集成開發(fā)平臺對于OEM的意義

宋華振 貝加萊工業(yè)自動化（上海）有限公司

1 OEM的需求多樣性

控制器的軟件開發(fā)一直是一個被忽略的重點，而事實上，軟件的重要性對于OEM設(shè)備開發(fā)而言更為重要。因為，對于通用的PLC或其它控制器而言，其具有可適應(yīng)于各個行業(yè)的特性，畢竟專業(yè)開發(fā)的控制器存在批量小且穩(wěn)定性和可靠性較弱的問題，而廣泛被使用的PLC則可以實現(xiàn)針對不同應(yīng)用的硬件組合。但是，什么是區(qū)分不同行業(yè)應(yīng)用的核心呢？顯然，是軟件。每個行業(yè)都有其獨特的工藝、操作習(xí)慣等方面的需求，這些需求必然是依靠軟件的作用而進(jìn)行劃分的。

1.1 行業(yè)特殊性

OEM的機器設(shè)計涉及太多的行業(yè)，印刷、紡織、塑料、包裝、工程機械、風(fēng)電等，每個行業(yè)都有其獨特的工藝需求，而這些變化對于自動化系統(tǒng)而言核心差別在于軟件。

1.2 集成性需求

機器本身是一個復(fù)雜系統(tǒng)，隨著技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備互聯(lián)、運動控制與機器人、視覺等越來越多地集成到系統(tǒng)中，從而提升系統(tǒng)的功能設(shè)計和加工效率等，這些使得機器控制變得更加復(fù)雜。在同一臺機器上不僅包含了傳統(tǒng)的邏輯也包括了回路調(diào)節(jié)、液壓、安全技術(shù)、運動控制、CNC和機器人、視覺系統(tǒng)、冗余系統(tǒng)等，因此，現(xiàn)代機器控制有更為復(fù)雜的設(shè)計需求。

2 存在的問題有哪些？

對于OEM機械企業(yè)而言，如何開發(fā)可靠而強大的電氣控制系統(tǒng)是其面臨的巨大挑戰(zhàn)。

（1）如何能夠快速的構(gòu)建系統(tǒng)，降低開發(fā)難度？

對于機器設(shè)備的開發(fā)而言，其最大的難點在于變化，如何能夠提升開發(fā)效率，使得新的機型和應(yīng)用被快速實現(xiàn)？現(xiàn)在，機器的功能和性能需求隨著客戶的需求有了越來越多的變化。

（2）在人員變動時，如何確保知識產(chǎn)權(quán)的延續(xù)和把握自主的知識？

確保代碼的安全是對于擁有核心軟件算法公司最為關(guān)注的問題，如何實現(xiàn)多人不同的開發(fā)和代碼的安全等級分配尤為關(guān)鍵，這個可能會涉及到企業(yè)內(nèi)部的技術(shù)機密和重要的知識產(chǎn)權(quán)。

（3）如何提高代碼的穩(wěn)定與可靠？

事實上，軟件與硬件一樣，同樣存在著穩(wěn)定性與可靠性問題。在很多時候，來自軟件的不穩(wěn)定問題可能比硬件更多，這是由于架構(gòu)設(shè)計的不嚴(yán)謹(jǐn)，以及開發(fā)人員的經(jīng)驗在全局考慮時的疏忽所導(dǎo)致，這會造成代碼的不安全。而經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和反復(fù)測試過的軟件，多年的應(yīng)用證明它的代碼是可靠而穩(wěn)定的。

（4）反復(fù)修改帶來的效率低下

在很多OEM的機器開發(fā)中，由于架構(gòu)設(shè)計的不合理，使用了不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，以及功能接口設(shè)計考慮欠缺，造成需要反復(fù)地根據(jù)新的應(yīng)用去調(diào)整，同時又因為缺乏自整定的算法設(shè)計而使得很多參數(shù)的調(diào)整必須人工進(jìn)行。

