自動(dòng)化技術(shù)與柔性生產(chǎn)的融合

1、自動(dòng)化技術(shù)與柔性生產(chǎn)的融合2015/4/14    來(lái)源：傳動(dòng)網(wǎng)    作者：宋華振      關(guān)鍵字：自動(dòng)化  柔性生產(chǎn)  工業(yè)4.0  在當(dāng)今現(xiàn)代化企業(yè)向工業(yè)4.0邁步的背景下，工廠中的“兩化（即自動(dòng)化與信息化）融合”已成為實(shí)現(xiàn)工廠柔性生產(chǎn)，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的重大技術(shù)策略，自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)與柔性制造的融合更是創(chuàng)建智能工廠必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。摘要柔性制造系統(tǒng)是為了適應(yīng)復(fù)雜制造任務(wù)而產(chǎn)

2、生的。隨著市場(chǎng)需求的變化，自動(dòng)化、信息技術(shù)和管理科學(xué)的發(fā)展，柔性生產(chǎn)已經(jīng)逐漸覆蓋了工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。本文首先介紹了柔性生產(chǎn)的目標(biāo)，著重論述了開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的橫向與縱向集成以及開(kāi)放軟件架構(gòu)的融合、基于以軟件集成為核心的新的集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)（如AutomationStudio）的工廠集成和應(yīng)用機(jī)器人的柔性物流系統(tǒng)，最后討論了智能工廠中的信息技術(shù)集成及自動(dòng)化系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的融合。1、引言柔性制造FMS概念的提出已經(jīng)超過(guò)快半個(gè)世紀(jì)了，當(dāng)時(shí)為了勝任更為復(fù)雜的汽車(chē)、船舶、重工機(jī)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(shù)、自動(dòng)化物流、AGV技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的集成來(lái)實(shí)現(xiàn)最終對(duì)變化產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。然

3、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(cè)量的加工對(duì)象和確定的組合流程。隨著市場(chǎng)需求的變化、自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)、管理科學(xué)的發(fā)展，柔性的生產(chǎn)需求已經(jīng)逐漸覆蓋于各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)，包括消費(fèi)品的生產(chǎn)領(lǐng)域如啤酒飲料、食品、印刷、塑料、消費(fèi)電子等各個(gè)領(lǐng)域。因此，我們這里并非討論FMS-狹義的柔性制造概念與技術(shù)，而是更為靈活和柔性的生產(chǎn)，基于對(duì)市場(chǎng)需求的變化、自動(dòng)化技術(shù)的變化、信息技術(shù)融合等探討今天廣泛的柔性制造需求與實(shí)現(xiàn)。2、柔性生產(chǎn)的目標(biāo)現(xiàn)代企業(yè)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)均基于市場(chǎng)拉動(dòng)型而不再是傳統(tǒng)的推動(dòng)型，這使得與傳統(tǒng)FMS不同是為了解決生產(chǎn)組織中的問(wèn)題，其核心是以解決自身生產(chǎn)的為目的，而

4、今天的柔性生產(chǎn)是為了解決客戶需求，目標(biāo)在于客戶需求。2.1更為個(gè)性化和差異化的市場(chǎng)2014年，可口可樂(lè)開(kāi)始為消費(fèi)者提供全新的標(biāo)簽設(shè)計(jì)，更具個(gè)性化，并且在印度等市場(chǎng)，可口可樂(lè)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，這些都典型的顯示了來(lái)自市場(chǎng)的差異化和個(gè)性化。一方面，消費(fèi)者需求，而另一方面企業(yè)也不斷通過(guò)今天的大數(shù)據(jù)分析來(lái)實(shí)現(xiàn)差異化的產(chǎn)品與服務(wù)，需求在不同的產(chǎn)業(yè)鏈從終端消費(fèi)者延伸至生產(chǎn)企業(yè)，再到機(jī)械制造與系統(tǒng)提供商，延伸至自動(dòng)化系統(tǒng)與方案提供商，這使得自動(dòng)化技術(shù)必須面對(duì)這種需求來(lái)提供相應(yīng)的解決方案。2.2成本的競(jìng)爭(zhēng)壓力事實(shí)上，成本競(jìng)爭(zhēng)壓力對(duì)于消費(fèi)市場(chǎng)更為迫切，盡管礦泉

5、水瓶能夠耗費(fèi)的材料是有限的，但是，巨大的產(chǎn)量需求會(huì)放大這個(gè)成本，即使1%的變化，生產(chǎn)系統(tǒng)能耗降低1%甚至意味著數(shù)百萬(wàn)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(shù)必須為此做出貢獻(xiàn)才能更具競(jìng)爭(zhēng)力。2.3科學(xué)管理的發(fā)展管理科學(xué)也在不斷的延伸，其通過(guò)不斷的數(shù)學(xué)建模來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃、過(guò)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(dòng)化系統(tǒng)、信息系統(tǒng)融合來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有不同特性的領(lǐng)域的融合必須借助于可測(cè)量和可連接的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也使得自動(dòng)化必須在橫向和縱向提供接口，而在設(shè)備級(jí)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

