方恩輝

[沈陽(yáng)機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng) 110142]

自動(dòng)化生產(chǎn)線是在自動(dòng)化專機(jī)不斷完善的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。自動(dòng)化專機(jī)是單臺(tái)的自動(dòng)化設(shè)備，只能完成產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的單一的某項(xiàng)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傳遞給其他專機(jī)設(shè)備上繼續(xù)下一道的生產(chǎn)工序。完成整個(gè)生產(chǎn)需要一系列不同功能的專機(jī)和人工參與才能完成，這樣既降低了場(chǎng)地利用率，又增加了生產(chǎn)員工和設(shè)備，無(wú)形中也增加了生產(chǎn)成本，不利于產(chǎn)品效率和質(zhì)量的提高。若將產(chǎn)品生產(chǎn)所需要的一系列不同的自動(dòng)化專機(jī)按照生產(chǎn)工序的先后次序排列，則通過(guò)自動(dòng)化輸送系統(tǒng)可將全部專機(jī)連接起來(lái)，即可省去專機(jī)之間的人工參與過(guò)程。產(chǎn)品生產(chǎn)的流程是由一臺(tái)專機(jī)完成相應(yīng)工序操作后，經(jīng)過(guò)輸送系統(tǒng)將以完成的辦成品及生產(chǎn)過(guò)程信息自動(dòng)傳送到下一臺(tái)專機(jī)繼續(xù)進(jìn)行新的工序操作，直到完成全部的工序?yàn)橹?。這樣不僅減少了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程所需要的人力、物力，而且大大縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。這就是自動(dòng)化生產(chǎn)線產(chǎn)生的背景。

1 自動(dòng)生產(chǎn)線分析

1.1 自動(dòng)化階段

在自動(dòng)化行業(yè)中，第一代技術(shù)是以機(jī)械儀表為代表的機(jī)械控制技術(shù)，第二代主要是以電氣控制技術(shù)為主的繼電器控制技術(shù)和以調(diào)節(jié)器為代表的模擬控制技術(shù)，第三代是用于過(guò)程工業(yè)的分布式控制系統(tǒng)和用于離散行業(yè)的可編程控制器。第四代控制系統(tǒng)是開放式的，是過(guò)程工業(yè)控制和離散控制的融合，主要集成在數(shù)字處理技術(shù)和電氣可編程控制技術(shù)的集成上。這里所描述的自動(dòng)化階段是指第三代的分布式控制系統(tǒng)。我們的數(shù)控機(jī)床采用數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)數(shù)控機(jī)床的功能部件如液壓系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，刀具系統(tǒng)，潤(rùn)滑系統(tǒng)等進(jìn)行控制。工件傳送系統(tǒng)采用可編程控制器或數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制。但由于當(dāng)時(shí)受技術(shù)的限制，數(shù)控系統(tǒng)和可編程控制器沒有通訊接口，不能和外部進(jìn)行通訊。因此數(shù)控機(jī)床和工件傳送系統(tǒng)不能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，數(shù)控機(jī)床和工件傳送系統(tǒng)只有通過(guò)繼電器進(jìn)行相互信號(hào)的溝通。數(shù)控機(jī)床和工件傳送系統(tǒng)交互信號(hào)數(shù)量有限，類型簡(jiǎn)單。此種自動(dòng)生產(chǎn)線能夠遵循產(chǎn)品加工工藝按照生產(chǎn)工序的先后次序排列數(shù)控機(jī)床，通過(guò)自動(dòng)化輸送系統(tǒng)可將全部專機(jī)連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工?？梢园讶藦姆敝氐捏w力勞動(dòng)中解放出來(lái)；在各數(shù)控機(jī)床的工序之間沒有數(shù)據(jù)交換不能實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的自動(dòng)檢測(cè)，也就不能保證產(chǎn)品加工質(zhì)量；數(shù)控機(jī)床由于沒有外部通訊，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)線的柔性加工。每一個(gè)控制系統(tǒng)在自動(dòng)生產(chǎn)線中都是一座信息孤島，不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通。

1.2 智能化階段

我國(guó)提出了在本世紀(jì)前20年經(jīng)濟(jì)建設(shè)和改革的主要任務(wù)是基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，大力推進(jìn)信息化，并進(jìn)一步提出信息化是我國(guó)加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化的必然選擇。自動(dòng)化在信息化與工業(yè)化之間發(fā)揮著橋梁和紐帶作用，面對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)工業(yè)的落后現(xiàn)狀，國(guó)家將加大技術(shù)改造的步伐，使我國(guó)工業(yè)技術(shù)向多樣化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。

