貝加萊工業(yè)自動化（上海）有限公司 宋華振

1 引言

柔性制造FMS概念的提出已經(jīng)超過快半個世紀(jì)了，當(dāng)時為了勝任更為復(fù)雜的汽車、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)、自動化物流、AGV技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)的集成來實現(xiàn)最終對變化產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。然而，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，具有可測量的加工對象和確定的組合流程。隨著市場需求的變化、自動化技術(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)逐漸覆蓋于各個工業(yè)生產(chǎn)，包括消費品的生產(chǎn)領(lǐng)域如啤酒飲料、食品、印刷、塑料、消費電子等各個領(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)，基于對市場需求的變化、自動化技術(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現(xiàn)。

2 柔性生產(chǎn)的目標(biāo)

現(xiàn)代企業(yè)市場運營均基于市場拉動型而不再是傳統(tǒng)的推動型，這使得與傳統(tǒng)FMS不同是為了解決生產(chǎn)組織中的問題，其核心是以解決自身生產(chǎn)為目的，而今天的柔性生產(chǎn)是為了解決客戶需求，目標(biāo)在于客戶需求。

2.1 更為個性化和差異化的市場

2014年，可口可樂開始為消費者提供全新的標(biāo)簽設(shè)計，更具個性化，并且在印度等市場，可口可樂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，這些都典型地顯示了來自市場的差異化和個性化。一方面，消費者需求，而另一方面企業(yè)也不斷通過今天的大數(shù)據(jù)分析來實現(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，延伸至自動化系統(tǒng)與方案提供商，這使得自動化技術(shù)必須面對這種需求來提供相應(yīng)的解決方案。

2.2 成本的競爭壓力

事實上，成本競爭壓力對于消費市場更為迫切，盡管礦泉水瓶能夠耗費的材料是有限的，但是，巨大的產(chǎn)量需求會放大這個成本，即使是1%的變化，生產(chǎn)系統(tǒng)能耗降低1%甚至意味著數(shù)百萬成本的節(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)才能更具競爭力。

2.3 科學(xué)管理的發(fā)展

管理科學(xué)也在不斷的延伸，其通過不斷的數(shù)學(xué)建模來實現(xiàn)生產(chǎn)計劃、過程分析的優(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化系統(tǒng)、信息系統(tǒng)融合來實現(xiàn)，具有不同特性的領(lǐng)域的融合必須借助于可測量和可連接的系統(tǒng)來實現(xiàn)，也使得自動化必須在橫向和縱向提供接口，而在設(shè)備級的生產(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 開放自動化技術(shù)實現(xiàn)互聯(lián)基礎(chǔ)

3.1 開放的接口互聯(lián)

要實現(xiàn)柔性制造，必須打通橫向與縱向的設(shè)備瓶頸，必須借助于開放的接口，工廠集成的瓶頸在于兩個維度的考量：

在橫向集成設(shè)備難點在于不同公司的設(shè)備自動化組件供應(yīng)商不同，總線標(biāo)準(zhǔn)不同，軟件平臺的不同，這是需要打通的第一個數(shù)據(jù)交互的環(huán)節(jié)，否則，無法實現(xiàn)集成的生產(chǎn)線將無法達(dá)成同步控制和高效的生產(chǎn)。取消傳統(tǒng)生產(chǎn)系統(tǒng)的中間搬運或機(jī)臺間的離散輸送，從而實現(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)，實現(xiàn)從傳感器到控制器到管理級的集成，這需要跨越實時域到非實時域數(shù)據(jù)的交互。

3.1.1 實時以太網(wǎng)技術(shù)

實時以太網(wǎng)可以解決生產(chǎn)效率的問題，也可以實現(xiàn)在實時域和非實時域的數(shù)據(jù)集成.目前，基于軟實時設(shè)計的架構(gòu)可以從這個角度來實現(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μs級的分布式運動控制來實現(xiàn)設(shè)備級高速高精度加工，在不同控制器、車間級實現(xiàn)數(shù)據(jù)的橫向與縱向連接。

POWERLINK即是一個典型架構(gòu)，可以采用Windows、Linxu上的軟件直接驅(qū)動集成，這樣就可以保證對于低實時性需求的管理級網(wǎng)絡(luò)與高實時性的運動控制網(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，如圖1所示。

圖1 POWERLINK架構(gòu)示意圖

3.1.2 OPC-UA

實時以太網(wǎng)解決互聯(lián)的問題，而OPC-UA則解決連接中的數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)接口，在應(yīng)用級的接口統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對于來自不同廠商的控制器，OPC-UA提供了MES、SCADA系統(tǒng)對于不同設(shè)備的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用層規(guī)范，這確保管理系統(tǒng)能夠有效地獲得數(shù)據(jù)并服務(wù)于管理數(shù)據(jù)的優(yōu)化。

