自17世紀(jì)以來，還原論一直在科學(xué)中占據(jù)主導(dǎo)地位，其最早的倡議者之一笛卡爾這樣描述它“將面臨的所有問題盡可能地細(xì)分，細(xì)至能用最佳方式將其解決為止”，并且“以特定的順序引導(dǎo)我們的思維，從最簡單和最容易理解的對(duì)象開始，一步步逐漸上升，直至最復(fù)雜的知識(shí)”。
圖1-笛卡爾(René Descartes ，1596-1650)
現(xiàn)代科技的發(fā)展離不開方法論的支撐，這些先賢們的思想至今依然熠熠生輝-對(duì)于今天的制造業(yè)乃至細(xì)到自動(dòng)化行業(yè)的系統(tǒng)仍然有用。
1簡單，簡單，再簡單是一種趨勢
2013年在Euroblech，筆者與貝加萊當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)全球CNC與機(jī)器人業(yè)務(wù)同事請(qǐng)教他如何看待機(jī)床工業(yè)未來自動(dòng)化發(fā)展趨勢，他僅說了一句“Simple，Simple，and Simple” ，在貝加萊（中國），肖維榮博士在內(nèi)部也在不斷的推動(dòng)著“簡單”自動(dòng)化的工作，包括推動(dòng)mapp-模塊化應(yīng)用軟件的全球協(xié)作，以及在中國建立方案研究院進(jìn)行方案的標(biāo)準(zhǔn)化工作，正如肖維榮博士經(jīng)常說的“我們的系統(tǒng)功能無論如何強(qiáng)大，但是，必須讓用戶簡單使用—這是我們的使命”。
以簡單應(yīng)對(duì)復(fù)雜—是自動(dòng)化工程之道，否則，將使工程拖入泥潭。
2工程思維解決復(fù)雜問題
在《像工程師一樣思考》一書中，作者也提到了工程師如何將問題解構(gòu)—這是一個(gè)核心的能力，解構(gòu)就是工程的核心能力，即，將一個(gè)復(fù)雜問題簡化為多個(gè)獨(dú)立的小問題，然后針對(duì)每個(gè)小問題來進(jìn)行開發(fā)、測試與驗(yàn)證，然后再構(gòu)建為一個(gè)整體，進(jìn)行測試與驗(yàn)證。
圖2工程師思維的三個(gè)特征（Guru Madhavan,Think like an Engineer）
工程師在開發(fā)項(xiàng)目中，最為重要的思維就在于“解構(gòu)”，然后在“約束”條件下進(jìn)行工作，約束條件可能包括了CPU資源（當(dāng)然今天的PLC在處理能力、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)能力已經(jīng)不成為話題）、材料、工期、機(jī)械的剛性等多種條件下進(jìn)行“最經(jīng)濟(jì)”的解決方案—這里的獲得最經(jīng)濟(jì)，就是一個(gè)方案的“取舍”問題。
工程不同于科學(xué)，而是將復(fù)雜問題解構(gòu)，并在客觀條件約束的情況下，把項(xiàng)目盡快高質(zhì)量的完成，這也是工程創(chuàng)新的核心要旨。
3簡單是自動(dòng)化的使命
制造，無論是生產(chǎn)還是機(jī)器本身的制造，都是一個(gè)復(fù)雜問題—因?yàn)樗@然是一個(gè)跨學(xué)科的融合問題，每個(gè)機(jī)器都會(huì)牽扯到材料及其工藝、機(jī)械與傳動(dòng)、控制與流程問題，這會(huì)造成非常大的復(fù)雜性—而且，其中包含著可以被解釋與描述的，也包括了無法被解釋和描述的“不確定”、“干擾”問題。
本文將以貝加萊的自動(dòng)化系統(tǒng)來闡述，如何實(shí)現(xiàn)簡單自動(dòng)化？
3.1 簡單自動(dòng)化—通過建模仿真簡化設(shè)計(jì)
眾所周知，制造業(yè)的復(fù)雜性存在于材料與工藝的復(fù)雜性，包括工藝方法、參數(shù)與流程，這會(huì)為任何一個(gè)產(chǎn)品的制造帶來數(shù)以萬計(jì)的可能性組合，將復(fù)雜的工藝與流程進(jìn)行建模，并通過建模仿真工具進(jìn)行早期測試與驗(yàn)證，是應(yīng)對(duì)制造業(yè)復(fù)雜問題的不二法門，這也是歐美領(lǐng)先的制造商所關(guān)注的，這也引發(fā)了各種建模類軟件的大量發(fā)展，同時(shí)，這也是今天我們討論制造業(yè)中，我們所欠缺的。