智能控制理論用以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題。當(dāng)今的社會(huì)是信息化與智能化相結(jié)合的社會(huì)，人工智能占有重要地位。人工智能的發(fā)展極大地方便了人們的生活，而人工智能的發(fā)展也離不開自動(dòng)化技術(shù)。從身邊的事物我們可以發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)化技術(shù)廣泛應(yīng)用于商業(yè)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、綜合辦公自動(dòng)化、交通運(yùn)輸、過(guò)程控制、國(guó)防、自動(dòng)化儀器儀表、人工智能技術(shù)、服務(wù)、科學(xué)研究等各方面。

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)和可編程控制器都應(yīng)經(jīng)具備了和外部的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床和工件傳送系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)現(xiàn)信息互通。目前數(shù)控系統(tǒng)和可編程控制器可以通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。西門子數(shù)控系統(tǒng)和法那科數(shù)控系統(tǒng)都可以通過(guò)以太網(wǎng)和上位機(jī)進(jìn)行通訊。另外視覺系統(tǒng)通過(guò)高清CCD 攝像頭，視覺軟件、OPENCV 庫(kù)來(lái)進(jìn)行外觀等智能化識(shí)別和判斷，并結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化流轉(zhuǎn)。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)產(chǎn)品的RFID 的配置，結(jié)合傳感器，掃碼自動(dòng)識(shí)別進(jìn)行產(chǎn)品位置、工序等生產(chǎn)檢測(cè)設(shè)備自動(dòng)錄入和判斷。機(jī)械手臂通過(guò)機(jī)械臂編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料自動(dòng)碼垛功能。AGV 小車實(shí)現(xiàn)物料自動(dòng)搬運(yùn)，物料自動(dòng)配送等功能。通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行高級(jí)編程控制產(chǎn)品的配置需求和整體生產(chǎn)線的控制及工件傳送系統(tǒng)的調(diào)度。網(wǎng)絡(luò)通訊和工業(yè)軟件技術(shù)的發(fā)展大大促進(jìn)自動(dòng)生產(chǎn)線的智能化。自動(dòng)生產(chǎn)線的智能化必然實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的在線測(cè)量，智能檢測(cè)進(jìn)而提升產(chǎn)品的加工質(zhì)量，借助上位機(jī)系統(tǒng)的智能化實(shí)現(xiàn)高柔性加工。

2 自動(dòng)生產(chǎn)線研究

智能化反映信息產(chǎn)品的質(zhì)量屬性。我們說(shuō)一個(gè)信息產(chǎn)品是智能的，通常是指這個(gè)產(chǎn)品能完成有智慧的人才能完成的事情，或者已經(jīng)達(dá)到人類才能達(dá)到的水平。智能化是信息技術(shù)發(fā)展的永恒追求，實(shí)現(xiàn)這一追求的主要途徑是發(fā)展人工智能技術(shù)。新一代人工智能主要包括大數(shù)據(jù)智能、群體智能、跨媒體智能、人機(jī)混合增強(qiáng)智能和類腦智能等。

對(duì)于我們數(shù)控加工類自動(dòng)生產(chǎn)線，我們現(xiàn)在只對(duì)智能化自動(dòng)生產(chǎn)線進(jìn)行研究。因?yàn)橹悄苌a(chǎn)線是我們目前正在逐步發(fā)展和逐步完善的自動(dòng)生產(chǎn)線。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)線的智能化對(duì)于數(shù)控加工類自動(dòng)化生產(chǎn)線主要通過(guò)硬件和軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里所描述的硬件是指數(shù)控機(jī)床及工件傳送系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。軟件是指作為此條自動(dòng)化生產(chǎn)線的大腦即整條生產(chǎn)線的管理系統(tǒng)。下面針對(duì)自動(dòng)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)的通訊以及上位機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行研究。

