无控制柜自动化系统，现在真的能实现吗？

    想要参加马拉松比赛的跑者，不会在早上穿着破旧的运动鞋和良好的愿望横空出现。跑步者必须遵循训练方案。他们逐渐延长比赛距离——5公里、10英里和半程马拉松。这样，他们将逐渐为终极目标的到来做好准备。

    无控制柜自动化系统的设计与此类似。新的机器控制技术正在帮助先进的系统抛弃使用外壳，在以前，外壳是保护电源、输入/输出（I/O）、网络、人机界面（HMI）、控制和其它设备免受恶劣生产环境影响所必需的。想要从消除电气柜中获益的用户可以先从小范围试点开始。

    对于机器制造商、原始设备制造商（OEM）和设备最终用户来说，无机柜设计具有许多优势。完整的机器安装控制系统可以降低总成本。除了去掉外壳本身之外，机器不再需要风扇、过滤系统、冷却设备和相关电源来运行这一切。所有组件均采用标准连接器，用户可缩短接线时间、消除接线错误并减少文档编制。

    制造商希望减少设备的占地面积，在相同的面积内可以安装更多的机器。新兴的无机柜机器控制模块化选项有助于简化从布线、安装、技术支持到备件库存的所有工作。但我们也不能冒然实施。要了解如何从依赖机柜的设计转变为无控制柜的设计；以及了解实现这一目标所需的三个阶段，这些都非常重要。

▲AMP 8000分布式伺服驱动系统通过将伺服放大器集成到电机中，降低了对控制柜的要求。

01 用于数据采集等功能的分布式I/O

    那么，在这种情况下，与马拉松训练里的5公里跑对应的是什么？这将是在不扩展控制柜的情况下增加功能。

    首先是添加不需要外壳保护的远程I/O和IP65/67级机器控制器。虽然IP67甚至IP69K的加固I/O模块并不新鲜，但这些技术的战略采用，在许多应用中都取得了重大进展。这些设备可以从更多地方收集更多数据，不管其是用于通信、从传感器获取信号还是集成功能安全等。通过将I/O分布在更靠近终端设备的位置，用户可以减少更多的布线。

    然而，可以安装在现场的工业PC解决方案提供了新的可能性。利用这些技术，并不一定意味着使用控制硬件来运行机器。工业PC可以处理特定机器模块的控制逻辑，这些模块可以拔出并在工厂车间内移动。

    在棕地应用中，可以添加一个工业PC作为物联网网关或边缘计算设备。灵活的安装选项使得在最有意义的地方物理连接控制器变得更容易。这样就不必在机柜中寻找空间，无需担心额外热源，也无需将多条电缆连接到机柜。控制器带有一个EtherCAT P端口，将电源和通信功能集成在一根标准的4芯电缆中，可以支持添加用于数据采集或特殊功能的I/O块。

    工业PC配备了分析软件包，可以对数据进行一些预处理，然后使用蜂窝或Wi-Fi发射机，将重要指标发送到企业或云端。如果旧设备仍然满足吞吐量和质量要求，但它需要提供数据来衡量机器运行状况或能源效率，那么这是一个不错的选择。

▲倍福的全封闭、IP67级平板电脑提供了机器控制逻辑。分布式伺服驱动组件将运动控制扩展到整个机器，减少了占地面积要求。

02 机器安装控制和分布式运动控制

    下一个阶段是缩小对新机器的控制柜要求。制造无机柜机器的技术正在不断发展。因此，许多工程师正采取观望态度。然而，已经有许多可安装在机器上的设备可以最大限度地减少对大型保护外壳的需求。

    采用双核或四核无控制柜工业PC作为主机控制器，并使用带有集成驱动器的伺服电机使其成为可能。一些电子设备（电源、保险丝、接触器等）可能需要保留在外壳中，但使用这些无控制柜选项，所需的占用空间会大大缩小。

    我们已经看到许多系统采取了该方法。通常，它们使用具有IP65/67等级的工业PC或全封闭面板PC，将机器控制CPU与坚固的HMI硬件相结合。基于远程I/O解决方案和EtherCAT P通信，分布式伺服驱动系统使机器制造商能够集成动态运动控制，而无需为单独的驱动器预留较大的电气柜空间。

    这些分布式伺服驱动解决方案可将放大器集成到电机背面。IP67分布式模块简化了具有高级运动要求的系统链接。分布式模块还可以通过EtherCAT P连接到其它传感器、执行器等，从而降低对电气外壳的要求。

