連線能力是現(xiàn)代工廠的核心。工業(yè)乙太網(wǎng)路將設(shè)計(jì)、規(guī)劃、編程和生產(chǎn)活動連結(jié)起來，使工廠各部門能共享資訊，甚至連接至全世界。而使用單一供應(yīng)商的完全整合式自動化平臺，使得網(wǎng)路、組件和軟體元件設(shè)計(jì)能夠和諧運(yùn)作。

試著回想製造業(yè)數(shù)位化的早期，普遍各自為政。設(shè)計(jì)與規(guī)劃、機(jī)器編程和生產(chǎn)活動之間幾乎沒有共享任何資訊。工程師會向決策部門取得CAD和物料清單（BOM）的影本，然後在廠區(qū)手動編程機(jī)床。之後若出現(xiàn)生產(chǎn)問題，這些工程師會直接解決，而不會向產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員回報(bào)問題及相關(guān)修正方案。這種設(shè)計(jì)與製造之間的斷連，使產(chǎn)品無法得以改良，進(jìn)而以更簡單快速且成本更低的方式製造。

但今時(shí)不同往日。現(xiàn)在，連線能力是現(xiàn)代工廠的核心（圖一）。工業(yè)乙太網(wǎng)路將設(shè)計(jì)、規(guī)劃、編程和生產(chǎn)活動連結(jié)起來，使工廠各部門能共享資訊，甚至連接至全世界。如此一來，資訊得以自由流轉(zhuǎn)，工程師能最佳化裝配流程，進(jìn)而提高生產(chǎn)力和品質(zhì)，同時(shí)最大程度減少浪費(fèi)。

圖一 : 連線式工廠讓工程師能快速更新裝配機(jī)程式，將品質(zhì)和生產(chǎn)力提升至最高。（source：Omron）

欲速則不達(dá)

在工廠全面建立連線無疑是件好事，但要建立這種系統(tǒng)也同樣絕非易事。成本和複雜性通常會導(dǎo)致網(wǎng)路執(zhí)行無法互通的軟體和無線協(xié)定，這些協(xié)定仰賴的控制器、感測器、可編程邏輯控制器（PLC）和人機(jī)介面（HMI），也通常由許多不同廠商製造。面對這種情況，工程師需要投入大量時(shí)間進(jìn)行權(quán)宜變通，確保一切運(yùn)作正常，不會崩潰。但為求運(yùn)作如常而持續(xù)修修補(bǔ)補(bǔ)，會使維護(hù)和升級成本翻倍。

現(xiàn)今有些專業(yè)商用解決方案能克服互通性和相容性挑戰(zhàn)。這些產(chǎn)品一般都很有效，但缺點(diǎn)是會增加複雜性，且總是在使用零碎拼湊的解決方案。另一種方式是採取全面的作法，使用單一供應(yīng)商的完全整合式自動化平臺，其中網(wǎng)路、組件和軟體元件設(shè)計(jì)可彼此和諧運(yùn)作。

什麼是完全整合式自動化平臺？

「完全整合式自動化平臺」是行銷簡冊中經(jīng)常出現(xiàn)的用詞。但其確切涵義究竟為何？雖然定義因人而異，但自動化供應(yīng)商 Omron 將網(wǎng)路描述為「將製造工廠的資訊科技（IT）和營運(yùn)技術(shù)（OT）相互連結(jié)」（圖二）。

圖二 : 製造工廠的完全整合式自動化平臺，由 IT 和 OT 網(wǎng)路組成。（source：Omron）

網(wǎng)路的IT部分包含決策部門和工廠自動化部分。其中，決策部門負(fù)責(zé)進(jìn)行設(shè)計(jì)與生產(chǎn)規(guī)劃，工廠自動化則負(fù)責(zé)機(jī)器編程、操作人員介面，以及機(jī)器對機(jī)器（M2M）通訊。整合式自動化平臺的OT部分，包含工廠和機(jī)器監(jiān)測、感測器、機(jī)器人及機(jī)器控制。