3.2 開放的軟件

柔性的制造工廠的基礎(chǔ)開放性是對網(wǎng)絡(luò)開放性的需求，而如同在機(jī)器領(lǐng)域一樣，不同行業(yè)的應(yīng)用也會不同，尤其是當(dāng)自動化生產(chǎn)系統(tǒng)與管理系統(tǒng)融合時會存在較大的差異，難點在于通常的自動化系統(tǒng)其采用的RTOS和嵌入式開發(fā)平臺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非常難，往往會出現(xiàn)自動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化軟件，這里形成很大的難度，而一些領(lǐng)先的自動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這一工具對于很多行業(yè)工藝軟件、控制算法的研究非常實用和專業(yè)，而在過去，從MATLAB/Simulink到PLC之間存在著鴻溝，在計算機(jī)上仿真的往往無法直接在PLC上使用，而需通過手動的代碼轉(zhuǎn)化移植到PLC上，而這兩個領(lǐng)域的工程師又往往是代表不同的領(lǐng)域，Mathworks在2008年的Simulink PLC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，這使得原來傳統(tǒng)的PLC可以直接進(jìn)行代碼開發(fā)，B&R的Automation Studio即有達(dá)到一鍵生成的能力與Simulink很好的對接，這確保了在不同的行業(yè)工藝算法可以被快速移植到PLC的運行。

3.2.2 EPLAN

為了實現(xiàn)工程范例，EPLAN也與諸如貝加萊Automation Studio這樣的軟件實現(xiàn)對接，可以將來自自動化廠商的配置圖轉(zhuǎn)化為電氣接線圖，同時基于EPLAN的配置也可以導(dǎo)入到自動化開發(fā)平臺實現(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，直接為通用運動控制架構(gòu)下的CNC和機(jī)器人系統(tǒng)所接受，從而實現(xiàn)設(shè)備的全線集成。

開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，這一切代表著自動化與管理系統(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)域來實現(xiàn)對此的集成，以確保更為廣泛的生產(chǎn)互聯(lián)。

4 集成平臺實現(xiàn)系統(tǒng)無縫連接

對于工廠的集成，平臺架構(gòu)變得更為重要，這與傳統(tǒng)的單機(jī)設(shè)備開發(fā)工具不同，新的集成開發(fā)平臺需要在深度與廣度方面的集成，深度對于集成開發(fā)平臺包括行業(yè)專業(yè)庫的標(biāo)準(zhǔn)化與開放的自定義庫實現(xiàn)能力，而廣度則在于滿足互聯(lián)、開放的軟件接口、數(shù)據(jù)交互功能的設(shè)計，B&R Automation Studio即是此類平臺的典型。

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)。對于CNC & Robotics、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)劃下無縫連接的，這確保了機(jī)器功能更為豐富的同時使得生產(chǎn)的效率在互聯(lián)基礎(chǔ)上實現(xiàn)更高的升級。

無論是智能設(shè)備到產(chǎn)線，還是產(chǎn)線到規(guī)劃的工廠，這些必須通過軟件進(jìn)行耦合，任何行業(yè)的特殊性最終必然通過軟件形成來體現(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化領(lǐng)域而歸屬于機(jī)械產(chǎn)業(yè)，物流也是一個獨立的行業(yè)，而今天，新的工廠使得這一切與自動化更為緊密的結(jié)合。

5.1 機(jī)器人的在線物流

機(jī)器人應(yīng)用最大的貢獻(xiàn)實際上是它使得工廠的機(jī)臺間的銜接變得更為自由，由于生產(chǎn)速度越來越快，依賴于人工已經(jīng)無法勝任這樣的工廠輸送頻度，并且人工的額外擴(kuò)充也在成本越來越高的時代不大現(xiàn)實，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)臺組織變得更為自由，因為，機(jī)器人可以通過設(shè)置參數(shù)來實現(xiàn)空間的物流搬運、加工輔助等，而無需機(jī)臺、機(jī)械設(shè)置的變化來實現(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題。我們探討生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化集成，然而，如果生產(chǎn)的物料供應(yīng)不能按照生產(chǎn)所需實現(xiàn)自動給料、配送，那么，這樣的智能生產(chǎn)就失去了意義，包括制成品如果無法快速被送入倉庫進(jìn)行分類存儲和輸出，那么一方面會產(chǎn)生上游無法給下游提供物料而生產(chǎn)無法供應(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化領(lǐng)域的一個重要原因。

6 信息技術(shù)集成打通生產(chǎn)與管理

國家關(guān)于“兩化融合”的戰(zhàn)略是為了解決這些生產(chǎn)系統(tǒng)的連貫問題，今天很多事實證明，這的確是一個瓶頸，我們討論過很多自動化行業(yè)的理念如Industry 4.0、智慧工廠、數(shù)字工廠等，這些在先進(jìn)的企業(yè)可以初步實現(xiàn)，然而對于大部分傳統(tǒng)生產(chǎn)而言，這依然是任重道遠(yuǎn)的發(fā)展過程。

6.1 MES集成

很多企業(yè)的MES系統(tǒng)起源于IT產(chǎn)業(yè)，這使得他們對于自動化技術(shù)缺乏了解，而自動化廠商則不對MES進(jìn)行了解。這是一個瓶頸，如何讓MES與自動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僅僅停留于對原有來自歐美工廠的標(biāo)準(zhǔn)模型的應(yīng)用，而這些模型來自于良好的數(shù)字化基礎(chǔ)以及管理實踐的基礎(chǔ)。

打通MES系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)需要自動化系統(tǒng)先行打破原有的開放的通信、軟件互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)——數(shù)字化，否則，又是空中樓閣的智能工廠。

6.2 能效管理

在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之上，我們可以實現(xiàn)能效管理，對工廠的生產(chǎn)流程中的電力、蒸汽、壓縮氣、水、原材料等進(jìn)行供應(yīng)量、供應(yīng)時間的監(jiān)控，能效是目前工廠效率提升最易于實現(xiàn)的部分，可以被納入智慧工廠一期生產(chǎn)柔性項目。