分层控制优化机器操作

控制当今复杂的机器需要一个分层的体系结构，并仔细注意适当的接口。

曾经有一段时间，机器主要由齿轮装置和固定速度的电动机组成，还有一些继电器来运行整个系统。今天，一台机器可能包含视觉系统、反馈、过程控制、机器人、用户界面和安全性，以及几十个高度同步的运动轴。这种复杂的设计需要更加复杂的控制架构，该架构以多个控制层、编程语言和通信协议为特征，所有这些都需要无缝连接，以便机器能够按照需要运行。克服这些挑战需要仔细的设计，牢记最佳实践。

分层控制通常从设备层开始，该层由单个组件组成——伺服电机、驱动器、人机界面、机器人等。具有类似功能的设备集合可以被分组为单元，在通信总线上联网，并由单元控制器进行协调。一台机器可能由多个单元组成，这些单元在监控控制层与控制器通信，以交换状态和诊断信息。监督层，反过来，连接整个工厂层的过程控制和车间到顶层的通信。

为了成功地运行，需要在整个系统中划分控制任务，并根据各层的具体约束对控制硬件和软件进行优化，使其达到最佳性能。“通常在一个系统中,某种程度上需要有更严格的比与他人配合一些组件,在共享的数据量,数据的及时性,”唐纳德Labriola说,水银控制公司的总裁。“其他部分更需要协调调度水平,并进一步上升,在目标水平。”

当他们着手制造45轴分析仪器时，拉布里奥拉和他的团队采取了分而治之的方法。分布在整个系统中的共享处理器控制轴对。他们在同一个串行通信环路上设置相关系统组，并使用光纤链路断开接地环路。因此，与特定功能领域（如样品处理）相关的硬件/软件组能够在所需的时间尺度上控制与相关模块的通信，同时最大限度地减少对其他子系统的干扰。

一般来说，单元控制器处理同步的程度取决于单元内的控制体系结构是集中式的还是分布式的。经典的集中控制体系结构由控制器监督的哑设备集合组成。在经典的分布式架构中，控制驻留在拥有本地逻辑和内存的每个智能组件集合中。它们可以在主从配置中一起操作雏菊。

现实并没有那么一成不变。即使是智能设备也需要在某种程度上进行监督，以确保整个机器的命令优先级。像机械臂这样的智能子系统可能能够运行一个程序来控制自己的运动和排序，但为了确保它传递关键的命令和数据，它最终需要被当作单元控制器的从属设备来对待。单元控制器甚至可以处理机器人的一些排序。这将防止出现这样的情况:例如，安全子系统发送了一个机器人无法识别的命令，因为它处于自己的序列的中间。

独立回路
CANbus、ModBus等逻辑总线的开发，以及基于以太网的通信协议，简化了设备连接的过程。也就是说，将单独的控制循环连接起来是很有挑战性的。例如，一个PLC可能在阶梯逻辑上操作，而一个专用的运动控制器可能使用C或c++，但这两者需要通信。“如果没有良好的软件实践，比如面向对象的编程，你可能会遇到难以纠正的困难，Kollmorgen（弗吉尼亚州拉德福德）。“在早期的职业生涯中，我集成了多家供应商提供的专用硬件。最后，我不得不添加了伪造因素、计时器语句和硬编码的、特定于供应商的语句，以使握手正常工作。”这些解决方法的问题在于，它们往往是临时修复。如果例如，网络上设备的固件，定时修复可能不再有效。“现在，有一些交互涉及到所有这些小的硬编码部件，这些部件需要在不同的专用硬件部件之间工作，”他说。“净效应，可持续性成为一个挑战。”

