自动生产线的分析与研究

方恩辉

[沈阳机床(集团)有限责任公司，辽宁沈阳 110142]

自动化生产线是在自动化专机不断完善的基础上发展起来的。自动化专机是单台的自动化设备，只能完成产品生产过程中的单一的某项工序，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传递给其他专机设备上继续下一道的生产工序。完成整个生产需要一系列不同功能的专机和人工参与才能完成，这样既降低了场地利用率，又增加了生产员工和设备，无形中也增加了生产成本，不利于产品效率和质量的提高。若将产品生产所需要的一系列不同的自动化专机按照生产工序的先后次序排列，则通过自动化输送系统可将全部专机连接起来，即可省去专机之间的人工参与过程。产品生产的流程是由一台专机完成相应工序操作后，经过输送系统将以完成的办成品及生产过程信息自动传送到下一台专机继续进行新的工序操作，直到完成全部的工序为止。这样不仅减少了整个生产过程所需要的人力、物力，而且大大缩短了生产周期，提高了生产效率，降低了生产成本，保证了产品质量。这就是自动化生产线产生的背景。

1 自动生产线分析

1.1 自动化阶段

在自动化行业中，第一代技术是以机械仪表为代表的机械控制技术，第二代主要是以电气控制技术为主的继电器控制技术和以调节器为代表的模拟控制技术，第三代是用于过程工业的分布式控制系统和用于离散行业的可编程控制器。第四代控制系统是开放式的，是过程工业控制和离散控制的融合，主要集成在数字处理技术和电气可编程控制技术的集成上。这里所描述的自动化阶段是指第三代的分布式控制系统。我们的数控机床采用数控系统进行控制，同时对数控机床的功能部件如液压系统，冷却系统，刀具系统，润滑系统等进行控制。工件传送系统采用可编程控制器或数控系统进行控制。但由于当时受技术的限制，数控系统和可编程控制器没有通讯接口，不能和外部进行通讯。因此数控机床和工件传送系统不能进行网络通讯，数控机床和工件传送系统只有通过继电器进行相互信号的沟通。数控机床和工件传送系统交互信号数量有限，类型简单。此种自动生产线能够遵循产品加工工艺按照生产工序的先后次序排列数控机床，通过自动化输送系统可将全部专机连接起来实现自动化加工。可以把人从繁重的体力劳动中解放出来；在各数控机床的工序之间没有数据交换不能实现质量的自动检测，也就不能保证产品加工质量；数控机床由于没有外部通讯，不能实现自动生产线的柔性加工。每一个控制系统在自动生产线中都是一座信息孤岛，不能实现设备之间的互联互通。

1.2 智能化阶段

我国提出了在本世纪前20年经济建设和改革的主要任务是基本实现工业化，大力推进信息化，并进一步提出信息化是我国加快实现工业化和现代化的必然选择。自动化在信息化与工业化之间发挥着桥梁和纽带作用，面对我国传统工业的落后现状，国家将加大技术改造的步伐，使我国工业技术向多样化、自动化、智能化方向发展。

智能控制理论用以解决复杂系统的控制问题。当今的社会是信息化与智能化相结合的社会，人工智能占有重要地位。人工智能的发展极大地方便了人们的生活，而人工智能的发展也离不开自动化技术。从身边的事物我们可以发现，自动化技术广泛应用于商业、计算机辅助设计和计算机辅助制造、医疗、农业、综合办公自动化、交通运输、过程控制、国防、自动化仪器仪表、人工智能技术、服务、科学研究等各方面。

