自動生產線的分析與研究

方恩輝

[沈陽機床(集團)有限責任公司，遼寧沈陽 110142]

自動化生產線是在自動化專機不斷完善的基礎上發展起來的。自動化專機是單臺的自動化設備，只能完成產品生產過程中的單一的某項工序，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設備上繼續下一道的生產工序。完成整個生產需要一系列不同功能的專機和人工參與才能完成，這樣既降低了場地利用率，又增加了生產員工和設備，無形中也增加了生產成本，不利于產品效率和質量的提高。若將產品生產所需要的一系列不同的自動化專機按照生產工序的先后次序排列，則通過自動化輸送系統可將全部專機連接起來，即可省去專機之間的人工參與過程。產品生產的流程是由一臺專機完成相應工序操作后，經過輸送系統將以完成的辦成品及生產過程信息自動傳送到下一臺專機繼續進行新的工序操作，直到完成全部的工序為止。這樣不僅減少了整個生產過程所需要的人力、物力，而且大大縮短了生產周期，提高了生產效率，降低了生產成本，保證了產品質量。這就是自動化生產線產生的背景。

1 自動生產線分析

1.1 自動化階段

在自動化行業中，第一代技術是以機械儀表為代表的機械控制技術，第二代主要是以電氣控制技術為主的繼電器控制技術和以調節器為代表的模擬控制技術，第三代是用于過程工業的分布式控制系統和用于離散行業的可編程控制器。第四代控制系統是開放式的，是過程工業控制和離散控制的融合，主要集成在數字處理技術和電氣可編程控制技術的集成上。這里所描述的自動化階段是指第三代的分布式控制系統。我們的數控機床采用數控系統進行控制，同時對數控機床的功能部件如液壓系統，冷卻系統，刀具系統，潤滑系統等進行控制。工件傳送系統采用可編程控制器或數控系統進行控制。但由于當時受技術的限制，數控系統和可編程控制器沒有通訊接口，不能和外部進行通訊。因此數控機床和工件傳送系統不能進行網絡通訊，數控機床和工件傳送系統只有通過繼電器進行相互信號的溝通。數控機床和工件傳送系統交互信號數量有限，類型簡單。此種自動生產線能夠遵循產品加工工藝按照生產工序的先后次序排列數控機床，通過自動化輸送系統可將全部專機連接起來實現自動化加工。可以把人從繁重的體力勞動中解放出來；在各數控機床的工序之間沒有數據交換不能實現質量的自動檢測，也就不能保證產品加工質量；數控機床由于沒有外部通訊，不能實現自動生產線的柔性加工。每一個控制系統在自動生產線中都是一座信息孤島，不能實現設備之間的互聯互通。

1.2 智能化階段

我國提出了在本世紀前20年經濟建設和改革的主要任務是基本實現工業化，大力推進信息化，并進一步提出信息化是我國加快實現工業化和現代化的必然選擇。自動化在信息化與工業化之間發揮著橋梁和紐帶作用，面對我國傳統工業的落后現狀，國家將加大技術改造的步伐，使我國工業技術向多樣化、自動化、智能化方向發展。

智能控制理論用以解決復雜系統的控制問題。當今的社會是信息化與智能化相結合的社會，人工智能占有重要地位。人工智能的發展極大地方便了人們的生活，而人工智能的發展也離不開自動化技術。從身邊的事物我們可以發現，自動化技術廣泛應用于商業、計算機輔助設計和計算機輔助制造、醫療、農業、綜合辦公自動化、交通運輸、過程控制、國防、自動化儀器儀表、人工智能技術、服務、科學研究等各方面。

