預(yù)先設(shè)計（upfront design）可以節(jié)省設(shè)計人員的時間和精力，還減少了在機(jī)器生命周期后期會出現(xiàn)的諸多麻煩。本文介紹了機(jī)器控制設(shè)計中的10個非常有用的技巧。 你是否有過這樣的經(jīng)歷：當(dāng)使用一臺機(jī)器設(shè)備時，你會抱怨工程師們在設(shè)計產(chǎn)品時沒能充分考慮用戶的感受。為了幫助工程師設(shè)計出易于使用的機(jī)器，本文從自動化、控制、儀表、傳感器、邏輯器件和通信技術(shù)等方面介紹了10個設(shè)計技巧。一旦掌握了這10個技巧，工程師們就可以在設(shè)計中節(jié)省大量的時間和精力，還能避免將來可能會出現(xiàn)的諸多麻煩。 　　 1.調(diào)查、研究和量化 　　 搜集信息，做出計劃，然后一絲不茍地向既定目標(biāo)前進(jìn)。這是機(jī)器設(shè)計流程的一個寫照。為了追求產(chǎn)品高度的靈活性和適應(yīng)性，工程師們在設(shè)計產(chǎn)品時常常會耗費大量的時間和精力，不斷給產(chǎn)品添加新的功能，卻最終導(dǎo)致產(chǎn)品的過度復(fù)雜。 　　 工業(yè)系統(tǒng)集成商Concept Systems公司的創(chuàng)始人Michael Gurney 和 Ed Diehl介紹說：“在產(chǎn)品設(shè)計中，一旦確定了優(yōu)先次序，那就應(yīng)該立刻從最劃算的地方著手。關(guān)于過程控制和質(zhì)量控制的統(tǒng)計分析是非常有用的信息?！? “模塊化的機(jī)器設(shè)計和制造方法可以一方面滿足不斷增長的客制化的設(shè)計要求，另一方面縮短機(jī)器的開發(fā)時間，同時還能降低OEM的制造成本?！盤hoenix Contact公司自動化產(chǎn)品經(jīng)理Larry Komarek說。 　　 Komarek還建議說：“將機(jī)器或者機(jī)器系列分解為不同的功能部件，每一功能部件都具有相應(yīng)的機(jī)械、自控元件和軟件程序。將這些功能部件搭配組合就可以創(chuàng)建出用戶客制化的配置或者‘小型/中型/大型’的產(chǎn)品系列。經(jīng)過預(yù)先設(shè)計、預(yù)先文檔化和預(yù)先測試的功能部件可以被快速生產(chǎn)出來，而且還降低了生產(chǎn)成本。” 　　 2.標(biāo)準(zhǔn)和安全 　　 Gurney 和 Diehl指出，借助標(biāo)準(zhǔn)的通用接口，產(chǎn)品可以集成最佳的系統(tǒng)組件，同時還減少了專用控制系統(tǒng)的設(shè)備過時報廢等問題。 　　 在設(shè)計軟件中積累的知識可以被轉(zhuǎn)化為機(jī)器代碼，從而避免了對設(shè)計參數(shù)的修改。有些設(shè)計軟件提供了面向STEP和IGES文件格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。STEP，即產(chǎn)品型號數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（ISO 10303），定義了如何描述和交換數(shù)字化的產(chǎn)品信息。 “在設(shè)計分布控制時要充分利用NEC code中群組電動機(jī)安裝規(guī)定（group motor installation provisions）的第430.53 （c）條。這樣做的好處是，可以減少分支電路的數(shù)量，降低成本，消除EMC噪聲，無需重新布線和調(diào)試就可以更換各功能模塊，增強(qiáng)了產(chǎn)品的靈活性。” SEW-Eurodrive公司的電子產(chǎn)品經(jīng)理Rich Mintz介紹說。 　　 Schneider Electric公司的機(jī)器安全產(chǎn)品經(jīng)理Larry Sunday說：“在安全方面，自從NFPA-79 2002年修訂版發(fā)布以來，所有的通用機(jī)器設(shè)計都應(yīng)遵守IEC 60204-1 Category 4標(biāo)準(zhǔn)。它是安全規(guī)范的最高標(biāo)準(zhǔn)，要求所有的機(jī)器設(shè)計都應(yīng)考慮到安全繼電器和安全連鎖裝置?！?同時他又提到：“2002年修訂版將NFPA-79和IEC 60204-1國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一起來。美國人的慣常做法是在基本控制電路中使用標(biāo)準(zhǔn)的繼電器，以保證所謂的‘控制可靠度’。