圖3-不斷提高的制造業(yè)復(fù)雜性
貝加萊作為自動(dòng)化廠商，自然關(guān)注點(diǎn)在控制模型與算法，但是，機(jī)器一定會(huì)牽扯到機(jī)器與材料工藝，因此，當(dāng)面對(duì)復(fù)雜的變化的時(shí)候，我們需要一個(gè)與其它軟件協(xié)同的接口，貝加萊早在2008年即與Mathworks建立了Simulink PLC的C代碼自動(dòng)生成與導(dǎo)入的接口，并在MapleSim合作中采用了基于FMU/FMI接口的軟件協(xié)同接口，為了產(chǎn)線的設(shè)計(jì)也與IndustrialPhysics進(jìn)行了接口的連接，這些都使得機(jī)器設(shè)計(jì)與電氣控制可以快速的協(xié)同，以達(dá)到快速的參數(shù)調(diào)校，早期驗(yàn)證與虛擬調(diào)試。
圖4-通過數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)
3.2 軟件復(fù)用與組件技術(shù)
在1968年，IT產(chǎn)業(yè)就因?yàn)樵絹碓蕉嗟摹败浖C(jī)”，例如需求不清晰、軟件變更、代碼不規(guī)范等原因造成的軟件質(zhì)量與交付問題，在NATO會(huì)議上定義了“軟件工程”這個(gè)概念，并推動(dòng)軟件工程方法，1986年，知名專家佛瑞德.布魯克斯曾經(jīng)在一篇文章中寫道“沒有銀彈（No Silver Bullet）”以說明沒有更好辦法解決軟件復(fù)雜性的本質(zhì)問題。
圖5-基于組件的開發(fā)流程[Ehsan Kouroshfar，Process Patterns for Component-Based Software Development]
在傳統(tǒng)的自動(dòng)化的可編程邏輯控制器PLC的年代，一個(gè)工程師對(duì)一臺(tái)機(jī)器的程序是完全可以掌握的，基本上不存在“軟件危機(jī)”問題，但是，顯然，今天的PLC已經(jīng)不是這樣了，隨著更多的對(duì)象（運(yùn)動(dòng)控制、HMI、分布式I/O、邊緣控制、網(wǎng)絡(luò)）與任務(wù)（仿真接口、工藝算法、測試、遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)）被集成到整個(gè)機(jī)器與產(chǎn)線中，機(jī)器的軟件變得越來越復(fù)雜，因此，來自于IT產(chǎn)業(yè)的軟件工程的問題也必須引起自動(dòng)化行業(yè)的重視，包括OEM和終端生產(chǎn)企業(yè)。
軟件的本質(zhì)是對(duì)工業(yè)知識(shí)的“封裝”，以達(dá)到“復(fù)用”的目的，而模塊化的組件技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要方法，就是將各種工藝、操作、流程以蘋果的APP的形式，其設(shè)計(jì)思想基于“高內(nèi)聚、低耦合”的軟件工程思想，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化降低成本，而模塊化實(shí)現(xiàn)靈活性，使得其在靈活與經(jīng)濟(jì)間尋找一種平衡。
圖6-mapp就像AppStore一樣組織機(jī)器的應(yīng)用
軟件正在不斷塑造著企業(yè)的核心競爭力—通過軟件，可以實(shí)現(xiàn)Konw-How的封裝，實(shí)現(xiàn)靈活的機(jī)器應(yīng)用組織以應(yīng)對(duì)變化，因此，今天，工業(yè)軟件被產(chǎn)業(yè)越來越重視。
3.3 簡單化方法--平臺(tái)集成
當(dāng)然，解決軟件危機(jī)的另一個(gè)方法也包括集成開發(fā)平臺(tái)—這個(gè)對(duì)于今天的制造業(yè)尤其重要，因?yàn)槲覀冃枰凹伞?，在機(jī)器與機(jī)器之間、控制與傳感器、運(yùn)動(dòng)控制之間，包括整個(gè)任務(wù)的協(xié)同，其主要作用表現(xiàn)在幾個(gè)方面：
圖7-Automation Studio集成開發(fā)平臺(tái)
>> 平臺(tái)本身降低復(fù)雜性：傳統(tǒng)上需要在多個(gè)軟件間切換的工作變得更為便利；
