精密箱体类柔性制造系统的系统集成控制解决方案*

邱 红 寸花英 严江云 张 韬

(沈机集团昆明机床股份有限公司，云南昆明 650203)

柔性制造系统(Flexible Manufacture System，FMS)是指由数控加工设备、物料储运装置、计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种中、小批量生产。从第一次世界大战之后，美国福特汽车公司在1910～1920年建立的第一条生产线到20世纪90年代，FMS已成为各国机械制造业发展的重点。据联合国统计，1990年全世界拥有1 500套FMS，且主要分布在日本、美国、英国等工业发达国家。我国FMS的研发应用起步较晚，1985年由北京机床研究所从日本FANUC公司引进我国第一套FMS(JCS－FMS－1)，主要用于旋转体加工。

当前，我国企业面临的市场竞争日益加剧，为了有效地适应这种环境的变化，迫使企业以生产多样化产品的生产柔性战略取代产品单一的大规模生产方式，提升企业的市场适应能力和竞争能力。对于传统的机械制造行业，产品的多样化和系列化对企业产品交货期、生产成本提出了严峻的挑战，企业能否快速地、低成本地从一种产品的生产切换到另一种产品的生产，能否用同一套设备生产多种不同的产品，且设备能随着市场需求变化适用于新产品的生产，使企业具备动态地适应多样化需求的能力。正是基于这样的市场竞争需求，国内越来越多的机械制造企业购买柔性制造系统，用于中小批量外形复杂零件的自动化加工。

本文介绍的是基于昆明机床股份有限公司(以下简称昆机)中标齐重数控装备股份有限公司柔性制造生产线的合同订单项目:研发2条用于箱体类零件加工的大重型柔性制造系统FMS1000和FMS1600(即FMS1000/1600)。为便于叙述，以FMS1600柔性制造系统做典型介绍。项目基于用户对柔性制造系统的加工产品、生产能力和系统管理规划确定该系统的总体解决方案。

1 FMS系统总体解决方案

柔性制造系统应用于不同的行业，或因用户需求的差异化，其3大组成要素“加工设备、物料储运装置和计算机控制系统”的硬件系统和软件系统将具有极大的差异性。本文介绍的的FMS是用于精密箱体零件加工行业，具有生产计划、设备维护网络化管理的柔性制造系统。基于此，FMS总体解决方案由加工系统、物流系统和集成控制3个子系统的解决方案组成。柔性制造系统总体解决方案结构见图1。

由图1可以看出，FMS由7台双工位精密卧式加工中心、物料储运系统、计算机控制系统和信息集成管理系统组成，其硬件系统的设备层总体布局规划见图2。图中设备层的布局规划是依照用户现场实际使用环境和功能规划设计的，采用有轨小车运输线以及单层缓冲存储站的方案主要是基于用户工件最大载荷重达8 t的搬运和存储技术需求。

总体解决方案具有加工零件质量高、运行灵活和产品应变能力强的优点，当生产品种发生变化时，能迅速通过简单地改变软件、工装、刀具的调整就能够制造出所需的零件，可以满足生产品种多样化的需求。本文重点介绍FMS系统集成控制解决方案。

2 FMS系统集成控制的解决方案

图1所示FMS总体解决方案，从系统集成控制功能层面划分，主要分为加工操作控制系统、物流运行控制系统和信息集成管理系统，各系统功能如表1所示。

如表1中所示，物流控制管理系统是生产计划和加工制造系统之间重要的连接和控制接口，它依据生产计划制定FMS的作业计划，并将作业计划转变为加工系统可执行的控制信息，加工系统按照控制信息自动完成加工任务，信息集成管理系统采集FMS运行信息和生产数据信息，汇总处理后反馈至作业计划制定和生产计划管理系统。因此，FMS系统集成控制整体解决技术方案确定为:通过网络通信技术，构建加工系统、物流控制系统和信息集成管理系统之间控制信息和生产信息的连接，组成全自动控制的柔性制造集成，实现FMS系统的集成控制功能。FMS系统集成控制结构见图3。

表1 FMS功能

图3所示的结构图中，解决方案将系统集成控制分为设备层、控制管理层和计划管理层3层结构，各层之间、计划控制层与信息管理层之间通过PROFIBUS现场总线和工业以太网双层网络通信系统连接。控制管理层依据计划管理层的计划，制定FMS作业计划，经PLC主控系统转化为运动控制指令下达到设备控制层，控制底层设备自动完成工件的识别、搬运、存储、加工和装卸任务。控制管理层的信息集成管理系统通过工业以太网系统获取FMS的生产数据和状态数据，计划管理层通过企业局域网实现对FMS的运行监控和计划管理。