6、、開(kāi)放自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)基礎(chǔ)3.1開(kāi)放的接口互聯(lián)要實(shí)現(xiàn)柔性制造，必須打通橫向與縱向的設(shè)備瓶頸，必須借助于開(kāi)放的接口，工廠集成的瓶頸在于兩個(gè)維度的考量：在橫向集成設(shè)備難點(diǎn)在于不同公司的設(shè)備自動(dòng)化組件供應(yīng)商不同，總線標(biāo)準(zhǔn)不同，軟件平臺(tái)的不同，這是需要打通的第一個(gè)數(shù)據(jù)交互的環(huán)節(jié)，否則，無(wú)法實(shí)現(xiàn)集成的生產(chǎn)線將無(wú)法達(dá)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(yùn)或機(jī)臺(tái)間的離散輸送，從而實(shí)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(shí)現(xiàn)從傳感器到控制器到管理級(jí)的集成，這需要跨越實(shí)時(shí)域到非實(shí)時(shí)域數(shù)據(jù)的交互。3.1.1實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)可以解決生產(chǎn)效率的問(wèn)題，也可以實(shí)現(xiàn)在實(shí)時(shí)域和非實(shí)時(shí)域的

7、數(shù)據(jù)集成。目前，基于軟實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)的架構(gòu)可以從這個(gè)角度來(lái)實(shí)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uS級(jí)的分布式運(yùn)動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)高速高精度加工、在不同控制器、車(chē)間級(jí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的橫向與縱向連接。POWERLINK即是一個(gè)典型架構(gòu)，可以采用Windows、Linxu上的軟件直接驅(qū)動(dòng)集成，這樣就可以保證對(duì)于低實(shí)時(shí)性需求的管理級(jí)網(wǎng)絡(luò)與高實(shí)時(shí)性的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)集成，POWERLINK網(wǎng)關(guān)用于區(qū)分其不同的數(shù)據(jù)調(diào)度。 圖1 POWERLINK架構(gòu)示意圖3.1.2OPC-UA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)解決互聯(lián)的問(wèn)題，而OPC-UA則解決連

8、接中的數(shù)據(jù)訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)接口，在應(yīng)用級(jí)的接口統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于來(lái)自不同廠商的控制器，OPC-UA提供了MES、SCADA系統(tǒng)對(duì)于不同設(shè)備的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用層規(guī)范，這確保管理系統(tǒng)能夠有效的獲得數(shù)據(jù)并服務(wù)于管理數(shù)據(jù)的優(yōu)化。3.2開(kāi)放的軟件柔性的制造工廠的基礎(chǔ)開(kāi)放性是對(duì)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放性的需求，而如同在機(jī)器領(lǐng)域一樣，不同行業(yè)的應(yīng)用也會(huì)不同，尤其是當(dāng)自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)與管理系統(tǒng)融合時(shí)會(huì)存在較大的差異，難點(diǎn)在于通常的自動(dòng)化系統(tǒng)其采用的RTOS和嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)工具等均基于與傳統(tǒng)管理系統(tǒng)不同的架構(gòu)，這使得兩者融合就會(huì)非常難，往往會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)化的人不了解管理軟件、專家軟件的應(yīng)用，而專家軟件、管理軟件又不了解自動(dòng)化軟件，這里形成很大的難度

9、，而一些領(lǐng)先的自動(dòng)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(duì)于很多行業(yè)工藝軟件、控制算法的研究非常實(shí)用和專業(yè)，而在過(guò)去，從MATLAB/Simulink到PLC之間存在著鴻溝，在計(jì)算機(jī)上仿真的往往無(wú)法直接在PLC上使用，而需通過(guò)手動(dòng)的代碼轉(zhuǎn)化移植到PLC上，而這兩個(gè)領(lǐng)域的工程師又往往是代表不同的領(lǐng)域，Mathworks在2008年的SimulinkPLC為PLC提供了C代碼，2012年推出ST結(jié)構(gòu)文本的代碼生成功能，這使得原來(lái)傳統(tǒng)的PLC可以直接進(jìn)行代碼開(kāi)發(fā)，B&R的AutomationStudio即有達(dá)到一鍵生成的能力與Simuli

10、nk很好的對(duì)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(yùn)行。3.2.2EPLAN為了實(shí)現(xiàn)工程范例，EPLAN也與諸如貝加萊AutomationStudio這樣的軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)接，可以將來(lái)自自動(dòng)化廠商的配置圖轉(zhuǎn)化為電氣接線圖，同時(shí)基于EPLAN的配置也可以導(dǎo)入到自動(dòng)化開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)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(jī)械加工生成G代碼，直接為通用運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)下的CNC和機(jī)器人系統(tǒng)所接受，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全線集成。開(kāi)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