>> 平臺(tái)本身還封裝了各種工藝模塊；
>> 降低在培訓(xùn)與學(xué)習(xí)方面的人力消耗；
3.4 操作簡單化-mappVIEW的設(shè)計(jì)
現(xiàn)場生產(chǎn)的機(jī)器，總不能配置一個(gè)大學(xué)生吧？顯然是不現(xiàn)實(shí)的，因此，一定要設(shè)計(jì)的簡單易用，包括年輕一代生活在“觸控”時(shí)代，他們已經(jīng)習(xí)慣了用手去拖拉這種操作，因此，機(jī)器必須設(shè)計(jì)的簡單、易于操作，才能贏得客戶信任，因?yàn)榻档土伺嘤?xùn)以及對(duì)人員的專業(yè)性要求—這些對(duì)應(yīng)的都是成本。如果想要簡單，最好就是借助于IT領(lǐng)域軟件所積累的各種豐富的控件技術(shù)、Web技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，畢竟自動(dòng)化行業(yè)沒有必要自己開發(fā)這樣的軟件系統(tǒng)。
對(duì)于很多用戶來說，貝加萊的 mappVIEW所設(shè)計(jì)的HMI就很吸引眼球，它融合了開放的IT技術(shù)，可以讓用戶基于各種屏幕設(shè)計(jì)自適應(yīng)的，大量精美設(shè)計(jì)的控件，支持Javascript,HTML5,CSS，讓操作人員以直觀、簡單的方式對(duì)機(jī)器進(jìn)行操作，特別適合于機(jī)器制造商來開發(fā)精美的HMI畫面。
圖8-mappVIEW-操作簡單化的設(shè)計(jì)
3.5 學(xué)習(xí)簡單化-Tutorials
對(duì)工程師而言，學(xué)習(xí)是持續(xù)的，如何更好的學(xué)習(xí)，簡單，直擊關(guān)鍵應(yīng)用，直觀且互動(dòng)的學(xué)習(xí)自然是上選的模式，而這些也是自動(dòng)化廠商必須為用戶所考慮的。
圖9-基于Turtorials的交互式學(xué)習(xí)
貝加萊提供一種稱為Turtorials的交互學(xué)習(xí)（如圖9所示），讓用戶工程師可以通過一種并不枯燥的方式來學(xué)習(xí)，以達(dá)到自主開發(fā)基礎(chǔ)應(yīng)用的能力，將基礎(chǔ)的入門快速、針對(duì)性的方式完成，實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間學(xué)習(xí)而無需考慮培訓(xùn)計(jì)劃，同時(shí)，貝加萊也會(huì)通過遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室加強(qiáng)高級(jí)培訓(xùn)，這樣，使得用戶可以快速有效的學(xué)習(xí)自主的創(chuàng)新應(yīng)用開發(fā)。
4用事實(shí)來說話
我們通過幾個(gè)例子來闡述貝加萊所在努力推進(jìn)的“簡單自動(dòng)化”思想：
數(shù)字孿生—設(shè)計(jì)簡單化
數(shù)字孿生基于建模仿真，強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)雙向交互，以及對(duì)過程的仿真，而貝加萊與建模仿真軟件公司如Mathworks、MapleSim等共同致力于這樣的技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器的高效開發(fā)，圖10是基于MATLAB/Simulink與Automation Studio進(jìn)行的交互，可以實(shí)現(xiàn)快速的建模仿真與硬件在環(huán)測試（Hardware In the Loop）。
圖10-Automation Studio Target for Simulink用于系統(tǒng)開發(fā)
在港口岸橋防搖、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制、印刷機(jī)械、機(jī)器人、注塑機(jī)控制等眾多領(lǐng)域，貝加萊都采用了基于MATLAB/Simulink建模仿真的開發(fā)方法，通過其自動(dòng)代碼生成，與Automation Studio的接口，直接將代碼在Automation Studio編譯并下載到PLC運(yùn)行，這樣可以任意的進(jìn)行參數(shù)的測試驗(yàn)證，不斷優(yōu)化，形成優(yōu)化的控制模型。
