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2022年5月11日

集成式软件套件助力实现科技自动化

科技自动化是指将不同应用领域的工程知识和科学研究成果整合到自动化技术中。根据这一定义,倍福自 2008 年以来一直开发高性能解决方案,这些解决方案充分说明了基于 PC 的控制平台可以实现远远超过“单纯的”标准自动化任务。在工业 4.0 的背景下,该战略受到了特别的关注,德国政府在 2012 年批准了创新的 ScAut 研究项目,即由北威州 It's OWL(Intelligent Technical Systems OstWestfalenLippe)智能技术系统网络联盟开展的科技自动化项目。

只有将性能强大的工业 PC 或嵌入式控制器、具有高确定性的基于以太网的 EtherCAT 现场总线系统与集成式 TwinCAT 控制软件相结合,才能实现科技自动化。如 PLC、运动控制和闭环控制技术等控制技术的经典应用领域可以通过 ELM 系列 I/O 模块进行扩展,将高精度和高速测量技术以及工程算法整合到 TwinCAT 中。

PC 性能的不断提升给控制软件带来很多益处,而倍福的 TwinCAT 软件可以充分利用这种性能上的提升。TwinCAT 实时环境的设计特点是:可以在一个或不同的 CPU 核上执行几乎任何数量的 PLC、安全控制器和 C++ 任务。这样可以根据具体的应用需求精确扩展工业 PC 产品。搭载 Intel® Xeon® 处理器的 CX20x2 系列 DIN 导轨安装式嵌入式控制器最多可配备 12 个内核,适合用于高端应用。另外,C60xx 系列超紧凑型控制柜式工业 PC 中的 C6030 设备搭载新一代 Intel® Core™ i7 处理器,可配备 8 个内核。C6670 控制柜式工业服务器最多可配备 40 个内核,分布在两个 Intel® Xeon® 处理器上,内存超过 1 TB,适用于一些特殊应用。

标准控制技术集成额外的功能

直到几年前,诸如状态监测和复杂的机器人算法等功能都需要一个单独的、配有专用编程和配置工具的控制系统。从设备控制角度来看,这些系统是一个独立的“黑盒子”。而现在,在标准的自动化软件中,它们可以作为完全透明和全集成的解决方案提供。在某些特定的控制应用中,甚至可以使用适当的算法对机器人应用的驱动轴进行自动调优。TwinCAT 软件现在甚至还整合了最自然的语音输入输出通信形式,并扩展了标准的自动化功能。TwinCAT Vision 将图像处理功能完全集成到自动化技术中 — 从配置到 PLC 中的编程,视觉算法能够直接实时同步分析图像数据。这样就消除了将图像数据传输到专用视觉系统造成的额外的高成本通信需求,以及由于抖动而可能出现的延迟。必要时,可以将图像数据重新加载到非实时应用程序中,并在 TwinCAT Scope View 示波软件中以图形方式显示,例如,显示它们与设备的其它过程数据在时间上如何同步。

除了图像数据处理外,还有其它如数据分析和机器学习等计算密集型和数据密集型功能,已在 TwinCAT 中直接实现。这样就可以使用 TwinCAT Analytics Runtime(TF3550)进行无监督聚类,以便在流数据中进行异常检测。相关和回归方法也可以在开发环境中非常轻松地配置,并在 Runtime 中与自动 PLC 代码和操作台界面生成一起执行。此外,神经网络可以被加载到 Neural Network Inference Engin(TF3810)中。这些网络可以在几乎所有机器学习和深度学习框架中进行训练,并通过 ONNX 等标准化数据交换格式下载到 TwinCAT 实时应用程序中。这样就可以非常轻松地直接在控制系统上实施优化策略,例如,关于生产时间、质量或能耗的优化策略。未来,科技自动化将能够加载预制人工智能模型,并根据具体的应用情况,通过数据塑造 AI 坯件,让其能够自动适应具体的工艺要求。此外,数据科学领域也支持 MATLAB® 和 Simulink®。通过 TwinCAT Target for Simulink®(TE1400)或 MATLAB®(TE1401)可以提供如信号处理、深度学习以及并行计算等大量工具箱,它们既可以是独立的,也可以无缝集成到 TwinCAT Analytics 中。

工业 PC 的高算力助力实现本地特征工程

除了算力之外,存储介质的性能对视觉、数据分析和机器学习场景来说也是一个重要方面。整个数据库系统可以直接在一个合适的控制计算机上实施。应用程序可以利用兆字节的本地数据,或者在混合模式下,从云端获取平行数据流,以创建专家系统,让最终用户的生活更轻松。通过智能压缩算法可以减少大数据的量,并能够加快加载速度,这样不仅可以向设备操作员显示数据的历史变化,还可以追溯分析数据。这样不仅可以进行数据预处理,而且还可以直接在控制平台上进行自动特征评估。目前先进的控制计算机已经具备足够的内存和 CPU 能力,除了实时支持之外,甚至还能够实施完整的 Docker 容器形式的虚拟化环境,从而在必要时直接在本地控制器上运行云服务。当然,我们也不排除会出现相反的情况,即本地控制器独立自主地与云端中自己的化身进行通信。

倍福的科技自动化理念已经在实际产品中得到应用,并为未来的发展和概念设计提供了足够的潜力。除了实际的设备控制之外,人们越来越重视工程设计。TwinCAT Analytics 软件配置界面简单并能够指导使用,很好地说明了强大而复杂的科学应用并不总是需要复杂的配置和编程。

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