如何让自动化变得更简单？

自17世纪以来，还原论一直在科学中占据主导地位，其最早的倡议者之一笛卡尔这样描述它“将面临的所有问题尽可能地细分，细至能用最佳方式将其解决为止”，并且“以特定的顺序引导我们的思维，从最简单和最容易理解的对象开始，一步步逐渐上升，直至最复杂的知识”。

图1-笛卡尔(René Descartes ，1596-1650)

现代科技的发展离不开方法论的支撑，这些先贤们的思想至今依然熠熠生辉-对于今天的制造业乃至细到自动化行业的系统仍然有用。

1简单，简单，再简单是一种趋势

2013年在Euroblech，笔者与贝加莱当时负责全球CNC与机器人业务同事请教他如何看待机床工业未来自动化发展趋势，他仅说了一句“Simple，Simple，and Simple” ，在贝加莱（中国），肖维荣博士在内部也在不断的推动着“简单”自动化的工作，包括推动mapp-模块化应用软件的全球协作，以及在中国建立方案研究院进行方案的标准化工作，正如肖维荣博士经常说的“我们的系统功能无论如何强大，但是，必须让用户简单使用—这是我们的使命”。

以简单应对复杂—是自动化工程之道，否则，将使工程拖入泥潭。

2工程思维解决复杂问题

在《像工程师一样思考》一书中，作者也提到了工程师如何将问题解构—这是一个核心的能力，解构就是工程的核心能力，即，将一个复杂问题简化为多个独立的小问题，然后针对每个小问题来进行开发、测试与验证，然后再构建为一个整体，进行测试与验证。

图2工程师思维的三个特征（Guru Madhavan,Think like an Engineer）

工程师在开发项目中，最为重要的思维就在于“解构”，然后在“约束”条件下进行工作，约束条件可能包括了CPU资源（当然今天的PLC在处理能力、内存、网络能力已经不成为话题）、材料、工期、机械的刚性等多种条件下进行“最经济”的解决方案—这里的获得最经济，就是一个方案的“取舍”问题。

工程不同于科学，而是将复杂问题解构，并在客观条件约束的情况下，把项目尽快高质量的完成，这也是工程创新的核心要旨。

3简单是自动化的使命

制造，无论是生产还是机器本身的制造，都是一个复杂问题—因为它显然是一个跨学科的融合问题，每个机器都会牵扯到材料及其工艺、机械与传动、控制与流程问题，这会造成非常大的复杂性—而且，其中包含着可以被解释与描述的，也包括了无法被解释和描述的“不确定”、“干扰”问题。

本文将以贝加莱的自动化系统来阐述，如何实现简单自动化？

3.1 简单自动化—通过建模仿真简化设计

众所周知，制造业的复杂性存在于材料与工艺的复杂性，包括工艺方法、参数与流程，这会为任何一个产品的制造带来数以万计的可能性组合，将复杂的工艺与流程进行建模，并通过建模仿真工具进行早期测试与验证，是应对制造业复杂问题的不二法门，这也是欧美领先的制造商所关注的，这也引发了各种建模类软件的大量发展，同时，这也是今天我们讨论制造业中，我们所欠缺的。

图3-不断提高的制造业复杂性

贝加莱作为自动化厂商，自然关注点在控制模型与算法，但是，机器一定会牵扯到机器与材料工艺，因此，当面对复杂的变化的时候，我们需要一个与其它软件协同的接口，贝加莱早在2008年即与Mathworks建立了Simulink PLC的C代码自动生成与导入的接口，并在MapleSim合作中采用了基于FMU/FMI接口的软件协同接口，为了产线的设计也与IndustrialPhysics进行了接口的连接，这些都使得机器设计与电气控制可以快速的协同，以达到快速的参数调校，早期验证与虚拟调试。

图4-通过数字孪生实现高效开发

3.2 软件复用与组件技术

在1968年，IT产业就因为越来越多的“软件危机”，例如需求不清晰、软件变更、代码不规范等原因造成的软件质量与交付问题，在NATO会议上定义了“软件工程”这个概念，并推动软件工程方法，1986年，知名专家佛瑞德.布鲁克斯曾经在一篇文章中写道“没有银弹（No Silver Bullet）”以说明没有更好办法解决软件复杂性的本质问题。

图5-基于组件的开发流程[Ehsan Kouroshfar，Process Patterns for Component-Based Software De-velopment]

在传统的自动化的可编程逻辑控制器PLC的年代，一个工程师对一台机器的程序是完全可以掌握的，基本上不存在“软件危机”问题，但是，显然，今天的PLC已经不是这样了，随着更多的对象（运动控制、HMI、分布式I/O、边缘控制、网络）与任务（仿真接口、工艺算法、测试、远程诊断与维护）被集成到整个机器与产线中，机器的软件变得越来越复杂，因此，来自于IT产业的软件工程的问题也必须引起自动化行业的重视，包括OEM和终端生产企业。