mapp技術(shù)-編程簡單化
mapp技術(shù)正是基于“組件技術(shù)與軟件復(fù)用”思想而開發(fā)的，在2012年貝加萊總部即開始了這個(gè)項(xiàng)目，當(dāng)時(shí)稱為MAP it，自2016年，貝加萊將MAP it改為modular application，稱為mapp技術(shù)，它已經(jīng)在眾多貝加萊提供解決方案的機(jī)器開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。
圖11-基于mapp的注塑機(jī)開發(fā)
我們可以看到mappPLASTIC包中包含了液壓、溫度，再細(xì)節(jié)的模塊包括了射膠、開合模等更為粒度低的軟件模塊。
圖12-采用mapp的吹膜機(jī)開發(fā)
圖12顯示了吹膜設(shè)備的開發(fā)中，同樣應(yīng)用到了溫度控制、薄膜張力、收放卷的控制模塊，而在圖11的印刷機(jī)開發(fā)中，這些模塊是可以共用的，因?yàn)橛∷C(jī)械也同樣包含了薄膜張力、收放卷控制。
圖13-采用mapp開發(fā)印刷機(jī)械控制
從圖11-13可以看到，mapp的模塊使得在不同行業(yè)的共性控制任務(wù)中得到了公用，當(dāng)然，除此之外-mapp針對(duì)機(jī)電對(duì)象、文件操作、配方等基本的任務(wù)也為所有機(jī)器提供了共性模塊。
SmartMold 9-方案標(biāo)準(zhǔn)化
方案基于現(xiàn)有的硬件與軟件，如果經(jīng)過一次再封裝，它又可以成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品—貝加萊SmartMold 9即是如此，在貝加萊注塑機(jī)領(lǐng)域沉淀數(shù)十年經(jīng)驗(yàn)之后，將各種注塑機(jī)應(yīng)用以mapp模塊方式封裝，可以讓用戶可以針對(duì)不同機(jī)型快速配置一臺(tái)機(jī)器，而無需復(fù)雜的程序開發(fā)，mapp技術(shù)能夠?yàn)楦鞣N注塑機(jī)（油壓、全電動(dòng)、電液混合、二板機(jī)等）制定統(tǒng)一的軟件，用戶僅需“配置”即可實(shí)現(xiàn)快速出機(jī)-并且，對(duì)于用戶現(xiàn)場可以采用CodeBox技術(shù)（一種無需Automation Studio環(huán)境的在線編程方式）進(jìn)行邏輯的修改。
圖14-SmartMOLD 9的標(biāo)準(zhǔn)化方案設(shè)計(jì)
圖14是SmartMold 9是針對(duì)注塑機(jī)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化硬件方案，它為注塑機(jī)配置了適應(yīng)于各種機(jī)型的硬件標(biāo)準(zhǔn)，降低其成本，并按照塑料行業(yè)的操作習(xí)慣設(shè)計(jì)了操作按鍵、安裝方式等。
圖15-注塑機(jī)解決方案所采用的mapp模塊
從圖15可以看到，實(shí)際SmartMold 9大量的采用了各種螺桿控制、溫度/壓力控制閉環(huán)、射膠、熔膠、開合模、鎖模、保壓、頂出等各種針對(duì)塑料機(jī)械所開發(fā)的模塊，并且采用mappVIEW進(jìn)行了HMI設(shè)計(jì)。
方案的標(biāo)準(zhǔn)化也是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)器的快速構(gòu)建的關(guān)鍵一環(huán)。
維護(hù)簡單化-貝加萊安全遠(yuǎn)程維護(hù)
圖16-安全遠(yuǎn)程維護(hù)降低了維護(hù)的復(fù)雜性
在遠(yuǎn)程維護(hù)領(lǐng)域，貝加萊推出了安全遠(yuǎn)程連接，利用今天無所不在的云連接、LAN等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建立一個(gè)安全的遠(yuǎn)程桌面系統(tǒng)，使得機(jī)器制造商的電氣工程師可以在本地對(duì)遠(yuǎn)程的機(jī)器進(jìn)行問題的診斷，以及程序的上傳下載等維護(hù)服務(wù)，降低了差旅成本和時(shí)間消耗，快速實(shí)現(xiàn)問題定位與解決。