随着计算机和网络技术的飞速发展，数控系统和可编程控制器都应经具备了和外部的网络通讯能力，进而实现了数控机床和工件传送系统的网络通讯实现信息互通。目前数控系统和可编程控制器可以通过工业以太网和工业计算机进行通讯。西门子数控系统和法那科数控系统都可以通过以太网和上位机进行通讯。另外视觉系统通过高清CCD 摄像头，视觉软件、OPENCV 库来进行外观等智能化识别和判断，并结合生产设备进行自动化流转。物联网通过产品的RFID 的配置，结合传感器，扫码自动识别进行产品位置、工序等生产检测设备自动录入和判断。机械手臂通过机械臂编程实现自动上下料自动码垛功能。AGV 小车实现物料自动搬运，物料自动配送等功能。通过上位机进行高级编程控制产品的配置需求和整体生产线的控制及工件传送系统的调度。网络通讯和工业软件技术的发展大大促进自动生产线的智能化。自动生产线的智能化必然实现生产的在线测量，智能检测进而提升产品的加工质量，借助上位机系统的智能化实现高柔性加工。

2 自动生产线研究

智能化反映信息产品的质量属性。我们说一个信息产品是智能的，通常是指这个产品能完成有智慧的人才能完成的事情，或者已经达到人类才能达到的水平。智能化是信息技术发展的永恒追求，实现这一追求的主要途径是发展人工智能技术。新一代人工智能主要包括大数据智能、群体智能、跨媒体智能、人机混合增强智能和类脑智能等。

对于我们数控加工类自动生产线，我们现在只对智能化自动生产线进行研究。因为智能生产线是我们目前正在逐步发展和逐步完善的自动生产线。实现自动生产线的智能化对于数控加工类自动化生产线主要通过硬件和软件来实现。这里所描述的硬件是指数控机床及工件传送系统的控制系统。软件是指作为此条自动化生产线的大脑即整条生产线的管理系统。下面针对自动生产线的控制系统的通讯以及上位机管理系统进行研究。

2.1 控制系统与上位机的通讯

自动生产线控制系统和上位机的可靠通讯是上位机管理系统的基础；没有可靠的完整的数据通讯就没有自动生产线的智能化。上位机通过工业现场总线与自动生产线各控制系统进行通讯。自动化生产线控制系统和上位机的的数据通讯包括两部分即自动化部分和信息化部分。这里我们以比较常用的西门子828D数控系统和发那科0IF 数控系统为例进行分析研究。数据通讯包括为自动化部分和信息化部分。两种数据通讯的区别是：信息化部分偏重数据采集；上位机基于高级编程来采集或读写数控变量，对于数控系统来说是单方面需求，只提供访问权限，没有主从之分，不适合实时互动。数据包括数控变量和PLC 变量，信息量大，数控系统侧不需要设定和编程操作；一般不需要选择功能。自动化部分偏重于信息交互输入输出信号，有主从或客户端服务端区分；只有PLC 变量信息量小，通讯的各个端口都需要进行设定和逻辑编程。西门子数控系统和上位机通讯，信息化部分采用OPC-UA 通讯协议实现上位机和数控系统的数据通讯；而自动化部分通过S7通讯和上位机通讯。对于发那科0IF 数控系统和上位机通讯，信息化是通过上位机基于FOCAS 库函数进行数据采集；自动化是通过具体通讯板进行通讯可以是ProfiNet 或ProfiBus通讯协议。上位机无论通过何种通讯协议与数控系统进行通讯最终的目的都是实现数据采集，基于每台数控系统的PLC 数据和NC 数据通过高级编程实现整条生产线的自动控制和管理。自动生产线管理系统示意图1所示。

图1 自动生产线管理拓扑示意图

2.2 自动生产线管理系统

自动线生产线管理系统的系统最底层为生产设备层，是对生产线上所有的设备、设施及辅助机构进行设备互联和执行控制系统命令控制的基础通讯层。系统中间层是产线控制层，负责承担产线接收上位机生产指令和自动控制执行各设备单元机构使能动作部分。系统顶层是柔性生产单元生产管控层，与车间级MES 系统或EPR 系统实现生产计划业务对接，可接收厂级生产计划任务和生产准备信息，通过生产管理系统自有的简单排产功能，实现产线的科学排产和生产排班，并通过任务号信息自动查询产线产品加工基础库中对应产品信息，自动匹配该产品制造工艺，实现生产任务的自动管理与自动生产。

