自動生產(chǎn)線的分析與研究

方恩輝

[沈陽機床(集團)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110142]

自動化生產(chǎn)線是在自動化專機不斷完善的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。自動化專機是單臺的自動化設(shè)備，只能完成產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的單一的某項工序，功能有限。在完成好某道工序后，已完成的半成品又需要采用人工方式傳遞給其他專機設(shè)備上繼續(xù)下一道的生產(chǎn)工序。完成整個生產(chǎn)需要一系列不同功能的專機和人工參與才能完成，這樣既降低了場地利用率，又增加了生產(chǎn)員工和設(shè)備，無形中也增加了生產(chǎn)成本，不利于產(chǎn)品效率和質(zhì)量的提高。若將產(chǎn)品生產(chǎn)所需要的一系列不同的自動化專機按照生產(chǎn)工序的先后次序排列，則通過自動化輸送系統(tǒng)可將全部專機連接起來，即可省去專機之間的人工參與過程。產(chǎn)品生產(chǎn)的流程是由一臺專機完成相應(yīng)工序操作后，經(jīng)過輸送系統(tǒng)將以完成的辦成品及生產(chǎn)過程信息自動傳送到下一臺專機繼續(xù)進行新的工序操作，直到完成全部的工序為止。這樣不僅減少了整個生產(chǎn)過程所需要的人力、物力，而且大大縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。這就是自動化生產(chǎn)線產(chǎn)生的背景。

1 自動生產(chǎn)線分析

1.1 自動化階段

在自動化行業(yè)中，第一代技術(shù)是以機械儀表為代表的機械控制技術(shù)，第二代主要是以電氣控制技術(shù)為主的繼電器控制技術(shù)和以調(diào)節(jié)器為代表的模擬控制技術(shù)，第三代是用于過程工業(yè)的分布式控制系統(tǒng)和用于離散行業(yè)的可編程控制器。第四代控制系統(tǒng)是開放式的，是過程工業(yè)控制和離散控制的融合，主要集成在數(shù)字處理技術(shù)和電氣可編程控制技術(shù)的集成上。這里所描述的自動化階段是指第三代的分布式控制系統(tǒng)。我們的數(shù)控機床采用數(shù)控系統(tǒng)進行控制，同時對數(shù)控機床的功能部件如液壓系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，刀具系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)等進行控制。工件傳送系統(tǒng)采用可編程控制器或數(shù)控系統(tǒng)進行控制。但由于當(dāng)時受技術(shù)的限制，數(shù)控系統(tǒng)和可編程控制器沒有通訊接口，不能和外部進行通訊。因此數(shù)控機床和工件傳送系統(tǒng)不能進行網(wǎng)絡(luò)通訊，數(shù)控機床和工件傳送系統(tǒng)只有通過繼電器進行相互信號的溝通。數(shù)控機床和工件傳送系統(tǒng)交互信號數(shù)量有限，類型簡單。此種自動生產(chǎn)線能夠遵循產(chǎn)品加工工藝按照生產(chǎn)工序的先后次序排列數(shù)控機床，通過自動化輸送系統(tǒng)可將全部專機連接起來實現(xiàn)自動化加工?？梢园讶藦姆敝氐捏w力勞動中解放出來；在各數(shù)控機床的工序之間沒有數(shù)據(jù)交換不能實現(xiàn)質(zhì)量的自動檢測，也就不能保證產(chǎn)品加工質(zhì)量；數(shù)控機床由于沒有外部通訊，不能實現(xiàn)自動生產(chǎn)線的柔性加工。每一個控制系統(tǒng)在自動生產(chǎn)線中都是一座信息孤島，不能實現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通。

1.2 智能化階段

我國提出了在本世紀(jì)前20年經(jīng)濟建設(shè)和改革的主要任務(wù)是基本實現(xiàn)工業(yè)化，大力推進信息化，并進一步提出信息化是我國加快實現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化的必然選擇。自動化在信息化與工業(yè)化之間發(fā)揮著橋梁和紐帶作用，面對我國傳統(tǒng)工業(yè)的落后現(xiàn)狀，國家將加大技術(shù)改造的步伐，使我國工業(yè)技術(shù)向多樣化、自動化、智能化方向發(fā)展。