但對于IEC 60204-1 Category 4標(biāo)準(zhǔn)來說，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的?！? 　　 3.傳感器和機(jī)器視覺 “不要在設(shè)計末期才考慮到傳感器的問題。小型智能的傳感器常常會帶來意想不到的好處。在元件底板空間已經(jīng)確定的情況下，一個價廉物美的傳感器有時會解決大問題”, Banner Engineering公司的技術(shù)市場經(jīng)理Joseph Dolinsky說。 　　 Cognex公司的In-Sight 視覺傳感器產(chǎn)品市場經(jīng)理Mark Sippel指出，采用何種方式處理檢測和過程反饋取決于很多的因素。 　　 這些因素包括：反饋信息是否需要在多路離散檢測、抑制或其他系統(tǒng)間共享？是否需要有一個控制器負(fù)責(zé)檢測結(jié)果與輔助任務(wù)的協(xié)調(diào)？如何交流和使用檢測結(jié)果？如果I/O設(shè)備用于通信的話，那么其他的控制端口的類型是什么？位置在哪兒？燈光、電源和數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蛩匾残枰豢紤]到。 [ALIGN=CENTER] 圖1：SpanTech（傳輸設(shè)備OEM）使用SEW Eurodrive的模塊化分 散控制技術(shù)重新配置生產(chǎn)線時，體現(xiàn)了速度和靈活性。[/ALIGN] 4.軟硬件的邏輯平臺 　　 National Instruments工業(yè)數(shù)據(jù)采集和控制部門的產(chǎn)品經(jīng)理Rahul Kulkarni說：“機(jī)器設(shè)計漫長征途的第一步，就是正確地選擇一個邏輯平臺。現(xiàn)在普遍采用的控制器有：PLC，PC-104，PCI，PXI或者是常規(guī)的電路板。在決定采用哪一個控制器平臺前，一定要充分考慮該控制器所要執(zhí)行的全部功能（例如邏輯控制、過程控制、運動控制、自動檢測以及機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控等）。 　　 編程工具應(yīng)該易于掌握，生成的代碼應(yīng)該是模塊化、易升級和可重用的。Rockwell Automation的全球OEM技術(shù)顧問Dan Seger介紹說：“選定一個控制架構(gòu)解決方案以使設(shè)計變得簡單。從控制器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，到外圍設(shè)備和操作員界面，對于這些組件的選擇如果只從采購成本最低的角度考慮，那么就會給后期開發(fā)帶來麻煩。同樣，良好的連通性（例如將各個設(shè)備組件緊湊裝配，緊密通信）可以提高效率和降低成本。相反地，如果在設(shè)計中采用的是廉價的設(shè)備通信方案，那么不僅難以使用，而且會在工程起始和維護(hù)階段耗費大量的時間?！睘榱巳〉米罴训男Чㄗh將控制和信息共享兩部分的編程工作分開進(jìn)行。其他有價值的做法還包括：結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)形式，下拉式菜單以及根據(jù)功能分類的基于代碼的對象庫等。 　　 5.執(zhí)行機(jī)構(gòu) 　　 根據(jù)應(yīng)用需要，選擇合適的氣動、液壓和電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同樣，運動控制器也需要認(rèn)真選擇。那么，可以采用電動機(jī)控制單元（MCU）或者數(shù)字信號處理器（DSP）進(jìn)行電動機(jī)控制嗎？ 　　 Texas Instruments的電動機(jī)控制策略專家Kedar Godbole建議，要尋求性能創(chuàng)新和降低系統(tǒng)成本，在性能和價格間取得平衡（獲得最佳的性價比），在快速軟件開發(fā)中采用高效的C/C++內(nèi)核，使用靈活易用的工具，以及進(jìn)行高水平的模擬集成。 SEW-Eurodrive公司的Jan Lindholm說：“相對于機(jī)械摩擦機(jī)構(gòu)，控制機(jī)構(gòu)往往更加適用而高效。與離合制動器等類似的解決方案相比，變頻器（特別是閉環(huán)的）能夠?qū)⒅芷谘娱L至2到3倍，同時還能降低設(shè)備的磨損和維護(hù)的成本?！?Lindholm又解釋說：“變頻驅(qū)動技術(shù)與無傳感器矢量控制、磁通矢量控制和交流無刷伺服系統(tǒng)相結(jié)合，可以解決很多電機(jī)驅(qū)動問題?！? 　　 6.顯示屏和按鈕，孰優(yōu)孰劣 ？ 　　 