精密箱體類柔性制造系統的系統集成控制解決方案*

邱 紅 寸花英 嚴江云 張 韜

(沈機集團昆明機床股份有限公司，云南昆明 650203)

柔性制造系統(Flexible Manufacture System，FMS)是指由數控加工設備、物料儲運裝置、計算機控制系統等組成的自動化制造系統。它包括多個柔性制造單元，能根據制造任務或生產環境的變化迅速進行調整，適用于多品種中、小批量生產。從第一次世界大戰之后，美國福特汽車公司在1910～1920年建立的第一條生產線到20世紀90年代，FMS已成為各國機械制造業發展的重點。據聯合國統計，1990年全世界擁有1 500套FMS，且主要分布在日本、美國、英國等工業發達國家。我國FMS的研發應用起步較晚，1985年由北京機床研究所從日本FANUC公司引進我國第一套FMS(JCS－FMS－1)，主要用于旋轉體加工。

當前，我國企業面臨的市場競爭日益加劇，為了有效地適應這種環境的變化，迫使企業以生產多樣化產品的生產柔性戰略取代產品單一的大規模生產方式，提升企業的市場適應能力和競爭能力。對于傳統的機械制造行業，產品的多樣化和系列化對企業產品交貨期、生產成本提出了嚴峻的挑戰，企業能否快速地、低成本地從一種產品的生產切換到另一種產品的生產，能否用同一套設備生產多種不同的產品，且設備能隨著市場需求變化適用于新產品的生產，使企業具備動態地適應多樣化需求的能力。正是基于這樣的市場競爭需求，國內越來越多的機械制造企業購買柔性制造系統，用于中小批量外形復雜零件的自動化加工。

本文介紹的是基于昆明機床股份有限公司(以下簡稱昆機)中標齊重數控裝備股份有限公司柔性制造生產線的合同訂單項目:研發2條用于箱體類零件加工的大重型柔性制造系統FMS1000和FMS1600(即FMS1000/1600)。為便于敘述，以FMS1600柔性制造系統做典型介紹。項目基于用戶對柔性制造系統的加工產品、生產能力和系統管理規劃確定該系統的總體解決方案。

1 FMS系統總體解決方案

柔性制造系統應用于不同的行業，或因用戶需求的差異化，其3大組成要素“加工設備、物料儲運裝置和計算機控制系統”的硬件系統和軟件系統將具有極大的差異性。本文介紹的的FMS是用于精密箱體零件加工行業，具有生產計劃、設備維護網絡化管理的柔性制造系統。基于此，FMS總體解決方案由加工系統、物流系統和集成控制3個子系統的解決方案組成。柔性制造系統總體解決方案結構見圖1。

由圖1可以看出，FMS由7臺雙工位精密臥式加工中心、物料儲運系統、計算機控制系統和信息集成管理系統組成，其硬件系統的設備層總體布局規劃見圖2。圖中設備層的布局規劃是依照用戶現場實際使用環境和功能規劃設計的，采用有軌小車運輸線以及單層緩沖存儲站的方案主要是基于用戶工件最大載荷重達8 t的搬運和存儲技術需求。

總體解決方案具有加工零件質量高、運行靈活和產品應變能力強的優點，當生產品種發生變化時，能迅速通過簡單地改變軟件、工裝、刀具的調整就能夠制造出所需的零件，可以滿足生產品種多樣化的需求。本文重點介紹FMS系統集成控制解決方案。

2 FMS系統集成控制的解決方案

圖1所示FMS總體解決方案，從系統集成控制功能層面劃分，主要分為加工操作控制系統、物流運行控制系統和信息集成管理系統，各系統功能如表1所示。

如表1中所示，物流控制管理系統是生產計劃和加工制造系統之間重要的連接和控制接口，它依據生產計劃制定FMS的作業計劃，并將作業計劃轉變為加工系統可執行的控制信息，加工系統按照控制信息自動完成加工任務，信息集成管理系統采集FMS運行信息和生產數據信息，匯總處理后反饋至作業計劃制定和生產計劃管理系統。因此，FMS系統集成控制整體解決技術方案確定為:通過網絡通信技術，構建加工系統、物流控制系統和信息集成管理系統之間控制信息和生產信息的連接，組成全自動控制的柔性制造集成，實現FMS系統的集成控制功能。FMS系統集成控制結構見圖3。

表1 FMS功能

圖3所示的結構圖中，解決方案將系統集成控制分為設備層、控制管理層和計劃管理層3層結構，各層之間、計劃控制層與信息管理層之間通過PROFIBUS現場總線和工業以太網雙層網絡通信系統連接。控制管理層依據計劃管理層的計劃，制定FMS作業計劃，經PLC主控系統轉化為運動控制指令下達到設備控制層，控制底層設備自動完成工件的識別、搬運、存儲、加工和裝卸任務。控制管理層的信息集成管理系統通過工業以太網系統獲取FMS的生產數據和狀態數據，計劃管理層通過企業局域網實現對FMS的運行監控和計劃管理。