智能控制理論用以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。當(dāng)今的社會是信息化與智能化相結(jié)合的社會，人工智能占有重要地位。人工智能的發(fā)展極大地方便了人們的生活，而人工智能的發(fā)展也離不開自動化技術(shù)。從身邊的事物我們可以發(fā)現(xiàn)，自動化技術(shù)廣泛應(yīng)用于商業(yè)、計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、綜合辦公自動化、交通運輸、過程控制、國防、自動化儀器儀表、人工智能技術(shù)、服務(wù)、科學(xué)研究等各方面。

隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)和可編程控制器都應(yīng)經(jīng)具備了和外部的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，進而實現(xiàn)了數(shù)控機床和工件傳送系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊實現(xiàn)信息互通。目前數(shù)控系統(tǒng)和可編程控制器可以通過工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)計算機進行通訊。西門子數(shù)控系統(tǒng)和法那科數(shù)控系統(tǒng)都可以通過以太網(wǎng)和上位機進行通訊。另外視覺系統(tǒng)通過高清CCD 攝像頭，視覺軟件、OPENCV 庫來進行外觀等智能化識別和判斷，并結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備進行自動化流轉(zhuǎn)。物聯(lián)網(wǎng)通過產(chǎn)品的RFID 的配置，結(jié)合傳感器，掃碼自動識別進行產(chǎn)品位置、工序等生產(chǎn)檢測設(shè)備自動錄入和判斷。機械手臂通過機械臂編程實現(xiàn)自動上下料自動碼垛功能。AGV 小車實現(xiàn)物料自動搬運，物料自動配送等功能。通過上位機進行高級編程控制產(chǎn)品的配置需求和整體生產(chǎn)線的控制及工件傳送系統(tǒng)的調(diào)度。網(wǎng)絡(luò)通訊和工業(yè)軟件技術(shù)的發(fā)展大大促進自動生產(chǎn)線的智能化。自動生產(chǎn)線的智能化必然實現(xiàn)生產(chǎn)的在線測量，智能檢測進而提升產(chǎn)品的加工質(zhì)量，借助上位機系統(tǒng)的智能化實現(xiàn)高柔性加工。

2 自動生產(chǎn)線研究

智能化反映信息產(chǎn)品的質(zhì)量屬性。我們說一個信息產(chǎn)品是智能的，通常是指這個產(chǎn)品能完成有智慧的人才能完成的事情，或者已經(jīng)達(dá)到人類才能達(dá)到的水平。智能化是信息技術(shù)發(fā)展的永恒追求，實現(xiàn)這一追求的主要途徑是發(fā)展人工智能技術(shù)。新一代人工智能主要包括大數(shù)據(jù)智能、群體智能、跨媒體智能、人機混合增強智能和類腦智能等。

對于我們數(shù)控加工類自動生產(chǎn)線，我們現(xiàn)在只對智能化自動生產(chǎn)線進行研究。因為智能生產(chǎn)線是我們目前正在逐步發(fā)展和逐步完善的自動生產(chǎn)線。實現(xiàn)自動生產(chǎn)線的智能化對于數(shù)控加工類自動化生產(chǎn)線主要通過硬件和軟件來實現(xiàn)。這里所描述的硬件是指數(shù)控機床及工件傳送系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。軟件是指作為此條自動化生產(chǎn)線的大腦即整條生產(chǎn)線的管理系統(tǒng)。下面針對自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)的通訊以及上位機管理系統(tǒng)進行研究。

2.1 控制系統(tǒng)與上位機的通訊

自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)和上位機的可靠通訊是上位機管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)；沒有可靠的完整的數(shù)據(jù)通訊就沒有自動生產(chǎn)線的智能化。上位機通過工業(yè)現(xiàn)場總線與自動生產(chǎn)線各控制系統(tǒng)進行通訊。自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)和上位機的的數(shù)據(jù)通訊包括兩部分即自動化部分和信息化部分。這里我們以比較常用的西門子828D數(shù)控系統(tǒng)和發(fā)那科0IF 數(shù)控系統(tǒng)為例進行分析研究。數(shù)據(jù)通訊包括為自動化部分和信息化部分。兩種數(shù)據(jù)通訊的區(qū)別是：信息化部分偏重數(shù)據(jù)采集；上位機基于高級編程來采集或讀寫數(shù)控變量，對于數(shù)控系統(tǒng)來說是單方面需求，只提供訪問權(quán)限，沒有主從之分，不適合實時互動。數(shù)據(jù)包括數(shù)控變量和PLC 變量，信息量大，數(shù)控系統(tǒng)側(cè)不需要設(shè)定和編程操作；一般不需要選擇功能。自動化部分偏重于信息交互輸入輸出信號，有主從或客戶端服務(wù)端區(qū)分；只有PLC 變量信息量小，通訊的各個端口都需要進行設(shè)定和邏輯編程。西門子數(shù)控系統(tǒng)和上位機通訊，信息化部分采用OPC-UA 通訊協(xié)議實現(xiàn)上位機和數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊；而自動化部分通過S7通訊和上位機通訊。對于發(fā)那科0IF 數(shù)控系統(tǒng)和上位機通訊，信息化是通過上位機基于FOCAS 庫函數(shù)進行數(shù)據(jù)采集；自動化是通過具體通訊板進行通訊可以是ProfiNet 或ProfiBus通訊協(xié)議。上位機無論通過何種通訊協(xié)議與數(shù)控系統(tǒng)進行通訊最終的目的都是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，基于每臺數(shù)控系統(tǒng)的PLC 數(shù)據(jù)和NC 數(shù)據(jù)通過高級編程實現(xiàn)整條生產(chǎn)線的自動控制和管理。自動生產(chǎn)線管理系統(tǒng)示意圖1所示。

