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象開始，一步步逐漸上升，直至最復(fù)雜的知識”。
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-對于今天的制造業(yè)乃至細(xì)到自動化行業(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)時負(fù)責(zé)全球CNC與機器人業(yè)務(wù)同事請教他如何看待機床工業(yè)未來自動化發(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)部也在不斷的推動著“簡單”自動化的工作，包括推動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)對復(fù)雜—是自動化工程之道，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)—這是一個核心的能力，解構(gòu)就是工程的核心能力，即，將一個復(fù)雜問題簡化為多個獨立的小問題，然后針對每個小問題來進行開發(fā)、測試與驗證，然后再構(gòu)建為一個整體，進行測試與驗證。
圖2工程師思維的三個特征（Guru Madhavan,Think like an Engineer）
工程師在開發(fā)項目中，最為重要的思維就在于“解構(gòu)”，然后在“約束”條件下進行工作，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、機械的剛性等多種條件下進行“最經(jīng)濟”的解決方案—這里的獲得最經(jīng)濟，就是一個方案的“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簡單是自動化的使命
制造，無論是生產(chǎn)還是機器本身的制造，都是一個復(fù)雜問題—因為它顯然是一個跨學(xué)科的融合問題，每個機器都會牽扯到材料及其工藝、機械與傳動、控制與流程問題，這會造成非常大的復(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化系統(tǒng)來闡述，如何實現(xiàn)簡單自動化？
3.1 簡單自動化—通過建模仿真簡化設(shè)計
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，這會為任何一個產(chǎn)品的制造帶來數(shù)以萬計的可能性組合，將復(fù)雜的工藝與流程進行建模，并通過建模仿真工具進行早期測試與驗證，是應(yīng)對制造業(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，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
貝加萊作為自動化廠商，自然關(guān)注點在控制模型與算法，但是，機器一定會牽扯到機器與材料工藝，因此，當(dāng)面對復(fù)雜的變化的時候，我們需要一個與其它軟件協(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)計也與IndustrialPhysics進行了接口的連接，這些都使得機器設(shè)計與電氣控制可以快速的協(xié)同，以達到快速的參數(shù)調(diào)校，早期驗證與虛擬調(diào)試。
圖4-通過數(shù)字孿生實現(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)就因為越來越多的“軟件危機”，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會議上定義了“軟件工程”這個概念，并推動軟件工程方法，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)的自動化的可編程邏輯控制器PLC的年代，一個工程師對一臺機器的程序是完全可以掌握的，基本上不存在“軟件危機”問題，但是，顯然，今天的PLC已經(jīng)不是這樣了，隨著更多的對象（運動控制、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、遠程診斷與維護）被集成到整個機器與產(chǎn)線中，機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)是對工業(yè)知識的“封裝”，以達到“復(fù)用”的目的，而模塊化的組件技術(shù)則是實現(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)計思想基于“高內(nèi)聚、低耦合”的軟件工程思想，以達到標(biāo)準(zhǔn)化降低成本，而模塊化實現(xiàn)靈活性，使得其在靈活與經(jīng)濟間尋找一種平衡。
圖6-mapp就像AppStore一樣組織機器的應(yīng)用
軟件正在不斷塑造著企業(yè)的核心競爭力—通過軟件，可以實現(xiàn)Konw-How的封裝，實現(xiàn)靈活的機器應(yīng)用組織以應(yīng)對變化，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--平臺集成
當(dāng)然，解決軟件危機的另一個方法也包括集成開發(fā)平臺—這個對于今天的制造業(yè)尤其重要，因為我們需要“集成”，在機器與機器之間、控制與傳感器、運動控制之間，包括整個任務(wù)的協(xié)同，其主要作用表現(xiàn)在幾個方面：
圖7-Automation Studio集成開發(fā)平臺
>> 平臺本身降低復(fù)雜性：傳統(tǒng)上需要在多個軟件間切換的工作變得更為便利；
>> 平臺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
現(xiàn)場生產(chǎn)的機器，總不能配置一個大學(xué)生吧？顯然是不現(xiàn)實的，因此，一定要設(shè)計的簡單易用，包括年輕一代生活在“觸控”時代，他們已經(jīng)習(xí)慣了用手去拖拉這種操作，因此，機器必須設(shè)計的簡單、易于操作，才能贏得客戶信任，因為降低了培訓(xùn)以及對人員的專業(yè)性要求—這些對應(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)來實現(xiàn)，畢竟自動化行業(yè)沒有必要自己開發(fā)這樣的軟件系統(tǒng)。
對于很多用戶來說，貝加萊的 mappVIEW所設(shè)計的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)計自適應(yīng)的，大量精美設(shè)計的控件，支持Javascript,HTML5,CSS，讓操作人員以直觀、簡單的方式對機器進行操作，特別適合于機器制造商來開發(fā)精美的HMI畫面。
圖8-mappVIEW-操作簡單化的設(shè)計
3.5 學(xué)習(xí)簡單化-Tutorials
