自动化技术与柔性生产的融合

摘要

　　柔性制造系统是为了适应复杂制造任务而产生的。随着市场需求的变化，自动化、信息技术和管理科学的发展，柔性生产已经逐渐覆盖了工业生产的各个领域。本文首先介绍了柔性生产的目标，着重论述了开放网络和设备的横向与纵向集成以及开放软件架构的融合、基于以软件集成为核心的新的集成开发平台（如AutomationStudio）的工厂集成和应用机器人的柔性物流系统，最后讨论了智能工厂中的信息技术集成及自动化系统与信息系统的融合。

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的为目的，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，这些都典型的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uS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。

图1 POWERLINK架构示意图