机器控制的10个设计技巧

一瞥 使用标准，网络 先考虑传感器，逻辑 先进的控制有助于驱动 人机界面不仅仅是消除按钮

有多少次你在使用某样东西的时候怀疑设计该产品的工程师是否使用过它?为了让任何在机器上工作的人的生活更轻松一点，这里有10个设计技巧，将最新的自动化、控制、仪表、传感器、逻辑和通信集成在一起，以节省时间和精力，并避免以后的痛苦。

1.研究，学习，量化

获取信息，制定计划，并坚持执行，以达到预期的效果。在灵活和允许功能蠕变占用你的时间并使产品过于复杂之间有一条微妙的界限。

工业系统集成商Concept Systems Inc.的共同所有人迈克尔•格尼(Michael Gurney)和埃德•迪尔(Ed Diehl)表示，在确定优先事项后，要从能够获得最佳“物有所值”的领域开始。他们补充说，统计过程控制和质量控制分析可以提供有用的信息。

Phoenix Contact Inc.自动化产品经理Larry Komarek表示，模块化机器设计和制造方法可以满足越来越多的定制机器和减少机器开发时间(简化工程工作)的冲突需求，同时降低OEM制造成本。

将机器或机器家族分解为功能子组件，每个子组件包含机械，自动化/控制元件和软件程序。科马雷克建议说:“客户定制配置或‘小/中/大’产品系列都是使用这些组合来创建的。”“预先设计，预先记录和预先测试的组件可以快速制造，”降低成本。

2.标准,安全

根据Gurney和Diehl的说法，标准接口可以使用“一流”的系统组件，并减少与专有控制系统相关的过时问题。

设计软件中收集的知识可以转化为机器码，避免了设计参数的修改。一些设计软件提供STEP和IGES文件格式的数据转换器。STEP，产品模型数据交换标准(ISO 10303)，描述了如何表示和交换数字产品信息。

设计分布式控制采用NEC规范[第430.53 (c)条]中的电机组安装规定，以减少分支电路的数量。SEW-Eurodrive的电子产品经理Rich Mintz表示，这样做可以降低成本，有助于消除EMC噪声，并提供灵活性，无需重新布线和重新调试即可轻松移动模块。

根据施耐德电气机器保护产品经理Larry Sunday的说法，为了安全，自NFPA-79 2002修订版以来，任何从事全球二手机器设计的人都应该满足IEC 60204-1第4类，这是最高的安全门槛(需要安全继电器和安全联锁)。2002年的修订使NFPA-79与国际标准IEC 60204-1保持一致。周日警告说，美国在基本控制电路中使用标准继电器的做法，即所谓的“控制可靠性”，可能不足以满足第4类的要求。

3.传感器、机器视觉

Banner Engineering的技术营销经理约瑟夫•多林斯基(Joseph Dolinsky)警告说，在设计时，“不要把传感器放在最后一项”。智能和非常小的传感器提供了一定的好处。通常情况下，“如果可以分配安装空间，一个更便宜的传感器就可以解决这个问题。”

康耐视公司In-Sight Vision Sensors的首席产品营销经理马克•西佩尔(Mark Sippel)说，决定如何最好地处理检查和处理反馈取决于许多因素。

反馈是否需要在多个离散的检验、拒收和其他站之间共享，还是由一个控制员协调检验结果和辅助任务?如何使用和沟通检查结果?如果I/O设备用于通信，需要哪些类型和位置与其他控件一起工作?还应考虑照明、电力和数据传输。

4.逻辑平台

美国国家仪器公司工业数据采集和控制产品经理Rahul Kulkarni说，用正确的逻辑平台开始1000英里的机器设计之旅。他说:“如今的控制器可以是PLC、PC-104、PCI、PXI或定制电路板;考虑到控制器需要执行的所有功能(如逻辑控制、过程控制、运动控制、自动检测和机器状态监测)，然后决定控制器平台。

