對(duì)某個(gè)PLC的IEC 61131-3兼容程序可能無(wú)法在另一個(gè)供應(yīng)商提供的類(lèi)似PLC上運(yùn)行。因此，許多公司為了確?；ゲ僮餍员黄葘?duì)單個(gè)供應(yīng)商施行標(biāo)準(zhǔn)化，在許多情況下這樣做會(huì)導(dǎo)致非最優(yōu)的性能，整個(gè)系統(tǒng)的總成本也相對(duì)較高。

　　未來(lái)的挑戰(zhàn)是一次性編寫(xiě)控制程序，然后將相同的程序應(yīng)用到各種PC、PLC或嵌入式目標(biāo)設(shè)備中去。自動(dòng)化工程師需要在滿足自動(dòng)化系統(tǒng)的性價(jià)比要求基礎(chǔ)上對(duì)PLC、可編程自動(dòng)化控制器（PAC）、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或FPGA器件作出正確選擇。NI LabIEW圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供的各種模塊可以幫助設(shè)計(jì)師將代碼移植到不同的平臺(tái)上。設(shè)計(jì)師可以利用LabVIEW以圖形化的方式開(kāi)發(fā)程序，然后利用LabVIEW Real-Time工具在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上配置應(yīng)用程序，利用LabVIEW FPGA將代碼輸出到FPGA，利用LabVIEW DSP將代碼配置到DSP，并利用LabVIEW Embedded將代碼傳送給32位微處理器。

　　3. 系統(tǒng)驗(yàn)證

　　目前大多數(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中都包含有代碼審查階段，它能保證所設(shè)計(jì)軟件的可靠性。但是，由于現(xiàn)在的機(jī)電系統(tǒng)中軟件和硬件結(jié)合得相當(dāng)緊密，因此很有必要進(jìn)行完整的系統(tǒng)驗(yàn)證。工程師們正在從只執(zhí)行一個(gè)“配置”階段轉(zhuǎn)向要經(jīng)歷“設(shè)計(jì)、原型、配置”三個(gè)階段。設(shè)計(jì)階段除了控制系統(tǒng)硬件的算法和控制邏輯外，還包括對(duì)硬件的機(jī)械、熱和流特性進(jìn)行仿真。原型階段包括建立機(jī)械和控制設(shè)計(jì)的虛擬或物理原型，以幫助工程師在最終實(shí)現(xiàn)之前進(jìn)行概念性驗(yàn)證。配置階段包括將控制算法和邏輯配置到PLC、PAC或嵌入式目標(biāo)中，并對(duì)伺服制動(dòng)裝置、氣動(dòng)裝置和水力裝置等機(jī)械部件實(shí)施裝配。

　　圖2：LabVIEW為從設(shè)計(jì)到原型再到最終系統(tǒng)配置的圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了單一的工作環(huán)境。

　　硬件挑戰(zhàn)

　　未來(lái)的自動(dòng)化系統(tǒng)將在各種不同的產(chǎn)品上執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，而且經(jīng)常是同時(shí)進(jìn)行。設(shè)計(jì)這種系統(tǒng)在硬件方面的挑戰(zhàn)是，在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)的同時(shí)要達(dá)到規(guī)定的吞吐量、良品率和可用時(shí)間指標(biāo)。

　　1.吞吐量

　　機(jī)器的速度直接影響吞吐量。為了達(dá)到較高的速度，最好使用象線性馬達(dá)這樣磨擦力較小的機(jī)械部件，而不要使用象滾珠螺旋致動(dòng)器這樣的部件。設(shè)計(jì)師可以利用嵌入式技術(shù)提高控制系統(tǒng)的速度，比如具有1MHz環(huán)速率的FPGA，而非環(huán)速率只有1kHz的傳統(tǒng)PLC。伺服系統(tǒng)將繼續(xù)控制那些不再采用傳統(tǒng)齒輪/凸輪系統(tǒng)的機(jī)器。

