預先設計（upfront design）可以節省設計人員的時間和精力，還減少了在機器生命周期后期會出現的諸多麻煩。本文介紹了機器控制設計中的10個非常有用的技巧。 你是否有過這樣的經歷：當使用一臺機器設備時，你會抱怨工程師們在設計產品時沒能充分考慮用戶的感受。為了幫助工程師設計出易于使用的機器，本文從自動化、控制、儀表、傳感器、邏輯器件和通信技術等方面介紹了10個設計技巧。一旦掌握了這10個技巧，工程師們就可以在設計中節省大量的時間和精力，還能避免將來可能會出現的諸多麻煩。 　　 1.調查、研究和量化 　　 搜集信息，做出計劃，然后一絲不茍地向既定目標前進。這是機器設計流程的一個寫照。為了追求產品高度的靈活性和適應性，工程師們在設計產品時常常會耗費大量的時間和精力，不斷給產品添加新的功能，卻最終導致產品的過度復雜。 　　 工業系統集成商Concept Systems公司的創始人Michael Gurney 和 Ed Diehl介紹說：“在產品設計中，一旦確定了優先次序，那就應該立刻從最劃算的地方著手。關于過程控制和質量控制的統計分析是非常有用的信息。” “模塊化的機器設計和制造方法可以一方面滿足不斷增長的客制化的設計要求，另一方面縮短機器的開發時間，同時還能降低OEM的制造成本。”Phoenix Contact公司自動化產品經理Larry Komarek說。 　　 Komarek還建議說：“將機器或者機器系列分解為不同的功能部件，每一功能部件都具有相應的機械、自控元件和軟件程序。將這些功能部件搭配組合就可以創建出用戶客制化的配置或者‘小型/中型/大型’的產品系列。經過預先設計、預先文檔化和預先測試的功能部件可以被快速生產出來，而且還降低了生產成本。” 　　 2.標準和安全 　　 Gurney 和 Diehl指出，借助標準的通用接口，產品可以集成最佳的系統組件，同時還減少了專用控制系統的設備過時報廢等問題。 　　 在設計軟件中積累的知識可以被轉化為機器代碼，從而避免了對設計參數的修改。有些設計軟件提供了面向STEP和IGES文件格式的數據轉換器。STEP，即產品型號數據交換標準（ISO 10303），定義了如何描述和交換數字化的產品信息。 “在設計分布控制時要充分利用NEC code中群組電動機安裝規定（group motor installation provisions）的第430.53 （c）條。這樣做的好處是，可以減少分支電路的數量，降低成本，消除EMC噪聲，無需重新布線和調試就可以更換各功能模塊，增強了產品的靈活性。” SEW-Eurodrive公司的電子產品經理Rich Mintz介紹說。 　　 Schneider Electric公司的機器安全產品經理Larry Sunday說：“在安全方面，自從NFPA-79 2002年修訂版發布以來，所有的通用機器設計都應遵守IEC 60204-1 Category 4標準。它是安全規范的最高標準，要求所有的機器設計都應考慮到安全繼電器和安全連鎖裝置。” 同時他又提到：“2002年修訂版將NFPA-79和IEC 60204-1國際標準統一起來。美國人的慣常做法是在基本控制電路中使用標準的繼電器，以保證所謂的‘控制可靠度’。但對于IEC 60204-1 Category 4標準來說，這是遠遠不夠的。” 　　 3.傳感器和機器視覺 “不要在設計末期才考慮到傳感器的問題。小型智能的傳感器常常會帶來意想不到的好處。在元件底板空間已經確定的情況下，一個價廉物美的傳感器有時會解決大問題”, Banner Engineering公司的技術市場經理Joseph Dolinsky說。 　　 Cognex公司的In-Sight 視覺傳感器產品市場經理Mark Sippel指出，采用何種方式處理檢測和過程反饋取決于很多的因素。 　　 這些因素包括：反饋信息是否需要在多路離散檢測、抑制或其他系統間共享？是否需要有一個控制器負責檢測結果與輔助任務的協調？如何交流和使用檢測結果？如果I/O設備用于通信的話，那么其他的控制端口的類型是什么？位置在哪兒？燈光、電源和數據傳輸等因素也需要被考慮到。 [ALIGN=CENTER] 圖1：SpanTech（傳輸設備OEM）使用SEW Eurodrive的模塊化分 散控制技術重新配置生產線時，體現了速度和靈活性。[/ALIGN] 4.軟硬件的邏輯平臺 　　 National Instruments工業數據采集和控制部門的產品經理Rahul Kulkarni說：“機器設計漫長征途的第一步，就是正確地選擇一個邏輯平臺。現在普遍采用的控制器有：PLC，PC-104，PCI，PXI或者是常規的電路板。在決定采用哪一個控制器平臺前，一定要充分考慮該控制器所要執行的全部功能（例如邏輯控制、過程控制、運動控制、自動檢測以及機器狀態監控等）。 　　 編程工具應該易于掌握，生成的代碼應該是模塊化、易升級和可重用的。Rockwell Automation的全球OEM技術顧問Dan Seger介紹說：“選定一個控制架構解決方案以使設計變得簡單。