自動(dòng)化技術(shù)與現(xiàn)代制造業(yè)

貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司 宋華振

機(jī)械制造業(yè)正在發(fā)生著巨大的變化，自2009年開(kāi)始中國(guó)超越德國(guó)成為全球最大的機(jī)械制造國(guó)，但盡管我們可以說(shuō)中國(guó)是一個(gè)機(jī)械制造大國(guó)，但卻仍然不能說(shuō)中國(guó)是一個(gè)機(jī)械制造強(qiáng)國(guó)。中國(guó)的機(jī)械制造業(yè)正在追隨著全球機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展路線，并且有自己的特色，經(jīng)過(guò)了不斷的引進(jìn)、吸收甚至是“復(fù)制”的過(guò)程，中國(guó)機(jī)械制造業(yè)正在走向一個(gè)轉(zhuǎn)型期，這意味著巨大的挑戰(zhàn)的同時(shí)也意味著機(jī)會(huì)，我們從自動(dòng)化的視角來(lái)看機(jī)械制造業(yè)的變化，來(lái)看機(jī)械制造業(yè)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展與變化。

1 PLC與專用控制器在機(jī)器控制領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展歷程

PLC的出現(xiàn)使得機(jī)器的控制變得更加可靠和標(biāo)準(zhǔn)化，它代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器回路控制帶來(lái)了巨大的革命，在開(kāi)始的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，自上個(gè)世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)出來(lái)以后，由于其高昂的價(jià)格，使用的廠商還是比較少的，隨著上世紀(jì)80年代后電子與半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，PLC的價(jià)格不斷下降，很快，它逐漸成為了工業(yè)控制的主流，甚至某種程度說(shuō)它是屬于工業(yè)領(lǐng)域的“日用消費(fèi)品”一樣的普及。像SIEMENS的S7-200/1200、Mitsubshi的FX2N。

同時(shí)由于PLC無(wú)法滿足諸如復(fù)雜控制響應(yīng)的需求，或者無(wú)法滿足復(fù)雜的圖形設(shè)計(jì)，很多專用的系統(tǒng)也被設(shè)計(jì)應(yīng)用到機(jī)器上，如Eltromat套色控制系統(tǒng)，烏斯特專用的梳棉、并條機(jī)勻整系統(tǒng)、經(jīng)編機(jī)的電子送經(jīng)系統(tǒng)、回潮儀、Delem折彎控制器，包括CNC和機(jī)器人的控制系統(tǒng)也多采用專用的系統(tǒng)，專用控制系統(tǒng)通常價(jià)格非常高昂，而且不易于升級(jí)，在大多數(shù)情況下，這些專用系統(tǒng)是因?yàn)槠涓咚俚男盘?hào)處理和工藝算法的原因在普通PLC上無(wú)法實(shí)現(xiàn)才選擇的方案。

2 IT技術(shù)對(duì)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)

IT及通信技術(shù)正在改變著自動(dòng)化，越來(lái)越多的IT技術(shù)成果正在被快速地應(yīng)用于自動(dòng)化設(shè)備上來(lái)滿足機(jī)器控制的需求，這主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）芯片技術(shù)與存儲(chǔ)技術(shù)

以前，人們?cè)谡f(shuō)起某個(gè)PLC還說(shuō)它擁有多么強(qiáng)大的處理能力有多少KB的存儲(chǔ)容量，現(xiàn)在如B&R的PLC已經(jīng)擁有了Intel x86 650MHz的處理芯片甚至1.6GHz的處理器和128MB的標(biāo)準(zhǔn)配置SDRAM，并且輕易擴(kuò)展到數(shù)個(gè)GB的存儲(chǔ)空間。DSP、CPLD、FPGA這些技術(shù)已經(jīng)使得原來(lái)需要進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)制造的芯片變得易于實(shí)現(xiàn)，這使得今天的處理能力相對(duì)于以前不可同日而語(yǔ)。

（2）通信技術(shù)

