白皮書：工業自動化領域的無縫連接 - festo ·...

白皮書：工業自動化領域的無縫連接

隨著工業自動化領域的日新月異，新的挑戰也不斷湧現，對新

型解決方案和概念的需求也應運而生。數位化結合全球化、靈

活性結合標準化，與此同時，開發和生產時間也越來越短。

Festo 根據實務經驗，在本文中提出了一些挑戰及其可能的解決

方案。

此白皮書提供以下資訊：

• 工業自動化領域的變化 — 現狀及未來生產的發展方向

• 無縫連接 — 不僅僅是各個組件的介面

• 硬體和軟體解決方案 — 它們如何縮短產品上市時間，並助您

提高生產速度和靈活性

2

白皮書：工業自動化領域的無縫連接 © Copyright 2018, Festo AG & Co. KG

概要什麼是無縫連接？

無縫連接考慮到工業自動化領域的所有介面及其完美互動。其目

的是確保機械和電氣介面、以及自動化平台的智能介面，在整個

工程過程中實現最佳的相互協調。還需要對這些介面進行描述，

並使其方便客戶快速、輕鬆使用。基於這一目標，Festo 考慮了

從機械系統到馬達、伺服驅動以及控制器（運動控制）乃至現代

工業雲端解決方案的自動化架構。

無縫連接對於工業自動化有何益處？

無縫連接可使工程設計過程更快、更簡單，自始至終確保可靠，

並縮短時間、減輕工作量。同時，自動化概念也變得更加靈活和

高效。

1. 無縫協調的機械和電氣連通，可以根據應用領域的需求靈活調

整，並可達成標準化。

2. 智能連接可達成靈活的模組化控制概念，並直接將伺服驅動

與各種不同的控制器連通。

3. 根據上文，統一的軟體平台可確保在整個開發和生產過程中實現無縫和可靠的資料：從佈局和概念化到設計，以及從程式設計到調校。

無縫連接 — 即工業自動化領域

從工件到雲端的硬體和軟體均適

用。

3


日新月異的工業自動化 — 變化和挑戰

與工業 4.0 連線

眾所周知，新技術正在迅速改變生產環境。我們正在見證一場新的工業革命，這場

工業革命由動態趨勢和數位化可能性來推動。機器製造商和機器與系統營運商都面

臨新的機遇。

當今的許多概念正在或已經被第四次工業革命所取代：商業模式、合作夥伴關係、

客戶介面、價值鏈甚至傳統的自動化金字塔正在被重新定義。

要實現這一目標，工業 4.0 需依賴具有模組化結構和層級的網路連線適應性生產以及

具有嵌入功能的智能產品 — 即資訊物理系統。因此，按自動化金字塔採用中央控制

系統的傳統機器架構，越來越多地演變成多功能自動化子系統，然後將這些子系統分

散而緊密地互連，相互之間直接通訊並交換資料。除了在生產過程中具有更大的靈活

性外，還導致機器概念出現更大變化，尤其是全球化需求增加。

日益網路化的組件要求所有系統參與者均具備高度相容性和無誤性。一方面，無障礙

的資料交換有利於過程平穩，但另一方面，所有組件需要在系統中與應用程式協調，

同時完成相互間的完美配對。

無縫數位連線的自動化技術（包括組件

的分散化智能）即時產生生產和狀態資

料，可對數位分身 (Digital Twin) 進行虛

擬調校，並透過開放式通訊標準實現從

供應商到最終使用者的通訊。

與 OPC UA 連線：進一步「本地」或雲端處理

4


系統內互連和互動快速發展並為使用者提供更高效率的一個領域即為連通 — 系統內連線協作互動以及

通訊。「連通」一詞描述了組件或子系統在更高層級結構中進行整合，以及組件或

參與者在系統中完成最佳相互協調之近乎理想的能力。

整體考慮連通時，包括所有自動化組件和所有參與者，我們需要考慮（智能）通訊

和控制介面以及機械介面和電氣介面。整體考慮是指從工件一直到雲端的所有硬體

和軟體均適用。

到目前為止，尚未開發出可應用於所有層級的統一標準 — 不僅適用於工業 4.0，也

