自動化技術與柔性生產(chǎn)的融合

貝加萊工業(yè)自動化（上海）有限公司 宋華振

1 引言

柔性制造FMS概念的提出已經(jīng)超過快半個世紀了，當時為了勝任更為復雜的汽車、船舶、重工機械的配件與組裝生產(chǎn)而提出了這一概念?；跀?shù)控加工技術、自動化物流、AGV技術、計算機控制技術的集成來實現(xiàn)最終對變化產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。然而，今天，柔性的生產(chǎn)已經(jīng)不僅僅停留于類似零配件這類具有一定的剛性，具有可測量的加工對象和確定的組合流程。隨著市場需求的變化、自動化技術、信息技術、管理科學的發(fā)展，柔性的生產(chǎn)需求已經(jīng)逐漸覆蓋于各個工業(yè)生產(chǎn)，包括消費品的生產(chǎn)領域如啤酒飲料、食品、印刷、塑料、消費電子等各個領域。

因此，我們這里并非討論FMS——狹義的柔性制造概念與技術，而是更為靈活和柔性的生產(chǎn)，基于對市場需求的變化、自動化技術的變化、信息技術融合等探討今天廣泛的柔性制造需求與實現(xiàn)。

2 柔性生產(chǎn)的目標

現(xiàn)代企業(yè)市場運營均基于市場拉動型而不再是傳統(tǒng)的推動型，這使得與傳統(tǒng)FMS不同是為了解決生產(chǎn)組織中的問題，其核心是以解決自身生產(chǎn)為目的，而今天的柔性生產(chǎn)是為了解決客戶需求，目標在于客戶需求。

2.1 更為個性化和差異化的市場

2014年，可口可樂開始為消費者提供全新的標簽設計，更具個性化，并且在印度等市場，可口可樂提供一些附件使得瓶子可以被繼續(xù)使用，成為噴霧器、卷筆刀、酸奶的制作容器，這些都典型地顯示了來自市場的差異化和個性化。一方面，消費者需求，而另一方面企業(yè)也不斷通過今天的大數(shù)據(jù)分析來實現(xiàn)差異化的產(chǎn)品與服務，需求在不同的產(chǎn)業(yè)鏈從終端消費者延伸至生產(chǎn)企業(yè)，再到機械制造與系統(tǒng)提供商，延伸至自動化系統(tǒng)與方案提供商，這使得自動化技術必須面對這種需求來提供相應的解決方案。

2.2 成本的競爭壓力

事實上，成本競爭壓力對于消費市場更為迫切，盡管礦泉水瓶能夠耗費的材料是有限的，但是，巨大的產(chǎn)量需求會放大這個成本，即使是1%的變化，生產(chǎn)系統(tǒng)能耗降低1%甚至意味著數(shù)百萬成本的節(jié)省。今天，企業(yè)需要的不僅僅是更好地生產(chǎn)瓶子，還必須要盡量低的成本，技術必須為此做出貢獻才能更具競爭力。

2.3 科學管理的發(fā)展

管理科學也在不斷的延伸，其通過不斷的數(shù)學建模來實現(xiàn)生產(chǎn)計劃、過程分析的優(yōu)化為企業(yè)提高生產(chǎn)效率，而這些更為靈活的生產(chǎn)組織模式也必須借助于更為柔性的自動化系統(tǒng)、信息系統(tǒng)融合來實現(xiàn)，具有不同特性的領域的融合必須借助于可測量和可連接的系統(tǒng)來實現(xiàn)，也使得自動化必須在橫向和縱向提供接口，而在設備級的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和基于管理決策與優(yōu)化分析的MES、CIMS必須得以融合。

3 開放自動化技術實現(xiàn)互聯(lián)基礎

3.1 開放的接口互聯(lián)

要實現(xiàn)柔性制造，必須打通橫向與縱向的設備瓶頸，必須借助于開放的接口，工廠集成的瓶頸在于兩個維度的考量：

在橫向集成設備難點在于不同公司的設備自動化組件供應商不同，總線標準不同，軟件平臺的不同，這是需要打通的第一個數(shù)據(jù)交互的環(huán)節(jié)，否則，無法實現(xiàn)集成的生產(chǎn)線將無法達成同步控制和高效的生產(chǎn)。取消傳統(tǒng)生產(chǎn)系統(tǒng)的中間搬運或機臺間的離散輸送，從而實現(xiàn)連續(xù)的高效生產(chǎn)。

在縱向則需考慮不同的產(chǎn)品之間的互聯(lián)，實現(xiàn)從傳感器到控制器到管理級的集成，這需要跨越實時域到非實時域數(shù)據(jù)的交互。