經(jīng)歷了低速的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)后，以太網(wǎng)開(kāi)始邁上舞臺(tái)，這一在IT業(yè)界已經(jīng)廣泛使用的通信技術(shù)迅猛的占領(lǐng)了各個(gè)控制器組件的連接接口，同時(shí)，為了解決以太網(wǎng)無(wú)法滿足實(shí)時(shí)通信需求的技術(shù)如Ethernet POWERLINK技術(shù)、Profinet IRT、SERCOSIII、Ethernet/IP CIP技術(shù)也快速發(fā)展并投入使用，這些以太網(wǎng)技術(shù)均能達(dá)到100Mbps、0.1us系統(tǒng)時(shí)鐘同步和微秒級(jí)的數(shù)據(jù)刷新速度。

圖1 市場(chǎng)需求變化導(dǎo)至對(duì)于控制系統(tǒng)需求的變化

（3）視覺(jué)與圖像處理技術(shù)

現(xiàn)在更多的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)如CCD檢測(cè)、光電檢測(cè)技術(shù)使得設(shè)備上的每個(gè)變化，用來(lái)檢測(cè)紡紗過(guò)程中紗線的斷裂、印刷過(guò)程的質(zhì)量跟蹤、啤酒飲料包裝過(guò)程中的液體及殘夜檢測(cè)，以及醫(yī)療器械上的圖像掃描與處理。

（4）傳感器技術(shù)

隨著傳感器技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，傳感器更輕松的傳遞機(jī)器上的各種信號(hào)，如張力、位置、速度、扭矩、壓力、溫度、液位、密度等在本地處理為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，或者通過(guò)總線接口連接到系統(tǒng)中。

（5）工業(yè)無(wú)線技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)

近幾年來(lái)，無(wú)線識(shí)別、無(wú)線測(cè)量技術(shù)和工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已逐漸應(yīng)用到多種行業(yè)的工業(yè)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)中并得到推廣；基于RFID、Internet和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)，也正方興未艾地蓬勃發(fā)展起來(lái)。

3 終端消費(fèi)市場(chǎng)需求的變化

市場(chǎng)的需求不斷地發(fā)生著變化，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的大潮使得終端消費(fèi)市場(chǎng)發(fā)生著變化，即對(duì)于更高品質(zhì)的追求和對(duì)更低價(jià)格的苛刻要求，這一切對(duì)機(jī)械制造業(yè)提出了巨大的設(shè)計(jì)變化，而這一需求正傳導(dǎo)到控制系統(tǒng)提供商處，也使得需求被不斷的升級(jí)，促進(jìn)了自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，同時(shí)，IT技術(shù)的快速發(fā)展也為自動(dòng)化技術(shù)滿足機(jī)械行業(yè)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)，如圖1所示。

（1）品質(zhì)

人們對(duì)于產(chǎn)品的品質(zhì)產(chǎn)生了更高的要求，這對(duì)生產(chǎn)的精度和速度提出了更高的要求；這就要求控制系統(tǒng)的響應(yīng)能力、傳感器的測(cè)量精度以及在線質(zhì)量檢測(cè)的速度大幅度提高。

（2）靈活性

生產(chǎn)由原來(lái)的推動(dòng)型市場(chǎng)轉(zhuǎn)向消費(fèi)拉動(dòng)型市場(chǎng)，即個(gè)性化的需求使得生產(chǎn)系統(tǒng)變得更加需要靈活性，快速的換單與工藝切換，這就要求系統(tǒng)能夠自動(dòng)的工藝配方下載并計(jì)算新的工藝路徑和自動(dòng)參數(shù)調(diào)整。

（3）現(xiàn)代管理工具的應(yīng)用

現(xiàn)代管理思想正在滲透到生產(chǎn)中，需要更多的過(guò)程數(shù)據(jù)采集用于工藝分析與質(zhì)量追溯，這包含了對(duì)成本的分析、在線質(zhì)量?jī)?yōu)化、統(tǒng)計(jì)過(guò)程分析SPC以及整體生產(chǎn)性維護(hù)TPM等管理工具的使用。