2.1 加工控制系統解決方案

加工系統解決方案是基于單臺加工中心的840D數控系統為核心，以數字控制、伺服驅動、位置反饋、PLC控制、輔助控制系統、光機電液傳感器等系統組成智能加工技術(以鏜、銑、鉆、鉸和攻絲等加工軟件包，以及多種精度綜合補償技術為支撐的控制技術)為基礎，優化匹配刀具自動管理系統、刀具/工件在線自動測量系統、單機射頻識別系統(Radio Frequency Identification，RFID:用于交換工作臺的自動識別)、單機版信息集成軟件包，通過研發構建單機網絡化控制平臺，以及單機與物流小車自動交換工作臺的控制技術、單機自動辨識和自動執行FMS信息管理系統下載的加工程序控制技術，單機與主控PLC網絡通信等關鍵技術的攻關，實現單機設備既可獨立完成工件所有工序的智能加工，又可通過PROFIBUS總線，由控制管理層的主控PLC系統組態為FMS的智能從站，實現單機設備網絡化的集群控制，高效、高質量地完成小批量、多品種的加工任務。

圖4是單臺加工中心的系統組成方案，所有加工單元的軟硬件系統結構均按照FMS系統模塊化結構的特點構建，加工單元硬件系統通過PROFIBUS現場總線及組態軟件組態連接到FMS的控制管理層，生產數據經工業以太網總線集成到控制管理層的信息管理系統，便于FMS控制管理層系統通過硬件組態和網絡通信協調來共同完成加工系統的任務。

2.2 物流控制系統解決方案

物流控制系統包括計劃制定層和設備運行控制層兩個部分，是FMS的控制核心。該系統的解決方案是以現場總線和網絡通信技術為基礎，由PLC主控系統作為運動控制系統、WinCC服務器作為作業計劃制定視窗任務中心組成FMS控制管理層的上位機控制系統，主要完成作業計劃和過程運行控制任務。儲運控制系統包括物流小車控制系統、物料自動識別系統(RFID)、上下料站/緩存站操作及監控系統、現場總線通信系統(包括PC通信網卡、總線通信模塊、RFID通信模塊、總線連接器、總線電纜、通信軟件等)組成，是FMS加工系統與加工工件之間的媒介，主要完成工件的輸送、搬運、存儲和裝卸任務。物流控制系統的解決方案見圖5。

在圖5中，FMS的運動控制系統主控PLC作為柔性制造系統的主站，通過PROFIBUS現場總線，將現場底層設備的7臺加工中心、物流小車、射頻識別系統組成智能從站。WinCC視窗任務中心主要處理生產計劃、作業計劃，工藝路線制定、NC程序編碼、工件編碼、移動工作臺任務分配、FMS運行模式選擇、設備組合，工件數據、加工任務數據等放入控制系統的數據庫。主控PLC通過PROFIBUS總線接受WinCC視窗任務中心的作業計劃，并將其處理為FMS加工設備和物流小車的運行控制指令，擔負物流小車調度、移動工作臺射頻識別存儲器信息的讀寫、工件自動識別與監控、控制信息采集與監控、現場總線通信監控、FMS過程運行控制等任務。控制管理層為加工系統高效自動運行提供支持，實現生產計劃的柔性控制。

2.3 信息集成管理系統解決方案

基于工業以太網總線技術，構建以西門子運動控制系統(Motion Control Information System，MCIS)軟件平臺為核心的信息集成管理系統。信息系統包括PC服務器、工業以太網交換機、防火墻、網絡版和加工單元單機版的MCIS軟件包組成信息集成管理系統。主要任務是采集FMS底層加工單元和物流作業計劃集成的設備信息，以及加工設備的生產信息、刀具信息、診斷信息，程序管理等信息，通過工業以太網組態后組成信息集成管理系統，見圖6。

圖6所示，信息集成管理系統歸屬于FMS控制管理層，系統通過構建的工業以太網網絡通信系統與設備層和控制管理層的控制系統相連接，信息管理系統依據作業計劃直接下載NC加工程序到加工設備，加工設備根據運行控制指令自動辨識接受到的加工程序并自動執行加工，同時信息管理系統同步采集所有加工設備的運行狀態信息和生產數據信息，經MCIS系統匯總處理，自動生成數據統計報表，分類備份歸檔，為生產作業計劃管理層提供設備利用率、生產效率、設備故障率等FMS運行信息。該系統提供了生產計劃管理層的網絡數據通信接口，生產計劃管理層可直接對整個FMS運行系統內的資源進行計劃和管理，實現減少從生產計劃到工藝配置的時間以及計劃和執行之間的高效協作，簡化故障分析過程;縮短機床停工期，最終提高FMS設備利用率、生產效率及系統運行柔性，體現信息管理作用于生產管理的效益。

3 結語

系統集成控制解決方案從實現FMS系統控制功能的角度出發，將控制系統按照分層管理結構劃分為設備層、控制管理層和計劃管理層3層結構，為企業計劃管理層預留網絡通信接口，通過FMS軟硬件控制系統模塊化結構優化設計匹配，以及基于PROFIBUS現場總線和工業以太網總線技術基礎，構建FMS雙層網絡結構，形成控制管理層對設備控制層的主從控制關系，從生產計劃層的生產計劃下達、控制管理層的作業計劃制定和對設備控制層的運行控制，實現了加工系統全自動、信息化、柔性化的高效生產控制，應用后取得了良好的經濟效益。

［1］華中生.柔性制造系統和柔性供應鏈－建模、決策與優化［M］.北京:科學出版社，2007.

［2］陳在平，等.現場總線及工業控制網絡技［M］.北京:電子工業出版社，2008.

［3］崔堅、李佳，等.西門子工業網絡通信［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［4］王忠，陳明銳.基于FROFINET工業以太網的柔性制造系統的研究［M］.北京:萬方數據，2009.

［5］靳志宏.物流調度與協調［M］.北京:中國物資出版社，2008.

［6］蘇昆哲，何華.深入淺出西門子WinCC V6［M］.2版.北京:北京航空航天大學出版社，2004.