2.1 控制系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊

自動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)和上位機(jī)的可靠通訊是上位機(jī)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)；沒有可靠的完整的數(shù)據(jù)通訊就沒有自動(dòng)生產(chǎn)線的智能化。上位機(jī)通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線與自動(dòng)生產(chǎn)線各控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)和上位機(jī)的的數(shù)據(jù)通訊包括兩部分即自動(dòng)化部分和信息化部分。這里我們以比較常用的西門子828D數(shù)控系統(tǒng)和發(fā)那科0IF 數(shù)控系統(tǒng)為例進(jìn)行分析研究。數(shù)據(jù)通訊包括為自動(dòng)化部分和信息化部分。兩種數(shù)據(jù)通訊的區(qū)別是：信息化部分偏重?cái)?shù)據(jù)采集；上位機(jī)基于高級(jí)編程來(lái)采集或讀寫數(shù)控變量，對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是單方面需求，只提供訪問(wèn)權(quán)限，沒有主從之分，不適合實(shí)時(shí)互動(dòng)。數(shù)據(jù)包括數(shù)控變量和PLC 變量，信息量大，數(shù)控系統(tǒng)側(cè)不需要設(shè)定和編程操作；一般不需要選擇功能。自動(dòng)化部分偏重于信息交互輸入輸出信號(hào)，有主從或客戶端服務(wù)端區(qū)分；只有PLC 變量信息量小，通訊的各個(gè)端口都需要進(jìn)行設(shè)定和邏輯編程。西門子數(shù)控系統(tǒng)和上位機(jī)通訊，信息化部分采用OPC-UA 通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊；而自動(dòng)化部分通過(guò)S7通訊和上位機(jī)通訊。對(duì)于發(fā)那科0IF 數(shù)控系統(tǒng)和上位機(jī)通訊，信息化是通過(guò)上位機(jī)基于FOCAS 庫(kù)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；自動(dòng)化是通過(guò)具體通訊板進(jìn)行通訊可以是ProfiNet 或ProfiBus通訊協(xié)議。上位機(jī)無(wú)論通過(guò)何種通訊協(xié)議與數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊最終的目的都是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，基于每臺(tái)數(shù)控系統(tǒng)的PLC 數(shù)據(jù)和NC 數(shù)據(jù)通過(guò)高級(jí)編程實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的自動(dòng)控制和管理。自動(dòng)生產(chǎn)線管理系統(tǒng)示意圖1所示。

圖1 自動(dòng)生產(chǎn)線管理拓?fù)涫疽鈭D

2.2 自動(dòng)生產(chǎn)線管理系統(tǒng)

自動(dòng)線生產(chǎn)線管理系統(tǒng)的系統(tǒng)最底層為生產(chǎn)設(shè)備層，是對(duì)生產(chǎn)線上所有的設(shè)備、設(shè)施及輔助機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)備互聯(lián)和執(zhí)行控制系統(tǒng)命令控制的基礎(chǔ)通訊層。系統(tǒng)中間層是產(chǎn)線控制層，負(fù)責(zé)承擔(dān)產(chǎn)線接收上位機(jī)生產(chǎn)指令和自動(dòng)控制執(zhí)行各設(shè)備單元機(jī)構(gòu)使能動(dòng)作部分。系統(tǒng)頂層是柔性生產(chǎn)單元生產(chǎn)管控層，與車間級(jí)MES 系統(tǒng)或EPR 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃業(yè)務(wù)對(duì)接，可接收廠級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃任務(wù)和生產(chǎn)準(zhǔn)備信息，通過(guò)生產(chǎn)管理系統(tǒng)自有的簡(jiǎn)單排產(chǎn)功能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的科學(xué)排產(chǎn)和生產(chǎn)排班，并通過(guò)任務(wù)號(hào)信息自動(dòng)查詢產(chǎn)線產(chǎn)品加工基礎(chǔ)庫(kù)中對(duì)應(yīng)產(chǎn)品信息，自動(dòng)匹配該產(chǎn)品制造工藝，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)的自動(dòng)管理與自動(dòng)生產(chǎn)。

生產(chǎn)線管理系統(tǒng)首先實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分析。機(jī)床數(shù)據(jù)采集分析模塊提供了各種各樣的數(shù)據(jù)分析方法，自動(dòng)或人工地對(duì)機(jī)床數(shù)據(jù)包括機(jī)床狀態(tài)、工件計(jì)數(shù)、報(bào)警等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、處理。首先實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控功能適用于一個(gè)車間機(jī)床的實(shí)時(shí)狀態(tài)。包括生產(chǎn)、待機(jī)、故障等主狀態(tài)，并采集包括上料區(qū)無(wú)工件、下料區(qū)堵等同待機(jī)相關(guān)的子狀態(tài)。歷史狀態(tài)查詢分析是指在同一時(shí)刻可能有多個(gè)狀態(tài)，可以通過(guò)定義狀態(tài)的優(yōu)先級(jí)來(lái)決定機(jī)床的當(dāng)前顯示的狀態(tài)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，自動(dòng)數(shù)據(jù)壓縮功能能夠計(jì)算在一個(gè)時(shí)間內(nèi)的機(jī)床狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間和頻率，然后存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。通過(guò)數(shù)據(jù)采集分析可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的利用能力分析。也可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床報(bào)警信息診斷和工廠車間日歷功能。機(jī)床數(shù)據(jù)采集與分析功能會(huì)按照工廠車間日歷中規(guī)定的班次和工作日信息，對(duì)機(jī)床信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。其設(shè)定結(jié)果會(huì)影響到相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，例如可用率、利用率、OEE 等。通過(guò)數(shù)據(jù)采集和分析生產(chǎn)部門可以充分準(zhǔn)確了解機(jī)床生產(chǎn)性能提高的潛能；增加了生產(chǎn)的透明化；可以快速查詢最新的生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)；通過(guò)快速計(jì)算機(jī)床故障信息，可以減少維護(hù)和維修機(jī)床的時(shí)間。