编程工具应该易于理解，生成的代码应该是模块化的、可伸缩的和可重用的。罗克韦尔自动化全球OEM技术顾问Dan Seger表示，选择控制架构解决方案有助于保持设计简单。从控制器和网络到外围设备和操作界面，只考虑最低采购成本的决定可能会给以后带来麻烦。西格说，此外，互联性提高了效率，降低了成本，因为设备部件“可以连接在一起，彼此之间可以进行本地通信，而不是通过如何让设备进行通信来解决问题”。让设备进行通信的廉价方式“很少容易使用，而且往往会在启动和维护期间耗费大量时间”。

他建议将控制编程和信息共享分离，以获得最佳效果。结构化数据表单、下拉菜单和按函数排列的基于代码的对象库也有帮助。

5.驱动设备

根据应用需要，从无数的气动，液压和电动执行装置中进行选择;运动控制器也带来了选择。电机控制应该使用电机控制单元(MCU)还是数字信号处理器(DSP) ?

德州仪器的电机控制战略家Kedar Godbole建议寻找创新和系统成本降低的性能;性能与价格的平衡(优化性价比);高效的C/ c++核心，快速开发程序;高水平的模拟集成(众多控制外设);灵活，易于使用的工具。

控制几乎总是比机械摩擦更有用、更有效。SEW-Eurodrive的Jan Lindholm说，与离合器刹车或类似的解决方案相比，变频驱动(尤其是闭环)可以使循环次数增加一倍，有时甚至是三倍，而且维护更少，设备磨损更少。Lindholm解释说:“vfd有无传感器矢量、磁通矢量和无交流伺服，可以解决许多驱动挑战。”

6.屏幕vs.按钮

评估基于屏幕的人机界面(hmi)与按钮的优势。用触摸屏取代按键有好处;HMI工具包具有易于调整和重用的模板。

hmi还提供其他好处，例如数据互连和诊断。欧姆龙电子有限责任公司软件产品营销经理Joe Rubino表示，诊断提供正常运行时间优势，硬件和软件，易于连接，减少编程，物有所值。

7.网络、通信

网络节省了机器内外的布线和通信翻译。Opto 22的营销传播David Crump说，机器对机器(M2M)通信增加了机器连接，利用无线技术，并将设备连接到企业。这些功能支持远程设备监控和激活、制造和其他操作活动的实时报告。M2M还可以帮助机器设计人员跟踪机器的生命周期，识别故障点，改进未来的设计，并通过为客户提供增值服务(如主动设备维护和维修调度)释放新的收入机会。

NI的库尔卡尼说，无线技术各不相同;对于远程计算机和数百英里外的工厂HMI/SCADA系统之间的M2M通信，卫星或蜂窝无线通信是理想的。对于控制器/PLC和HMI/SCADA系统之间的无线通信，IEEE 802.11是最好的。

然而，对于控制器到传感器的通信，10-100米，蓝牙和Zigbee等技术更有效，Kulkarni说。

罗克韦尔自动化公司的Seger说，“避免使用RS-232或标准以太网的设备，这些设备需要编写专有的通信驱动程序来支持数据传输”，这会消耗时间而不是增加价值。

在I/O级别，使用安全终端技术可以节省组装和故障排除的时间。Wago市场经理Dean Norton表示，Wago无螺纹Cage Clamp终端技术可缩短60%的布线时间，在某些应用中无需每6-8个月重新紧固一次，并且具有更大的灵活性。诺顿解释说:“机器制造商可以在机器上预先布线和安装所有I/O要求，然后在使用正确的现场总线协议的情况下插入控制器。”

8.权力

考虑购买与购买力相关的系统，而不是设计它们，以节省时间和精力。

电源、总线、管理系统和智能组件都可以向HMI报告，以实现更高的集成和效率。隔离、监测和屏蔽可以确保最小的电源线和EMF干扰。

9.集成

在周围生产流程的背景下考虑一台机器，以提高效率。FlexLink Systems AB的首席执行长弗雷德里克Jönsson说，一条生产线30%的产能利用率仍然是一个常见的数字;如果从更广泛的角度看待整个生产过程，可以获得更高的产能利用率。

整合来自机床的信息可以带来机器之外的好处。例如，据STEP Tools Inc.称，一些主要的工程设计和生产组织已经证明，STEP数据库可以将生产计划和制造控制的成本降低35%至75%。

10.奠定基础

而且，就在你认为自己已经完成的时候，留出时间来评估、评估、收集输入，并为下一个设计周期奠定基础，而此时项目还在你的脑海中，因为还有很多其他事情要做，它不会保持新鲜感太久!

