自動化技術與現代制造業

貝加萊工業自動化（上海）有限公司 宋華振

機械制造業正在發生著巨大的變化，自2009年開始中國超越德國成為全球最大的機械制造國，但盡管我們可以說中國是一個機械制造大國，但卻仍然不能說中國是一個機械制造強國。中國的機械制造業正在追隨著全球機械領域的發展路線，并且有自己的特色，經過了不斷的引進、吸收甚至是“復制”的過程，中國機械制造業正在走向一個轉型期，這意味著巨大的挑戰的同時也意味著機會，我們從自動化的視角來看機械制造業的變化，來看機械制造業技術的未來發展與變化。

1 PLC與專用控制器在機器控制領域的應用發展歷程

PLC的出現使得機器的控制變得更加可靠和標準化，它代替傳統的繼電器回路控制帶來了巨大的革命，在開始的很長一段時間里，自上個世紀70年代開發出來以后，由于其高昂的價格，使用的廠商還是比較少的，隨著上世紀80年代后電子與半導體技術的發展，PLC的價格不斷下降，很快，它逐漸成為了工業控制的主流，甚至某種程度說它是屬于工業領域的“日用消費品”一樣的普及。像SIEMENS的S7-200/1200、Mitsubshi的FX2N。

同時由于PLC無法滿足諸如復雜控制響應的需求，或者無法滿足復雜的圖形設計，很多專用的系統也被設計應用到機器上，如Eltromat套色控制系統，烏斯特專用的梳棉、并條機勻整系統、經編機的電子送經系統、回潮儀、Delem折彎控制器，包括CNC和機器人的控制系統也多采用專用的系統，專用控制系統通常價格非常高昂，而且不易于升級，在大多數情況下，這些專用系統是因為其高速的信號處理和工藝算法的原因在普通PLC上無法實現才選擇的方案。

2 IT技術對自動化技術發展的促進

IT及通信技術正在改變著自動化，越來越多的IT技術成果正在被快速地應用于自動化設備上來滿足機器控制的需求，這主要體現在以下方面：

（1）芯片技術與存儲技術

以前，人們在說起某個PLC還說它擁有多么強大的處理能力有多少KB的存儲容量，現在如B&R的PLC已經擁有了Intel x86 650MHz的處理芯片甚至1.6GHz的處理器和128MB的標準配置SDRAM，并且輕易擴展到數個GB的存儲空間。DSP、CPLD、FPGA這些技術已經使得原來需要進行復雜設計制造的芯片變得易于實現，這使得今天的處理能力相對于以前不可同日而語。

（2）通信技術

經歷了低速的現場總線技術后，以太網開始邁上舞臺，這一在IT業界已經廣泛使用的通信技術迅猛的占領了各個控制器組件的連接接口，同時，為了解決以太網無法滿足實時通信需求的技術如Ethernet POWERLINK技術、Profinet IRT、SERCOSIII、Ethernet/IP CIP技術也快速發展并投入使用，這些以太網技術均能達到100Mbps、0.1us系統時鐘同步和微秒級的數據刷新速度。

圖1 市場需求變化導至對于控制系統需求的變化

（3）視覺與圖像處理技術

現在更多的機器視覺技術如CCD檢測、光電檢測技術使得設備上的每個變化，用來檢測紡紗過程中紗線的斷裂、印刷過程的質量跟蹤、啤酒飲料包裝過程中的液體及殘夜檢測，以及醫療器械上的圖像掃描與處理。

（4）傳感器技術

隨著傳感器技術和微處理器技術的發展，傳感器更輕松的傳遞機器上的各種信號，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準的數字信號進行傳輸，或者通過總線接口連接到系統中。

（5）工業無線技術和物聯網

近幾年來，無線識別、無線測量技術和工業無線網絡已逐漸應用到多種行業的工業無線監控系統中并得到推廣；基于RFID、Internet和無線網絡的物聯網，也正方興未艾地蓬勃發展起來。

3 終端消費市場需求的變化

市場的需求不斷地發生著變化，市場經濟的大潮使得終端消費市場發生著變化，即對于更高品質的追求和對更低價格的苛刻要求，這一切對機械制造業提出了巨大的設計變化，而這一需求正傳導到控制系統提供商處，也使得需求被不斷的升級，促進了自動化技術的快速發展，同時，IT技術的快速發展也為自動化技術滿足機械行業的發展提供了基礎，如圖1所示。

（1）品質

人們對于產品的品質產生了更高的要求，這對生產的精度和速度提出了更高的要求；這就要求控制系統的響應能力、傳感器的測量精度以及在線質量檢測的速度大幅度提高。

（2）靈活性

生產由原來的推動型市場轉向消費拉動型市場，即個性化的需求使得生產系統變得更加需要靈活性，快速的換單與工藝切換，這就要求系統能夠自動的工藝配方下載并計算新的工藝路徑和自動參數調整。

（3）現代管理工具的應用

現代管理思想正在滲透到生產中，需要更多的過程數據采集用于工藝分析與質量追溯，這包含了對成本的分析、在線質量優化、統計過程分析SPC以及整體生產性維護TPM等管理工具的使用。

