适合社会化制造的设计

Posted 2022-03-29 姚家湾

        普遍认为，大批量制造（mass production）是最有效的生产方式，我们使用的日常用品和生产设备都是在巨大的工厂生产出来的，比如电脑，冰箱，彩电，汽车，甚至家具和建筑材料以及机床，控制设备等等，都是在巨大无比的工厂内生产出来的。

同样地，在互联网时代没有到来之前，社会新闻也是依靠巨无霸的新闻媒体集团“制造出来的”“。

        大批量制造的缺点是显而易见的，它无法实现“定制化需求“。不过另一个缺点却往往被人们所忽略。这就是社会大众的参与。 社会大众，他们可能是工人，农民，儿童，医生或者律师，他们有大量闲暇时间，被搁置创造价值经验和技能，闲置的计算机和某些加工设备。无法参与到商品制造中去。

        同样地，大批量制造同样也限制了不同地区的人们和企业参与“制造”,造成了不同地区的发展不平衡。比如，大多数上商品的大批量制造已经做到了极致，为了提高生产效率，出现了富士康这样的巨无霸企业。当疫情或者地缘政治发生变化时，这些企业的迁移会对地区造成伤害。

        当制造业充分地利用社会大众和分布式制造企业的资源，形成了“社会化制造（social production）“。对整个社会而言，能够提高制造业的效率。尽管社会大众的每一个个体而言，他们的生产效率也许不高。但是他们的资源和时间本身是闲置的，利用率不高的。对他们而言成本也许是微乎其微的。

        针对大批量制造无法实现商品的定制化需求，人们提出了大批量定制的口号。并且希望构建目前还十分昂贵的智能化设备来实现。 以批判性思维方式来考虑问题，我们能否通过社会化制造的方式来实现定制化商品呢？

        社会化生产的另外一种形式是所谓的对等生产（peer production）。在这里，也许没有整机厂商和零部件厂商之分，原来的传统大厂的领导力被削弱。

社会化生产的几个要素

“模块化”

        “模块化”是商品的一种属性，它描述了它可以分解成更小的组件或模块的程度，这些组件或模块可以在组装成一个整体之前独立生产。

        如果模块是独立的，则各个贡献者可以选择彼此独立贡献的内容和时间。这最大限度地提高了他们的自主权和灵活性，以定义他们参与项目的性质、范围和时间。

“粒度“

“粒度”是指模块的大小，它们也决定了个人必须投入生产它们的时间和精力。

• 可以参与项目的人数与生成可用模块所需的最小规模贡献的大小成反比。
• 模块的粒度决定了参与项目所需的最小的个人投资。

如果最细粒度的贡献相对较大并且需要大量的时间和精力投入，那么潜在贡献者的范围就会减少。因此，一个成功的大型对等生产项目必须使其模块的主要部分相对细粒度。

开放性

        实现大批量制造的企业同样会采纳模块化设计方法，这样做同样有利于商品的专业化制造。但是所有的模块都是在他们的工厂内完成的。各个模块的连接方式，接口都作为厂商内部制造文件的一部分，需要在工厂通过专业的设备来完成总装和测试。

        要实现社会化制造，模块的安装必须简单，能够使用简单的工具完成组装，各种接口必须开放，是独立贡献者能够生产某一些部件，或者为这些部件编写程序。

        也许传统大批量制造厂商会认为开放性会损害它们的某些利益。不过，万一别人这么做了呢？

        在最简单的层面上，一般的社会化生产，特别是对等生产，为生产信息产品的现有企业带来了新的竞争， 现在有社会化生产的产品来替代一部分传统产品。

研究课题

最近我研究一个IT 行业的“社会化制造”的课题。

项目的名称

开发适合社会化制造的控制设备。

目的

     在自动控制行业，有各种各样的控制设备，诸如PLC，运动控制器，数据采集，图像识别等等。这些设备就硬件而言，结构大同小异，但是内部的逻辑，接口，软件，算法依赖于各个厂商。研发这些产品的技术难度是很大的，而且涉及到硬件工程师，结构工程师，嵌入式软件工程师，FPGA verilog 工程师以及相关行业的工程师。而制造这些产品的资金投入和管理难度同样是非常大的，小型的企业和创业团队难以完成这些产品的全部研发工作。

     我们尝试开发一种适合社会化制造方式的控制设备，使各种专业人才和企业共同参与产品的研发，制造和应用推广。

基本方案

模块化

        产品的硬件，FPGA IP和软件广泛地使用模块化理念设计。模块化的颗粒度尽可能地小。从图中可以看出，产品将分为以Xilinx Zynq 7020 为基础的背板，四个高速IO板，它们通过syzygy 夹层接口与背板连接。另外能够通过CAN FD 连接低速IO板。

开放型

        产品的技术最大程度地开发，社会化制造的参与者能够依据技术文档开发产品的任何模块。

可重构（reconfiguration）

控制器 充分利用了现代FPGA 局部可重构技术，相同的高速IP板可以下载不同的HDL IP与之对应。用户也可以将matlab/simulink的程序或者功能块转换成HDL IP 下载到FPGA 的局部分区运行。实现硬件加速和计算。

从仿真到生产

        这些产品不仅能够用于仿真和快速验证，同时可以在生产环境长期可靠运行。尽管目前大量的开发板符合社会化制造的要求，但是它们大多数都无法直接在生产环境中长期可靠，安全地运行。

        本项目开发的产品符合生产现场运行的。不同的模块，FPGA IP，软件，IO接口板组合成为特定应用的产品。降低了高性能控制器的研发制造的门槛，实现“个性化定制”。

应用与市场

zynq 的开发/生产平台

     控制器遵循了“从仿真到生产”的设计理念，它不仅能够成为快速原型设计的开发平台，当设计完成以后，用户能够设计少量特殊的IO接口板，就能作为生产设备在自动控制现场长时间可靠运行。省去了二次开发和生产最终产品的复杂过程和人力物力。

zynq/FPGA 的教学实验平台

        作为一台以zynq 为主的硬件平台，能够作为大学和个人爱好者的教学和创新设计平台。

matlab 的快速原型机开发平台与设备

        matlab/simulink 的算法能够转换成文HDL IP核，通过linux OS 下的软件能够下载到控制器 的FPGA 的局部可重构分区运行。国外的产品一般都是10万左右。

这样的应用比较广泛了，它们包括

• 图像识别
• 汽车的ADAS
• 3 D 像机
• 示波器
• 电机控制算法
• 飞控算法
• 机械振动分析
• 电力电子
• 汽车电子

python 算法的快速开发平台

   Pynq 是xilinx 的一个开源项目，使得用户能够实验python 语言直接控制ZYNQ中的硬件逻辑，从而实现了实验室实时数据采集，分析。这可以应用与比如振动分析，医学数据分析等等

高端工业控制设备平台

比如IEC61499 控制器，运动控制器。由于它内部具有一个FPGA ，处理能力非常强大。比如可以用来开发一个液压运动控制器

实时高速数据采集设备（DAQ）

 类似于NI 的compactRIO，

通用仪器

• 示波器
• 频谱仪
• 信号发生器

硬件结构

   包括了底板，处理器IO接口板，电源板，4个高速IO板。并且可以通过总线连接多个低速IO模块。

 PCB结构

 结束语

        本文提出了开发适合社会化制造方式的控制器的开发。探讨一种开放性自动化方法。感兴趣的读者可以进一步探讨。