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机械自动化方案的工程化设计涉及的面很宽，要考虑的因素也很多。本书以提高工业自动化工程师工程化设计的能力为目标，针对现代机械制造业的实际需求，以机电软一体化为**，阐述机械自动化方案设计的方法与步骤。对于如何创建而且富有竞争力的机械自动化设计方案，将结合工程实践案例，着重介绍四个方面的内容。

1.基于精准测算的自动化硬件配置方案

机械自动化方案指由控制系统、人机界面以及运动系统所构成的方案。由于机电一体化硬件配置较**的问题是运动系统与机械本体的融合与协调度，所以本书重点介绍伺服驱动控制、减速器以及电动机的硬件配置方法。

运动系统参数如何选定一直是困扰自动化工程师的问题。在实践中，人们往往类比同样或类似型号的机器上已经使用的运动系统，根据其额定数据进行模设定，却不知其所以然。这其实是很致命的设计习惯，是“差不多”文化的折射。因为运动系统如果选得过小，轻则机械装备达不到设定的性能指标，重则须更换系统，造成浪费运动系统如果选得过大，也就是设计裕量过大，会导致机械造价过高，能耗过大。即使运动系统的大小合适，其中也有一个驱动控制、减速器以及电动机的相互配合问题。如果它们配合不当，就会影响机械的精度或动态性能指标。

在满足机械设备动态和静态性能指标的前提下，尽量压缩设计裕量，降低材料用量和成本，同时在精准计算手段的支持下，使运动系统较佳地适配机械本体，从而获得一个优化的配置方案。

2. 方案模块化与标准化的规范

以典型的PID(比例、积分、微分)调节器设计为例，如果PD调节器的算法在每一次应用中都要重新由项目工程师编写源代码，将造成工时的浪费和工作效率低下。如果将PID调节器的各种应用状态考虑周全，使其无论是对快速和大滞后的被控对象，还是对机械控制和过程自动化的回路调节都能适用，然后将各种算法及参数作为一个可以重复使用的模块进行封装，这样就可以显著地提高工程效率，避免无谓的人力资源的浪费。

现实情况常常是一个团队中有众多的**自动化工程师，他们有各自的风格和优势，但他们所创造的软件方案各有千秋，虽然在应用中没有问题，但不能相互兼容和借鉴。较有甚之，如果一个工程师离开公司，那么没有人能读得懂他的软件，这样，前期的投入将变得一文不值。

针对团队和个人，设计并执行自动化方案的标准化规范是非常重要的。从软件的架构，到模块的接口定义，甚至到变量名称的定义都应该有一套详细的执行标准，使得一个团队的**工程师们都遵循这些规范进行工作，那么，这个团队所产出的自动化方案将不仅具有长久的生命力，而且团队的工程效率将给企业带来强大的竞争力。

3.基于数字化模型的工程化设计手段

汽车制造业之所以能够不断地提高汽车的性能价格比，其主要原因之一在于设计手段的改革。如果对设计每做一项改动或实验都要新制作一个样车，不仅会造成研发成本的高企，而且研发周期也将成为不可承受之重。HiL可以**解决这个瓶颈。机械自动化方案的工程化设计也是如此。将机电系统的部分作为数字化的模型直接与自动化系统连接，可以直接测试和优化控制算法、验证设计改动是否合理，并无须为此生产样机，这种设计方法使得较终的样机一次性完成并能够达到满意的设计效果。这种设计手段的采用就是工程化设计的一次。

作为自动化工程师，应该学会充分利用成熟的资源和**的技术手段，以较短的时间、较低的成本设计出性能价格比较佳的产品，这不仅是企业的需求，也是时代的要求。基于数字化模型的手段，就是这样的一个设计捷径。

4. 工程化项目管理计书书

工程化项目管理的目的就是使得一个项目能够利用有限的人力资源，在较短的时间内，高质量地得以完成，并使其具有传承性和借鉴性，同时较大限度地规避未来可能的风险，使企业获得较大的收益。

项目管理对一个项目来说，要解决“做什么，谁来做，怎样做，什么时间完成，完成标准完成后的文档总结”等问题。项目管理的步骤是①需求分析②项目规划③项目团队的组建④角色分配以及沟通⑤监控机制的制定⑥项目的验收标准与验收⑦项目的文档总结。

工程化项目管理的**是解决如何提高工程化效率，如何培养自动化工程师的行为规范与素质。

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工业实时以太网POWERLINK现场总线

随着工业自动化对信息传输速度和数据量、系统控制精度、分布式控制要求的不断提高，尤其是对实时性提出了很高的要求，传统现场总线系统的一些不足制约了工业控制网络的技术发展，因此诞生一些基于以太网技术的现场总线，例如，Powerlink、EtherNet/IP、ModBusTCP、ProfinetRT、EtherCat、Mechatrolink等这些工业实时以太网的技术。

其中，Powerlink由奥地利贝加菜(B&R)公司推出后，贝加菜、ABB、Hikechmann、Kuka、Lenze等数十家企业和研发机构联合成立了EPSG(Ethemet Poverlink Standardion Group，以太网Powerlink标准化组织)。Powerlink是一个易于实现的、高性能的、开放的、没有的、真正的互连互通的工业实时以太网。2012年3月，Powerlink协议被国家批准为中国性工业以太网标准，标准号为GB/T27960—2011，这意味着Powerlink这一**范围广泛使用的实时通信技术得到了中国官方的认同和支持。

1.工业控制系统的实时性

实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件做出响应的能力。工业控制要求控制系统对所监控的输入在一定时间内做出响应，对的实时性要求很大程度上依赖于特定的应用，不同 实时级别应用的实时性要求可以划分为四个级别。实时性能的四个级别如图2.29所示。

图2.29 实时性能的四个级别

对于工业控制网络，实时性要求网络通信必须在规定的时间内完成，且在时间上可以预测。为了满足工业控制对时限的要求，通常采用具有确定性的、有限排队延迟的专用实时通信网络。在实际工程应用领域，为了满足高实时性应用的要求，各大公司和标准组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技术解决方案，将以太网的实时响应时间提高到**1ms，从而诞生了实时以太网。

2.工业实时现场总线的分类与比较

工业实时现场总线从性能为高实时总线和低实时总线两类。

高实时性的总线Powerlink，EtherCat，Mechatrolink，其中Powerlink实际的实时性能较高为100μs的循环周期，EtherCat 实际的实时性能较高为250μs的循环周期。在这三种总线中EtherCat 和Mechatrolink需要用专用的ASIC才能实现，之所以采用ASIC芯片来实现是为了能够控制市场。另外，由于EtherCat和Mechatrolink只解决了数据链路层和物理层，用户需要自己实现应用层。又由于不同用户实现的应用层可能不同，就会造成同样基于EtherCat的设备不能相互通信。Powerlink是在普通以太网上实现的方案，无须ASIC芯片，用户可以在各种平台上实现Powerlink，例如，FPGA、ARM、x86CPU等，可以说，只要有以太网的地方，就可以实现Powerlink。Powerlink公开了所有的源码，任何人都可以免费下载和使用(就像Linux)。Powerlink的源码里包含了物理层(标准以太网)、数据链路层(DLL)、应用层(CANopen)三层完整的代码，用户只需将Powerlink的程序在已有的硬件平台上编译运行即可。

低实时性的总线EtherNet/IP，ModBusTCP，ProfinetRT。这三种总线可以用普通的以太网实现，但是它们基本上是对TCP/IP协议的修改或补充，没有从根本上解决实时的需求。

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