適用於傳統的自動化解決方案；它通常是獨立的解決方案，仍然用於處理子任務，

但不適用於無縫方案。當解決方案包括不同自動化領域時尤其如此，例如，如果線

性機械系統和伺服驅動技術必須快速輕鬆地與不同的控制方案組合時。

這為提高效率提供了許多機會，並為改進機器和系統的開發過程、以及產品和子系

統本身乃至工業系統的調校，提供了巨大的潛力。

連線生產系統採用極其靈活的統一設計，

可實現批量大小為 1 的經濟即時生產、更

高的機器可用性、和更高的過程靈活性，

以及生產網路中機器利用率的快速調整。

無縫連線且靈活的組裝線，批量大小從 10 到 10,000 件

5


自動化技術的無縫連接

什麼是連通？

本質上，連通是指連接和接通各個參與者（即介面）的能力。涉及到工業應用、

機器和自動化概念時，是指各個組件協同工作並在系統中相互連通。

要探討無縫連接，需要考慮所有組件的機械介面、電氣介面和智能介面。這不僅適

用於硬體，也適用於映射不同介面的軟體。

仔細觀察機器，可以明顯看出每個自動化組件都有自己的介面，可以與其他組件

進行互動。憑藉各個組件的正確設計、組合和互動，再由合適的軟體支援，可建

立能盡可能處理最多複雜任務的方案和應用方式。

無縫連接的目標是使不同的介面盡可能簡單易用，以便更加可靠且更快地使用它

們。這適用於整個過程，從初始概念階段到設計直到調校。雖然這不會降低機器的

複雜性，但讓其使用變得更容易、更可靠；同時概念化、操作、設計和調校也變得

更快。然後，機器製造商和最終使用者就可以更有效地集中精力完成手上的任務。

當今常用自動化架構一覽

機器和生產系統中最常用的自動化層級，很可能是基於所謂的傳統自動化金字塔。

各個產品和自動化組件被分配到金字塔中的各個層級，在每個層級，對於每個組件

組，使用者或機器製造商必須考慮各種不同的介面，並將其相互連通以實現無縫連

接。

有關自動化金字塔的詳情，請參閱下文。

必須將自動化技術中的連通視為一

個整體，對於無縫解決方案來說，

所有介面 — 機械、電氣和智能 — 必

須始終完美地互動。這適用於從設

計、工程到調校的整個過程中的硬

體和軟體、特定生產和數位分身。

6


驅動器層級

底部是機電自動化組件，主要是線性機械組件，還有夾爪和簡單的旋轉驅動器。其

安裝在機器的工作區，並且大多與工件（即產品）直接接觸。這是根據生產過程在

它們的幫助下移動和定位。除了單個電缸之外，還能使用與複雜機械系統組合的抓

取系統（笛卡爾多軸系統）。

工程師面臨的挑戰是設計機電系統，使其符合應用在動態回應、負載或精度方面的

要求，並提供（安全）範圍。這樣的系統應該不會太大但卻非常耐用。

因此，工程師還需要：

• 電子設計工具或產品規格說明書，並附有組件設計/計算和選擇表格和圖表

• 所有整合到機器中的組件和抓取系統的 CAD 模型，這適用於特定產品和數位分身

• 手冊、資料表和組裝說明書等 • 用於模擬或計算的應用數據和運動數據

現場層

這是伺服驅動所在的層級，其控制相應馬達的動態回應、位置或作用力，而伺服

驅動透過現場匯流排系統電纜連接到運動控制器進行控制。封閉控制器透過控制

軟體內的設備描述檔案連接到現場匯流排系統。封閉控制器本身的啟用透過通訊

協議或控制系統的功能模組。

對於軟體工程師和程式設計師來說，必須考慮機械要求以及純電動機器程式撰寫。

只有當機械系統的動態可能性與馬達和伺服驅動的動態可能性正確結合時，才能高

效地執行應用程式。

要做到這一點，程式設計師還需要：

• 用於伺服驅動參數設定的軟體

• 控制程式（運動控制）的程式撰寫工具

• 用於將伺服控制器整合到控制系統中的工具

• 有關連接之機械系統的動態回應和運動特性的數據

• 選擇組件的電路圖 (E-CAD)