隨著計算機和網絡技術的飛速發展，數控系統和可編程控制器都應經具備了和外部的網絡通訊能力，進而實現了數控機床和工件傳送系統的網絡通訊實現信息互通。目前數控系統和可編程控制器可以通過工業以太網和工業計算機進行通訊。西門子數控系統和法那科數控系統都可以通過以太網和上位機進行通訊。另外視覺系統通過高清CCD 攝像頭，視覺軟件、OPENCV 庫來進行外觀等智能化識別和判斷，并結合生產設備進行自動化流轉。物聯網通過產品的RFID 的配置，結合傳感器，掃碼自動識別進行產品位置、工序等生產檢測設備自動錄入和判斷。機械手臂通過機械臂編程實現自動上下料自動碼垛功能。AGV 小車實現物料自動搬運，物料自動配送等功能。通過上位機進行高級編程控制產品的配置需求和整體生產線的控制及工件傳送系統的調度。網絡通訊和工業軟件技術的發展大大促進自動生產線的智能化。自動生產線的智能化必然實現生產的在線測量，智能檢測進而提升產品的加工質量，借助上位機系統的智能化實現高柔性加工。

2 自動生產線研究

智能化反映信息產品的質量屬性。我們說一個信息產品是智能的，通常是指這個產品能完成有智慧的人才能完成的事情，或者已經達到人類才能達到的水平。智能化是信息技術發展的永恒追求，實現這一追求的主要途徑是發展人工智能技術。新一代人工智能主要包括大數據智能、群體智能、跨媒體智能、人機混合增強智能和類腦智能等。

對于我們數控加工類自動生產線，我們現在只對智能化自動生產線進行研究。因為智能生產線是我們目前正在逐步發展和逐步完善的自動生產線。實現自動生產線的智能化對于數控加工類自動化生產線主要通過硬件和軟件來實現。這里所描述的硬件是指數控機床及工件傳送系統的控制系統。軟件是指作為此條自動化生產線的大腦即整條生產線的管理系統。下面針對自動生產線的控制系統的通訊以及上位機管理系統進行研究。

2.1 控制系統與上位機的通訊

自動生產線控制系統和上位機的可靠通訊是上位機管理系統的基礎；沒有可靠的完整的數據通訊就沒有自動生產線的智能化。上位機通過工業現場總線與自動生產線各控制系統進行通訊。自動化生產線控制系統和上位機的的數據通訊包括兩部分即自動化部分和信息化部分。這里我們以比較常用的西門子828D數控系統和發那科0IF 數控系統為例進行分析研究。數據通訊包括為自動化部分和信息化部分。兩種數據通訊的區別是：信息化部分偏重數據采集；上位機基于高級編程來采集或讀寫數控變量，對于數控系統來說是單方面需求，只提供訪問權限，沒有主從之分，不適合實時互動。數據包括數控變量和PLC 變量，信息量大，數控系統側不需要設定和編程操作；一般不需要選擇功能。自動化部分偏重于信息交互輸入輸出信號，有主從或客戶端服務端區分；只有PLC 變量信息量小，通訊的各個端口都需要進行設定和邏輯編程。西門子數控系統和上位機通訊，信息化部分采用OPC-UA 通訊協議實現上位機和數控系統的數據通訊；而自動化部分通過S7通訊和上位機通訊。對于發那科0IF 數控系統和上位機通訊，信息化是通過上位機基于FOCAS 庫函數進行數據采集；自動化是通過具體通訊板進行通訊可以是ProfiNet 或ProfiBus通訊協議。上位機無論通過何種通訊協議與數控系統進行通訊最終的目的都是實現數據采集，基于每臺數控系統的PLC 數據和NC 數據通過高級編程實現整條生產線的自動控制和管理。自動生產線管理系統示意圖1所示。

圖1 自動生產線管理拓撲示意圖

2.2 自動生產線管理系統

自動線生產線管理系統的系統最底層為生產設備層，是對生產線上所有的設備、設施及輔助機構進行設備互聯和執行控制系統命令控制的基礎通訊層。系統中間層是產線控制層，負責承擔產線接收上位機生產指令和自動控制執行各設備單元機構使能動作部分。系統頂層是柔性生產單元生產管控層，與車間級MES 系統或EPR 系統實現生產計劃業務對接，可接收廠級生產計劃任務和生產準備信息，通過生產管理系統自有的簡單排產功能，實現產線的科學排產和生產排班，并通過任務號信息自動查詢產線產品加工基礎庫中對應產品信息，自動匹配該產品制造工藝，實現生產任務的自動管理與自動生產。