圖1 自動生產(chǎn)線管理拓?fù)涫疽鈭D

2.2 自動生產(chǎn)線管理系統(tǒng)

自動線生產(chǎn)線管理系統(tǒng)的系統(tǒng)最底層為生產(chǎn)設(shè)備層，是對生產(chǎn)線上所有的設(shè)備、設(shè)施及輔助機構(gòu)進行設(shè)備互聯(lián)和執(zhí)行控制系統(tǒng)命令控制的基礎(chǔ)通訊層。系統(tǒng)中間層是產(chǎn)線控制層，負(fù)責(zé)承擔(dān)產(chǎn)線接收上位機生產(chǎn)指令和自動控制執(zhí)行各設(shè)備單元機構(gòu)使能動作部分。系統(tǒng)頂層是柔性生產(chǎn)單元生產(chǎn)管控層，與車間級MES 系統(tǒng)或EPR 系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)計劃業(yè)務(wù)對接，可接收廠級生產(chǎn)計劃任務(wù)和生產(chǎn)準(zhǔn)備信息，通過生產(chǎn)管理系統(tǒng)自有的簡單排產(chǎn)功能，實現(xiàn)產(chǎn)線的科學(xué)排產(chǎn)和生產(chǎn)排班，并通過任務(wù)號信息自動查詢產(chǎn)線產(chǎn)品加工基礎(chǔ)庫中對應(yīng)產(chǎn)品信息，自動匹配該產(chǎn)品制造工藝，實現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)的自動管理與自動生產(chǎn)。

生產(chǎn)線管理系統(tǒng)首先實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分析。機床數(shù)據(jù)采集分析模塊提供了各種各樣的數(shù)據(jù)分析方法，自動或人工地對機床數(shù)據(jù)包括機床狀態(tài)、工件計數(shù)、報警等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、處理。首先實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時監(jiān)控，實時監(jiān)控功能適用于一個車間機床的實時狀態(tài)。包括生產(chǎn)、待機、故障等主狀態(tài)，并采集包括上料區(qū)無工件、下料區(qū)堵等同待機相關(guān)的子狀態(tài)。歷史狀態(tài)查詢分析是指在同一時刻可能有多個狀態(tài)，可以通過定義狀態(tài)的優(yōu)先級來決定機床的當(dāng)前顯示的狀態(tài)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，自動數(shù)據(jù)壓縮功能能夠計算在一個時間內(nèi)的機床狀態(tài)的持續(xù)時間和頻率，然后存儲在計算機中。通過數(shù)據(jù)采集分析可以實現(xiàn)機床的利用能力分析。也可以實現(xiàn)機床報警信息診斷和工廠車間日歷功能。機床數(shù)據(jù)采集與分析功能會按照工廠車間日歷中規(guī)定的班次和工作日信息，對機床信息進行統(tǒng)計和分析。其設(shè)定結(jié)果會影響到相關(guān)統(tǒng)計參數(shù)的計算結(jié)果，例如可用率、利用率、OEE 等。通過數(shù)據(jù)采集和分析生產(chǎn)部門可以充分準(zhǔn)確了解機床生產(chǎn)性能提高的潛能；增加了生產(chǎn)的透明化；可以快速查詢最新的生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)；通過快速計算機床故障信息，可以減少維護和維修機床的時間。