組件可以劃分層級，但是當涉及互動

時，所有組件必須配對。針對運動自

動化設計的機械系統，必須與伺服驅

動系統的配置互相配合。現在需要將

這種機電驅動系統優化整合到控制環

境中，設計、配置和調校所用的軟體

工具在這裡扮演關鍵作用。

7


控制層

控制層級包括機器或系統的控制組件和/或模組或單元的控制組件。有兩個基本的架

構特徵：集中式或分散式。前者意味著所有系統參與者完全由控制器控制，而後者

是各個系統部件的單元或模組控制器以及對各自動化模組的高性能預先處理。

這裡的挑戰包括為特定應用程式找到最適宜的架構等。最終用戶對不同控制器製造

商的需求，或首選製造商和現場匯流排協議的區域差異，也會使軟體工程師和程式

設計師自問，如何設計標準化機器以及需要多少控制方面的專業知識。這裡需要特

別注意的是，每個控制系統都需要製造商特定的程式。這適用於不同的程式語言以

及現場匯流排協議或功能模組。

因此，軟體工程師和程式設計師需要為每個控制器製造商提供：

• 控制程式的程式撰寫工具

• 現場匯流排協議和製造商特定的功能模組

• 整合到生產單元或（工廠）層級的資料

控制層

現場層

驅動器層級傳統自動化金字塔及其各層級

8


現狀機電驅動套件

無論對於機械系統還是控制系統，都可以從不同製造商處獲得幾乎絕大多數的產

品、組件和解決方案，這些產品、組件和解決方案都有自己的介面、硬體解決方

案、程式語言、軟體系統、通訊協議等。這意味著機器製造商始終需要花時間將它

們組合並整合到他們的機器中。因此任務始終相同：如何輕鬆組合電缸、伺服馬達

和伺服驅動，以便完美互補？如何將這種機電驅動包快速、輕鬆地整合到控制器

中？

將驅動系統整合到控制器中

尤其是將驅動系統（伺服驅動和伺服馬達）整合到不同控制器中，是機器製造商面

臨的主要挑戰。不同製造商生產的用於設計、參數設定和程式設計的軟體解決方案

和工具，通常非常不同，資料也不一致且不可互換。

目前，隨著技術的進步，可以將來自不同製造商的至少幾個伺服驅動組合成一

個自動化系統，這歸功於 EtherCAT、ProfiNet、Ethernet/IP 等既定標準的幫助。

儘管如此，在參與者之間建立連接/通訊以便無誤地傳輸資料通常是一個複雜的過

程。由於極其複雜，通常難以提前預估測試和調整所需的時間和工作量，這導致在

工作量、時間和成本方面存在相當大的風險。

9


專用機器和標準機器製造商面臨的不同挑戰

與專用機器製造商相比，批量機器製造商的關注點非常不同：大批量機器製造商

對驅動解決方案標準化得更多；而專用機器製造商必須滿足客戶高度個性化的願

望和需求。

為何標準化？

驅動系統的設計對特定應用的針對性越高，機器的效率就越高。由於批量機器中完

美協調且優化連接的組件都相同，因此整批機器都可受益。這就是為什麼批量製造

商在設計和整合方面投入了大量時間和精力，並因此熟悉設計統一的電驅動系統、

將其標準化、將其整合到控制系統中、以及隨後全部進行調校的原因所在。無論驅

動系統的各個供應商和控制器的供應商是誰，他們都需要將機器中的硬體和軟體組

合在一起，並且介面接口需要優化配對。

為何定製？

專用機器製造商面臨的挑戰是靈活性，因為他們的客戶通常會提前指定控制概念。

他們需要一次又一次地單獨重新配置每台機器，根據客戶的架構進行設計和調校，

這可能導致自動化硬體和控制方案頻繁變化。除了硬體外，還需要重新定義和管理

介面，並且必須使用軟體工具─這必須快速、簡單和可靠地完成，而不需要花費太

多時間來習慣它們。

批量機器製造商和專用機器製造商在

自動化平台和連通方面有著截然不同

的要求：批量機器製造商的驅動解決

方案標準化得更多；而專用機器製造

商需要高度靈活的解決方案，以使他

們能回應客戶的個性化願望和需求。

電子產品生產中的獨立機電驅動解決方案

10


Festo 的硬體和軟體解決方案

使開發更快速、更輕鬆且更靈活，並縮短產品上市時間

Festo 多年前就已經開始瞭解關於連通主題的各個層面，尤其是與工業運動自動化