问题不仅仅是协议。甚至物理层也可能是不同的光纤电缆、以太网电缆、RS-232线路。它们需要接口，并且不影响其传输信号的能力。另一个需要记住的问题是，每个接口都有可能降低信号强度并引入延迟。这种异构集成会导致固有的复杂性，从而增加故障点和调试时间。“从概念上讲，说‘我有这组函数，我将把每个函数封装在一个专用组件中，我不必担心，’是非常有意义的，”刘说。“以这种心态开始一项设计真的很容易，但当你剥开洋葱皮时，你会发现所有其他问题。”

遵循最佳实践至关重要。Labriola说:“尽量减少接口的数量，并使其余的接口健壮且可测试。”“尽量减少界面之间的交互，因为测试的排列很快就会超过测试它们的时间或人力。”对接口进行监控对于其他模块检测非法通信和报告故障非常重要。

设计分层控制体系结构的一个关键方面是防止一个子系统中的故障影响其他子系统。通过层次结构协调较小的子系统可以产生更健壮的体系结构。虽然设计一台没有关键部件或子系统的机器几乎是不可能的，这些部件或子系统的故障会导致整个系统关闭，但关键是尽量减少这些漏洞。关键子系统需要设计得尽可能健壮，并考虑到冗余。

似乎分层控制的各种挑战还不够困难，今天的系统必须在黑客和工业间谍活动的世界中运行，这意味着网络安全必须从一开始就设计好。Labriola说:“你必须考虑每个界面，并考虑如何正确使用和滥用。”“你必须考虑如何以及在哪里对系统进行防火墙，以防止不必要的通信，同时允许必要的握手。这需要涉及分区，并可能涉及多个互连——canopen用于系统或子系统内的本地低级握手，在较高级别使用各种以太网接口，以及路由器、加密和隔离来阻止和限制外部访问。在设计中避免故意的威胁，也有助于发现和解决意外的通信问题，通常在集成的各个级别得到清理。”

集中控制
分层方法的另一种选择是选择一个集中的解决方案。乍一看，这似乎是一个不错的选择——少买组件，少管理接口。然而，集中化也有其自身的风险。Labriola说:“材料成本使单个处理器看起来很棒，直到你意识到主板更换的频率——处理器、配套芯片、显卡、硬盘驱动器、bios、操作系统补丁等等。”“这些因素中的任何一个都会对系统的运行产生微妙的影响。修正一个部分会很容易破坏其他部分。”

如果操作得当，将PLC和运动控制器组合在一个软件包中，理论上可以提供更大的数据访问和更大的集成难度。“在某种程度上，它们在同一个软件包中，运行在同一个核心和同一个CPU上，这很有意义，”刘说。"问题是，这两者之间的交互可能不像你想象的那样无缝。这会导致性能降低。实际上，你有一个盒子，负责关闭所有循环，响应I/O和所有与之相关的逻辑，以及凸轮和齿轮等。它实际上可能成为一个重要的bur这是集中式拓扑面临的挑战之一。”

解决这一问题的方法包括将一些负载卸载到从轴上，例如关闭回路的任务。今天的可编程自动化控制器包括设计用于确保处理器不过载和防止HMI（例如）中断轴同步的软件。根据应用程序的不同，PAC可能非常适合，但重要的是确保设计能够克服上面讨论的各种挑战。

在使用分层控制架构时最好的经验法则是从一开始就计划控制和网络架构。“随着机器自动化内容的增加，考虑机电一体化设计方法变得更为重要，”运动产品营销经理Bob Hirschinger说。罗克韦尔自动化(Mequon,威斯康辛州)。从最高的成本、性能和功能目标开始。规划通用控制体系结构，使其与您的网络体系结构、分布式设备规范、必须共享的数据的数量和类型等保持一致。Hirschinger补充道:“如果未来需要增加额外的功能，你需要有一种可以容纳所有这些功能的设计，并且无需重新设计整个生产线就可以扩展。”

最重要的是，计划错误和预料意外情况是很重要的。“在更大的实际系统中，只有20%到25%的复杂性涉及到使系统正常工作，”Labriola说。“剩下的问题在于如何检测故障并优雅地从中恢复。”