「技术前瞻」PLC和CNC在未来工厂中的角色

摘要

随着制造业自动化程度的提高，工业控制器和控制系统变得更复杂、更高效，这或许将改变CNC和PLC在未来工厂中的角色。

随着工业4.0和工业物联网(IIoT)越来越流行，自动化概念正在悄然发生变化。自动化涵盖了高精度、高速度、高效率和预测性维护等概念。这是由数字化、可编程系统推动的，已经开发和完善了几十年了。

例如，计算机数字控制（CNC）通过执行预编程序列的计算机，实现了机床的自动化。CNC是20世纪50年左右也从计算机辅助制造(CAM)发展起来的。随着计算机和伺服系统的发展，它可以帮助制造商满足它们对可重复、高精度生产的日益增长的要求。CNC已成为精确度和控制的代名词，它主要由5个部件组成——排序器、插补器、伺服控制器、逻辑控制器和操作员控制接口。数控系统的概念提出20年后，一个价格更低，形式更简单的计算机辅助控制出现了，那就是可编程逻辑控制器 (PLC)。

PLC是在20世纪70年代左右开发出来的，旨在取代继电器逻辑控制系统。 这些继电器系统由于依赖硬件来执行关键功能，因此往往不经济性、缺乏灵活、不易使用。PLC具有输入和输出功能，可编程执行顺序操作、数据处理或简单的轴控制。

但是，PLC的使命并不是替代CNC。 “两种控制器服务于不同的目的和市场，各有自己的优势。因此，没有任何业内人士会说，‘我已经投资了CNC，这里已经没有PLC的用武之地了’，正是因为它们是两种完全不同的控制。”发那科工厂自动化部门的CNC应用经理Ian Baird说。

CNC和PLC将在未来的工厂中扮演不同的角色，帮助制造业提升自动化程度，并专注于最大限度地减少停机时间。图片来源: 发那科

由于它的使用，超出了简单的输入/输出(I/O)算法，因此CNC与自动化的关系比较多。现代CNC是一个灵活的，数字控制的系统，旨在无需为整个系统重新编程的情况下满足制造商的需求。大多数现代CNC，还包括配置了内置运行、维护和诊断屏幕的用户界面。“由于这个原因，CNC 很受那些想要完全控制机器的人的欢迎，因为它的功能，能让你在接受简单的培训之后就可以独挡一面。”Braid说道。

由于具有较大的灵活性，因此CNC适用于任何行业的复杂、多轴加工。 任何需要精确运动控制的应用都可以通过CNC实现，无论是手表零件和医疗设备的制造，还是反应性原子、等离子的蚀刻等。

简单与复杂控制任务

Baird认为对简单控制任务而言PLC更擅长。 如果你有一个应用，不需要较高的精度或灵活的运动控制，比如：交流电动传输带，那么PLC往往是最好的选择，而且它比CNC便宜。因此，有人认为CNC更适合应用于复杂的应用。

然而， PLC虽然简单，但也有一些缺点。Baird说，“ PLC没有CNC的灵活性高。如果你需要稍微改变程序，必须完全重新编程。 它也不具备CNC的高精度，因此最好将其作为低成本的基本任务解决方案。尽管PLC成本低，但许多制造商仍然选CNC，部分原因是其全生命周期成本较低。”

很有趣的是，许多设计师在安装PLC之后又转向了CNC，主要原因就是灵活性、可靠性和成本。 数控系统的初始成本高于PLC，但由于数控系统的可靠性和控制能力的提高，长期投资回报率可能会更高。它还使系统设计者能够灵活地决定：他们希望用户在其机器上拥有多少控制权。

数控系统的长期成本效益，得益于其先进的用户可编程特性，可以最大限度地减少停机时间，控制机器的能源利用效率或机器产出。

许多CNC都配备了人工智能轮廓控制。 这意味着机器可以被控制在一定的工作负荷内运行，或自适应地控制机器完成夜班工作。例如，通过编写程序，让其工作在80%负载处，使公司能够更经济的利用能源。CNC还配备了能源效率功能，如充电模块。

CNC也具有安全功能，为与人类协作行动提供良好的保障。 “CNC配备了一个可以执行运动控制的数字算法来,” Baird说，“这个数字系统由两部分组成，一个真实的数字数据系统和一个目标数字系统。目标系统是‘理想'的期望值，为机器提供目标工作参数。真实的系统和目标系统都由同一命令驱动，所以它们应该以完全相同的方式工作。”

如果真实系统遇到中断，比如意外负载，则会导致实际数据偏离目标数据。机器将把它转换成冲突，并以两种方式之一作出反应。如果移动缓慢，就会停止，如果快速移动，将执行一个 “向量后退” ，它将撤回任何移动机械，以避免设备损坏。对于高端机器，还可以融合3D技术，阻止五轴机械在其预先确定的工作区域外移动。

对于希望实现流程自动化的制造商而言，零停机时间也是一个重要考虑因素。 计划外停机成本很高，可以造成几天、几周甚至几个月停止生产。未检测到的故障，可能会对机器造成不可逆转的损坏，甚至可能伤害到工人。

最小化停机时间

“尽管期望工厂能够7x24小时连续运转有点不切实际，但我们还是可以尽量减少由于小故障或错误造成的停机时间，这也正是预测性维护的概念所在。” Baird说，“CNC技术推动了预测性维护的发展。 预测性维护允许我们在潜在问题出现之前发现它们，并在变得严重之前采取相应行动。我们通过将控制机器的自动化技术作为守护人，来实现预测性维护。”

这是否意味着CNC注定要成为未来工厂的唯一工具？ Baird并不这么认为，“PLC仍然扮演着至关重要的角色。最好的例子就是生产线。CNC可以控制机器人的手臂、工装、铣削和研磨， 而PLC可以控制皮带的传输，将产品或材料从生产线的一个工序输送到下一个工序。由于CNC的复杂性，使其并不能很好地完成这些任务，而且有点大材小用。作为工厂车间的一部分，简单和复杂的任务要同时完成，CNC和PLC可以完美地结合在一起工作。”

在制造工具包中CNC和PLC都占有一席之地，未来它们将会如何发展？ “工业控制系统(ICS)会持续发展，并将以适合特定行业的专业化形式出现。” Baird说。第三方还将利用开放接口的概念，将工厂与物联网结合起来。随之而来的是大规模的智能机器、数据收集和分析，这将有助于实现更大的过程改进。

虽然不清楚CNC和PLC在未来的工厂中扮演什么角色，但它们都将成为其中的一部分，即使它们并不总是在一起合作。

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2018年7月刊《技术文章》栏目，原标题为：PLC和CNC在未来工厂中的角色

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