对于自动化专业人员来说，圣杯是一个可以帮助他们加强对产品的控制，并使他们的公司具有竞争优势的对象。Thomas Debes和他在manroland AG的同事们似乎在一种技术中找到了这个难以捉摸的物体。他们发现，对其位于德国奥格斯堡的雇主160年来一直在建造的印刷机的控制进行建模，使测试和优化控制算法变得容易得多。
“我们可以快速改变控制器的结构，并立即看到结果，”压力机建造公司的首席软件工程师Debes解释道。“执行快速迭代的能力使我们能够优化质量和功能，同时大大减少开发周期时间。”
他和他的同事们代表了一个规模不大但不断增长的自动化工程师群体，他们正在利用由供应商和标准委员会开发的工具和指导方针来建模控制行为。这些模型的目的是帮助控制开发人员设计和编程他们的机器或过程控制。除了帮助他们开发和验证有效的系统架构外，其中一些工具甚至可以自动生成代码。
虽然建立一个模型并使用它来模拟控制行为并生成代码的想法并不新奇，但对于使用可编程逻辑控制器(plc)的许多行业来说，这是新的想法。部分原因是自动化程序员经常认为他们已经在做设计了。“编程ide(集成开发环境)，如RSLogix或step7，并不是真正的系统设计工具，”Tony Lennon解释道，他是MathWorks的工业自动化和机械行业营销经理，MathWorks是一家位于马萨诸塞州的软件供应商。“它们是编程工具，不能让工程师模拟控制系统的行为。”
将他的公司提供的建模工具与计算机辅助设计(CAD)软件进行比较，列侬将模型称为一种原型。利用CAD软件，设计师可以制作零件或组件的计算机模型。在建立模型后，设计师可以将其进行各种计算机分析，甚至使用它生成一个物理原型。如果计算机模型在应力分析中失败了，或者用它制作的原型不合适，设计师就会回到CAD模型中找出原因。
他说:“此外，你还可以从3D CAD模型中生成代码，供数控机床使用。”“如果你在加工一个零件时发现(零件)有错误，你就会纠正模型。你不需要进入数控机床的G代码。”至少，这是一种合理的做法。
控制系统模型也有类似的用途。MathWorks称之为基于模型的设计，它允许系统设计人员或控制工程师开发控制方案的模型，并使用该模型用C代码或其他语言编写控制算法。“你可以先用桌面模拟测试你的控制算法，然后在连接到真实机器的实时测试系统上运行代码，”Lennon说。“如果你发现错误或不喜欢机器在特定条件下的操作方式，你就可以回到设计环境中的模型，找出问题发生的原因。您可以对模型进行更改并生成新代码。”
漂亮的图片
在manroland，目标是使用这种原型形式来提高印刷机的精度，从而提高图像的清晰度和在页面上的位置。例如，一个项目需要提高印刷机上切割寄存器的精度，在切割成页之前，该寄存器将印刷材料放在滚轮叶片下。高质量的杂志要求切口不超过0.3毫米(毫米)。由于材料以每秒15米的速度通过压力机，控制算法只有10毫秒的时间来执行任务。
为了给工程师提供更好的方法来为切割寄存器开发生产准备控制，管理层从MathWork的Simulink系列产品中购买了一些工具。利用它们，工程师们开发了压力机模型和基于比例积分导数(PID)控制器的控制方案。在进行了开环测试以找到最优控制策略并运行闭环仿真以验证控制器之后，工程师们使用了一个名为Real-Time Workshop的产品从模型中生成C代码。
然后，他们用另一款名为xPC Target的产品进行了实时模拟。在模拟的场景中，有各种难以在真实硬件上重构的异常行为。Debes表示:“我们能够在许多错误条件下测试控制器，否则我们将无法进行测试。”根据收集到的数据，工程师通过微调控制器模型来优化性能，使其在生产中正常工作。
采用基于模型的设计的另一个好处是它将开发时间减少了一半多一点。根据Debes的说法，开发控制器花了10个月的时间，比采用基于模型的设计之前的典型时间短了大约一年。其中一个原因是该方法允许在复杂模型的每次设计迭代之后在大约10分钟内生成代码，而不是在过去需要几周。建立该模型的一个好处是，manroland的服务和支持人员可以在进入现场之前使用它为客户排除故障。