有關的方面，從工件到控制器再到雲端，即從機械組件和伺服驅動直到智能控制

器和現代雲端服務。此外，還有工業自動化的現代雲端解決方案，即工業 4.0。

在我們自己的生產中 — 例如在 Scharnhausen 技術工廠 — 我們經歷過困難和挑戰。

我們已經認識到任務和解決方案的複雜性，並且已經學會如何更高效地應對這種複

雜性。與此同時，我們始終意識到我們的客戶會從這一經驗中獲益匪淺，因為我們

知道工業自動化中的連通需要什麼。從一開始，我們的目標就是為客戶制定和提供

解決方案，給他們提供支援，以便讓他們能夠把精力集中在重要事項上。

Festo 現在可以提供方便的解決方案，其最大的優勢是：它們可在配置和調校機

器時省去耗時且成本高昂的工作。

Scharnhausen 技術工廠中最先進的自動化技術

隨著現代機器的產品生命週期越來

越短，迫使製造商越來越多選擇具

備高度模組化的機電一體化設計─

硬體和軟體都是如此。這正是無縫

連接的發揮之處，因為它可以毫不

費力地將硬體和軟體組件與解決方

案相結合，從而形成整個系統。

來自一家製造商的統一、相容的硬體和軟體解決方案

在開發自動化平台時，我們從一開始就非常重視無縫連接。機械系統、含馬達和控

制器的驅動系統以及軟體模組被設計為一個單元 — 這適用於機械介面以及電氣和智

能介面。優先考慮的主要問題是與多家控制器製造商相容。這是發掘新潛力並設計

靈活、高效和個性化生產系統的唯一途徑，無論是針對批量機器還是專用機器、新

品設計還是衍生機型。

我們的配對式可擴展模組化系統配備各層級的自動化組件，有助於設計多功能機

器和控制方案，不僅可以節省成本和時間，還可達成靈活性和個性化。

11


• 機械多功能性，每個應用需要不同的機械運動 — 直線或旋轉。Festo 的機械模

組化系統提供所有常見的機械運動系統，其介面相互搭配，並可與工件和馬達

配合。

– 有桿電缸

– 含不同驅動（螺桿和齒輪皮帶）的無桿式電缸

– 懸臂式和滑台式電缸

– 電爪和旋轉電缸

• 機械和驅動系統的最佳配置

原則上，運動的自動化並不會過分複雜，但是要正確制定解決方案規模、高效且

低成本地設計解決方案，需要具備大量有關機電專業以及伺服驅動控制技術選擇

的知識。只有當軟體知道所有參數 — 應用領域、產品和系統固有的參數 — 然後

將這些參數與專家的專有知識聯繫起來，解決方案才能得到最佳設計並將安全係

數保持在最低水準。

基於這一開發層級，無論是機械系統還是伺服驅動技術，Festo 幾乎知道所有必要

參數，並開發了滿足這一需求的軟體工具。

– PositioningDrives，用於各種電驅動產品

– Handling Guide Online，用於完整的 3D 抓取解決方案

使用 Handling Guide Online 快速簡單地配置標準抓取系統

Handling Guide Online：選擇正確

的 3D 抓取系統包括 CAD 模型，

只需 3 個步驟、20 分鐘 — 針對

應用領域的運動和動態要求。

12


• 當所有連接的組件及其參數都已知時，就可以快速、輕鬆地執行機電驅動系統的簡

單快速調校 — 理想情況下，每次為所有自動化組件使用相同的軟體。在 Festo 的

調校軟體中，安裝適當的組件插件，然後透過拖放進行連接。這是輕鬆調校機電驅

動解決方案並將其整合到整個系統中的唯一方法，可以快速可靠地執行概念所需的

任何產品變更，無需過多的工作量。

– Festo Automation Suite

• 提高機器可靠性和利用率，完美協調和優化連接的組件 — 機械和電氣 — 可確保機

器可靠運行。機器可靠性一方面可提高機器利用率，另一方面可提高產量和產品品

質。其他工具和新概念可提高機器可靠性：

– 狀態監控 – 預測性維護

伺服驅動的整合

將伺服驅動整合到控制器中，是一項要求很高的任務。

如果兩者來自同一製造商，通常不會太複雜，這時通常會提供合適的軟體工具和支

援文件。兩個參與者彼此瞭解，資料自動交換，採用相同的語言，並且功能模組都

