2019年的运动控制趋势

承蒙西门子工业

如果说市场中有一个不变的东西，那就是变化。消费者想要定制程度更高的新产品。最终用户需要交付。这意味着他们给oem和系统集成商带来了提供解决方案的压力。这些组织的需求，反过来，把执行的责任放在运动控制供应商，这是一个动态的转变自动化。在这里，我们调查了运动控制的状态，以突出的关键趋势和能力，解决问题的工业用户。“消费者改变了终端用户，终端用户改变了OEM，这就是为什么所有这些趋势都越来越多地出现，”汽车驱动、电机和安全产品经理华金·奥坎波说。博世力士乐(霍夫曼地产,伊利诺斯州)。有些趋势是新的。其他一些问题已经被讨论了好几年。有趣的是，他们终于成年了。

趋势：数字化
工业景观的数字化转型在过去的六到八年里一直是激烈讨论和发展的话题。现在，工业已经达到了一个拐点。随着终端用户和oem更好地理解该技术如何适合其特定的业务模式，在早期采用者中的实施已逐渐让位于更广泛的市场渗透。

“我认为趋势和技术在过去五年中比以前更快地改变了更快，特别是数字化，”Daniel Repp，自动化产品经理伦茨美洲（Uxbridge，马萨诸塞州）。“有公司谈论它，并试图找到处理它的方法，但特别是在过去两年中，它真的起飞了。”

该公司高级产品营销经理Craig Nelson表示:“从研发到运营，数字化为设备的整个生命周期带来了巨大优势。西门子工业（诺克斯，格鲁吉亚）。“这个行业真的会被这场运动大大改变。”传统上，机器设计遵循机械设计的串行过程，然后是电气设计，其次是控制器。一旦组装，使用制造执行系统（MES）和监督控制和数据采集（SCADA）软件进行委托，服务和操作。在每个级别，单独的系统必须接地和传输数据，需要时间，努力，自定义代码和物理连接。

现代组件通过内置的连接、内存和处理能力简化了这个过程。边缘计算设备驯服了数据怪兽，将精简后的数据集发送到云端，然后通过基于网络的分析对其进行挖掘。该方法使资产所有者和服务组织能够做出快速、明智的决策。“能够将所有这些系统和信息联系在一起是我们将看到的巨大优势，”尼尔森说。“一开始可能需要更多的工作，但一旦完成，我们就有了系统的数字‘孪生’，所有其他流程都要快得多。”(见图1)

图1：一个完全数字化的设施，将运动控制连接到云，使资产所有者能够更好地了解他们的设备，以优化操作和最大吞吐量。 (Lenze Americas提供)

高度集成的数字工具使得可以不仅可以动态重新配置设备，而且可以进行整个过程。MES可以分析从ERP系统中继的订单，这将分配资源开启和非现场以优化吞吐量。“Because different orders are coming down with different build times, the integrated system is not only telling you that all the options of the product that need to be built, it’s telling you when to build it and how much time you have to build it,” says Allen Tubbs, product manager controls & IoT, Bosch Rexroth.

了解该值的组织通过建立数字化团队来解决更高级别集成的复杂性。纳尔森说，这是促进潜力提供重要的回报。“一切一切都被数字化团队联系在一起，那就是进步会非常快速发生的时候。”寻找在大型用户社区中启动的过程，然后是OEM，然后是中级最终用户。

无论转换是在终端用户还是在OEM中进行，这一领域的成功都需要做出改变的承诺。Repp说:“如果你要进入数字化行业，就必须改变公司的文化。“不同的部门必须更加合作。你需要知道这里发生了什么，那里发生了什么，我们将如何把这些部分结合在一起。所以，这确实改变了一家公司的文化，意味着我们必须更加合作，而不是在孤岛上。”

趋势：模拟
对数字化的强调大大简化了机器的发展。更新或创建一个新的平台，用于涉及详细的设计和图纸，然后建立一个原型。使用原型通常涉及到设计阶段未检测到的多个不愉快的意外。这需要一个新的原型，更多的测试，更多的惊喜，等等。如今，oem更加重视模拟，这使他们能够测试各种各样的选项，同时减少意外事件的数量。

使用像有限元建模的技术以更好地理解性能，仿真在设计阶段开始。一种详细的数字模型，包括将移动和旋转的质量能够更有效地尺寸的电机和齿轮箱，以优化性能并最小化占地面积和成本。

图2：一个物理系统的数字双胞胎使人们能够理解功能和性能，从而在更短的时间内生产出更好的机器。(西门子工业提供)

在新平台的升级和设计中，仿真提供了一种测试新控制算法的有效方法。(见图2)“在硬件真正连接和打开之前，我们的许多客户已经开始编写代码并进行概念验证，不仅是控制器的功能，还有他们的机器的功能，”Jason Goerges说ACS运动控制(布卢明顿,明尼苏达州)。仿真使oem能够测试其机器设计的一些功能，并更有效地将应用特定的功能交付给最终用户。“与10年或20年前相比，如今开发一台机器所需的软件工程资源要多得多，因为最终用户真正想要的是一个非常特定于应用程序的完整解决方案。”软件工具可以让OEM探索控制器作为更大系统的一部分是如何运行的，不仅可以命令动作，还可以捕获数据并在HMI上呈现给操作员。