3.1.1 實時以太網(wǎng)技術

實時以太網(wǎng)可以解決生產(chǎn)效率的問題，也可以實現(xiàn)在實時域和非實時域的數(shù)據(jù)集成.目前，基于軟實時設計的架構可以從這個角度來實現(xiàn)垂直方向的集成，水平方向同樣可以，例如：POWERLINK、PROFINET、Ethernet/IP均具有這樣的能力，在μs級的分布式運動控制來實現(xiàn)設備級高速高精度加工，在不同控制器、車間級實現(xiàn)數(shù)據(jù)的橫向與縱向連接。

POWERLINK即是一個典型架構，可以采用Windows、Linxu上的軟件直接驅(qū)動集成，這樣就可以保證對于低實時性需求的管理級網(wǎng)絡與高實時性的運動控制網(wǎng)絡集成，POWERLINK網(wǎng)關用于區(qū)分其不同的數(shù)據(jù)調(diào)度，如圖1所示。

圖1 POWERLINK架構示意圖

3.1.2 OPC-UA

實時以太網(wǎng)解決互聯(lián)的問題，而OPC-UA則解決連接中的數(shù)據(jù)訪問標準接口，在應用級的接口統(tǒng)一標準，對于來自不同廠商的控制器，OPC-UA提供了MES、SCADA系統(tǒng)對于不同設備的數(shù)據(jù)采集應用層規(guī)范，這確保管理系統(tǒng)能夠有效地獲得數(shù)據(jù)并服務于管理數(shù)據(jù)的優(yōu)化。

3.2 開放的軟件

柔性的制造工廠的基礎開放性是對網(wǎng)絡開放性的需求，而如同在機器領域一樣，不同行業(yè)的應用也會不同，尤其是當自動化生產(chǎn)系統(tǒng)與管理系統(tǒng)融合時會存在較大的差異，難點在于通常的自動化系統(tǒng)其采用的RTOS和嵌入式開發(fā)平臺工具等均基于與傳統(tǒng)管理系統(tǒng)不同的架構，這使得兩者融合就會非常難，往往會出現(xiàn)自動化的人不了解管理軟件、專家軟件的應用，而專家軟件、管理軟件又不了解自動化軟件，這里形成很大的難度，而一些領先的自動化廠商在這方面取得了不菲的研發(fā)效果。

3.2.1 仿真建模

MATLAB/Simulink這一工具對于很多行業(yè)工藝軟件、控制算法的研究非常實用和專業(yè)，而在過去，從MATLAB/Simulink到PLC之間存在著鴻溝，在計算機上仿真的往往無法直接在PLC上使用，而需通過手動的代碼轉化移植到PLC上，而這兩個領域的工程師又往往是代表不同的領域，Mathworks在2008年的Simulink PLC為PLC提供了C代碼，2012年推出ST結構文本的代碼生成功能，這使得原來傳統(tǒng)的PLC可以直接進行代碼開發(fā)，B&R的Automation Studio即有達到一鍵生成的能力與Simulink很好的對接，這確保了在不同的行業(yè)工藝算法可以被快速移植到PLC的運行。

3.2.2 EPLAN

為了實現(xiàn)工程范例，EPLAN也與諸如貝加萊Automation Studio這樣的軟件實現(xiàn)對接，可以將來自自動化廠商的配置圖轉化為電氣接線圖，同時基于EPLAN的配置也可以導入到自動化開發(fā)平臺實現(xiàn)配置的生成。這一工具旨在降低工程量。

3.2.3 三維軟件的集成

這是更為普遍的做法，例如：不同的3D或者AutoCAD這樣的軟件可以為機械加工生成G代碼，直接為通用運動控制架構下的CNC和機器人系統(tǒng)所接受，從而實現(xiàn)設備的全線集成。

開放的軟件不僅僅局限于仿真建模、工程圖紙、三維集成，也包括通信、安全等，這一切代表著自動化與管理系統(tǒng)、行業(yè)專家系統(tǒng)的融合變得更為密切，必須在更為廣泛的領域來實現(xiàn)對此的集成，以確保更為廣泛的生產(chǎn)互聯(lián)。

4 集成平臺實現(xiàn)系統(tǒng)無縫連接

對于工廠的集成，平臺架構變得更為重要，這與傳統(tǒng)的單機設備開發(fā)工具不同，新的集成開發(fā)平臺需要在深度與廣度方面的集成，深度對于集成開發(fā)平臺包括行業(yè)專業(yè)庫的標準化與開放的自定義庫實現(xiàn)能力，而廣度則在于滿足互聯(lián)、開放的軟件接口、數(shù)據(jù)交互功能的設計，B&R Automation Studio即是此類平臺的典型。