软件的本质是对工业知识的“封装”，以达到“复用”的目的，而模块化的组件技术则是实现这一目标的重要方法，就是将各种工艺、操作、流程以苹果的APP的形式，其设计思想基于“高内聚、低耦合”的软件工程思想，以达到标准化降低成本，而模块化实现灵活性，使得其在灵活与经济间寻找一种平衡。

 图6-mapp就像AppStore一样组织机器的应用

软件正在不断塑造着企业的核心竞争力—通过软件，可以实现Konw-How的封装，实现灵活的机器应用组织以应对变化，因此，今天，工业软件被产业越来越重视。

3.3 简单化方法--平台集成

当然，解决软件危机的另一个方法也包括集成开发平台—这个对于今天的制造业尤其重要，因为我们需要“集成”，在机器与机器之间、控制与传感器、运动控制之间，包括整个任务的协同，其主要作用表现在几个方面：

图7-Automation Studio集成开发平台

》平台本身降低复杂性：传统上需要在多个软件间切换的工作变得更为便利；

》平台本身还封装了各种工艺模块；

》降低在培训与学习方面的人力消耗；

3.4 操作简单化-mappVIEW的设计

现场生产的机器，总不能配置一个大学生吧？显然是不现实的，因此，一定要设计的简单易用，包括年轻一代生活在“触控”时代，他们已经习惯了用手去拖拉这种操作，因此，机器必须设计的简单、易于操作，才能赢得客户信任，因为降低了培训以及对人员的专业性要求—这些对应的都是成本。如果想要简单，最好就是借助于IT领域软件所积累的各种丰富的控件技术、Web技术来实现，毕竟自动化行业没有必要自己开发这样的软件系统。

对于很多用户来说，贝加莱的 mappVIEW所设计的HMI就很吸引眼球，它融合了开放的IT技术，可以让用户基于各种屏幕设计自适应的，大量精美设计的控件，支持Javascript,HTML5,CSS，让操作人员以直观、简单的方式对机器进行操作，特别适合于机器制造商来开发精美的HMI画面。

图8-mappVIEW-操作简单化的设计

图8就是通过mappVIEW设计的画面，其实，它并不复杂，如果您喜欢mappVIEW，可以访问之前的文章：HMI设计的艺术与哲学思考

3.5 学习简单化-Tutorials

对工程师而言，学习是持续的，如何更好的学习，简单，直击关键应用，直观且互动的学习自然是上选的模式，而这些也是自动化厂商必须为用户所考虑的。

图9-基于Turtorials的交互式学习

贝加莱提供一种称为Turtorials的交互学习（如图9所示），让用户工程师可以通过一种并不枯燥的方式来学习，以达到自主开发基础应用的能力，将基础的入门快速、针对性的方式完成，实现任意时间学习而无需考虑培训计划，同时，贝加莱也会通过远程实验室加强高级培训，这样，使得用户可以快速有效的学习自主的创新应用开发。

关于交互式学习，请参考前期文章：工程师如何更好的学习—交互式课程

4用事实来说话

我们通过几个例子来阐述贝加莱所在努力推进的“简单自动化”思想：

数字孪生—设计简单化

数字孪生基于建模仿真，强调动态双向交互，以及对过程的仿真，而贝加莱与建模仿真软件公司如Mathworks、MapleSim等共同致力于这样的技术应用于机器的高效开发，图10是基于MATLAB/Simulink与Automation Studio进行的交互，可以实现快速的建模仿真与硬件在环测试（Hardware In the Loop）。

 图10-Automation Studio Target for Simulink用于系统开发

在港口岸桥防摇、风力发电机组控制、印刷机械、机器人、注塑机控制等众多领域，贝加莱都采用了基于MATLAB/Simulink建模仿真的开发方法，通过其自动代码生成，与Automation Studio的接口，直接将代码在Automation Studio编译并下载到PLC运行，这样可以任意的进行参数的测试验证，不断优化，形成优化的控制模型。

mapp技术-编程简单化

mapp技术正是基于“组件技术与软件复用”思想而开发的，在2012年贝加莱总部即开始了这个项目，当时称为MAP it，自2016年，贝加莱将MAP it改为modular application，称为mapp技术，它已经在众多贝加莱提供解决方案的机器开发中得到了广泛应用。

图11-基于mapp的注塑机开发

我们可以看到mappPLASTIC包中包含了液压、温度，再细节的模块包括了射胶、开合模等更为粒度低的软件模块。

图12-采用mapp的吹膜机开发

图12显示了吹膜设备的开发中，同样应用到了温度控制、薄膜张力、收放卷的控制模块，而在图11的印刷机开发中，这些模块是可以共用的，因为印刷机械也同样包含了薄膜张力、收放卷控制。

  图13-采用mapp开发印刷机械控制

从图11-13可以看到，mapp的模块使得在不同行业的共性控制任务中得到了公用，当然，除此之外-mapp针对机电对象、文件操作、配方等基本的任务也为所有机器提供了共性模块。

