自动化技术与柔性生产的融合

贝加莱工业自动化（上海）有限公司 宋华振

1 引言

柔性制造FMS概念的提出已经超过快半个世纪了，当时为了胜任更为复杂的汽车、船舶、重工机械的配件与组装生产而提出了这一概念。基于数控加工技术、自动化物流、AGV技术、计算机控制技术的集成来实现最终对变化产品的批量生产。然而，今天，柔性的生产已经不仅仅停留于类似零配件这类具有一定的刚性，具有可测量的加工对象和确定的组合流程。随着市场需求的变化、自动化技术、信息技术、管理科学的发展，柔性的生产需求已经逐渐覆盖于各个工业生产，包括消费品的生产领域如啤酒饮料、食品、印刷、塑料、消费电子等各个领域。

因此，我们这里并非讨论FMS——狭义的柔性制造概念与技术，而是更为灵活和柔性的生产，基于对市场需求的变化、自动化技术的变化、信息技术融合等探讨今天广泛的柔性制造需求与实现。

2 柔性生产的目标

现代企业市场运营均基于市场拉动型而不再是传统的推动型，这使得与传统FMS不同是为了解决生产组织中的问题，其核心是以解决自身生产为目的，而今天的柔性生产是为了解决客户需求，目标在于客户需求。

2.1 更为个性化和差异化的市场

2014年，可口可乐开始为消费者提供全新的标签设计，更具个性化，并且在印度等市场，可口可乐提供一些附件使得瓶子可以被继续使用，成为喷雾器、卷笔刀、酸奶的制作容器，这些都典型地显示了来自市场的差异化和个性化。一方面，消费者需求，而另一方面企业也不断通过今天的大数据分析来实现差异化的产品与服务，需求在不同的产业链从终端消费者延伸至生产企业，再到机械制造与系统提供商，延伸至自动化系统与方案提供商，这使得自动化技术必须面对这种需求来提供相应的解决方案。

2.2 成本的竞争压力

事实上，成本竞争压力对于消费市场更为迫切，尽管矿泉水瓶能够耗费的材料是有限的，但是，巨大的产量需求会放大这个成本，即使是1%的变化，生产系统能耗降低1%甚至意味着数百万成本的节省。今天，企业需要的不仅仅是更好地生产瓶子，还必须要尽量低的成本，技术必须为此做出贡献才能更具竞争力。

2.3 科学管理的发展

管理科学也在不断的延伸，其通过不断的数学建模来实现生产计划、过程分析的优化为企业提高生产效率，而这些更为灵活的生产组织模式也必须借助于更为柔性的自动化系统、信息系统融合来实现，具有不同特性的领域的融合必须借助于可测量和可连接的系统来实现，也使得自动化必须在横向和纵向提供接口，而在设备级的生产数据和基于管理决策与优化分析的MES、CIMS必须得以融合。

3 开放自动化技术实现互联基础

3.1 开放的接口互联

要实现柔性制造，必须打通横向与纵向的设备瓶颈，必须借助于开放的接口，工厂集成的瓶颈在于两个维度的考量：

在横向集成设备难点在于不同公司的设备自动化组件供应商不同，总线标准不同，软件平台的不同，这是需要打通的第一个数据交互的环节，否则，无法实现集成的生产线将无法达成同步控制和高效的生产。取消传统生产系统的中间搬运或机台间的离散输送，从而实现连续的高效生产。

在纵向则需考虑不同的产品之间的互联，实现从传感器到控制器到管理级的集成，这需要跨越实时域到非实时域数据的交互。

3.1.1 实时以太网技术

实时以太网可以解决生产效率的问题，也可以实现在实时域和非实时域的数据集成.目前，基于软实时设计的架构可以从这个角度来实现垂直方向的集成，水平方向同样可以，例如：POWERLINK、PROFINET、Ethernet/IP均具有这样的能力，在μs级的分布式运动控制来实现设备级高速高精度加工，在不同控制器、车间级实现数据的横向与纵向连接。

POWERLINK即是一个典型架构，可以采用Windows、Linxu上的软件直接驱动集成，这样就可以保证对于低实时性需求的管理级网络与高实时性的运动控制网络集成，POWERLINK网关用于区分其不同的数据调度，如图1所示。

图1 POWERLINK架构示意图

3.1.2 OPC-UA

实时以太网解决互联的问题，而OPC-UA则解决连接中的数据访问标准接口，在应用级的接口统一标准，对于来自不同厂商的控制器，OPC-UA提供了MES、SCADA系统对于不同设备的数据采集应用层规范，这确保管理系统能够有效地获得数据并服务于管理数据的优化。

3.2 开放的软件

柔性的制造工厂的基础开放性是对网络开放性的需求，而如同在机器领域一样，不同行业的应用也会不同，尤其是当自动化生产系统与管理系统融合时会存在较大的差异，难点在于通常的自动化系统其采用的RTOS和嵌入式开发平台工具等均基于与传统管理系统不同的架构，这使得两者融合就会非常难，往往会出现自动化的人不了解管理软件、专家软件的应用，而专家软件、管理软件又不了解自动化软件，这里形成很大的难度，而一些领先的自动化厂商在这方面取得了不菲的研发效果。