考虑3D打印，一个需要非常平滑，紧密控制的运动的过程。沉积期间的小振动可能会严重影响部件的质量。仿真工具使OEM可以为3D打印部分，图层逐层和特征模拟全部运动配置文件。如果过程需要某个吞吐量，则OEM可以刺激特定速度和加速度的部分沉积。“你可以看到相应的运动是什么样的，并且运动需要如何攻击所需的吞吐量，”Goorges说。“你实际上可以看出它是否真实或没有，如果不是，如何调整它。您可以在您必须在真正的硬件中进行操作之前预分析运动。”

模拟不限于设计阶段。它可以应用于该领域的机器。（参见图3）OEM可以模拟具有100个变体的过程，以分析预期的影响并到达最佳解决方案。这将是更快的，而不会消耗时间和功率，或导致物理机器的磨损。

图3:仿真使使用不同参数和运动轮廓的机器进行虚拟运动成为可能，从而更好地了解设备的性能和操作。 (由ACS运动控制公司提供)

趋势:TCO vs TCA
多年来，购买决定侧重于收购总费用（TCA），通常在投资回报（ROI）的背景下。组织在五年或更短的时间内寻找能做的设备上的最优惠价格，并在五年或更短的时间内提供投资回报率。然而，工业资产有几十年来测量的生命周期。考虑到能源消耗，维护和停机费用等因素，总体拥有成本（TCO）是一款机器在公司底线上的效果更适合度量。

在这种情况下，添加预测性维护、协作安全等功能可能会提高机器的TCA，但TCO实际上会下降。因此，TCO与TCA分析是一个必要的步骤，以使组织能够确定对企业的长期盈利能力最有利的机器实现。

TCO和TCA之间的争论已经持续了近十年。然而，它需要时间来获得势头，因为传统的购买动态倾向于TCA。近年来，管理层对TCO有了更好的理解，而工程团队在如何进行采购论证方面也得到了更多的教育。其结果是可感知的向具有预测性维护等功能的实现的切换。

趋势:预见性维护
十年前，预防性维护是针对未安排停机时间的前线。当设备失败时，通常会定期执行，隔离和修复现场故障排除和诊断所需的故障。服务工程师往往从城外飞行，不得不定位右电缆和软件，并直接连接到陷入困境的组件，即使这意味着爬行以达到难以访问的组件。花费时间，成本钱，显着影响吞吐量和盈利能力。

图4:预测性维护为整个机器的资产提供了粒度性能和条件数据，使得可以在批判之前识别问题和地址问题。典型的仪表板包括（从左上倾斜）位置，扭矩，速度和所有三个轴的加速度的图。（由博世Rexroth提供）

随着数字化的趋势，最终用户不再处于设备故障的ercy。他们可以使用来自具有内置连接的智能设备的数据识别困扰的资产和预测失败。例如，驱动器可以监视电流或电压的变化，以检测可能表示轴承磨损或润滑剂击穿等问题的扭矩需求的变化。（参见图4）该技术支持战略维护，减少甚至消除在预防性维护上花费的时间。资产业主可以在方便的时间安排维修，确保技术在灾难性失败之前提醒它们。它们可以最大限度地提高每个组件的寿命，同时最小化备件库存。

预见性维护在运动控制界已经讨论了很多年，谈论是最重要的词。尽管有这些好处，但这项技术的应用有限。现在，在成本下降、可用性增加、终端用户需求增加以及简单的时间安排的共同推动下，预测性维护开始被广泛采用。

该公司营销总监亚伦•迪特里希(Aaron Dietrich)表示:“未来5年，我们将看到基于状态的监测和预测性维护出现爆炸式增长。tolomatic.（哈梅尔，明尼苏达州）。

尽管有很多公司安装传感器只是为了立即检测到资产即将发生故障的例子，但预测性维护通常是一项长期的工作。构建一个全面的模型来真正理解什么构成了良好的性能通常需要6个月的时间，但对于复杂的系统，可能需要长达10个月的时间。它需要承诺，但好处是实实在在的。

我们正在迅速接近一个时代，在这个时代，预测性维护将不再是一种竞争优势，而是一种商业需求。考虑到所涉及的时间框架，oem和最终用户越早采用这项技术，他们就能越快地获得收益。

趋势:流线型机器的发展
尽管对TCO的理解有所改善，但oem仍然面临着来自终端用户降低机器成本的巨大压力。在这里，数学很有挑战性。Daniel用一个假设的成本结构来说明这个问题:25%用于机器的机械，25%用于自动化和驱动，25%用于工程，25%用于固定成本的加成和机器制造商的利润。特别是在定义良好的性能规范的情况下，机械和自动化部分只能减少有限的成本。这将成本削减限制在工程方面，对许多机器制造商来说，这意味着裁员。