生產(chǎn)線管理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)控加工程序管理。由于自動生產(chǎn)線實現(xiàn)智能化進而實現(xiàn)數(shù)控加工的柔性化?？梢宰杂蓪崿F(xiàn)加工工件的換產(chǎn)，加工工件的更換，就需要數(shù)控加工程序的變更和管理。數(shù)控加工程序管理模塊把所有的數(shù)控加工（NC）程序都保存在服務(wù)器上，同時把數(shù)控加工（NC）程序的管理數(shù)據(jù)保存在SQL Server 數(shù)據(jù)庫中。通過工藝員操作終端界面來管理這些數(shù)控加工程序。操作人員可以按實際情況對數(shù)控加工程序進行組織劃分，還可以對數(shù)控加工程序進行版本管理、程序修改、程序信息管理等工作。數(shù)控加工（NC）程序通過這個功能可以直接下載到工作站。數(shù)控加工（NC）程序的傳輸需要經(jīng)過一定的授權(quán)，可以使得程序的傳輸準(zhǔn)確無誤。所有的用戶界面都通俗易懂，使得用戶在短期內(nèi)掌握使用方法。

生產(chǎn)線管理系統(tǒng)實現(xiàn)刀具管理功能。刀具管理模塊可以通過以太網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控機床上的刀具信息，以實現(xiàn)集中刀具監(jiān)控。刀具管理系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、及時最優(yōu)地提供刀具及其組件的全部信息，能夠?qū)Φ毒哌M行調(diào)度、管理，以實現(xiàn)數(shù)控刀具的管理和預(yù)調(diào)，刀具綜合管理和預(yù)調(diào)制度的建立可以實現(xiàn)刀具參數(shù)和刀具壽命管理以及刀具的統(tǒng)一調(diào)配，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，降低刀具庫存量，提高刀具利用率。

生產(chǎn)管理系統(tǒng)實現(xiàn)自動生產(chǎn)線的質(zhì)量管理。通過工件測量和在線監(jiān)測等技術(shù)把工件的加工結(jié)果，上傳到上位機，通過管理系統(tǒng)質(zhì)量模塊的判斷該工件是否合格。對于在線檢測不合格產(chǎn)品，進行返工，只需在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中建立返工單，系統(tǒng)會自動流轉(zhuǎn)到生產(chǎn)返工步驟，對于返工的產(chǎn)品需要做返工總結(jié)，避免后期再出現(xiàn)同樣的問題，提高生產(chǎn)效率，降低成本。

生產(chǎn)管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)訂單管理。根據(jù)生產(chǎn)訂單要求輸入訂單管理模塊實現(xiàn)自動排產(chǎn)。確保在訂單源頭對訂單進行把控，對產(chǎn)品數(shù)量、開工日期、截止日期等進行監(jiān)控，提高訂單業(yè)務(wù)的準(zhǔn)確性，從而保證生產(chǎn)步驟有序進行。

3 結(jié)束語

生產(chǎn)線管理系統(tǒng)是維持生產(chǎn)線正常運行的核心組成部分，是保證產(chǎn)線高效率、高柔性運轉(zhuǎn)的核心保障，通過數(shù)字化業(yè)務(wù)管控、工業(yè)總線控制、實時通信等技術(shù)將生產(chǎn)線上各個分散獨立的設(shè)備設(shè)施連成能進行相互通信、工業(yè)互聯(lián)的整體單元，利用總線控制對生產(chǎn)線任務(wù)進行管理和規(guī)劃，對資源進行全局調(diào)度，形成信息流閉環(huán)反饋機制，確保生產(chǎn)指令的精確執(zhí)行，從而確保整個生產(chǎn)線的正常運行。

智能化自動生產(chǎn)線的建設(shè)是一個綜合性的系統(tǒng)工程。只有站在一個全新的高度，以閉環(huán)的管理模式，先進的信息化技術(shù)手段為依托，統(tǒng)籌規(guī)劃例如倉儲、物流、搬運、工藝、生產(chǎn)以及成品轉(zhuǎn)運等設(shè)備，從產(chǎn)線、車間乃至工廠的方案規(guī)劃初期就進行自動化與信息化的深度融合、統(tǒng)一設(shè)計，才能使二者發(fā)揮最大的效用，使企業(yè)不僅僅是建設(shè)成幾條自動化生產(chǎn)線去滿足生產(chǎn)需求，而是打造成真正“多線一體，統(tǒng)一管控”的數(shù)字化智能柔性自動生產(chǎn)線。