5貝加萊的簡單自動(dòng)化支撐體系
真正的競爭力來自于人才，而要實(shí)現(xiàn)為用戶帶來更為簡單的自動(dòng)化解決方案，離不開在人才方面的支撐，包括人才的培養(yǎng)和應(yīng)用，貝加萊在產(chǎn)業(yè)界一直以有一支能戰(zhàn)斗的工程隊(duì)伍而著稱。
5.1 特種部隊(duì)--方案研究院
方案研究院是貝加萊的一支“特種部隊(duì)”，自2013年成立至今，由機(jī)電工程、算法、軟件架構(gòu)、建模、等工程師組成，其旨在干幾件事情：
圖17-貝加萊方案研究院為機(jī)器自動(dòng)化共性技術(shù)提供支撐
（1）方案的標(biāo)準(zhǔn)化封裝：將各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用
?。?）解決方案架構(gòu)的設(shè)計(jì)
?。?）為應(yīng)用工程師提供新算法的測試驗(yàn)證
?。?）人工智能與工業(yè)應(yīng)用的結(jié)合：尋找除了機(jī)理模型之外的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型來解決應(yīng)用中的復(fù)雜問題；
方案研究院的工作都是將產(chǎn)業(yè)的復(fù)雜問題，以及對(duì)問題的解決方案匯集為一個(gè)整體，成為可復(fù)用的技術(shù)，然后分享給產(chǎn)業(yè)界,以達(dá)到為用戶提供持續(xù)競爭力的能力。
5.2 工程宿營
貝加萊一直致力于“優(yōu)秀工程師”的訓(xùn)練，自2012年啟動(dòng)了工程宿營（Engineering Camp）他們掌握機(jī)械、電氣、軟件、工藝融為一體的，能夠?yàn)橛脩艚鉀Q問題的工程師，它是一個(gè)高強(qiáng)度、多維度、全面的工程師訓(xùn)練，脫產(chǎn)達(dá)到3.5個(gè)月，近期為了更為靈活，讓工程師與實(shí)踐緊密結(jié)合，以模塊化方式進(jìn)行培訓(xùn)，1-2周為一個(gè)階段，中間以資深工程師帶領(lǐng)進(jìn)行工程實(shí)際項(xiàng)目的訓(xùn)練，整體形成完整的循環(huán)提升。
圖18-基于工程訓(xùn)練的EC培訓(xùn)體系
EC的培訓(xùn)核心在于讓工程師旨在快速訓(xùn)練一個(gè)“規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)”的工程師，如何解構(gòu)系統(tǒng)、模塊開發(fā)測試、代碼規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，讓每個(gè)工程項(xiàng)目變得易于理解和可重用，這些都是基本的工程師素養(yǎng)訓(xùn)練。
5.3 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室
遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室是2020年貝加萊為了應(yīng)對(duì)新的形勢下的人員培訓(xùn)而啟動(dòng)的培訓(xùn)項(xiàng)目，這也是一種更為便利的人員培訓(xùn)計(jì)劃，能夠進(jìn)行在線的互動(dòng)課堂方式，將機(jī)器與系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)與用戶分享，用戶在本地即可由專業(yè)培訓(xùn)師、資深行業(yè)應(yīng)用工程師針對(duì)有針對(duì)性的培訓(xùn)課程。
圖19-遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行用戶的交互學(xué)習(xí)
讓自動(dòng)化變得簡單，需要借助于工程思維，解構(gòu)問題，讓問題變得簡單，易于處理，另一方面，從經(jīng)濟(jì)性角度思考問題—不斷為客戶尋找“更經(jīng)濟(jì)”的解決之道，這是“工程”的使命。