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纺织机械电气控制之贝加莱视角 |
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作者：贝加莱工业自动化（上海）有限公司 宋华振 |
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一、硬实力到“软实力“的变化
发生在中国的各种工业领域的变化正在向我们昭示一个未来的发展，即，更加注重“软实力“，无论对于国家还是对于企业，甚或对于行业-纺织机械领域同样如此，如何开发更具竞争力的纺织机械产品，核心在于工艺的软件集成、在于机器功能的人性化、在于快速的响应柔性生产的需求，必须去改变的不仅仅是硬件，更为重要的在于观念：创新-必须建立在一个严格的平台上，而不依赖于某个人的灵光一现，”软实力“平台的建设更重于硬件的开发本身。
二、软件模块化设计
”撞衫”会被认为是一种很尴尬的事情-即使普通的消费者也是不愿意穿着大家都类似的衣服-这种市场的变化使得对于纺织生产的个性化提出了更高的要求-必须满足“小批量，多批次”更为柔性的生产，生产者必须灵活的组织生产，而对于纺织机械而言必须去适应这种变化，自动化硬件技术的发展为模块化的生产组织提供了基础，然而，更为重要的是软件的模块化-贝加莱正是响应这一市场需求而不断的加强在软件模块化方面的创新研究。
而事实上，就我们的纺机电气系统开发而言，我们与国际顶级制造商在很多方面的差距来自软件，并且软件开发中也存在很多现实却影响机器与系统开发的各种问题。
1.常见的系统开发问题
● 为一个新的机器开发程序，功能块需要重新定义和开发
● 调试一个代码需要很多的时间
● 人员流动时，新的人员无法使用原有的代码
● 程序不稳定，不可靠，需要不断的修改；
● 每台机器均需要进行程序编程和调试、现场反复的修改和维护；
● 不同的软件工具,PLC有一套、驱动器有一套、HMI的一套，不同的编程工具和专门需要编写的软件连接功能块。
● 新的机器开发，又需要重新对机器进行编程。
2.贝加莱MAP it软件模块化开发平台
贝加莱基于行业解决方案长久实现基础上提出了新的纺织电气系统软件设计实现-MAP it(Modular Application Platform模块化应用平台) 通过对原有的功能块封装和标准化，将纺织机械的各种应用进行重组，但是，要实现快速的构建系统，必须确保系统的模块化设计，它需要具备以下特点：
2.1独立于硬件运行，可在不同的平台上运行，例如X20CPU和Power Panel上、或者Panel PC上；
2.2可对原有的代码进行重用，提高代码使用率从而降低开发成本；
2.3快速实现新机器的软件框架搭建，只对核心工艺模块进行测试开发，缩短项目开发周期，降低Time to Market.
2.4通过代码的标准化和规范化设计，提高代码的重用性从而避免由于人员更换无法阅读代码而宁愿重新开发带来的不必要开发浪费。
2.5可以快速根据项目实现新的应用-响应市场对于机器的新需求；
3.贝加莱如何实现MAP it设计？
上图显示了MAP It的设计理念架构，针对纺织机械的控制对象，如张力、温度、牵伸控制、电子齿轮比、维护、趋势显示、频谱分析、同步关系、电子凸轮曲线等进行对象的封装，采用C++或IEC和C代码方式进行功能块的封装，并对这些功能块的设计进行标准化-包含接口定义、变量声明、文档，将其封装为针对卷绕张力的标准功能库- C++是一种可以实现对类进行操作的编程语言，它可以实现对函数的封装并构建不同的应用类库，对于应用编程而言，经过封装的类可以被应用进行灵活的使用，并进行封装为应用包，不同的机器项目可以针对应用包根据项目需要进行调用。
以纺机中普遍存在的卷绕应用为例，可以针对不同的卷绕方式：中心收卷、摩擦收卷等物理模式，弹性材料和非弹性材料、带有摆辊和不带摆辊、采用压电传感器模式等，设计闭环、开环，由于每个对象可以采用C++的OOP编程，然后构成一个个的应用类库，对类库进行封装为不同的卷绕应用包，卷绕的包会和其它相同模式设计的模块如电子凸轮、电子送经等工艺包共同构成一个机器的完整应用，当然，另一些包是与电气系统相关的如参数设置、趋势显示、维护与诊断、环境监测、能源管理的模块，由通用模块与工艺模块共同在项目中实现一个机器。
4.MAP It的目标-即插即用的工艺软件设计