（5）仿真與建模

對于那些復(fù)雜的算法和需要大量測試的應(yīng)用而言，如果能夠基于建模的話，那么就會帶給開發(fā)者諸多便利和節(jié)省大量成本。

（6）反復(fù)地學(xué)習(xí)不同軟件，復(fù)雜的接口設(shè)計

對于那些采用不同系統(tǒng)的應(yīng)用而言，開發(fā)者必須為不同的硬件和軟件架構(gòu)學(xué)習(xí)不同的開發(fā)軟件，而且這中間會損耗一些功能和性能，因為這未必是最匹配的系統(tǒng)。

3 軟件的重要性不斷提升

關(guān)于軟件對于OEM的意義可以概括為以下幾點：

（1） 軟件封裝客戶Know-how

傳統(tǒng)意義上，客戶的專利技術(shù)都是通過機械設(shè)計來實現(xiàn)，但是這種方法比較容易被抄襲。隨著電子電氣及信息技術(shù)的發(fā)展，軟件成為了一種更好的封裝Know-how的容器，工藝參數(shù)、算法、特殊的功能設(shè)計均可以被封裝為功能塊或以固件形式固化在嵌入式的控制器上，這使得無法實現(xiàn)拷貝，因為軟件是無形存在的。

（2）軟件使得同一硬件平臺最大化發(fā)揮其功能

我們可以看到，不同的機器可能使用了同一套相同配置的控制器，但是，其可以實現(xiàn)不同的應(yīng)用，或者只是局部的小的變化。軟件的功能設(shè)計可以讓同一硬件平臺發(fā)揮最大的可能性，在不增加額外硬件投資的情況下，OEM廠商可以賦予機器更多的功能設(shè)計和更為個性化的設(shè)計。例如：簡單的操作畫面設(shè)計、按照客戶要求定制的顏色、圖標(biāo)，或者視覺化的機器三維嵌入，這些讓操作者可以更為直觀地看到機器的運行。

（3）軟件塑造差異化競爭力

差異化正是在軟件的功能與個性化設(shè)計上實現(xiàn)的，而硬件卻可能完全相同，或者僅僅增加一個模塊，例如：增加一個稱重模塊，就可以實現(xiàn)擠出機的計量控制，增加一個色標(biāo)傳感器輸入模塊，就可以實現(xiàn)套色的控制，而這些對客戶極具競爭力的解決方案在硬件上卻只是通過額外的很少的投資（千元甚至數(shù)百元的投資），以獲得巨大的市場收益，因為，軟件賦予了機器更高的價值。

4 集成開發(fā)平臺面向OEM設(shè)備的全生命周期

4.1 方案集成的需求

如果要為客戶提供解決方案，那么，集成的開發(fā)平臺是必須的，因為解決方案是一個涵蓋了產(chǎn)品的配置、項目管理、仿真與測試、編程、測試、系統(tǒng)維護(hù)的需求，因此，與傳統(tǒng)的開發(fā)工具概念不同，它是一個從全局面向整體方案的概念，以自動化企業(yè)所提供的完整硬件支撐平臺為基礎(chǔ)，并以提供其內(nèi)在的流程與系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)的無縫連接為目的，從而在整體上實現(xiàn)方案的集成。

4.2 功能與流程

4.2.1 項目配置與管理

集成開發(fā)平臺提供更為直觀的系統(tǒng)硬件配置和連接，以及自動的檢查，從而讓使用者在輕松而簡單的情況下來實現(xiàn)系統(tǒng)的平臺組建，這更多是管理項目的功能而并非是開發(fā)。但是，這可以有效地提升客戶多種機器的應(yīng)用管理，并應(yīng)該具備以下的功能。

配置管理；

版本管理——可以按照標(biāo)準(zhǔn)的項目管理來實現(xiàn)版本管理；

協(xié)同工作；

代碼的安全設(shè)置。

另外，也可以接受來自其它應(yīng)用的集成與導(dǎo)入。

例如：Automation Studio就支持對EPLAN圖紙的導(dǎo)入，可以實現(xiàn)對電氣連接圖的導(dǎo)入和生成；

4.2.2 仿真與測試

對于機器開發(fā)而言，基于建模（Modeling Based）是非常流行于德國、奧地利等歐美高端機器系統(tǒng)應(yīng)用中的，針對物理和每個組件均可實現(xiàn)建模，并且支持HIL(Hardware In the Loop)的硬件在環(huán)測試，以及自動代碼生成功能，使得開發(fā)過程變得更為簡化和快速，能夠有效地降低開發(fā)周期和成本。