描述清楚。

但是，如果是 A 製造商將伺服驅動整合到 B 製造商之控制器中的場合，情況就不

同了。當標準化的子系統、機電伺服驅動系統或機器模組必須根據客戶的要求重

新調整，並且需要更換控制器製造商時，就可能出現這種情況，或者機器被出售

到世界另一個地區並指定了不同的控制器製造商時。在這些情況下，整合工作可

能很快會變得複雜、費力、耗時且成本高昂，通常這意味著需要重新開始進行程

式設計。

這時，軟體工程師或程式設計師會面臨新的挑戰。

除了軟體和硬體平台的變化外，他們還經常要面對不同的現場匯流排系統、軟體

模組和資料協議。這意味著他們必須掌握多種語言，並且需要瞭解各個組件相互

之間的作用以及它們的運作方式。這要耗費很多時間才能此類機電驅動系統可以

零故障運行，即使這樣，仍然需要經常對機器工作流程進行程式設計。這同樣適

用於調校，如果由於即將接近交付日期而出現時間壓力，可能會因技術困難導致

計劃外的延誤。

Festo Automation Suite：借助初始化

調校助手，電缸系統可以分 5 步進行

調校，伺服驅動可以透過 2 次點按整

合到 CPX-E 的控制程式中。

透過連接智能軟體支援，可以快速且簡

便地在控制系統中整合不同製造商的伺

服驅動和伺服馬達。


13

Festo 最新一代伺服驅動和伺服馬達結合直覺的調校軟體 Festo Automation Suite，使

這種整合更加容易，並大幅加快了速度。這可以幾乎無縫整合到所有根據乙太網路

的常用外部控制器中，使用者甚至不會發現硬體製造商是不同的。Festo 伺服驅動的

參數設定和性能，與控制器製造商的封閉控制器一樣。伺服馬達會自動將其資料傳

送到封閉控制器，然後透過電子額定面板」(electronic rating plate) 傳送至軟體。所

有這些都能提高可靠性並避免錯誤，大幅減少系統配置和調校工作，尤其是在與合

適的機電組件結合使用時。

含伺服驅動 CMMT-AS 和馬達 EMMT-AS 的伺服驅動組合，直接整合在基於乙太網路的

控制解決方案中


14

用於調校整個機電驅動套件的軟體

調校伺服驅動系統以及相關機械系統，是工程過程的最後一步，同時也可能是最重

要的步驟。這應當快速、輕鬆並且可靠 — 沒有任何當機情況。

工程過程從配置機械系統、單個軸或 3D 抓取系統開始；在此階段，工程師通常還會

指定合適的伺服驅動系統。機電驅動系統的配置包括所有相關資料，例如電缸、馬

達和封閉控制器的類型和尺寸，如有需要，還包括必要的減速機等。工程軟體通常

在此階段使用，因為它只需按幾下即可取代耗時的手動計算，而手動計算通常會有

安全風險。在此階段確定的選擇組件的數據、關鍵值和參數，隨後會再次用於其他

軟體工具，例如在程式撰寫和調校期間。

應用程式設計師會在設計階段後幾周甚至幾個月，對機器撰寫程式。其任務是對使

用者程式進行程式撰寫，並對驅動控制器進行參數設定。透過隨時可取得配置中的

設計資料，程式撰寫和調校得以明顯簡化，並且更加快速可靠。然後可以從設計資

料自動傳輸控制器參數和服務驅動的功能；如有需要，可以自動檢查更新和下載最

新韌體。

透過在一個平台上整合先前獨立的各種軟體工具，資料和參數更加統一且方便使

用，使得此過程變得更快、更簡單且更可靠。此通用軟體平台適用於整個工程過

程，完美適合從機械系統到雲端的無縫連接概念。其可以由不同的人在不同的時間

使用，並透過採用統一的外觀和一致的操作來達成簡化。

基於 PC 的 Festo 自動化套件將參

數化、程式撰寫和維護整合成單一

程式，可以調校從機械系統到控制

器的整個驅動套件。

Festo 自動化套件：分 5 步驟調校機電驅動系統

出版者： Festo AG & Co. KG Ruiter Strasse 82 D-73734 Esslingen www.festo.com/ea

http://www.festo.com/ea

白皮書：工業自動化領域的無縫連接 - festo ·...

Documents