生產線管理系統首先實現數據采集分析。機床數據采集分析模塊提供了各種各樣的數據分析方法，自動或人工地對機床數據包括機床狀態、工件計數、報警等數據進行統計、處理。首先實現數據實時監控，實時監控功能適用于一個車間機床的實時狀態。包括生產、待機、故障等主狀態，并采集包括上料區無工件、下料區堵等同待機相關的子狀態。歷史狀態查詢分析是指在同一時刻可能有多個狀態，可以通過定義狀態的優先級來決定機床的當前顯示的狀態。數據統計分析，自動數據壓縮功能能夠計算在一個時間內的機床狀態的持續時間和頻率，然后存儲在計算機中。通過數據采集分析可以實現機床的利用能力分析。也可以實現機床報警信息診斷和工廠車間日歷功能。機床數據采集與分析功能會按照工廠車間日歷中規定的班次和工作日信息，對機床信息進行統計和分析。其設定結果會影響到相關統計參數的計算結果，例如可用率、利用率、OEE 等。通過數據采集和分析生產部門可以充分準確了解機床生產性能提高的潛能；增加了生產的透明化；可以快速查詢最新的生產歷史數據；通過快速計算機床故障信息，可以減少維護和維修機床的時間。

生產線管理系統實現數控加工程序管理。由于自動生產線實現智能化進而實現數控加工的柔性化。可以自由實現加工工件的換產，加工工件的更換，就需要數控加工程序的變更和管理。數控加工程序管理模塊把所有的數控加工（NC）程序都保存在服務器上，同時把數控加工（NC）程序的管理數據保存在SQL Server 數據庫中。通過工藝員操作終端界面來管理這些數控加工程序。操作人員可以按實際情況對數控加工程序進行組織劃分，還可以對數控加工程序進行版本管理、程序修改、程序信息管理等工作。數控加工（NC）程序通過這個功能可以直接下載到工作站。數控加工（NC）程序的傳輸需要經過一定的授權，可以使得程序的傳輸準確無誤。所有的用戶界面都通俗易懂，使得用戶在短期內掌握使用方法。

生產線管理系統實現刀具管理功能。刀具管理模塊可以通過以太網實現遠程監控機床上的刀具信息，以實現集中刀具監控。刀具管理系統可以準確、及時最優地提供刀具及其組件的全部信息，能夠對刀具進行調度、管理，以實現數控刀具的管理和預調，刀具綜合管理和預調制度的建立可以實現刀具參數和刀具壽命管理以及刀具的統一調配，縮短生產準備時間，降低刀具庫存量，提高刀具利用率。

生產管理系統實現自動生產線的質量管理。通過工件測量和在線監測等技術把工件的加工結果，上傳到上位機，通過管理系統質量模塊的判斷該工件是否合格。對于在線檢測不合格產品，進行返工，只需在生產管理系統中建立返工單，系統會自動流轉到生產返工步驟，對于返工的產品需要做返工總結，避免后期再出現同樣的問題，提高生產效率，降低成本。

生產管理系統可以實現訂單管理。根據生產訂單要求輸入訂單管理模塊實現自動排產。確保在訂單源頭對訂單進行把控，對產品數量、開工日期、截止日期等進行監控，提高訂單業務的準確性，從而保證生產步驟有序進行。

3 結束語

生產線管理系統是維持生產線正常運行的核心組成部分，是保證產線高效率、高柔性運轉的核心保障，通過數字化業務管控、工業總線控制、實時通信等技術將生產線上各個分散獨立的設備設施連成能進行相互通信、工業互聯的整體單元，利用總線控制對生產線任務進行管理和規劃，對資源進行全局調度，形成信息流閉環反饋機制，確保生產指令的精確執行，從而確保整個生產線的正常運行。

智能化自動生產線的建設是一個綜合性的系統工程。只有站在一個全新的高度，以閉環的管理模式，先進的信息化技術手段為依托，統籌規劃例如倉儲、物流、搬運、工藝、生產以及成品轉運等設備，從產線、車間乃至工廠的方案規劃初期就進行自動化與信息化的深度融合、統一設計，才能使二者發揮最大的效用，使企業不僅僅是建設成幾條自動化生產線去滿足生產需求，而是打造成真正“多線一體，統一管控”的數字化智能柔性自動生產線。