（4）安全與環(huán)保

人們開(kāi)始不僅關(guān)心生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也對(duì)環(huán)境的污染、人身安全提出了更高的要求，尤其在歐洲，遵循IEC61508標(biāo)準(zhǔn)的Safety技術(shù)已經(jīng)在SIEMENS、B&R、ABB得到了廣泛的應(yīng)用。

4 機(jī)器控制技術(shù)日趨復(fù)雜

正是上面提出的不斷發(fā)展的需求使得機(jī)器控制變得更加復(fù)雜。復(fù)雜控制是相對(duì)于傳統(tǒng)的PLC控制或?qū)Ｓ孟到y(tǒng)而言的，因?yàn)闄C(jī)器控制已經(jīng)不僅僅滿足于PLC的邏輯控制。

4.1 機(jī)器從簡(jiǎn)單控制到復(fù)雜控制

現(xiàn)在的機(jī)器和生產(chǎn)線上控制變得更加復(fù)雜，定位控制、Safety技術(shù)、液壓、顯示任務(wù)、管理任務(wù)、維護(hù)、仿真甚至CNC和機(jī)器人技術(shù)都在同一生產(chǎn)線上得到應(yīng)用，傳統(tǒng)的PLC的邏輯控制只是其中最簡(jiǎn)單的一部分。

為了實(shí)現(xiàn)更為優(yōu)化的控制，更多的質(zhì)量相關(guān)的系統(tǒng)變量被檢測(cè)并輸入到系統(tǒng)，更為復(fù)雜的控制算法應(yīng)用于控制加工過(guò)程，這對(duì)算法設(shè)計(jì)能力提出了要求，而傳統(tǒng)的PLC在這個(gè)方面是具有弱勢(shì)的，而今天的面向?qū)ο螅∣OP）的編程技術(shù)卻可以為此提供快速便捷的實(shí)現(xiàn)。控制的變量更為復(fù)雜，位置、速度、壓力、安全信息、張力、視覺(jué)信息、光電開(kāi)關(guān)。且系統(tǒng)響應(yīng)周期要求達(dá)到微秒級(jí)，例如在機(jī)器人和CNC中，位置閉環(huán)控制甚至達(dá)到100us以下。

這里的復(fù)雜更多意義在于需要處理的變量類型的復(fù)雜性和這些變量構(gòu)成的機(jī)器控制模型的復(fù)雜性。

4.2 機(jī)器的模塊化設(shè)計(jì)

為了滿足更為靈活的生產(chǎn)需求，機(jī)器的制造商被要求更為模塊化的機(jī)械設(shè)計(jì)，這意味著機(jī)器可以按照需求進(jìn)行組合，例如：在騎馬釘書機(jī)生產(chǎn)線上，書夾子的數(shù)量會(huì)根據(jù)雜志的頁(yè)數(shù)變化，而生產(chǎn)者則可以改變生產(chǎn)機(jī)器滿足這個(gè)需求，在卷筒紙膠印機(jī)上可以增加凹印和柔印單元或者裁切單元，這考慮了幾個(gè)因素：

（1）模塊化的機(jī)械使得機(jī)器的成本得到大幅度降低，越是標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)械件，其制造成本則越低，而為了系統(tǒng)定制的機(jī)械件將大幅度增加機(jī)器的成本。

（2）模塊化使得生產(chǎn)更為靈活，在固定設(shè)備投資相同情況下，模塊化機(jī)械設(shè)計(jì)可以讓機(jī)器的生產(chǎn)能力與范圍得到提高，提高了機(jī)器的承接訂單能力。

（3）模塊化設(shè)計(jì)也能使得機(jī)器對(duì)于那些生產(chǎn)變化需求不大的客戶降低整體設(shè)備采購(gòu)成本。

模塊化的機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)控制系統(tǒng)提出了很多需求的變化，下面的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及開(kāi)放性連接都是因此而產(chǎn)生的。