11、動(dòng)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(lǐng)域來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)此的集成，以確保更為廣泛的生產(chǎn)互聯(lián)。4、集成平臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)縫連接對(duì)于工廠的集成，平臺(tái)架構(gòu)變得更為重要，這與傳統(tǒng)的單機(jī)設(shè)備開(kāi)發(fā)工具不同，新的集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)需要在深度與廣度方面的集成，深度對(duì)于集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)包括行業(yè)專業(yè)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)化與開(kāi)放的自定義庫(kù)實(shí)現(xiàn)能力，而廣度則在于滿足互聯(lián)、開(kāi)放的軟件接口、數(shù)據(jù)交互功能的設(shè)計(jì)，B&RAutomationStudio即是此類平臺(tái)的典型4.1核心在軟件集成工廠的集成從設(shè)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(duì)于CNC&Rob

12、otics、定位控制、安全、液壓，這些在傳統(tǒng)架構(gòu)下完全不同的控制而言，集成架構(gòu)是可以在同一控制器的統(tǒng)一軟件規(guī)劃下無(wú)縫連接的，這確保了機(jī)器功能更為豐富的同時(shí)使得生產(chǎn)的效率在互聯(lián)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更高的升級(jí)。無(wú)論是智能設(shè)備到產(chǎn)線，還是產(chǎn)線到規(guī)劃的工廠，這些必須通過(guò)軟件進(jìn)行耦合，任何行業(yè)的特殊性最終必然通過(guò)軟件形成來(lái)體現(xiàn)。5、物流供應(yīng)技術(shù)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(jī)器人、物流設(shè)備。傳統(tǒng)上，機(jī)器人本不被納入自動(dòng)化領(lǐng)域而歸屬于機(jī)械產(chǎn)業(yè)，物流也是一個(gè)獨(dú)立的行業(yè)，而今天，新的工廠使得這一切與自動(dòng)化更為緊密的結(jié)合。5.1機(jī)器人的在線物流機(jī)器人應(yīng)用

13、最大的貢獻(xiàn)實(shí)際上是它使得工廠的機(jī)臺(tái)間的銜接變得更為自由，由于生產(chǎn)速度越來(lái)越快，依賴于人工已經(jīng)無(wú)法勝任這樣的工廠輸送頻度，并且人工的額外擴(kuò)充也在成本越來(lái)越高的時(shí)代不大現(xiàn)實(shí)，即更快地輸送滿足生產(chǎn)的節(jié)拍。另一方面，高自由度機(jī)器人在空間使得原有的生產(chǎn)機(jī)臺(tái)組織變得更為自由，因?yàn)?，機(jī)器人可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)空間的物流搬運(yùn)、加工輔助等，而無(wú)需機(jī)臺(tái)、機(jī)械設(shè)置的變化來(lái)實(shí)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(jiǎn)化，生產(chǎn)也變得更為柔性。5.2柔性物流系統(tǒng)物料供應(yīng)今天變成了柔性制造的核心問(wèn)題。我們探討生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化集成，然而，如果生產(chǎn)的物料供應(yīng)不能按照生產(chǎn)所需實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給料、配送，那

14、么，這樣的智能生產(chǎn)就失去了意義，包括制成品如果無(wú)法快速被送入倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)和輸出，那么一方面會(huì)產(chǎn)生上游無(wú)法給下游提供物料而生產(chǎn)無(wú)法供應(yīng)，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(dòng)化領(lǐng)域的一個(gè)重要原因。6、信息技術(shù)集成打通生產(chǎn)與管理國(guó)家關(guān)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(wèn)題，今天很多事實(shí)證明，這的確是一個(gè)瓶頸，我們討論過(guò)很多自動(dòng)化行業(yè)的理念如Industry4.0、智慧工廠、數(shù)字工廠等，這些在先進(jìn)的企業(yè)可以初步實(shí)現(xiàn)，然而對(duì)于大部分傳統(tǒng)生產(chǎn)而言，這依然是任重道遠(yuǎn)的發(fā)展過(guò)程。6.1MES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(duì)于自動(dòng)化技術(shù)缺乏了解，而自動(dòng)化廠商則不對(duì)MES進(jìn)行了解。這是一個(gè)瓶頸，如何讓MES與自動(dòng)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(duì)原有來(lái)自歐美工廠的標(biāo)準(zhǔn)模型的應(yīng)用，而這些模型來(lái)自于良好的數(shù)字化基礎(chǔ)以及管理實(shí)踐的基礎(chǔ)。打通MES系統(tǒng)和自動(dòng)化系統(tǒng)需要自動(dòng)化系統(tǒng)先行打破原有的開(kāi)放的通信、軟件互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)字化，否