    除了包装、内部物流、装配和其它行业的固定机器应用外，这类解决方案也是移动机器人的理想选择。自动导引车（AGV）和自主移动机器人（AMR），都有非常紧凑的外壳。在外部或至少部分暴露于恶劣生产环境的空间中，配置控制器可以提供很大的灵活性。

    在任何一种情况下，基于PC的控制器还可以整合几个功能，例如可编程逻辑控制器（PLC）、安全、机器视觉和导航，这些功能通常需要单独的硬件系统。

▲倍福的MX-System为控制和自动化提供了一个模块化的机器安装系统，将所有组件整合到可插拔模块中。

03 完全无控制柜自动化系统

    最后一步是完全抛弃控制柜。实现这一目标所需的技术仍在发展中，因为并非所有控制和自动化所需的设备都有IP65或更高的防护等级。

    允许无机柜控制模块化设计的技术正在进入市场。凭借可扩展的基板，这些系统具有IPC、驱动器、I/O、功能安全等可插拔的构建块。可以使用螺钉快速连接和固定，而不需要花费机柜制造专家数小时的时间。

    据估计，以前通常需要24小时或更长时间的控制系统安装过程，使用机器安装平台中的可插拔自动化组件，现在可以在1小时内完成。

    这种完全无控制柜的方法可以节省大量空间。将控制组件分布在整个机器上，而不是将它们集中在一个带有大量接线的外壳中，从而显著减少占地面积。

    使用基于可扩展底板的模块化系统可以带来一系列好处，包括：

    · 将整体机器占地面积减少70%。

    · 将所需的控制部件数量减少10倍。

    · 整合高达80%的文件。

    · 通过可插拔设备消除代价高昂的接线错误。

    · 消除许多故障点。

    · 通过快速调试加快上市时间。

    全机器安装控制平台的占地面积和复杂性的降低，促进了工厂各部门之间更好的协作。例如，工程师将不需为系统设计特殊的安装空间和支架。更加模块化、可插拔的设计也将减少在将成品机器运输到最终用户设施之前拆卸机器的需要。

    对于设备终端用户来说，其优势将包括提高运行可靠性、降低日常维护要求以及简化故障排除和维修（如果需要）。例如，有些可以通过蓝牙，在智能手机上查看诊断信息，在每个模块上以DataMatrix代码的形式显示唯一的序列号以及通常的状态指示灯。技术人员可以使用智能手机应用扫描这些代码，从控制器和相应的功能模块中检索诊断数据。

    EtherCAT通信可以提供全面的全系统诊断。工业以太网系统还支持热插拔功能，这使得在需要时更换模块尽可能简单快捷。

04 根据需求选择不同阶段

    有了上面这些优势，工程师在各个层面都参与其中也就不足为奇了。然而，这确实需要重新考虑电气和机械系统是如何协同工作的。一些工程师发现，在可机器安装控制的第二阶段，提供了他们目前所需的所有优势，其最终用户客户目前并不要求进行更深入的重新设计。

    无论采用哪个阶段，仔细考虑选项都很重要。一个灵活、可扩展的自动化平台将允许用户利用现有的软件平台和设计，无论是添加具有IP65/67等级的工业PC还是切换到完全无控制柜的机器控制解决方案。

    用户还希望确保前沿系统支持开放式通信协议。毕竟，他们很可能需要与传统设备通信，或者为尚未采用无控制柜设计的组件集成小型远程机柜。在这些情况下，用户可能会发现一些供应商也将无控制柜设计视为一场马拉松，而不是百米冲刺。机器安装技术不断相互构建，以更接近终点线。

    机器制造商和系统集成商可以开始部署更广泛的无控制柜解决方案——独立的IPC、I/O和驱动技术，以便在无控制柜自动化系统发展为主流时抢占先机。

    关键概念： 

    ■ 了解无控制柜系统设计的优点。

    ■ 探索三种实施水平，从简单的向棕地系统添加功能，到在绿地应用中实现完全的无控制柜设计。

    ■ 了解如何选择一个面向未来、可扩展的自动化平台，以便在向无控制柜设计过渡时保护您的知识产权。

    思考一下： 

    无控制柜自动化系统会为您的工厂带来哪些好处？

    ▲本文来自于控制工程中文版杂志（CONTROL ENGINEERING China）2024年9月刊《技术文章》栏目：如何实现无控制柜自动化系统设计？