3.2.1 仿真建模

MATLAB/Simulink这一工具对于很多行业工艺软件、控制算法的研究非常实用和专业，而在过去，从MATLAB/Simulink到PLC之间存在着鸿沟，在计算机上仿真的往往无法直接在PLC上使用，而需通过手动的代码转化移植到PLC上，而这两个领域的工程师又往往是代表不同的领域，Mathworks在2008年的Simulink PLC为PLC提供了C代码，2012年推出ST结构文本的代码生成功能，这使得原来传统的PLC可以直接进行代码开发，B&R的Automation Studio即有达到一键生成的能力与Simulink很好的对接，这确保了在不同的行业工艺算法可以被快速移植到PLC的运行。

3.2.2 EPLAN

为了实现工程范例，EPLAN也与诸如贝加莱Automation Studio这样的软件实现对接，可以将来自自动化厂商的配置图转化为电气接线图，同时基于EPLAN的配置也可以导入到自动化开发平台实现配置的生成。这一工具旨在降低工程量。

3.2.3 三维软件的集成

这是更为普遍的做法，例如：不同的3D或者AutoCAD这样的软件可以为机械加工生成G代码，直接为通用运动控制架构下的CNC和机器人系统所接受，从而实现设备的全线集成。

开放的软件不仅仅局限于仿真建模、工程图纸、三维集成，也包括通信、安全等，这一切代表着自动化与管理系统、行业专家系统的融合变得更为密切，必须在更为广泛的领域来实现对此的集成，以确保更为广泛的生产互联。

4 集成平台实现系统无缝连接

对于工厂的集成，平台架构变得更为重要，这与传统的单机设备开发工具不同，新的集成开发平台需要在深度与广度方面的集成，深度对于集成开发平台包括行业专业库的标准化与开放的自定义库实现能力，而广度则在于满足互联、开放的软件接口、数据交互功能的设计，B&R Automation Studio即是此类平台的典型。

4.1 核心在软件集成

工厂的集成从设备的智能化到产线互联，互联也包含了规划的软件集成，而这一切则是需要软件的互联而非仅仅硬件的互联。对于CNC & Robotics、定位控制、安全、液压，这些在传统架构下完全不同的控制而言，集成架构是可以在同一控制器的统一软件规划下无缝连接的，这确保了机器功能更为丰富的同时使得生产的效率在互联基础上实现更高的升级。

无论是智能设备到产线，还是产线到规划的工厂，这些必须通过软件进行耦合，任何行业的特殊性最终必然通过软件形成来体现。

5 物流供应技术改变生产组织

由于工厂的互联和生产组织的变化，原有的归于不同产业的系统也被纳入到现今的系统中，例如：机器人、物流设备。传统上，机器人本不被纳入自动化领域而归属于机械产业，物流也是一个独立的行业，而今天，新的工厂使得这一切与自动化更为紧密的结合。

5.1 机器人的在线物流

机器人应用最大的贡献实际上是它使得工厂的机台间的衔接变得更为自由，由于生产速度越来越快，依赖于人工已经无法胜任这样的工厂输送频度，并且人工的额外扩充也在成本越来越高的时代不大现实，即更快地输送满足生产的节拍。另一方面，高自由度机器人在空间使得原有的生产机台组织变得更为自由，因为，机器人可以通过设置参数来实现空间的物流搬运、加工辅助等，而无需机台、机械设置的变化来实现，例如AGV输送使得传统的按照生产工件安装流程的大型物流输送变得更为简化，生产也变得更为柔性。

5.2 柔性物流系统

物料供应今天变成了柔性制造的核心问题。我们探讨生产系统的自动化集成，然而，如果生产的物料供应不能按照生产所需实现自动给料、配送，那么，这样的智能生产就失去了意义，包括制成品如果无法快速被送入仓库进行分类存储和输出，那么一方面会产生上游无法给下游提供物料而生产无法供应，另一方面高速生产堆积在产线的产品阻碍了生产的延续。这是为什么物流今天也被纳入自动化领域的一个重要原因。

6 信息技术集成打通生产与管理

国家关于“两化融合”的战略是为了解决这些生产系统的连贯问题，今天很多事实证明，这的确是一个瓶颈，我们讨论过很多自动化行业的理念如Industry 4.0、智慧工厂、数字工厂等，这些在先进的企业可以初步实现，然而对于大部分传统生产而言，这依然是任重道远的发展过程。

6.1 MES集成

很多企业的MES系统起源于IT产业，这使得他们对于自动化技术缺乏了解，而自动化厂商则不对MES进行了解。这是一个瓶颈，如何让MES与自动化融合则需要双方的紧密合作。MES处理生产工厂的数据，但目前仅限于粗放的生产排产、质量控制、看板等在线管理功能，不能更为深入地反映生产和管理的需求，很多MES仅仅停留于对原有来自欧美工厂的标准模型的应用，而这些模型来自于良好的数字化基础以及管理实践的基础。

打通MES系统和自动化系统需要自动化系统先行打破原有的开放的通信、软件互联，实现数据基础——数字化，否则，又是空中楼阁的智能工厂。

6.2 能效管理

在基础数据之上，我们可以实现能效管理，对工厂的生产流程中的电力、蒸汽、压缩气、水、原材料等进行供应量、供应时间的监控，能效是目前工厂效率提升最易于实现的部分，可以被纳入智慧工厂一期生产柔性项目。