自2008年開始，貝加萊首個推出MATLAB/Simulink的集成，包括Rockwell AB和Bachmann等也都在其開發(fā)系統(tǒng)中實現(xiàn)了MATLAB的集成。MATLAB/Simulink是廣為使用的仿真軟件，它是一個基于建模的設(shè)計，通過建模，可以快速地設(shè)計控制器的調(diào)節(jié)功能，并對模型進(jìn)行優(yōu)化，通過自動代碼生成功能，可以自動生成高效的應(yīng)用代碼，并直接運行于PLC之上，這帶來了以下好處：

（1）節(jié)省開發(fā)周期

如果能夠快速地給系統(tǒng)建模，則開發(fā)過程可以在MATLAB/Simulink的可視化環(huán)境中被建模，并且每個物理對象都可以被視為建模對象，從而提升系統(tǒng)的性能。

（2）降低測試成本

由于MATLAB/Simulink的反復(fù)測試可以對控制器實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計，使得測試過程被快速完成從而降低成本，對于原來需要大量測試和原材料浪費的系統(tǒng)，可以通過較少的測試即可完成可靠的系統(tǒng)設(shè)計。

（3）效率更高的開發(fā)

4.2.3 編程

編程作為核心常被傳統(tǒng)的開發(fā)工具所強調(diào)，對于OEM機械設(shè)計而言，編程則必須利用發(fā)揮各種語言的最大特點去實現(xiàn)，傳統(tǒng)的IEC61131-3已經(jīng)是默認(rèn)的編程工具。

（1）高級語言的算法設(shè)計能力

對于那些復(fù)雜的算法設(shè)計而言，高級語言更為合適，例如C Basic對于行業(yè)的算法設(shè)計而言是比較有效的。而對于Java可用于網(wǎng)絡(luò)的編程，C++和C#由于可以實現(xiàn)對類和對象的很好操作及軟件功能塊的封裝方面的能力，因此，更為勝任機器行業(yè)的模塊化軟件設(shè)計需求。

（2）面向?qū)ο蟮木幊虅偃文K化軟件設(shè)計

面向?qū)ο?OOP)編程是目前廣泛應(yīng)用于IT業(yè)界的開發(fā)技術(shù)，它能夠直觀且模塊化地開發(fā)應(yīng)用，這給開發(fā)帶來了非常大的便利，尤其是針對系列化機器的應(yīng)用開發(fā)。

（3）PLCopen軟件功能塊

針對應(yīng)用，PLCopen提供了大量針對機器行業(yè)所需的色標(biāo)、張力、CNC等操作的功能塊，集成開發(fā)平臺也必須面對未來這一變化，提供更為面向行業(yè)而非僅僅面對開發(fā)本身的功能設(shè)計，這包括了PLCopen的Motion、Logic、Hydraulic、XML等應(yīng)用，另外，一些集成開發(fā)平臺如B&R Automation Studio，Rockwell AB的Logix也支持OMAC PackML的包裝機械行業(yè)功能塊開發(fā)。

新一代的PLCopen則將CNC和機器人集成到整個控制中，構(gòu)成GMC的應(yīng)用架構(gòu)，而這一點上，在B&R的Automation Studio中將CNC和機器人的庫，包括機器人的正逆變換均進(jìn)行了集成，解釋器、軸控制，并且可以與點到點的定位控制集成于一個系統(tǒng)中，使得機器的設(shè)計更為全局而非面對單個組件。

4.2.4 系統(tǒng)測試與診斷

對于OEM的應(yīng)用而言，系統(tǒng)開發(fā)過程中除了包含機器的軟件與硬件調(diào)試的方便外，還要能夠提供一些功能有助于機器本身對機械系統(tǒng)的分析，從而為機器的改善也提供技術(shù)支持。

（1）編程測試

通過諸如變量觀測器、交叉引用、示波器功能可以對機器的電氣系統(tǒng)進(jìn)行測試分析，從而改善工藝。

（2）軸的測試

可以對每個伺服軸在無需編程情況下測試其動作，或者通過軸的電流、電壓、位置等數(shù)據(jù)反饋來發(fā)現(xiàn)機械系統(tǒng)所存在的問題，同時有利于機械的改進(jìn)分析。