4.3 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)在機(jī)器控制上的應(yīng)用

傳統(tǒng)的機(jī)器傳動(dòng)均采用機(jī)械長(zhǎng)軸的方式，由一個(gè)大電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)機(jī)械長(zhǎng)軸，各個(gè)傳動(dòng)均通過(guò)蝸輪蝸桿方式連接，這種方式不僅會(huì)因?yàn)闄C(jī)械的磨損影響傳動(dòng)質(zhì)量，另一方面，機(jī)械的維護(hù)和工藝切換時(shí)的機(jī)械調(diào)整需要花費(fèi)時(shí)間，現(xiàn)在，通過(guò)為每個(gè)旋轉(zhuǎn)軸提供獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)取代這種傳動(dòng)方式，由電機(jī)后的編碼器提供位置反饋，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的智能控制實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳動(dòng)軸之間的傳動(dòng)比或凸輪關(guān)系（電子凸輪技術(shù)），甚至更為復(fù)雜的傳動(dòng)關(guān)系。

這一技術(shù)在各個(gè)行業(yè)被賦予不同的名稱，如在印刷機(jī)械行業(yè)的“無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)”，或者像在紡織機(jī)械行業(yè)的“多電機(jī)傳動(dòng)”技術(shù)，在平網(wǎng)印花里稱為“全伺服印花技術(shù)”，注塑機(jī)和吹瓶機(jī)稱為“全電動(dòng)注塑機(jī)”或者“電子軸”技術(shù)，如經(jīng)編機(jī)里的電子送經(jīng)EBC、電子橫移ELS。我們從過(guò)往的機(jī)械控制技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，在各個(gè)領(lǐng)域里這一技術(shù)都在更為廣泛的使用，在10年前這一技術(shù)還屬于非常昂貴的技術(shù)，但是，人們?nèi)匀粸樗鶐?lái)的優(yōu)勢(shì)所吸引，從而更多的使用。

不管名稱如何，我們可以理解為集中驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)椤蔼?dú)立驅(qū)動(dòng)”，它為機(jī)械制造業(yè)帶來(lái)了巨大的變化：

（1）生產(chǎn)變得更加靈活高效

原先的機(jī)械調(diào)整在切換訂單時(shí)需要進(jìn)行機(jī)械的調(diào)整，要么更換機(jī)械組件如刀輥、齒輪箱，或者反復(fù)調(diào)校機(jī)械，例如：特里科經(jīng)編機(jī)需要調(diào)整原有的重達(dá)2噸的機(jī)械鏈塊，而裁切單元需要更換刀輥的齒數(shù)來(lái)滿足裁切尺寸的變化；訂書機(jī)則調(diào)整機(jī)械規(guī)卡位置，這些調(diào)整需要花費(fèi)時(shí)間是一個(gè)方面，而且在調(diào)校過(guò)程中依賴于人的經(jīng)驗(yàn)，具有生產(chǎn)質(zhì)量的不確定性。

（2）質(zhì)量更高

由于電子齒輪可以達(dá)到非常高的耦合度，例如：B&R ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪可以達(dá)到最高32位的分辨率，這相對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)誤差而言，幾乎相當(dāng)于理想的無(wú)誤差狀態(tài)，這使得機(jī)器的生產(chǎn)精度得到了大幅度的提高，而事實(shí)上，如果在機(jī)械上達(dá)到同樣的精度所耗費(fèi)的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子軸方式。

4.4 單獨(dú)的機(jī)器正在被聯(lián)接成整條生產(chǎn)線

以前，各個(gè)單獨(dú)的機(jī)器在生產(chǎn)，然后半成品被通過(guò)輸送系統(tǒng)甚至人工搬運(yùn)方式到另一臺(tái)機(jī)器上進(jìn)行再加工，這樣一個(gè)產(chǎn)品會(huì)經(jīng)過(guò)多個(gè)工藝段來(lái)生產(chǎn)，對(duì)于啤酒、飲料、乳制品等大批量生產(chǎn)的工廠來(lái)說(shuō)，這樣的生產(chǎn)模式效率極其低下，無(wú)法滿足快速膨脹的市場(chǎng)需求，產(chǎn)能成為了企業(yè)發(fā)展的瓶頸，為了提高這一效率，設(shè)備被要求互聯(lián)以提高效率。例如：