相关产品请访问www.globalelove.com/buyersguide;有关系统集成商的帮助，请访问www.globalelove.com/ integrators;也可以看看这些网站:
www.appliedproduction.com	www.bannerengineering.com	www.cognex.com
www.conceptsystemsinc.com	www.flexlink.com	www.ni.com（国家仪器）
www.opto22.com	www.omron.com/oei	www.phoenixcon.com (菲尼克斯）
www.rockwellautomation.com	www.schneiderelectric.com	www.seweurodrive.com
www.steptools.com	www.ti.com（德州仪器公司）	www.wago.com

在线额外的10个设计技巧的机器控制

在设计机器控制时节省时间、精力和精力:分散控制技术(DCT)促进了模块化设计。例如，当在灌装生产线上添加另一个灌装机或封盖机时，电线可以断开、移动并再次插入，而不是重新布线和重新调试，从而节省了劳动力和停机时间。新安装的设备也会受益。想要了解更多来自《控制工程》的主题，以及10个技巧的总结，请点击这里。

运动控制比较:将用于运动控制的电机控制单元(MCU)、数字信号处理器(DSP)与德州仪器提供的以下信息进行比较。

运动控制的MCU/DSP比较

	单片机	DSP
方法	经过验证的，直觉的，经验的	确定性,模型
进化	较高的集成度，尝试做一些DSP的功能	MIPS高，功耗低
技术	-为集成而优化的“旧”流程节点 —最大限度地利用每个节点	-领先的数字化流程 -快速移动到更精细的工艺几何
主要缺点(传统)	无法提供足够的mip，因为新系统需要更多的确定性控制和更快的上市时间	纯逻辑dsp需要大量的模拟配套芯片
战略向前发展	在保持集成优势的同时，努力提供更多的MIPS	没有妥协:一个芯片，经济有效地结合了DSP(数字)和模拟

德州仪器称其基于dsp的TMS320F28x控制器提供精通控制的核心，闪存，灵活，强大的外设，低设备成本，计算和数学效率，以及“C”可编程性。

内存架构比较

DSP内存架构	MCU存储器结构
哈佛架构(多总线)	冯·诺依曼架构(单总线)
每个周期2-4次内存访问	通常每个周期访问一次
通常芯片上没有缓存	SRAM可以使用缓存
中小型地址到达	中大型地址覆盖范围
独立的外部地址和数据总线	外部总线可以多路复用

集成比较

DSP集成	单片机集成
传统上是MPU vs. MCU(这种情况正在改变……)	单芯片解决方案
传统上芯片外设的选择有限(这也在改变……)	广泛的通用外设(SPI, SCI, WDOG，定时器，CAN, LCD…)
针对终端应用优化的DSP外设	通用外设

波德情节有助于解决动作设计问题
在设计闭环控制系统时，测量系统频率响应以解决在其他方式中难以找到的问题，丹纳赫运动公司运动工程公司应用工程经理Erik Brewster建议。频率响应图(“波德图”)等工具有助于说明问题。

布鲁斯特解释说，这个例子绘制了一个简单的有刷电机的数据，这个电机的轴上有一个惯性轮。标准的PID调谐结果在获得满意的性能之前，可听到“咆哮”。快速频率响应测试显示在685 Hz处有谐振峰。滤除该峰值允许控制回路增益增加六倍，同时具有相同数量的可听噪声，控制稳定性和增加的抗干扰性。布鲁斯特说，要记住，没有电机耦合或类似的普通机械谐振源。他说，机械共振来自于质量与电机轴偏转的共振。

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