按照贝加莱MAP Itt的设计目标，最终，客户可以根据自己的需要对机器进行“组态”而非编程，即，可以快速的进行机器软件系统的构建，从而实现一个新的机器应用，并且它仍然可以保持良好的个性化-因为，软件模块的多样性和组合使得它具有非常多的变化，就像在理论上来说，用一模一样的方块也可以搭建一个球体一样。
5.MAP it带给机器制造商的好处
这带来的最大好处就在于代码的重用性得到大幅度的提高，并且，即使对于一个公司的其它不同机型也可以使用，例如：针对粗纱的卷绕类可以用于细纱、浆纱，而电子凸轮曲线的库可以针对并条、特里科经编机、细纱机的卷绕曲线等。
三、软件-不仅仅是工具，而在于平台建设
对于纺织机械而言，构筑长期的竞争力需要一个平台支撑，而目前现存的系统开发经常出现两种多个软件工具的问题：
1.不同的硬件平台需要不同的开发工具；
PLC产品有其编程的软件，而HMI的组态也需要一个软件，网络组织，运动控制的编程均需要不同的平台，而在工艺层可能又运行在PC上使用Visual C++等。
2.系统的不同阶段需要不同的软件
针对配置、编程、轴调试、远程维护、仿真均有不同的软件，开发液压应用、安全应用又有不同的平台。
这是自动化领域的普遍现象，这使得纺机系统的开发存在以下一些问题：
a.学习不断升级的各种不同软件，在不同软件工具之间切换，花费培训时间；
b.各个软件之间必须额外的开发连接的通信，而这往往是软件最容易给系统造成不稳定的原因。
基于此，贝加莱的的Automation Studio以面向整个产品生命周期为对象设计平台，使得“多个平台/机器”而“一个软件“，无论是PLC、HMI、Safety应用、运动控制应用、液压应用、网络组织均在Automation Studio中完成，而另一个方向-从整个生命周期角度来看，Automation Studio将配置、编程、调试、诊断与维护全部集成在一个平台里，这使得所有开发的软件模块可以在不同的机器、不同的控制器（如Power Panel,X20,PC-Based）上均可运行，并且，它也支持软件仿真的MATLAB/Simulink导入、EPLAN的图纸导入等更为方便开发者的功能。
可以为纺机电气系统开发提供如上图所列的功能和平台集成，使得在一个软件平台上完成：
● 分析与软件功能块的定义、团队分工与版本的管理
● 并行开发项目
● 调试轴、逻辑、网络、HMI
● 软件的保护-代码安全控制
● 服务-基于本地或IT-based远程维护技术
● 代码重用与管理
这些，均为整个机器的开发提供了强大的支撑，对于纺机电气这种更为集成的应用而言、机型变化较大而软件变化的行业而言，Automation Studio是一个完美的平台支持，降低系统的开发成本，并且是一个长期创新的可靠平台。
四、基于IT技术的远程维护
对于机器的使用者而言，及时的系统诊断与维护是非常重要的，而对于纺织机械设备制造商而言，提供服务是一个业务的延伸部分，如何降低维护成本对于整个公司的赢利而言非常重要。
1.维护中的常见问题
对于每个纺机制造商而言，都会遇到类似的问题：
●设备运行在终端客户处-出现故障时现场人员无法精确的描述问题所在，因为现场机器操作人员的整体素质参差不齐。
●大部分问题可能与电气系统无关，但是，必须为了客户而去到达现场；
●简单的问题却使得维护人员车马劳顿需要去客户现场-有时候甚至就是系统的重启；
●去了现场却仅仅是为了下载一个新的程序；
●程序问题却无法还原现象；
2.贝加莱解决方案
对于远程维护而言，B&R的系统无需额外的增加硬件的成本-这很关键，仅需要在控制器中添加软件组件如VNC Server、FTP Server和Web Server等，它可以实现众多的功能：
● 远程程序下载:通过FTP Server将修改的程序进行远传下载，然后由现场客户人员自行升级；
●通过VNC访问方式对远程机器的运行状态和故障状态进行查看，并提供远程的技术支持；
●即使在没有AS软件的情况下，维护人员也可以通过浏览器或者iPhone及其它智能型手机来连接远程机器，并对机器的状态进行监控，给出维护意见。
●对于远程设备的故障，提供及时的准备；
●定期的管理远程维护的环境监测程序-提供客户预防性的维护建议。
3.带来的好处
对于机械制造商，快速的定位问题，可降低不必要的人员差旅-这可以使得原来大部分的维护问题不用去现场就能解决，另外，对于企业的机器的赢得的市场信任带来的二次销售机会也不容忽视。
五、自动化与信息化融合