啤酒生產(chǎn)線：將吹瓶、清洗烘干、消毒、檢測(cè)、灌裝、壓蓋、貼標(biāo)、熱膜包、碼垛、裝箱構(gòu)成了完整的生產(chǎn)線，而且，可以快速的根據(jù)生產(chǎn)批次的需求調(diào)整而轉(zhuǎn)換到另一個(gè)訂單。

膠裝聯(lián)動(dòng)線：將折頁(yè)、配頁(yè)、膠裝、輸送、三邊切進(jìn)行連貫生產(chǎn)，從而提高效率。

其它如在紡機(jī)行業(yè)的清梳聯(lián)、細(xì)絡(luò)聯(lián)；在牛奶生產(chǎn)的無(wú)菌包裝線也正是這一需求的體現(xiàn)。

獨(dú)立的機(jī)器被聯(lián)線，對(duì)控制系統(tǒng)提出了新的要求，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）機(jī)器需要更為開(kāi)放的接口與第三方設(shè)備連接能力，因?yàn)榇嬖谥煌刂葡到y(tǒng)設(shè)備的連接問(wèn)題，否則無(wú)法構(gòu)成完整的生產(chǎn)線。

（2）機(jī)器需要與上層管理級(jí)系統(tǒng)的開(kāi)放連接能力，例如：通過(guò)OPC Server被SCADA系統(tǒng)或更高的管理系統(tǒng)如MES、ERP訪問(wèn)數(shù)據(jù)。

（3）機(jī)器需要提供開(kāi)放的軟件接口：例如支持ActiveX技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)組件連接。

（4）系統(tǒng)適應(yīng)無(wú)縫連接的能力：通常我們把機(jī)器自動(dòng)化稱為MA，而把工廠自動(dòng)化稱為FA，把連續(xù)的過(guò)程生產(chǎn)稱為PA。在未來(lái)，MA/FA/PA將實(shí)現(xiàn)更為緊密的連接，例如啤酒的前道糖化、發(fā)酵、存儲(chǔ)構(gòu)成了過(guò)程控制，而后道包裝工廠的整個(gè)流水線構(gòu)成了FA，獨(dú)立的灌裝機(jī)、膜包則是機(jī)器控制MA。控制系統(tǒng)的開(kāi)放性要實(shí)現(xiàn)在這些系統(tǒng)之間進(jìn)行無(wú)縫連接能力。

5 節(jié)能技術(shù)

由于能源成本的上升，機(jī)器現(xiàn)在對(duì)于能耗的要求也更加苛刻，自動(dòng)化技術(shù)在節(jié)能方面的應(yīng)用表現(xiàn)在以下幾個(gè)層面：

（1）控制技術(shù)

例如在注塑機(jī)領(lǐng)域，越來(lái)越多的廠商采用伺服泵技術(shù)，通過(guò)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行液壓壓力與流量的調(diào)節(jié)，而不像原有定量泵直接通過(guò)泄流閥釋放能量的方式，使得能量在“按需使用”的情況下達(dá)到節(jié)能的效果，通常可以實(shí)現(xiàn)40%～80%以上的能量節(jié)省。

（2）能量再生

對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)，可通過(guò)共直流母線技術(shù)（Common DC Bus）將制動(dòng)能量回饋DC總線，然后經(jīng)過(guò)變流器處理后成為再生能源提供給電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)或回饋電網(wǎng)，從而達(dá)到節(jié)能。

（3）整體能量?jī)?yōu)化

通過(guò)對(duì)整個(gè)工廠和生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備啟停運(yùn)轉(zhuǎn)中的過(guò)程進(jìn)行分析，從而制定有效的能源優(yōu)化方案。

6 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)正在借助自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展而變得更加高效、安全、節(jié)能，而自動(dòng)化技術(shù)又隨著IT技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)的核心在于與機(jī)器的結(jié)合，在于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而IT技術(shù)則提供了自動(dòng)技術(shù)發(fā)展的主要技術(shù)基礎(chǔ)。

[1] 肖維榮. 新一代可編程控制器[J]. 機(jī)電國(guó)際市場(chǎng).1999,7.

[2] 齊蓉. 可編程計(jì)算機(jī)控制器原理及應(yīng)用[M]. 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2002.