随着制造业自动化程度的加深，控制系统也越来越复杂高效。本文将探讨各类不同的工业控制器在未来工厂中将扮演怎样不同的角色。如今，“工业4.0”和“物联网”正渗透到各行各业，自动化的概念也随之产生变化。除了前几年追求的自动采摘、包装、码垛、运输外，现在的自动化还包括零停机时间、提升作业精度、高速高效、预防性维护等概念。这些都能由发展了数十年的可编程数字系统提供支持。计算机数字控制（CNC），是通过执行预设序列对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。FANUC工厂自动化部门CNC应用经理伊恩·贝尔德（IanBaird）说：“从上世纪50至60年代，CNC由计算机辅助制造（CAM）与基于示踪器的自动化发展演变而来。与计算机和伺服系统组合后，它能满足制造商重复、高精度的生产要求。如今，CNC主要由五部分组成：一个序列器、插补器、伺服控制器、逻辑控制器和操作员控制接口。”在CNC面世20年后，人们又开发了一种便宜又简单的计算机辅助控制器——可编程逻辑控制器（PLC）。PLC与CNC孰优孰劣贝尔德继续说道：“上世纪80年代，人们开发了PLC以取代继电器逻辑控制系统。由于继电器控制系统依靠硬件来执行其关键功能，它们的成本较PLC来说更高，并且灵活性不足，使用起来不方便。反之，PLC具有输入和输出功能，它们可以通过编程执行程序化操作、数据处理或简单的轴控制。”但是，PLC并不会取代CNC。贝尔德表示：“二者都有自己的优缺点，服务的目的和市场也不相同。若行业内有人说‘我已投资了CNC，以后不会有PLC的生存空间’，这是非常狭隘的观点，因为它们是两种不同的控制系统。”CNC更多地与自动化概念相近，因为它的使用范围不仅仅是简单的输入-输出计算。现代CNC是一种灵活的数字控制系统，可以根据制造商的需求进行定制，无需重新编辑系统。“现代大多数CNC还具有用户界面，支持内置操作、维护和诊断等功能。因此，许多想要完全控制机器人的使用者非常喜欢CNC，因为你只需对其加以训练，就能完全独自操作。”贝尔德说道。CNC的灵活性使其在几乎任何行业都能应用于复杂的多轴加工。“只有你想不到的，没有CNC做不到的。无论是手表零件的加工还是医疗设备的制造，甚至是进行反应性等离子体的蚀刻，任何需要精密运动控制的应用都要用到CNC。”PLC更适用于简单的控制任务然而，PLC却是针对简单控制任务的良好解决方案。贝尔德认为：“如果是不需要高精度或灵活运动控制的应用，例如在交流电机输送机中，PLC通常是最佳选择。它比CNC便宜，更适合在复杂的应用中使用。”不过，贝尔德提到PLC的简单性也有些缺点：“PLC没有CNC那么灵活。如果使用者需要稍微改动程序，就必须重新编程。另外，PLC的精度也没有CNC那么高，所以最适合用作低成本的基本操作。”可是，尽管PLC成本低，但是许多制造商正转向选择CNC，其中一部分原因是他们认为CNC的总成本要更低。“这是一个很有趣的现象，许多商家在投资了PLC之后转而选择CNC，主要就是看中了其灵活性、可靠性和总成本低的因素。CNC的初始成本虽然高于PLC，但由于CNC的可靠性和控制性更强，长期投资的回报率可能更高。并且使用者自己能够决定对机器作出多大程度的控制。”贝尔德说。CNC的长期成本之所以低，正是归功于其先进的用户可编程功能，这可以最大限度地减少停机时间，并控制机器的能源消耗或输出。目前，许多CNC还配备了人工智能系统，这意味着使用者可以设定机器人的工作量，或者让机器自动在夜间工作。例如，用户可以对其编程，让机器仅在80%的负载下工作，达到节能的目的。一些CNC还配备了例如能量充电模块的高效节能功能。除此之外，CNC附加的安全功能也令其适合与人类协作。贝尔德说：“CNC配备了一个基于运动控制的数字算法，该数字系统由两部分组成：实际的数据系统和观测数字系统。观测系统的行为是最理想的动作，为机器提供了应该如何工作的准确参数。实际和观测系统都是由相同的命令驱动的，所以他们应该以完全相同的方式工作。”如果实际系统突然中断，例如超负载，这会导致实际数据与观测数据不一致，机器会将其理解为冲突。如果它此刻移动较缓慢，机器将会停止。如果移动速度较快，它将执行“向导后退”，停止所以移动的机器，以避免损坏。除了安全性，零停机时间是厂商们对自动化的重要诉求。意外的停机时间将付出高昂的成本：工厂可能会停止生产好几天，甚至数月。未检测到的故障可能会对机器造成不可逆的损害，甚至伤到操作人员。减少停机时间助节能贝尔德表示，尽管让工厂全天候不停地工作是不现实的，但我们的目标是尽可能减少故障或错误导致的停机。这正是预防性维护的重要性。“预防性维护使我们能够在发生问题之前找出问题，并在其进一步恶化之前采取行动。控制机器的自动化技术就像监测者。”那么，CNC是否注定成为未来工厂唯一的工具呢？“尽管PLC有些地方不如CNC，但在自动化的浪潮中，它的位置无可取代。最好的例子就是在生产线中，CNC也许可以控制机械臂、完成开模、打磨等工作，但是PLC却可以为运输材料和产品的传送带供电。若用CNC做这些事，则有点大材小用了。所以在工厂车间内，当同时有简单和复杂的任务时，CNC可以与PLC完美结合。随着CNC和PLC在制造业中保持领先地位，现在重要的是看他们将来会如何发展。贝尔德总结说：”工业控制系统将不断发展，并且朝着更加专业的特定方向发展。第三方还将利用开放式界面的概念，将工厂与物联网结合。将来会有更智能的机器和海量的数据分析。”也许只有时间会告诉我们CNC和PLC会如何应对未来工厂的发展，但毫无疑问，即使这两种技术不结合，也必定是工厂不可或缺的一部分。
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