模块化架构的速度和灵活性

俗话说，坏消息总是往下流。在这一点上，它非常像当前包装消费品(CPG)行业的趋势。

如果你认为供应链零售端的货架空间是山顶，那么对消费者需求做出更快、更灵活反应的压力就会从制造商到供应商，再到供应制造设备的原始设备制造商(oem)——比如肯塔基州科文顿(Covington)。该公司为卡夫(Kraft)和安海斯布希(Anheuser Busch)等财富100强企业提供高速包装设备。

达伦·埃利奥特是r.a.琼斯公司的控制工程经理，他的上级要求他把机器的生产交货期缩短一半以上，他意识到需要一种全新的工程设计方法。

艾略特知道，他现有的方法——依赖于运行线轴驱动机器的中央控制器——不可能改变到足以将26周的周期缩短到12周的目标。为了实现这一目标，Elliot选择采用密尔沃基罗克韦尔自动化公司(Rockwell Automation Inc.)的模块化架构，这不仅可以缩短客户的机器交货时间，还可以通过将他的包装袋和纸箱变成生产线上的即插即用元素来支付费用。现在，新方法实施八个月后，艾略特已经声称在一些产品线上取得了成功，并表示他正在接近其他产品线。

Motion-centric

随着设备变得更加以运动为中心——从传统上依赖机械凸轮和只有一两个电机的传动轴转向采用多轴伺服电机系统——控制器承受了巨大的压力。每个运动轴必须由可编程逻辑控制器(PLC)控制，PLC只有这么多的处理能力。然而，以运动为中心的设计也提供了使模块化方法成为可能的底层结构。首先，为什么不把最基本的控制功能放在运动轴上呢?

“在过去，运动控制必须由一个控制器来完成，”伊利诺伊州Hoffman Estates的发言人Al Morin说。博世力士乐公司(Bosch Rexroth Corp.)是提供模块化解决方案的众多供应商之一。“当你增加设备时，它会增加控制器的工作量，使其变慢。

“去中心化控制将智能置于驱动层面。现在，您可以添加组件，实现可伸缩性，而不再需要担心控制器。驱动器完成日常工作，而控制器保持机器的整体管理，给你一点整体控制。”

分布式智能允许先进的功能，如电子线轴，凸轮表，高速注册和绝对反馈功能，由驱动器执行，而不是主处理器。此外，它允许轴数的完全可伸缩性。由于处理能力集成在伺服驱动器中，所以不会给主控制器增加额外的负担。添加额外的轴就像添加额外的伺服驱动器一样简单。

克雷格•雷斯尼克是马萨诸塞州分析公司ARC Advisory Group Inc.的研究主管，他表示，包装行业正在引领这种即插即用架构的潮流。“整车厂正在全面采用这种方法。任何涉及OEM设备的应用，我们都看到了巨大的发展潜力。”

随着制造商被迫生产更多种类更复杂的产品，转换将变得更加频繁，这将需要更灵活、更模块化、更少专用的机器。他说，在未来，甚至整条生产线都需要易于重新配置。

涟漪效应

尽管包装行业是模块化架构的领头羊，但即插即用的方法正在整个制造业中引起轰动。

加利福尼亚州富勒顿的力测量系统公司(FMS)提供了一个接受该方法的例子。该公司是火箭和喷气发动机推力测量和控制系统的供应商，其中包括美国宇航局，最近采用了来自加利福尼亚州Temecula的Opto 22的模块化输入/输出(I/O)系统。

FMS的推力测量和控制系统包括一个内置的校准系统，该系统记录模拟称重传感器信号和许多其他值梯度。作为控制回路的一部分，这些值然后被转换并用于继电器输出到电机控制和其他数字(即开/关，开/关)输出。

该控制回路的数字相位是用Opto 22 I/O完成的。模拟I/O主机，包括许多称重传感器输入模块，用于测量。然后将这些模拟读数转换为数字信号，Opto 22的干接点数字模块驱动继电器启动电机启动和关闭，并执行开/关开关。

Opto 22发言人David Crump表示:“模块化控制系统在能够同时处理同一机架上的大量模拟、数字和串行I/O点方面更加灵活。”“只要在需要时插入适当的I/O模块即可。这意味着能够同时控制更多的设备。

模块化控制系统可以节省大量成本，因为工程师可以选择只购买他们需要的模块，并且可以一次部署一个新系统或增加一个现有的机架。”

Open Modular Architecture Control用户组的技术总监David Bauman表示，不断发展的行业标准是这种机器设计的关键基础。

“过去，许多公司通常会根据控制系统的供应商标准来设计系统。为了更容易地将它们整合在一起，你必须从一家供应商及其合作伙伴那里购买所有东西。”

另一方面，由许多供应商支持的行业标准意味着您不再局限于使用一家供应商，这为制造商提供了更具竞争力的定价能力，并使机器更容易集成到生产线中，从而节省了时间和金钱。

例如，鲍曼说，在过去，每当工程师为工作购买PLC时，I/O必须从同一供应商处购买。今天大多数plc使用工业标准设备网络，如Profibus和DeviceNet。数百家供应商都有支持这些设备网络的产品。由于I/O成本通常占控制系统成本的很大一部分，因此具有竞争力的I/O成本对成本效益至关重要。

行业标准也会影响工程成本。“OMAC的包装语言PackML标准和ISA的批量系统S88标准就是两个例子，”Bauman说，参考ISA-88批量标准，通常称为S88，由仪器，系统和自动化协会颁布。他指出，S88标准定义了一种描述批处理系统的通用语言，现在已被内置到许多供应商的控制系统中。“使用S88的批量应用程序可以减少40%甚至更多的工程成本。”

与此同时，PackML的实现——它定义了一组命名约定——大大减少了将许多包装机器集成到一条集成包装线中所需的工程。

雷斯尼克说:“这些标准和指南将在包装操作的横向和纵向整合以及包装操作与加工操作中发挥至关重要的作用。”“这反过来将缩短项目时间和上市时间，增加生产同步和灵活性，减少库存，并实现改进的持续质量验证。”

忍住冲动

模块化方法在灵活性和客户响应性方面提供了巨大的好处，但R.A. Jones的Elliot警告说，不要急于在每台机器的每个运动轴上安装智能控制。

罗克韦尔自动化全球OEM团队业务开发经理Mike Wagner对此表示赞同。“你可以模块化，但效率仍然不高。归根结底，你要理解你的流程和边界。我见过一些人在灵活性上走了极端，最终做出了没人买的机器。一些原始设备制造商在每个襟翼上都安装了伺服电机，最终得到了20轴伺服控制的机器。太贵了。它太大了。没有人会使用所有这些技术。

“现在钟摆又摆回了中间，这是它所属的位置。现在他们已经削减了开支，弄清楚了哪些地方需要灵活性，哪些地方不重要。”

艾略特补充说，没有必要用榴弹炮打苍蝇。“使用适量的技术。例如:线轴应用程序可能非常适合给定的工作。“如果你在一台机器上只运行一种尺寸的纸箱，你可能不需要伺服驱动机器的灵活性，它可以调整到40种尺寸。”

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请参阅本文的侧栏:软件走向模块化