“oem告诉我，‘我们没有足够的工程师，’”Repp说。“在这方面，供应商可以提供经得起未来考验的技术、开放标准、技术模块等等。”硬件和软件的设计是为了尽量减少设计团队所需的专业知识水平。减少工程时间可以降低机器开发的总成本，让oem在保持利润率的同时降低终端用户的价格。

“我认为易用性是我们正在做的每一个新软件开发工作的前沿”，正如Goerges所说。“在过去的几年里，我们可能需要提供这种功能，这是底线。今天，更多的是关于我们能否提供功能，但也以这样一种方式提供，它需要用户最少的努力成为精通它。”

编程和验证可能是耗时和复杂的，特别是当它涉及高度协调的运动控制时。议案供应商的目标是开发为OEM和集成商的工作做出的应用程序，减少负担。这对缺乏深度运动控制专业知识的机器建造者特别有益。“运动控制一直有点黑盒子，很多公司认为最好留给专家，”销售工程师唐鲍恩说艾尔摩运动控制（Nashua，New Hampshire）。为解决此问题，供应商专注于开发为用户努力工作的软件和应用程序。“你不必成为获得专家结果的专家。”

简化软件的趋势继续使机器控制器和plc可配置而不是可编程。与需要开发定制代码相比，这种方法使oem和集成商能够更快地启动和运行他们的系统。当他们需要为特定的应用程序或客户修改平台时，他们只需要重新配置而不是从头重新设计应用程序。塔布斯表示:“这是一种向客户传递价值的方式，方式是让我们已经完成的一些工程更容易为客户所接受。”oem不需要学习编程语言或函数本身。在这个新技术快速发布的时代，这是一个特别的优势。它也有利于终端用户。“终端用户不希望培训大量的维护人员来处理新技术，所以他们需要这些技术更容易使用，”塔布斯补充说。所有这些因素都在影响着移动设备供应商将注意力集中在易用性上。

继续凭借简化的主题，永磁伺服电机的趋势是使用单个电缆进行电源和反馈。该方法通过减少线轴所需的连接器和电缆的数量来降低成本;根据所涉及的轴的数量，节省可以很大。单电缆方法还减少了错误的机会。“如果您有一个带有10个电机和驱动器的机器，例如，它将传统上使用20个电缆 - 10电源和10个用于反馈，并且它们的外观可能会很小，”兰迪夏季运动，运动控制电机产品说营销，西门子产业。“通过单电缆方法，我们只达到10个电缆，它们都可以在同一赛道中排出。这是一个更容易进入该领域的设备的方法。“

另一种趋势是尽可能选择商业现成（COTS）组件。定制解决方案通常涉及最小卷和显着的交货时间。通过使用编目零件，工程团队可以降低成本，速度交货时间和提高可用性。“OEM希望提供自定义算法，自定义功能，自定义功能，但他们希望用标准硬件来做，”Baughan说。

趋势：协作安全
从传感器、实体门和继电器组是唯一选择的日子以来，安全已经走过了很长的路。操作人员和维护人员经常认为锁定和标记操作是一种烦恼，它会降低生产力和满足配额。很多时候，安全成为了一种可以规避的措施，而不是用来保证与设备一起工作或靠近设备工作的人的安全。随着功能安全的发展，安全的形象有了改变，工业设施变得更安全，更有生产力的地方。

与本文中的其他几个例子一样，功能安全多年来一直是人们讨论的话题。然而，它现在才开始得到广泛部署。就在几年前，安全扭矩关闭(STO)还被认为是一种新奇的东西。今天，尽管具体情况因垂直市场和地理位置的不同而不同，安全扭矩关闭(STO)已经成为普遍现象。

通过引入更复杂的功能，如安全限制速度(SLS)、安全方向(SDI)和安全限制增量(SLI)，与安全的对抗关系已经得到缓解。这些功能不是障碍，而是协助操作人员和技术人员进行故障恢复、清除堵塞和清洁设备等工作。事实上，这些功能的功能安全工作得非常好，因此安全性正在进行另一次形象升级，这次是协同安全。协同安全强调安全工作与操作相结合，以提高生产力。

与整体机器设计一样，重点再次放在模块化方法上。oem希望能够轻松地为不同的产品或应用重新配置安全系统。在其他技术中，oem和集成商使用区域安全方法，根据风险级别不同的保护级别。例如，并不是机器的每个部分都需要达到最高的安全等级。

继续讨论可用性的主题，供应商和oem将安全功能分组在本质上是应用安全库。例如，可以为仓库应用程序的存储和检索工具量身定制应用程序安全库。

展望未来，期望广泛采用该技术。“在未来，您可能会发现一些非常低级的驱动器只会有STO，但前进，生产机器可能比STO更多的安全功能，”纳尔逊预测。