生產(chǎn)線管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工程序管理。由于自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)智能化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的柔性化?？梢宰杂蓪?shí)現(xiàn)加工工件的換產(chǎn)，加工工件的更換，就需要數(shù)控加工程序的變更和管理。數(shù)控加工程序管理模塊把所有的數(shù)控加工（NC）程序都保存在服務(wù)器上，同時(shí)把數(shù)控加工（NC）程序的管理數(shù)據(jù)保存在SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過(guò)工藝員操作終端界面來(lái)管理這些數(shù)控加工程序。操作人員可以按實(shí)際情況對(duì)數(shù)控加工程序進(jìn)行組織劃分，還可以對(duì)數(shù)控加工程序進(jìn)行版本管理、程序修改、程序信息管理等工作。數(shù)控加工（NC）程序通過(guò)這個(gè)功能可以直接下載到工作站。數(shù)控加工（NC）程序的傳輸需要經(jīng)過(guò)一定的授權(quán)，可以使得程序的傳輸準(zhǔn)確無(wú)誤。所有的用戶界面都通俗易懂，使得用戶在短期內(nèi)掌握使用方法。

生產(chǎn)線管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)刀具管理功能。刀具管理模塊可以通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)床上的刀具信息，以實(shí)現(xiàn)集中刀具監(jiān)控。刀具管理系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、及時(shí)最優(yōu)地提供刀具及其組件的全部信息，能夠?qū)Φ毒哌M(jìn)行調(diào)度、管理，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控刀具的管理和預(yù)調(diào)，刀具綜合管理和預(yù)調(diào)制度的建立可以實(shí)現(xiàn)刀具參數(shù)和刀具壽命管理以及刀具的統(tǒng)一調(diào)配，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，降低刀具庫(kù)存量，提高刀具利用率。

生產(chǎn)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)線的質(zhì)量管理。通過(guò)工件測(cè)量和在線監(jiān)測(cè)等技術(shù)把工件的加工結(jié)果，上傳到上位機(jī)，通過(guò)管理系統(tǒng)質(zhì)量模塊的判斷該工件是否合格。對(duì)于在線檢測(cè)不合格產(chǎn)品，進(jìn)行返工，只需在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中建立返工單，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)流轉(zhuǎn)到生產(chǎn)返工步驟，對(duì)于返工的產(chǎn)品需要做返工總結(jié)，避免后期再出現(xiàn)同樣的問(wèn)題，提高生產(chǎn)效率，降低成本。

生產(chǎn)管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)訂單管理。根據(jù)生產(chǎn)訂單要求輸入訂單管理模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排產(chǎn)。確保在訂單源頭對(duì)訂單進(jìn)行把控，對(duì)產(chǎn)品數(shù)量、開工日期、截止日期等進(jìn)行監(jiān)控，提高訂單業(yè)務(wù)的準(zhǔn)確性，從而保證生產(chǎn)步驟有序進(jìn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

生產(chǎn)線管理系統(tǒng)是維持生產(chǎn)線正常運(yùn)行的核心組成部分，是保證產(chǎn)線高效率、高柔性運(yùn)轉(zhuǎn)的核心保障，通過(guò)數(shù)字化業(yè)務(wù)管控、工業(yè)總線控制、實(shí)時(shí)通信等技術(shù)將生產(chǎn)線上各個(gè)分散獨(dú)立的設(shè)備設(shè)施連成能進(jìn)行相互通信、工業(yè)互聯(lián)的整體單元，利用總線控制對(duì)生產(chǎn)線任務(wù)進(jìn)行管理和規(guī)劃，對(duì)資源進(jìn)行全局調(diào)度，形成信息流閉環(huán)反饋機(jī)制，確保生產(chǎn)指令的精確執(zhí)行，從而確保整個(gè)生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。

智能化自動(dòng)生產(chǎn)線的建設(shè)是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)工程。只有站在一個(gè)全新的高度，以閉環(huán)的管理模式，先進(jìn)的信息化技術(shù)手段為依托，統(tǒng)籌規(guī)劃例如倉(cāng)儲(chǔ)、物流、搬運(yùn)、工藝、生產(chǎn)以及成品轉(zhuǎn)運(yùn)等設(shè)備，從產(chǎn)線、車間乃至工廠的方案規(guī)劃初期就進(jìn)行自動(dòng)化與信息化的深度融合、統(tǒng)一設(shè)計(jì)，才能使二者發(fā)揮最大的效用，使企業(yè)不僅僅是建設(shè)成幾條自動(dòng)化生產(chǎn)線去滿足生產(chǎn)需求，而是打造成真正“多線一體，統(tǒng)一管控”的數(shù)字化智能柔性自動(dòng)生產(chǎn)線。