Omron的Sysmac即是此類平臺。Sysmac可簡化整間工廠的連線，因?yàn)榇似脚_採用工業(yè)乙太網(wǎng)路連線（適用於IT和工廠自動化的EtherNet/IP，以及適用於OT網(wǎng)路的EtherCAT）、單一機(jī)器自動化控制器，以及共用式監(jiān)控軟體。

自動化控制器是平臺的核心命脈

機(jī)器自動化控制器（簡稱控制器）是IT和OT網(wǎng)路之間的關(guān)鍵連結(jié)；在Omron的解決方案中，此控制器為執(zhí)行Sysmac機(jī)器控制軟體的工業(yè)PC。控制器根據(jù)IT系統(tǒng)確定的製造協(xié)定，同步控制所有機(jī)器動作、安全性、視覺、機(jī)器人、感測和資料庫連線。

Omron的NX102-1020是此控制器範(fàn)例之一。此控制器無需閘道器就能處理來自IT資料庫的資訊。另外，該控制器還能監(jiān)測機(jī)器安全性和維持生產(chǎn)品質(zhì)，同時(shí)十分精準(zhǔn)快速地控制機(jī)器。此裝置採用Intel Core i7微處理器，能在短短0.37 ns內(nèi)執(zhí)行基本指令，而且每 125 μs就能更新伺服機(jī)和步進(jìn)馬達(dá)接收的命令。感測器會將機(jī)器位置、位移和齒隙資訊迅速回送至控制器。因此即能讓凸輪順暢動作，以及機(jī)器軸以高精密度移動。

NX102-1020的寬度為 66 mm，設(shè)計(jì)小巧緊湊，具有三個(gè)工業(yè)乙太網(wǎng)路連接埠 （兩個(gè) EtherNet/IP和一個(gè)EtherCAT）、一個(gè) CPU 單元和一個(gè)電源供應(yīng)器。此控制器符合 IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋 PLC 中控制程式的基本軟體架構(gòu)與編程語言，並使用 PLCopen 功能塊進(jìn)行動作控制。

單一軟體平臺

工廠中由幾種形式拼湊在一起運(yùn)作的軟體，可能會是工廠自動化平臺的致命弱點(diǎn)。要維護(hù)這種系統(tǒng)並使其順暢運(yùn)作，需要投入大量時(shí)間，也可能使工程師無法專注於生產(chǎn)製程的最佳化。

為因應(yīng)這一挑戰(zhàn)，Omron提供單一軟體套件解決方案執(zhí)行其整個(gè)系統(tǒng)，包括對NX102-1020 控制器進(jìn)行編程。此軟體 Sysmac Studio（圖三）實(shí)際上是一個(gè)整合式開發(fā)環(huán)境 （IDE），且隨附客製化的3D動作模擬工具。與Omron控制器一樣，此IDE完全符合 IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)。此IDE允許以變數(shù)進(jìn)行編程，因此工程師不需要學(xué)習(xí)PLC的內(nèi)建記憶體對應(yīng)。這也代表程式能重複使用。

圖三 : Sysmac Studio隨附客製化的3D動作模擬工具，讓工程師能檢查及改良生產(chǎn)製程，而不貿(mào)然實(shí)作。（source：Omron）

結(jié)論

連線式工廠是製造業(yè)未來的趨勢，但是要連結(jié)各個(gè)環(huán)節(jié)並順暢運(yùn)作，具有一定的挑戰(zhàn)性。可採取全面性的作法，使用一個(gè)完全整合式自動化平臺（網(wǎng)路、組件和軟體零件來自同一供應(yīng)商），達(dá)到無縫合作，並讓人員能專注於生產(chǎn)製程的最佳化。

（本文作者Barley Li為DigiKey Electronics亞太區(qū)技術(shù)內(nèi)容部門應(yīng)用工程經(jīng)理）