基于顯示屏的人機(jī)界面（HMI）和按鈕，孰優(yōu)孰劣？答案是：用觸摸屏代替按鈕是有益的。HMI工具包自帶的模板適應(yīng)性強(qiáng)，而且可以重用。 　　 Omron Electronics的軟件產(chǎn)品市場經(jīng)理Joe Rubino介紹說：“HMI還有其他一些優(yōu)點，如數(shù)據(jù)互聯(lián)和診斷能力。診斷能力可以帶來機(jī)器軟硬件正常運行時間上的優(yōu)勢、簡便連通能力和降低編程工作量，真是物有所值?！? 　　 7.網(wǎng)絡(luò)與通信 　　 采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以減輕機(jī)器內(nèi)外布線和通信譯碼的工作量。Opto 22 公司的行銷專家 David Crump介紹說：“機(jī)器對機(jī)器（M2M）通信技術(shù)增強(qiáng)了機(jī)器的連通性。借助于無線技術(shù)，可將機(jī)器設(shè)備與企業(yè)信息系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控和啟動，生產(chǎn)狀況實時報告以及其他一些操作。M2M還能幫助機(jī)器設(shè)計人員跟蹤機(jī)器的生命周期，識別故障點，改進(jìn)未來的設(shè)計。同時，M2M還能為企業(yè)創(chuàng)造更多的營收機(jī)會，例如，為用戶提供超前設(shè)備維護(hù)和維修等增值服務(wù)?！? 　　 NI的Kulkarni說：“無線技術(shù)種類繁多。對于遠(yuǎn)程計算機(jī)和工廠HMI/SCADA系統(tǒng)間的M2M通信，由于傳輸距離長達(dá)數(shù)百英里，所以應(yīng)該采用衛(wèi)星通信或者蜂窩電話通信方式。對于控制器/PLC和HMI/SCADA系統(tǒng)間的通信，IEEE 802.11無線通信技術(shù)是最適用的。然而，對于控制器和傳感器間的通信，由于傳輸距離只有10～100 米，采用藍(lán)牙技術(shù)或Zigbee技術(shù)則更為有效?！? 　　 Rockwell Automation的Seger指出：“（在設(shè)計不同設(shè)備間的通信時）要避免采用RS-232和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，否則要耗費大量的時間編寫專用的通信驅(qū)動程序來支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。這是一件費時費力而又不會增值的工作。而對于機(jī)器內(nèi)部，如果I/O級采用一個安全的終端技術(shù)則可以節(jié)省裝配和檢修的時間?！?Wago公司的市場經(jīng)理Dean Norton說：“Wago公司的免螺絲籠式彈簧夾持（Cage Clamp）端子具有更高的靈活性，可以縮短60%的布線時間，在有些應(yīng)用場合可以免除每6至8個月對機(jī)器進(jìn)行加固的需要。該接線技術(shù)可以實現(xiàn)預(yù)布線，滿足所有機(jī)器I/O的要求，并可方便在設(shè)計后期采用合適的總線協(xié)議實現(xiàn)控制器的通信?！? [ALIGN=CENTER] 圖2：提供籠式彈簧夾持端子/無線端子的Wago公司說， 選用免螺絲端子方式可以節(jié)省60%的布線時間。[/ALIGN] 8.電源 　　 直接購買電源系統(tǒng)，而不要試圖自己設(shè)計它們，這樣可以節(jié)省大量時間和精力。 　　 電源、總線、管理系統(tǒng)和智能組件都能向HMI提交報告，這樣可以達(dá)到更高的系統(tǒng)集成和效率。隔離、監(jiān)測和屏蔽措施可以保證最小的傳輸線和EMF干擾。 　　 9.集成 　　 從整個生產(chǎn)流程的角度考慮機(jī)器設(shè)計可以極大的提高效率。FlexLink Systems AB的CEO Fredrik J歯sson說：“通常情況下，一條機(jī)器生產(chǎn)線的能力只被發(fā)揮了30%。如果能從整個生產(chǎn)流程的角度考慮機(jī)械設(shè)計的話，那么生產(chǎn)線的利用率會被大大提高?！? 　　 綜合來自機(jī)床的信息會產(chǎn)生比機(jī)器本身更多的效益。一些主要的工程設(shè)計和生產(chǎn)組織指出，STEP數(shù)據(jù)庫可以降低分別高達(dá)35% 和75%的生產(chǎn)計劃和制造控制成本（數(shù)據(jù)來源：Step Tools Inc）。 　　 10.及時的項目總結(jié) 　　 當(dāng)項目接近尾聲時，不妨抽些時間對項目進(jìn)行評估和總結(jié)，以方便下一輪的設(shè)計。