（3）系統(tǒng)診斷管理器

可以對控制系統(tǒng)本身的硬件到I/O級的端口進(jìn)行診斷，便于進(jìn)行I/O的分析和顯示故障，并且通過網(wǎng)絡(luò)對IP路由進(jìn)行分析，通過日志對運行過程中的問題進(jìn)行記錄等，這些都是為了讓系統(tǒng)更為便捷地調(diào)試與運行。

4.2.5 生產(chǎn)與維護(hù)

當(dāng)OEM客戶的設(shè)備運行到了終端客戶現(xiàn)場后，將會面臨著諸多服務(wù)問題，比如，程序的下載、硬件故障、系統(tǒng)運行故障，而集成開發(fā)平臺也提供諸如這些服務(wù)的能力，通常而言，基于RTOS和PLC或帶實時擴展的PC技術(shù)可以輕松勝任這些功能，這包含了兩個方面的問題。

（1）為管理系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)

開發(fā)平臺應(yīng)該能夠支持OPC Server的功能和訪問接口，為ERP提供數(shù)據(jù)的支撐。另外，也可以為開放架構(gòu)下的ActiveX控件提供數(shù)據(jù)的訪問接口。

（2）基于遠(yuǎn)程訪問的技術(shù)

這些包括VNC Server、Web Server、FTP Server、郵件服務(wù)等。

對于OEM而言，大量的售后服務(wù)其實可以通過遠(yuǎn)程的測試解決，無需到達(dá)現(xiàn)場，這降低了服務(wù)量。通過FTP Server為遠(yuǎn)程的機器下載優(yōu)化和升級的程序代碼，通過郵件或GSM網(wǎng)絡(luò)返回重要的報警數(shù)據(jù)，這些不僅針對OEM廠商，對于最終用戶也同樣重要。大的管理中心可以通過IE瀏覽器訪問遠(yuǎn)程的PLC或DCS分布式控制站，通過手機獲取報警信息以及用郵件獲取后續(xù)的分析數(shù)據(jù)，程序的優(yōu)化升級均可通過遠(yuǎn)程的方式來實現(xiàn)。

5 集成架構(gòu)的意義

集成開發(fā)平臺具有重要的現(xiàn)實意義，尤其是對于OEM，羅列如下。

5.1 整體解決方案的平臺

集成開發(fā)平臺是面向全局的機器設(shè)計而非局部，如果考慮到全局，則會將邏輯、運動、網(wǎng)絡(luò)、安全、機器人和CNC視為一個整體，其內(nèi)在的邏輯與模型則更為全局考慮。與傳統(tǒng)分立的產(chǎn)品概念不同，它是一種真正意義上的解決方案平臺支撐，因為，所謂解決方案，就必須是完整、全面而非局部的考慮。

5.2 自主研發(fā)與持續(xù)創(chuàng)新的平臺

對于OEM而言，通過集成開發(fā)平臺，能夠重復(fù)使用原有的軟件開發(fā)投資，可以縮短開發(fā)周期，并且，集成開發(fā)平臺的功能和開放性使得企業(yè)最大限度地使用開放的軟件資源，模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的軟件使得OEM可以實現(xiàn)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新。

5.3 集成開發(fā)平臺降低成本

（1）培訓(xùn)成本降低。顯然，一個平臺，同一風(fēng)格，可以使工程師不在多個平臺間切換，一個軟件可實現(xiàn)面向所有對象的功能。

（2）通過代碼重用降低成本。對于OEM而言，濾波、通信、工藝算法，甚至顯示畫面等均可封裝，可以被不同的機器重復(fù)使用，顯然，無需額外反復(fù)的開發(fā)。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化的軟件降低了成本。不僅是代碼的穩(wěn)定性，同時還降低開發(fā)時間，這為OEM降低了大量的成本。

由上述可知，集成開發(fā)平臺對于OEM有非常重要的意義，發(fā)展集成開發(fā)平臺是未來的必然趨勢。