生产线管理系统首先实现数据采集分析。机床数据采集分析模块提供了各种各样的数据分析方法，自动或人工地对机床数据包括机床状态、工件计数、报警等数据进行统计、处理。首先实现数据实时监控，实时监控功能适用于一个车间机床的实时状态。包括生产、待机、故障等主状态，并采集包括上料区无工件、下料区堵等同待机相关的子状态。历史状态查询分析是指在同一时刻可能有多个状态，可以通过定义状态的优先级来决定机床的当前显示的状态。数据统计分析，自动数据压缩功能能够计算在一个时间内的机床状态的持续时间和频率，然后存储在计算机中。通过数据采集分析可以实现机床的利用能力分析。也可以实现机床报警信息诊断和工厂车间日历功能。机床数据采集与分析功能会按照工厂车间日历中规定的班次和工作日信息，对机床信息进行统计和分析。其设定结果会影响到相关统计参数的计算结果，例如可用率、利用率、OEE 等。通过数据采集和分析生产部门可以充分准确了解机床生产性能提高的潜能；增加了生产的透明化；可以快速查询最新的生产历史数据；通过快速计算机床故障信息，可以减少维护和维修机床的时间。

生产线管理系统实现数控加工程序管理。由于自动生产线实现智能化进而实现数控加工的柔性化。可以自由实现加工工件的换产，加工工件的更换，就需要数控加工程序的变更和管理。数控加工程序管理模块把所有的数控加工（NC）程序都保存在服务器上，同时把数控加工（NC）程序的管理数据保存在SQL Server 数据库中。通过工艺员操作终端界面来管理这些数控加工程序。操作人员可以按实际情况对数控加工程序进行组织划分，还可以对数控加工程序进行版本管理、程序修改、程序信息管理等工作。数控加工（NC）程序通过这个功能可以直接下载到工作站。数控加工（NC）程序的传输需要经过一定的授权，可以使得程序的传输准确无误。所有的用户界面都通俗易懂，使得用户在短期内掌握使用方法。

生产线管理系统实现刀具管理功能。刀具管理模块可以通过以太网实现远程监控机床上的刀具信息，以实现集中刀具监控。刀具管理系统可以准确、及时最优地提供刀具及其组件的全部信息，能够对刀具进行调度、管理，以实现数控刀具的管理和预调，刀具综合管理和预调制度的建立可以实现刀具参数和刀具寿命管理以及刀具的统一调配，缩短生产准备时间，降低刀具库存量，提高刀具利用率。

生产管理系统实现自动生产线的质量管理。通过工件测量和在线监测等技术把工件的加工结果，上传到上位机，通过管理系统质量模块的判断该工件是否合格。对于在线检测不合格产品，进行返工，只需在生产管理系统中建立返工单，系统会自动流转到生产返工步骤，对于返工的产品需要做返工总结，避免后期再出现同样的问题，提高生产效率，降低成本。

生产管理系统可以实现订单管理。根据生产订单要求输入订单管理模块实现自动排产。确保在订单源头对订单进行把控，对产品数量、开工日期、截止日期等进行监控，提高订单业务的准确性，从而保证生产步骤有序进行。

3 结束语

生产线管理系统是维持生产线正常运行的核心组成部分，是保证产线高效率、高柔性运转的核心保障，通过数字化业务管控、工业总线控制、实时通信等技术将生产线上各个分散独立的设备设施连成能进行相互通信、工业互联的整体单元，利用总线控制对生产线任务进行管理和规划，对资源进行全局调度，形成信息流闭环反馈机制，确保生产指令的精确执行，从而确保整个生产线的正常运行。

智能化自动生产线的建设是一个综合性的系统工程。只有站在一个全新的高度，以闭环的管理模式，先进的信息化技术手段为依托，统筹规划例如仓储、物流、搬运、工艺、生产以及成品转运等设备，从产线、车间乃至工厂的方案规划初期就进行自动化与信息化的深度融合、统一设计，才能使二者发挥最大的效用，使企业不仅仅是建设成几条自动化生产线去满足生产需求，而是打造成真正“多线一体，统一管控”的数字化智能柔性自动生产线。