分层控制优化机器操作

控制今天的复杂机器需要分层架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，该设备层由单个组件 - 伺服电机，驱动器，HMI，机器人等组成。具有类似功能的设备集合可以分组到电池中，在通信总线上联合在一起并由单元协调控制器。机器可能包括多个单元格，该单元格在监控层将控制器到控制器传送到交换状态和诊断信息。反过来，监控层连接到整个工厂层进行过程控制和商店地板到地面通信。

为了成功操作，需要在整个系统中划分控制任务，以及控制硬件和调整的控制硬件和软件，以获得每个图层的特定约束的最佳性能。“一般在一个系统中，某些级别需要与某些组件相比，与其他组件相比，两者都在要共享的数据量，并且在数据的及时性，”Quicksilver Controls Inc的总裁Donald Labriola说“其他部分需要在调度级别更加协调，并以目标水平进一步提升。“

当他们开始建立一个45轴分析仪器时，拉米奥利奥拉和他的团队采取了分裂和征服方法。分布在整个系统控制的轴上的共享处理器。它们在同一串行通信环上设置了相关系统组，并使用光纤链路以破坏地面环。结果，与特定功能区域（例如样本处理）相关联的硬件/软件组能够在最小化与其他子系统的干扰最小化的时间内需要控制与相关模块的通信。

一般而言，单元控制器处理同步的程度根据单元格中的控制架构是否被集中或分布而变化。经典的集中式控制架构包括由控制器监督的Dumb设备集合。在经典的分布式架构中，控件驻留在允许本地逻辑和内存的智能组件集合中的每集中。它们可以在主从配置中操作菊花。

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。

单循环
Canbus和Modbus等逻辑总线的开发，以及基于以太网的通信协议，简化了将设备连接在一起的过程。也就是说，接口单独的控制环可以具有挑战性。例如，PLC可能在梯形逻辑上运行，而专用运动控制器可能会利用C或C ++，但这两个需要进行通信。“没有对象编程等声音软件实践，您可以遇到困难不容易纠正，”工业自动化工业自动化产品经理Kevin Liu说Kollmorgen（Radford，弗吉尼亚州）。“在早期的职业生涯中，我集成了多个供应商的专用硬件。我最终必须添加了融合因素，计时器陈述和硬编码，特定的供应商特定声明，以使手摇动右手。”这些类型的解决方法的问题是它们往往是临时修复。例如，如果网络上设备的固件更改，例如，则计时修复可能不再有效。“现在，有涉及所有涉及的交互他说，那些需要在不同专用的硬件之间工作的东西，“他说。”净效应，可持续性成为挑战。“

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。它们需要被连接起来，并且以一种不会影响它们传输信号的能力的方式。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。这种异构集成导致固有的复杂性，增加了故障点和调试时间。“从概念层面上说，‘我有一组函数，我将把每个函数封装在一个专用组件中，我不需要担心它，’是很有意义的，”Liu说。“以这种心态开始设计真的很容易，但当你剥开洋葱的层层时，你就会发现所有这些其他问题。”

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。

设计分层控制架构的一个关键方面是防止一个子系统的失败影响其他子系统。使用通过层次结构协调的较小子系统，产生更强大的架构。虽然在没有关键的组件或子系统的情况下设计一件机器，但其失败可以关闭整个系统，但关键是最小化这些漏洞。关键子系统需要设计为尽可能稳健，并记住冗余。

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
分层方法的替代方案是选择集中式解决方案。起初腮红，似乎是一个很好的替代方案，可以购买更少的界面。然而，集中化伴随着自己的危险。“材料成本使单个处理器看起来很精彩，直到您实现主板改变处理器，伴随芯片，视频卡，硬盘，BIOS，操作系统补丁等频率，”Labriola说。“这些中的任何一个都可以用于系统操作的微妙变化。对一部分的校正可以很容易地打破其他区域。”

组合PLC和运动控制器在一个包中可以理论上可以更好地访问数据和更高的集成 - 如果它正确完成。“在一个级别，它会产生很多感觉 - 它们在同一个包中，他们在同一个核心和同一CPU上运行，”刘说。“问题是，这两个之间的互动可能不会像你想象的那样无缝。这会导致性能抢劫效率低下。您基本上有一个框，该盒子负责关闭所有循环并响应I / O以及所有逻辑以及所有逻辑与那个，以及凸轮和传动等等。它实际上可以成为一个CPU的重大负担。这是集中拓扑的挑战之一。“

解决此问题的方法包括将一些负担卸载到从轴上，例如关闭循环的任务。今天的可编程自动化控制器包括旨在确保处理器不会过载并防止HMI中断轴的同步的软件。根据申请，PAC可能是一个很好的契合，但要确保设计可以克服上面讨论的挑战类型很重要。

使用分层控制体系结构时最佳拇指规则是从一开始计划控制和网络架构。“随着机器自动化内容的增加，考虑机电性设计方法变得更加重要，”运动营销经理Bob Hirschinger说，罗克韦尔自动化（梅隆，威斯康星州）。从顶线成本，性能和功能目标开始。计划一般控制架构，将其与您的网络架构，分布式设备规范，必须共享的数据的数量和类型对齐。“如果您必须在将来添加额外的能力，则需要拥有一个可以容纳所有这些的设计，并且如果您必须在将来添加额外的能力，则不会在整个行重新设计，”添加了Hirschinger。

最重要的是，计划错误并期望意外的重要性。“在较大的真实系统中，只有20％到25％的复杂性涉及使系统正常工作，”Labriola说。“其余的是如何检测故障并优雅地从它们恢复。”