更好的批量控制
印刷机、包装机器和其他自动化机械的设计师并不是唯一能从建模中受益的自动化专业人员。流程工业的工程师也可以。由于这个原因，供应商已经迅速地围绕国际自动化学会(ISA)在北卡罗来纳州研究三角园指定的ISA88批控制标准的通用模型构建他们的产品。
例如，密尔沃基的供应商罗克韦尔自动化公司将其FactoryTalk批处理软件建立在批处理标准的基础上，将ISA88模型嵌入其带有PhaseManager的Logix控制器中，并为其PlantPAx过程系统开发了同样支持该标准的解决方案。一个是过程序列管理引擎PlantPAx Logix Batch and sequence Manager，它允许用户在不更改任何代码的情况下在控制器中配置序列和公式。因此，根据罗克韦尔过程业务的批处理、信息和APC部门经理Andy Stump的说法，编程更像是一项配置任务，而不是一个编码项目。
一家利用这些服务的公司是Patheon Inc.，这是一家为制药和生物技术行业提供服务的合同制造商，总部位于北卡罗来纳州研究三角公园，在世界各地设有多个工厂。当其辛辛那提工厂最初向罗克韦尔自动化公司寻求迁移到供应商PlantPAx过程自动化系统的帮助时，并没有考虑围绕行业标准建立控制模型。然而，顾问们说服了那里的自动化团队开发标准控制模型的智慧。
因为工厂是承包工作，所以挑战在于设计控制模型以适用于所有工作。该工厂不仅有大量不同的设备库存，以满足其各种合同，而且它还继续根据新的和现有的工作需要购买新设备。“每一件设备都有点不同，”朱莉·罗宾逊(Julie Robinson)说，她是百席恩辛辛那提工厂的三名自动化工程师之一。
这些不同之一是，新设备往往更复杂，通常有更多的仪器仪表。因此，很偶然的是，迁移将从管理层希望尽快投入生产的新的造粒套件和四个镀膜锅开始。在此阶段开发的模型将描述更复杂的情况。
移植和模型开发的第一个阶段的另一个复杂性是客户想要完成事情的方式的多样性。这将乘以用于控制的参数的数量。罗宾逊说:“例如，在涂层锅中，你可以控制入口或出口温度。”在其他单元操作中，一些客户会指定结束批次的特定时间，但另一些则依赖于温度甚至操作人员的判断。
Variation-not问题
罗克韦尔公司的顾问和帕西恩公司的自动化团队在模型中构建了这些和其他变体。罗宾逊说:“因此，当你为一种产品制定配方时，你可以为该产品定制它。”“然后，我们的食谱和阶段可以变得更可重复使用。”新的控制模型具有灵活性，以适应客户要求的不同控制方案和工厂中多代设备之间的差异。
尽管罗宾逊能够使用罗克韦尔自动化公司的一些预编程模块，但她和帕西恩团队的其他成员还是一行一行地手工完成了大部分编程工作。他们从来没有考虑过外包任务或寻找自动化的工具，有两个原因。首先是不同的流程和设备所需的定制量。其次，“我们想要保持现场的专业知识，”她解释道。“我们是那些在半夜出现问题时被呼叫的人，所以我们想确保我们确切地知道所有程序是如何编码的。”
在将代码加载到任何设备和进行任何现场布线之前，帕theon的自动化团队在实时计算机上测试了其程序。该公司的客户-服务器架构允许团队使用Rockwell的模拟功能在其中一个客户端上运行程序。Robinson指出:“看起来你正在运行一个真正的批处理，但你并没有打开阀门或任何I/O(输入/输出)字段。”
从基于类的模块构建控制模型既简化了测试，也简化了美国食品和药物管理局(fda)对制药公司要求的严格更改文档。Robinson说:“通过建立这些模型和基于类的控制模块，你可以每次测试一次。”“这有助于简化我们的测试，特别是随着新设备的数量不断增加。”这只是从移动模型到控制代码的一种更好的方法。
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