從控制器和網絡技術，到外圍設備和操作員界面，對于這些組件的選擇如果只從采購成本最低的角度考慮，那么就會給后期開發帶來麻煩。同樣，良好的連通性（例如將各個設備組件緊湊裝配，緊密通信）可以提高效率和降低成本。相反地，如果在設計中采用的是廉價的設備通信方案，那么不僅難以使用，而且會在工程起始和維護階段耗費大量的時間。”為了取得最佳的效果，他建議將控制和信息共享兩部分的編程工作分開進行。其他有價值的做法還包括：結構化的數據形式，下拉式菜單以及根據功能分類的基于代碼的對象庫等。 　　 5.執行機構 　　 根據應用需要，選擇合適的氣動、液壓和電氣執行機構。同樣，運動控制器也需要認真選擇。那么，可以采用電動機控制單元（MCU）或者數字信號處理器（DSP）進行電動機控制嗎？ 　　 Texas Instruments的電動機控制策略專家Kedar Godbole建議，要尋求性能創新和降低系統成本，在性能和價格間取得平衡（獲得最佳的性價比），在快速軟件開發中采用高效的C/C++內核，使用靈活易用的工具，以及進行高水平的模擬集成。 SEW-Eurodrive公司的Jan Lindholm說：“相對于機械摩擦機構，控制機構往往更加適用而高效。與離合制動器等類似的解決方案相比，變頻器（特別是閉環的）能夠將周期延長至2到3倍，同時還能降低設備的磨損和維護的成本。” Lindholm又解釋說：“變頻驅動技術與無傳感器矢量控制、磁通矢量控制和交流無刷伺服系統相結合，可以解決很多電機驅動問題。” 　　 6.顯示屏和按鈕，孰優孰劣 ？ 　　 基于顯示屏的人機界面（HMI）和按鈕，孰優孰劣？答案是：用觸摸屏代替按鈕是有益的。HMI工具包自帶的模板適應性強，而且可以重用。 　　 Omron Electronics的軟件產品市場經理Joe Rubino介紹說：“HMI還有其他一些優點，如數據互聯和診斷能力。診斷能力可以帶來機器軟硬件正常運行時間上的優勢、簡便連通能力和降低編程工作量，真是物有所值。” 　　 7.網絡與通信 　　 采用網絡技術可以減輕機器內外布線和通信譯碼的工作量。Opto 22 公司的行銷專家 David Crump介紹說：“機器對機器（M2M）通信技術增強了機器的連通性。借助于無線技術，可將機器設備與企業信息系統連接起來，實現遠程設備監控和啟動，生產狀況實時報告以及其他一些操作。M2M還能幫助機器設計人員跟蹤機器的生命周期，識別故障點，改進未來的設計。同時，M2M還能為企業創造更多的營收機會，例如，為用戶提供超前設備維護和維修等增值服務。” 　　 NI的Kulkarni說：“無線技術種類繁多。對于遠程計算機和工廠HMI/SCADA系統間的M2M通信，由于傳輸距離長達數百英里，所以應該采用衛星通信或者蜂窩電話通信方式。對于控制器/PLC和HMI/SCADA系統間的通信，IEEE 802.11無線通信技術是最適用的。然而，對于控制器和傳感器間的通信，由于傳輸距離只有10～100 米，采用藍牙技術或Zigbee技術則更為有效。” 　　 Rockwell Automation的Seger指出：“（在設計不同設備間的通信時）要避免采用RS-232和標準以太網技術，否則要耗費大量的時間編寫專用的通信驅動程序來支持數據傳輸。這是一件費時費力而又不會增值的工作。而對于機器內部，如果I/O級采用一個安全的終端技術則可以節省裝配和檢修的時間。” Wago公司的市場經理Dean Norton說：“Wago公司的免螺絲籠式彈簧夾持（Cage Clamp）端子具有更高的靈活性，可以縮短60%的布線時間，在有些應用場合可以免除每6至8個月對機器進行加固的需要。該接線技術可以實現預布線，滿足所有機器I/O的要求，并可方便在設計后期采用合適的總線協議實現控制器的通信。” [ALIGN=CENTER] 圖2：提供籠式彈簧夾持端子/無線端子的Wago公司說， 選用免螺絲端子方式可以節省60%的布線時間。[/ALIGN] 8.電源 　　 直接購買電源系統，而不要試圖自己設計它們，這樣可以節省大量時間和精力。 　　 電源、總線、管理系統和智能組件都能向HMI提交報告，這樣可以達到更高的系統集成和效率。隔離、監測和屏蔽措施可以保證最小的傳輸線和EMF干擾。 　　 9.集成 　　 從整個生產流程的角度考慮機器設計可以極大的提高效率。FlexLink Systems AB的CEO Fredrik J歯sson說：“通常情況下，一條機器生產線的能力只被發揮了30%。如果能從整個生產流程的角度考慮機械設計的話，那么生產線的利用率會被大大提高。” 　　 綜合來自機床的信息會產生比機器本身更多的效益。一些主要的工程設計和生產組織指出，STEP數據庫可以降低分別高達35% 和75%的生產計劃和制造控制成本（數據來源：Step Tools Inc）。 　　 10.及時的項目總結 　　 當項目接近尾聲時，不妨抽些時間對項目進行評估和總結，以方便下一輪的設計。