對工程師而言，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，直觀且互動的學(xué)習(xí)自然是上選的模式，而這些也是自動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、針對性的方式完成，實現(xiàn)任意時間學(xué)習(xí)而無需考慮培訓(xùn)計劃，同時，貝加萊也會通過遠程實驗室加強高級培訓(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用事實來說話
我們通過幾個例子來闡述貝加萊所在努力推進的“簡單自動化”思想：
數(shù)字孿生—設(shè)計簡單化
數(shù)字孿生基于建模仿真，強調(diào)動態(tài)雙向交互，以及對過程的仿真，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)用于機器的高效開發(fā)，圖10是基于MATLAB/Simulink與Automation Studio進行的交互，可以實現(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)電機組控制、印刷機械、機器人、注塑機控制等眾多領(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運行，這樣可以任意的進行參數(shù)的測試驗證，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項目，當(dāng)時稱為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器開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。
圖11-基于mapp的注塑機開發(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的印刷機開發(fā)中，這些模塊是可以共用的，因為印刷機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針對機電對象、文件操作、配方等基本的任務(wù)也為所有機器提供了共性模塊。
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，它又可以成為一個標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品—貝加萊SmartMold 9即是如此，在貝加萊注塑機領(lǐng)域沉淀數(shù)十年經(jīng)驗之后，將各種注塑機應(yīng)用以mapp模塊方式封裝，可以讓用戶可以針對不同機型快速配置一臺機器，而無需復(fù)雜的程序開發(fā)，mapp技術(shù)能夠為各種注塑機（油壓、全電動、電液混合、二板機等）制定統(tǒng)一的軟件，用戶僅需“配置”即可實現(xiàn)快速出機-并且，對于用戶現(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）進行邏輯的修改。
圖14-SmartMOLD 9的標(biāo)準(zhǔn)化方案設(shè)計
圖14是SmartMold 9是針對注塑機行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化硬件方案，它為注塑機配置了適應(yīng)于各種機型的硬件標(biāo)準(zhǔn)，降低其成本，并按照塑料行業(yè)的操作習(xí)慣設(shè)計了操作按鍵、安裝方式等。
圖15-注塑機解決方案所采用的mapp模塊
從圖15可以看到，實際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、頂出等各種針對塑料機械所開發(fā)的模塊，并且采用mappVIEW進行了HMI設(shè)計。
方案的標(biāo)準(zhǔn)化也是實現(xiàn)復(fù)雜機器的快速構(gòu)建的關(guān)鍵一環(huán)。
維護簡單化-貝加萊安全遠程維護
圖16-安全遠程維護降低了維護的復(fù)雜性
在遠程維護領(lǐng)域，貝加萊推出了安全遠程連接，利用今天無所不在的云連接、LAN等技術(shù)，實現(xiàn)建立一個安全的遠程桌面系統(tǒng)，使得機器制造商的電氣工程師可以在本地對遠程的機器進行問題的診斷，以及程序的上傳下載等維護服務(wù)，降低了差旅成本和時間消耗，快速實現(xiàn)問題定位與解決。
5貝加萊的簡單自動化支撐體系
真正的競爭力來自于人才，而要實現(xiàn)為用戶帶來更為簡單的自動化解決方案，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)斗的工程隊伍而著稱。
5.1 特種部隊--方案研究院
方案研究院是貝加萊的一支“特種部隊”，自2013年成立至今，由機電工程、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器自動化共性技術(shù)提供支撐
?。?）方案的標(biāo)準(zhǔn)化封裝：將各個行業(yè)的應(yīng)用
?。?）解決方案架構(gòu)的設(shè)計
?。?）為應(yīng)用工程師提供新算法的測試驗證
?。?）人工智能與工業(yè)應(yīng)用的結(jié)合：尋找除了機理模型之外的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型來解決應(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，以及對問題的解決方案匯集為一個整體，成為可復(fù)用的技術(shù)，然后分享給產(chǎn)業(yè)界,以達到為用戶提供持續(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年啟動了工程宿營（Engineering Camp）他們掌握機械、電氣、軟件、工藝融為一體的，能夠為用戶解決問題的工程師，它是一個高強度、多維度、全面的工程師訓(xùn)練，脫產(chǎn)達到3.5個月，近期為了更為靈活，讓工程師與實踐緊密結(jié)合，以模塊化方式進行培訓(xùn)，1-2周為一個階段，中間以資深工程師帶領(lǐng)進行工程實際項目的訓(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“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)，讓每個工程項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 遠程實驗室
遠程實驗室是2020年貝加萊為了應(yīng)對新的形勢下的人員培訓(xùn)而啟動的培訓(xùn)項目，這也是一種更為便利的人員培訓(xùn)計劃，能夠進行在線的互動課堂方式，將機器與系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)驗與用戶分享，用戶在本地即可由專業(yè)培訓(xùn)師、資深行業(yè)應(yīng)用工程師針對有針對性的培訓(xùn)課程。
圖19-遠程實驗室進行用戶的交互學(xué)習(xí)
讓自動化變得簡單，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)濟性角度思考問題—不斷為客戶尋找“更經(jīng)濟”的解決之道，這是“工程”的使命。