2.1 加工控制系统解决方案

加工系统解决方案是基于单台加工中心的840D数控系统为核心，以数字控制、伺服驱动、位置反馈、PLC控制、辅助控制系统、光机电液传感器等系统组成智能加工技术(以镗、铣、钻、铰和攻丝等加工软件包，以及多种精度综合补偿技术为支撑的控制技术)为基础，优化匹配刀具自动管理系统、刀具/工件在线自动测量系统、单机射频识别系统(Radio Frequency Identification，RFID:用于交换工作台的自动识别)、单机版信息集成软件包，通过研发构建单机网络化控制平台，以及单机与物流小车自动交换工作台的控制技术、单机自动辨识和自动执行FMS信息管理系统下载的加工程序控制技术，单机与主控PLC网络通信等关键技术的攻关，实现单机设备既可独立完成工件所有工序的智能加工，又可通过PROFIBUS总线，由控制管理层的主控PLC系统组态为FMS的智能从站，实现单机设备网络化的集群控制，高效、高质量地完成小批量、多品种的加工任务。

图4是单台加工中心的系统组成方案，所有加工单元的软硬件系统结构均按照FMS系统模块化结构的特点构建，加工单元硬件系统通过PROFIBUS现场总线及组态软件组态连接到FMS的控制管理层，生产数据经工业以太网总线集成到控制管理层的信息管理系统，便于FMS控制管理层系统通过硬件组态和网络通信协调来共同完成加工系统的任务。

2.2 物流控制系统解决方案

物流控制系统包括计划制定层和设备运行控制层两个部分，是FMS的控制核心。该系统的解决方案是以现场总线和网络通信技术为基础，由PLC主控系统作为运动控制系统、WinCC服务器作为作业计划制定视窗任务中心组成FMS控制管理层的上位机控制系统，主要完成作业计划和过程运行控制任务。储运控制系统包括物流小车控制系统、物料自动识别系统(RFID)、上下料站/缓存站操作及监控系统、现场总线通信系统(包括PC通信网卡、总线通信模块、RFID通信模块、总线连接器、总线电缆、通信软件等)组成，是FMS加工系统与加工工件之间的媒介，主要完成工件的输送、搬运、存储和装卸任务。物流控制系统的解决方案见图5。

在图5中，FMS的运动控制系统主控PLC作为柔性制造系统的主站，通过PROFIBUS现场总线，将现场底层设备的7台加工中心、物流小车、射频识别系统组成智能从站。WinCC视窗任务中心主要处理生产计划、作业计划，工艺路线制定、NC程序编码、工件编码、移动工作台任务分配、FMS运行模式选择、设备组合，工件数据、加工任务数据等放入控制系统的数据库。主控PLC通过PROFIBUS总线接受WinCC视窗任务中心的作业计划，并将其处理为FMS加工设备和物流小车的运行控制指令，担负物流小车调度、移动工作台射频识别存储器信息的读写、工件自动识别与监控、控制信息采集与监控、现场总线通信监控、FMS过程运行控制等任务。控制管理层为加工系统高效自动运行提供支持，实现生产计划的柔性控制。

2.3 信息集成管理系统解决方案

基于工业以太网总线技术，构建以西门子运动控制系统(Motion Control Information System，MCIS)软件平台为核心的信息集成管理系统。信息系统包括PC服务器、工业以太网交换机、防火墙、网络版和加工单元单机版的MCIS软件包组成信息集成管理系统。主要任务是采集FMS底层加工单元和物流作业计划集成的设备信息，以及加工设备的生产信息、刀具信息、诊断信息，程序管理等信息，通过工业以太网组态后组成信息集成管理系统，见图6。

图6所示，信息集成管理系统归属于FMS控制管理层，系统通过构建的工业以太网网络通信系统与设备层和控制管理层的控制系统相连接，信息管理系统依据作业计划直接下载NC加工程序到加工设备，加工设备根据运行控制指令自动辨识接受到的加工程序并自动执行加工，同时信息管理系统同步采集所有加工设备的运行状态信息和生产数据信息，经MCIS系统汇总处理，自动生成数据统计报表，分类备份归档，为生产作业计划管理层提供设备利用率、生产效率、设备故障率等FMS运行信息。该系统提供了生产计划管理层的网络数据通信接口，生产计划管理层可直接对整个FMS运行系统内的资源进行计划和管理，实现减少从生产计划到工艺配置的时间以及计划和执行之间的高效协作，简化故障分析过程;缩短机床停工期，最终提高FMS设备利用率、生产效率及系统运行柔性，体现信息管理作用于生产管理的效益。

3 结语

系统集成控制解决方案从实现FMS系统控制功能的角度出发，将控制系统按照分层管理结构划分为设备层、控制管理层和计划管理层3层结构，为企业计划管理层预留网络通信接口，通过FMS软硬件控制系统模块化结构优化设计匹配，以及基于PROFIBUS现场总线和工业以太网总线技术基础，构建FMS双层网络结构，形成控制管理层对设备控制层的主从控制关系，从生产计划层的生产计划下达、控制管理层的作业计划制定和对设备控制层的运行控制，实现了加工系统全自动、信息化、柔性化的高效生产控制，应用后取得了良好的经济效益。

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