未來的機(jī)器人還需要控制器嗎？

工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型（RAMI 4.0）以一個三維模型展示了制造業(yè)涉及的所有關(guān)鍵要素，在這個模型的等級層次維度（右側(cè)水平軸）描述了一個7層的自動化層級，如圖1所示，從下到上依次是：產(chǎn)品，現(xiàn)場設(shè)備，控制設(shè)備，工作站，運(yùn)營中心，企業(yè)，互聯(lián)世界。

圖1.工業(yè) 4.0自動化層級

　　這種功能分類，和IEC 62264（《企業(yè)控制系統(tǒng)集成》）和IEC 61512（《批控制》）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的層級一致。在一個實(shí)際的工廠環(huán)境中，為了更清晰地分析不同層級對于網(wǎng)絡(luò)通信方面要求的不同，我們把現(xiàn)場設(shè)備到工作站之間的層級做了進(jìn)一步的細(xì)分，如圖2所示。

圖2.車間自動化模型

　　根據(jù)數(shù)據(jù)大小、循環(huán)周期、傳輸距離、節(jié)點(diǎn)數(shù)量等特征指標(biāo)，上圖不同層級間網(wǎng)絡(luò)通信的典型數(shù)值如下表所示：

表1.車間自動化通信特征和要求

　　因?yàn)椴煌瑢蛹墝τ诰W(wǎng)絡(luò)通信方面的要求不同，在目前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)條件下，云端通常只是存儲設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，并利用深度學(xué)習(xí)等人工智能算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線辨識與建模，然后優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)行效率或者維護(hù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并不會直接控制驅(qū)動器去實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制。

　　以云3D打印為例，平臺從云端向3D打印機(jī)發(fā)送G代碼來控制打印設(shè)備，如圖3所示：

圖3.目前云3D打印系統(tǒng)架構(gòu)

　　這種架構(gòu)存在的一個主要問題在于，一旦設(shè)備定型采購，無法對控制器硬件進(jìn)行升級（提供擴(kuò)展的運(yùn)算性能）。為提高3D打印的效率和精度，某團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種名為“FBS振動補(bǔ)償”的軟件算法，可以有效地將3D打印速度提高一倍，但是，因?yàn)槟承?D打印機(jī)控制器“的計(jì)算能力和內(nèi)存都很低，不能支持用戶的算法。又比如，多臺機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動（RoboTeam）的場景，受限于目前機(jī)器人控制器的計(jì)算能力，一般只能支持4臺機(jī)器人的同步運(yùn)動，無法擴(kuò)展到更多數(shù)量的機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動。

　　此外，如果現(xiàn)場的設(shè)備控制器需要升級或者更換時(shí)，整臺設(shè)備或者整條生產(chǎn)線都需要停機(jī)，進(jìn)而換上新的設(shè)備控制器，這樣就會導(dǎo)致生產(chǎn)中止；為滿足某些高可靠運(yùn)行要求的場合，需要建立一個冗余的控制平臺（雙機(jī)熱備PLC），這種方案成本太高而且工作也非常繁復(fù)。

　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（5G，Wi-Fi 6）和網(wǎng)絡(luò)化控制理論（預(yù)測控制，數(shù)據(jù)驅(qū)動控制）的不斷發(fā)展，目前已有所謂的云控制系統(tǒng)（Cloud Control System）的概念，它結(jié)合了云計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)化控制的優(yōu)點(diǎn)，其系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4.云端控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

在這種架構(gòu)中，因?yàn)樵朴?jì)算是一種具有彈性的服務(wù)，使用者無需知道服務(wù)提供商的物理位置，只需要有網(wǎng)絡(luò)連接，就可以按照需要配置所需的虛擬化資源（計(jì)算，軟件，數(shù)據(jù)訪問和存儲），然后在該虛擬化資源上對各種數(shù)據(jù)（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)）進(jìn)行分析和處理，進(jìn)而生成控制系統(tǒng)的控制信號。

　　最終，留在現(xiàn)場的終端可以簡化成一個單純或者只需具備有限的計(jì)算/存儲能力的輸入輸出設(shè)備，上文提到的問題，也可以在這種架構(gòu)中得到解決，比如即便現(xiàn)場設(shè)備控制器無法支持運(yùn)行“FBS振動補(bǔ)償算法”，通過擴(kuò)展云端控制器的運(yùn)算能力，也可以提高3D打印機(jī)的運(yùn)行效率，如圖5所示。

圖5.云控制3D打印系統(tǒng)架構(gòu)

　　從運(yùn)動控制的角度而言，機(jī)器人和3D打印機(jī)的架構(gòu)有類似之處，因?yàn)榭刂破鞯挠?jì)算能力和內(nèi)存都很低，從而無法支持新算法的問題。在機(jī)器人行業(yè)同樣存在這類問題，云控制系統(tǒng)此提供了一種新的解決思路。

　　盡管云控制系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢，但是在當(dāng)前階段，還是面臨許多挑戰(zhàn)，比如：信息傳輸與處理的挑戰(zhàn)，如何在大延遲下保證控制質(zhì)量和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；控制系統(tǒng)安全性的挑戰(zhàn)，不僅要抵御物理層的隨機(jī)干擾和不確定性，更要抵御網(wǎng)絡(luò)層有策略有目的的攻擊等。

　　所以，這種控制架構(gòu)不會完全改寫業(yè)內(nèi)所熟知的參考架構(gòu)模型，但在不久的將來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)控制的不斷發(fā)展，云控制系統(tǒng)將對包括機(jī)器人在內(nèi)的各種設(shè)備的發(fā)展和各種實(shí)際應(yīng)用起到積極推動作用。