4.1 核心在軟件集成

工廠的集成從設備的智能化到產(chǎn)線互聯(lián)，互聯(lián)也包含了規(guī)劃的軟件集成，而這一切則是需要軟件的互聯(lián)而非僅僅硬件的互聯(lián)。對于CNC & Robotics、定位控制、安全、液壓，這些在傳統(tǒng)架構下完全不同的控制而言，集成架構是可以在同一控制器的統(tǒng)一軟件規(guī)劃下無縫連接的，這確保了機器功能更為豐富的同時使得生產(chǎn)的效率在互聯(lián)基礎上實現(xiàn)更高的升級。

無論是智能設備到產(chǎn)線，還是產(chǎn)線到規(guī)劃的工廠，這些必須通過軟件進行耦合，任何行業(yè)的特殊性最終必然通過軟件形成來體現(xiàn)。

5 物流供應技術改變生產(chǎn)組織

由于工廠的互聯(lián)和生產(chǎn)組織的變化，原有的歸于不同產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)也被納入到現(xiàn)今的系統(tǒng)中，例如：機器人、物流設備。傳統(tǒng)上，機器人本不被納入自動化領域而歸屬于機械產(chǎn)業(yè)，物流也是一個獨立的行業(yè)，而今天，新的工廠使得這一切與自動化更為緊密的結合。

5.1 機器人的在線物流

機器人應用最大的貢獻實際上是它使得工廠的機臺間的銜接變得更為自由，由于生產(chǎn)速度越來越快，依賴于人工已經(jīng)無法勝任這樣的工廠輸送頻度，并且人工的額外擴充也在成本越來越高的時代不大現(xiàn)實，即更快地輸送滿足生產(chǎn)的節(jié)拍。另一方面，高自由度機器人在空間使得原有的生產(chǎn)機臺組織變得更為自由，因為，機器人可以通過設置參數(shù)來實現(xiàn)空間的物流搬運、加工輔助等，而無需機臺、機械設置的變化來實現(xiàn)，例如AGV輸送使得傳統(tǒng)的按照生產(chǎn)工件安裝流程的大型物流輸送變得更為簡化，生產(chǎn)也變得更為柔性。

5.2 柔性物流系統(tǒng)

物料供應今天變成了柔性制造的核心問題。我們探討生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化集成，然而，如果生產(chǎn)的物料供應不能按照生產(chǎn)所需實現(xiàn)自動給料、配送，那么，這樣的智能生產(chǎn)就失去了意義，包括制成品如果無法快速被送入倉庫進行分類存儲和輸出，那么一方面會產(chǎn)生上游無法給下游提供物料而生產(chǎn)無法供應，另一方面高速生產(chǎn)堆積在產(chǎn)線的產(chǎn)品阻礙了生產(chǎn)的延續(xù)。這是為什么物流今天也被納入自動化領域的一個重要原因。

6 信息技術集成打通生產(chǎn)與管理

國家關于“兩化融合”的戰(zhàn)略是為了解決這些生產(chǎn)系統(tǒng)的連貫問題，今天很多事實證明，這的確是一個瓶頸，我們討論過很多自動化行業(yè)的理念如Industry 4.0、智慧工廠、數(shù)字工廠等，這些在先進的企業(yè)可以初步實現(xiàn)，然而對于大部分傳統(tǒng)生產(chǎn)而言，這依然是任重道遠的發(fā)展過程。

6.1 MES集成

很多企業(yè)的MES系統(tǒng)起源于IT產(chǎn)業(yè)，這使得他們對于自動化技術缺乏了解，而自動化廠商則不對MES進行了解。這是一個瓶頸，如何讓MES與自動化融合則需要雙方的緊密合作。MES處理生產(chǎn)工廠的數(shù)據(jù)，但目前僅限于粗放的生產(chǎn)排產(chǎn)、質(zhì)量控制、看板等在線管理功能，不能更為深入地反映生產(chǎn)和管理的需求，很多MES僅僅停留于對原有來自歐美工廠的標準模型的應用，而這些模型來自于良好的數(shù)字化基礎以及管理實踐的基礎。

打通MES系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)需要自動化系統(tǒng)先行打破原有的開放的通信、軟件互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)基礎——數(shù)字化，否則，又是空中樓閣的智能工廠。

6.2 能效管理

在基礎數(shù)據(jù)之上，我們可以實現(xiàn)能效管理，對工廠的生產(chǎn)流程中的電力、蒸汽、壓縮氣、水、原材料等進行供應量、供應時間的監(jiān)控，能效是目前工廠效率提升最易于實現(xiàn)的部分，可以被納入智慧工廠一期生產(chǎn)柔性項目。