1.需求的不断产生
自动化正在变得更像IT行业，这是因为随着ERP/MES的快速发展使得对于现场数据的需求，另一方面，集成到本地的管理功能也为局部的生产管理带来的方便，也使得对于自动化的信息化产生了需求。
然而，归根结底，对于生产厂商而言，两个方面的需求伴随着信息化的进程：
1.1.对于生产效率的提升
从订单到生产配方及工艺的下达，降低整个生产中的数据流传输效率，并且分解任务给每个参与生产的机器，使其按照预定的计划进行生产。
1.2.降低成本的需求
必须能够对生产过程中的工艺参数进行获取，一是与质量相关的参数有助于工艺优化提高生产质量，降低不良品率，另一方面，则是对生产过程中的成本优化来提出工艺改善的数据分析基础。
2.信息化对于电气系统的需求
2.1.开放的基于IT技术的互联能力：例如基于OPC UA架构的管理级数据访问，由ERP或MES系统通过OPC Client对PLC上的OPC Server进行访问，并获得相应质量与工艺参数。
2.2.本机生产的管理集成，例如：SPC统计过程分析、并条机条干频谱图，这些均可通过由本机的数据统计及分析软件进行工作，并将生产工艺参数进行上传。
3.贝加莱优势
对于信息化需求，贝加莱是基于开放架构设计的系统，贝加莱已经在其PLC中实现OPC UA架构的设计，加载OPC Server来提供数据给MES和ERP，不仅如此，也可以通过不同的网络架构来对程序进行下载和修改，并对项目进行管理和维护。
由于贝加莱的硬件平台是基于Intel架构设计-这意味着对于实现丰富的信息和管理功能而言非常简便，例如：新的Power Panel 500系列HMI将Windows和RTOS集成于一体，标配以太网接口可以实现非常复杂的功能设计。
六、预防性设备维护
1.传统的设备维护有以下一些特点：
● 事后控制模式：即，在设备故障出现后才进行维护，这必然造成当机，即使快速更换备件，设备也出现了停机造成的损失，尤其对连续型的生产更是如此。
●依赖于技师的现场巡检-通常现场由技师使用一些简单的方法和工具进行巡检，例如：用螺丝刀顶在电机上，贴到耳朵附近听电机声音，或者摸一下电机来看温升，看电流表参数，而这些不能实时，也依赖于技师的经验和责任心，具有很大的风险和不可靠性。
2.设备维护新概念-预防性设备维护
2.1基本原理
新的设备检测技术，通过采用压电式传感器对电机主轴、连轴器等关键部位的振动等信号进行采样处理，由于每一个机械的故障均会对应一个特征频率，因此，可以通过特征频率和故障之间关系的专家库来预测设备即将发生的机械故障问题的类型，从而在HMI上提前预警，并通告机械电气维护人员在生产间隙和停机时对其进行及时的更换从而避免生产过程中的问题出现。
强烈不平衡频谱
2.2经常会出现的机械问题包括：
--负载不平衡
--轴磨损
--刀具磨损等
3.贝加莱预防性维护解决方案
贝加莱X20CM4810和IEPE压电传感器
基于B&R X20系列的环境监测模块（Condition Monitoring）和压电传感器共同构成测量单元，而来自B&R的专家库将为客户提供在故障与特征频率测量值之间的关联关系。
它可以对齿轮、轴承等关键运动部件的振动进行高灵敏度的监测-对一些常见的如磨损、负载不平衡、不同心、刀具磨损进行
4.带来的好处
纺织机械本身属于具有长期运行的特点，而且生产一旦中断会造成很大材料浪费，也会造成很大的工时浪费，预防性的维护将给设备带来新的变革，更好的降低设备的运行和维护成本。
4.1对于终端用户-提供及时的设备维护技术支持，使得问题预先被得到监测，从而避免事后维护在故障已经成为既成事实下的损失，包括质量、设备损坏等。
4.2对于机械制造商而言，从市场角度而言是作为一个更为突出的卖点，使得设备更具市场竞争力。
七、贝加莱创新平台目标
基于上述的总结，贝加莱的平台创新目标在于为客户提供一个长期可靠的“创新平台“而不仅仅是一个纺机的电气系统开发平台-因为，软件的模块化使得创新变得更为容易，在不改变原有系统的基础上实现纺机电气的工艺设计、功能快速组织、系统快速构建，并且满足不断变化的市场需求。
不断的提高产品竞争力，缩短开发周期并降低开发成本-这就是贝加莱纺机电气的创新目标和动力。
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(9/4/2012) |
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