从简单机器人系统到基于总线通信的柔性系统升级浅析

崔岳 郭敏 徐英培

摘要：本文以双机器人为执行终端、以PLC为控制系统、以独立回转盘为传送机构、加上HMI人机界面、视觉识别系统等，将多设备以总线型通信手段联为一体，并以此作为FMS的典型形态，完成复杂工艺的规划与实施。

关键词：FMS;工业机器人;总线通信

研究背景与调研

我国目前距离制造业强国，仍有相当程度的差距。相当多的产业仍处于劳动密集型，在一些结构单一的自动线上，完成流水作业、分拣、检测工作的主要劳动力，仍然是大批量的产业工人。笔者于2016年5月到山东潍坊调研，深入了当地电动车厂，当时该企业的电车生产线，仍然依靠人工操作叉车摆放底盘，两人配合手工把车门钢板摆放在冲压机内，孤零零的机器人在所谓“生产线”上的作用，就是进行几道焊接工艺，而工艺本身的定位校准，也是由人工完成的，据粗略估算，其电车当时的自动化率，不超过15%。这和我们想象的，现代智能制造车间中，寥寥无几的监测工人，井井有条的多工艺多工序的生产线大相径庭。时隔两年多，在2018年6月笔者再次造访的时候，当初和该企业技术部门沟通提出的三点建议（最大化提升自动化率、利用通信总线实现多设备协调工作、以PLC和传感器作为机器人感知系统以降低人工介入）均已全部实现，自动化率超过60%，并且正在继续深化工艺技术。

自动化率的提高，基于总线通信的系统改造，是我们制造业产业升级的一个缩影，要想尽快迈入制造业强国的行列，就要把握时代，深入研究智能制造相关技术，利用机器人系统相对人工的天然优势，以科技密集型为转换目标，以工业互联网体系为最终实现形态。

简单系统与简单工艺

机器人简单系统又称机器人最小系统，以焊接系统（或铸造件）为例，制造业企业或者工厂，还有相当部分属于这种工作模型：人工按照摆放台要求将焊件（铸造坯料）摆放好，机器人负责按照定点轨迹焊接。在全过程中，机器人系统没有“眼睛”，无法知道是否有工件，无法知道加工工艺是否偏斜或有误，系统的启动和停止都需要人工来控制。这种简单系统，主要工序的核心工艺由机器人来完成，可以保障质量稳定，成品率较高，但几乎所有辅助环节都由人工来判断处理，所以整体自动化率并不高，对于人工的需求仍然很大，生产效率提升有限。这种机器人简单系统，对于整个产业来说，处于“初级阶段”，而且，无数据产出，无法对生产系统整体做有效的判断。

总线型通信网络与各子系统融合

较高自动化率的制造业系统，是结合了网络通信技术、传感器技术、机电控制技术的系统，并具备核心控制部件来完成逻辑判断、布尔运算以及对环境感知系统输入信号的决策（一般来讲核心控制部件由可编程控制器来完成功能）。这一整套系统当中，核心控制系统负责复杂工艺的存储分析和控制输出，由子系统来实现具体工艺步骤。

以PLC为控制核心的系统结构

具体结构模型的实现

一套实训系统，就是一个完整的通信交互型系统，多个子系统在PLC控制下实现具体工艺步骤，其中包含了视觉识别作为环境感知的典型设备，包含了人机界面（HMI）作为终端控制器，相比于简单机器人系统，这套系统科技密集度要高很多。

通信交互型系统的优势

相比于没有眼睛、没有大脑的简单机器人系统，通信交互型系统具备包括传感器、视觉识别在内的各类环境感知系统作为“眼睛”;具备拥有决策能力的核心大脑，一般由可编程控制器（PLC）系统来担任。环境感知系统通过通信线路，将信息传递给PLC，机器人的整体控制以及机器人系统与其他系统的交互也由PLC来完成，而工艺级别的操作则由机器人系统本身或其他子系统完成。具备独立的控制系统、能够实现高复杂度的，可移植的控制、编程、装配和调试，最终完成生产任务，这正是柔性制造系统（FMS）的典型模型。柔性制造系统正是简单机器人系统的“高级形式”，具备完善的，智能化的，高效的生产能力，是制造业企业基于工位级别的生产系统的产业升级的“终极形态”。

柔性制造系统的拓展与实现

现代高可靠性、高效率、高带宽、低延迟的工业级别通信系统，是柔性制造系统内各个子系统能够实现通信，进而完成系统智能化的基础保障。简单工艺，配合劳动密集型生产，势必将会被高复杂度、高智能化，高自动化率的科技密集型生产所替代，通过技术堆叠、有效地针对指定生产系统完成系统集成化工作，以无人的工位级别的柔性制造系統作为基础生产单元，进一步拓展，将整体实现各个工序的柔性制造单元进一步联网，共享数据，统一控制，这就上升到了智能工厂的技术模型。业内，这是领军企业努力实现的技术方向。以联想合肥智能制造基地为例，其主板的生产过程，被科学地拆解成有效工序，进而被一整套柔性制造单元分别实现。面对智能制造技术拒之门外、固步自封的企业，势必将会面临生产力提高的瓶颈;而积极响应智能制造，以科技密集型生产替代人工，积极完成产业升级的那些企业，将会以极高的生产效率，相对更稳定的产品质量，更低的产品成本，在行业竞争中占得先机。

结语

在2019年5月8日召开的中国机器人峰会（浙江余姚）上，笔者有幸到场并看到，我国行业内继续在推进工业互联网的发展，而我国作为制造业大国，在稳步迈向制造业强国的过程中，面临的首要问题就是产业升级问题，简单机器人系统升级到柔性制造系统，将柔性制造系统作为工位单元，继续建设更大规模的智能制造网络体系，这就是工业互联网——智能制造的生态系统，再配合现代高可靠性、高效率、高带宽、低延迟的工业级别的通信系统、融合了物联网技术、从生产端到用户端的大数据分析技术、云端控制技术（云计算）、基于柔性制造系统自身的数据生成、处理及优化分析（边缘计算）……以诸多的先进技术、先进理念加持，我国的产业智能制造的发展，必将越走越快，最终实现工业互联网这一目标。