SmartMold 9-方案标准化

方案基于现有的硬件与软件，如果经过一次再封装，它又可以成为一个标准产品—贝加莱SmartMold 9即是如此，在贝加莱注塑机领域沉淀数十年经验之后，将各种注塑机应用以mapp模块方式封装，可以让用户可以针对不同机型快速配置一台机器，而无需复杂的程序开发，mapp技术能够为各种注塑机（油压、全电动、电液混合、二板机等）制定统一的软件，用户仅需“配置”即可实现快速出机-并且，对于用户现场可以采用CodeBox技术（一种无需Automation Studio环境的在线编程方式）进行逻辑的修改。

图14-SmartMOLD 9的标准化方案设计

图14是SmartMold 9是针对注塑机行业的标准化硬件方案，它为注塑机配置了适应于各种机型的硬件标准，降低其成本，并按照塑料行业的操作习惯设计了操作按键、安装方式等。

图15-注塑机解决方案所采用的mapp模块

从图15可以看到，实际SmartMold 9大量的采用了各种螺杆控制、温度/压力控制闭环、射胶、熔胶、开合模、锁模、保压、顶出等各种针对塑料机械所开发的模块，并且采用mappVIEW进行了HMI设计。

方案的标准化也是实现复杂机器的快速构建的关键一环。

维护简单化-贝加莱安全远程维护

图16-安全远程维护降低了维护的复杂性

在远程维护领域，贝加莱推出了安全远程连接，利用今天无所不在的云连接、LAN等技术，实现建立一个安全的远程桌面系统，使得机器制造商的电气工程师可以在本地对远程的机器进行问题的诊断，以及程序的上传下载等维护服务，降低了差旅成本和时间消耗，快速实现问题定位与解决。

请参考：工程师的痛与客户的担忧-如何安全的远程维护？

5贝加莱的简单自动化支撑体系

真正的竞争力来自于人才，而要实现为用户带来更为简单的自动化解决方案，离不开在人才方面的支撑，包括人才的培养和应用，贝加莱在产业界一直以有一支能战斗的工程队伍而著称。

5.1 特种部队--方案研究院

方案研究院是贝加莱的一支“特种部队”，自2013年成立至今，由机电工程、算法、软件架构、建模、等工程师组成，其旨在干几件事情：

图17-贝加莱方案研究院为机器自动化共性技术提供支撑

（1）方案的标准化封装：将各个行业的应用

（2）解决方案架构的设计

（3）为应用工程师提供新算法的测试验证

（4）人工智能与工业应用的结合：寻找除了机理模型之外的数据驱动模型来解决应用中的复杂问题；

方案研究院的工作都是将产业的复杂问题，以及对问题的解决方案汇集为一个整体，成为可复用的技术，然后分享给产业界,以达到为用户提供持续竞争力的能力。

5.2 工程宿营

贝加莱一直致力于“优秀工程师”的训练，自2012年启动了工程宿营（Engineering Camp）他们掌握机械、电气、软件、工艺融为一体的，能够为用户解决问题的工程师，它是一个高强度、多维度、全面的工程师训练，脱产达到3.5个月，近期为了更为灵活，让工程师与实践紧密结合，以模块化方式进行培训，1-2周为一个阶段，中间以资深工程师带领进行工程实际项目的训练，整体形成完整的循环提升。 

图18-基于工程训练的EC培训体系

EC的培训核心在于让工程师旨在快速训练一个“规范与标准”的工程师，如何解构系统、模块开发测试、代码规范与标准，让每个工程项目变得易于理解和可重用，这些都是基本的工程师素养训练。

5.3 远程实验室

远程实验室是2020年贝加莱为了应对新的形势下的人员培训而启动的培训项目，这也是一种更为便利的人员培训计划，能够进行在线的互动课堂方式，将机器与系统开发的经验与用户分享，用户在本地即可由专业培训师、资深行业应用工程师针对有针对性的培训课程。

图19-远程实验室进行用户的交互学习

关于远程实验室请参考：贝加莱远程实验室—由远而近

让自动化变得简单，需要借助于工程思维，解构问题，让问题变得简单，易于处理，另一方面，从经济性角度思考问题—不断为客户寻找“更经济”的解决之道，这是“工程”的使命。

关于贝加莱

贝加莱是一个总部位于奥地利并拥有遍布全球分支机构的创新驱动型自动化企业，2017年7月，贝加莱成为ABB集团全球机器与工厂自动化业务单元。作为全球工业自动化领域的领导者，贝加莱融合了前沿技术与先进的工程能力，为各个产业客户提供机器与工厂自动化、运动控制、HMI以及集成安全技术的完整解决方案。通过工业物联网通信标准如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及贝加莱强大的Automation Studio软件开发环境，贝加莱不断重新定义自动化工程的未来。贝加莱保持持续的创新精神，为客户提供更为简化以及超出预期的工业自动化领域前沿技术与方案。

更多信息请访问: http://www.br-automation.com