　　象NI的CompactRIO這樣的可編程自動(dòng)化控制器包含有可編程FPGA和運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的浮點(diǎn)處理器，它們非常適合高吞吐量應(yīng)用，例如分類(lèi)或組裝應(yīng)用。

　　2.良品率

　　通過(guò)提高可重復(fù)性減少浪費(fèi)是取得較高良品率的關(guān)鍵。而對(duì)機(jī)器編程讓其遵循理想的運(yùn)動(dòng)控制軌跡是實(shí)現(xiàn)可重復(fù)性的重要因素。通過(guò)將馬達(dá)調(diào)整為較短的延遲時(shí)間和較低過(guò)沖的階躍響應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。為了更好地進(jìn)行調(diào)整，可以使用基于模型的控制方法來(lái)滿足正確的PID調(diào)整參數(shù)要求，或者采用基于模型的控制算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID算法。而自動(dòng)化檢查和RFID等技術(shù)在篩選過(guò)程中具有重要的作用，可以顯著加快進(jìn)度。

　　LabVIEW控制設(shè)計(jì)和仿真工具結(jié)合LabVIEW SoftMotion Development Module可以幫助設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)出采用模型控制算法的定制運(yùn)動(dòng)控制器，如線性二次調(diào)節(jié)器（LQR）或H-infinity，從而實(shí)現(xiàn)更好的可重復(fù)性和更高的良品率。NI公司的Vision Development Module可以幫助設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)出具有200多個(gè)圖像處理和機(jī)器圖形功能的自動(dòng)化檢查系統(tǒng)。

　　3.可用時(shí)間

　　現(xiàn)代的封裝機(jī)器需要在同一條生產(chǎn)線上處理10個(gè)以上的產(chǎn)品。這不僅涉及到系統(tǒng)中部件的可靠性，還涉及到不同產(chǎn)品之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間，而轉(zhuǎn)換時(shí)間將影響系統(tǒng)的可用時(shí)間。通過(guò)設(shè)置控制算法以適應(yīng)一條生產(chǎn)線處理不同產(chǎn)品的各種情況，能夠改善轉(zhuǎn)換時(shí)間。基于模型的自適應(yīng)控制是最近出現(xiàn)的新方法，它不需要調(diào)整就能使控制系統(tǒng)適應(yīng)系統(tǒng)的變化。如果在系統(tǒng)中采用智能監(jiān)視和預(yù)見(jiàn)性維護(hù)手段，則能更好地提高系統(tǒng)可靠性。振動(dòng)監(jiān)視、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警和部門(mén)間通信對(duì)提高未來(lái)系統(tǒng)的可靠性都有非常重要的作用。

　　設(shè)計(jì)師可以在任何LabVIEW Real-Time或LabVIEW FPGA模塊上應(yīng)用Cybosoft公司針對(duì)LabVIEW開(kāi)發(fā)的無(wú)模型自適應(yīng)（MFA）控制算法，從而無(wú)需調(diào)整即可適應(yīng)系統(tǒng)的負(fù)載變化。NI公司的Compact FieldPoint和PXI平臺(tái)可以幫助設(shè)計(jì)師整合高速模擬I/O和智能監(jiān)視與預(yù)見(jiàn)性維護(hù)解決方案，從而很好地實(shí)現(xiàn)振動(dòng)監(jiān)視、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警和部門(mén)間的連接。

　　今后，機(jī)器控制領(lǐng)域?qū)⒚媾R更大的挑戰(zhàn)，比如在一個(gè)復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)中整合多個(gè)軟件架構(gòu)，進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，并達(dá)到較好的吞吐量、良品率和可用時(shí)間指標(biāo)。自動(dòng)化系統(tǒng)成功的關(guān)鍵是，為系統(tǒng)選擇到最適合當(dāng)前任務(wù)、并能在未來(lái)擴(kuò)展功能的軟硬部件。