（4）安全與環保

人們開始不僅關心生產過程的產品質量，同時也對環境的污染、人身安全提出了更高的要求，尤其在歐洲，遵循IEC61508標準的Safety技術已經在SIEMENS、B&R、ABB得到了廣泛的應用。

4 機器控制技術日趨復雜

正是上面提出的不斷發展的需求使得機器控制變得更加復雜。復雜控制是相對于傳統的PLC控制或專用系統而言的，因為機器控制已經不僅僅滿足于PLC的邏輯控制。

4.1 機器從簡單控制到復雜控制

現在的機器和生產線上控制變得更加復雜，定位控制、Safety技術、液壓、顯示任務、管理任務、維護、仿真甚至CNC和機器人技術都在同一生產線上得到應用，傳統的PLC的邏輯控制只是其中最簡單的一部分。

為了實現更為優化的控制，更多的質量相關的系統變量被檢測并輸入到系統，更為復雜的控制算法應用于控制加工過程，這對算法設計能力提出了要求，而傳統的PLC在這個方面是具有弱勢的，而今天的面向對象（OOP）的編程技術卻可以為此提供快速便捷的實現。控制的變量更為復雜，位置、速度、壓力、安全信息、張力、視覺信息、光電開關。且系統響應周期要求達到微秒級，例如在機器人和CNC中，位置閉環控制甚至達到100us以下。

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

4.2 機器的模塊化設計

為了滿足更為靈活的生產需求，機器的制造商被要求更為模塊化的機械設計，這意味著機器可以按照需求進行組合，例如：在騎馬釘書機生產線上，書夾子的數量會根據雜志的頁數變化，而生產者則可以改變生產機器滿足這個需求，在卷筒紙膠印機上可以增加凹印和柔印單元或者裁切單元，這考慮了幾個因素：

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

（2）模塊化使得生產更為靈活，在固定設備投資相同情況下，模塊化機械設計可以讓機器的生產能力與范圍得到提高，提高了機器的承接訂單能力。

（3）模塊化設計也能使得機器對于那些生產變化需求不大的客戶降低整體設備采購成本。

模塊化的機械設計對控制系統提出了很多需求的變化，下面的獨立驅動技術以及開放性連接都是因此而產生的。

4.3 獨立驅動技術在機器控制上的應用

傳統的機器傳動均采用機械長軸的方式，由一個大電機驅動一個機械長軸，各個傳動均通過蝸輪蝸桿方式連接，這種方式不僅會因為機械的磨損影響傳動質量，另一方面，機械的維護和工藝切換時的機械調整需要花費時間，現在，通過為每個旋轉軸提供獨立的驅動取代這種傳動方式，由電機后的編碼器提供位置反饋，通過驅動器的智能控制實現各個傳動軸之間的傳動比或凸輪關系（電子凸輪技術），甚至更為復雜的傳動關系。

這一技術在各個行業被賦予不同的名稱，如在印刷機械行業的“無軸傳動技術”，或者像在紡織機械行業的“多電機傳動”技術，在平網印花里稱為“全伺服印花技術”，注塑機和吹瓶機稱為“全電動注塑機”或者“電子軸”技術，如經編機里的電子送經EBC、電子橫移ELS。我們從過往的機械控制技術的發展來看，在各個領域里這一技術都在更為廣泛的使用，在10年前這一技術還屬于非常昂貴的技術，但是，人們仍然為它所帶來的優勢所吸引，從而更多的使用。

不管名稱如何，我們可以理解為集中驅動轉變為“獨立驅動”，它為機械制造業帶來了巨大的變化：

（1）生產變得更加靈活高效

原先的機械調整在切換訂單時需要進行機械的調整，要么更換機械組件如刀輥、齒輪箱，或者反復調校機械，例如：特里科經編機需要調整原有的重達2噸的機械鏈塊，而裁切單元需要更換刀輥的齒數來滿足裁切尺寸的變化；訂書機則調整機械規卡位置，這些調整需要花費時間是一個方面，而且在調校過程中依賴于人的經驗，具有生產質量的不確定性。

（2）質量更高

由于電子齒輪可以達到非常高的耦合度，例如：B&R ACOPOS伺服驅動器的電子齒輪可以達到最高32位的分辨率，這相對于機械傳動誤差而言，幾乎相當于理想的無誤差狀態，這使得機器的生產精度得到了大幅度的提高，而事實上，如果在機械上達到同樣的精度所耗費的成本遠遠大于電子軸方式。

4.4 單獨的機器正在被聯接成整條生產線

以前，各個單獨的機器在生產，然后半成品被通過輸送系統甚至人工搬運方式到另一臺機器上進行再加工，這樣一個產品會經過多個工藝段來生產，對于啤酒、飲料、乳制品等大批量生產的工廠來說，這樣的生產模式效率極其低下，無法滿足快速膨脹的市場需求，產能成為了企業發展的瓶頸，為了提高這一效率，設備被要求互聯以提高效率。例如：

啤酒生產線：將吹瓶、清洗烘干、消毒、檢測、灌裝、壓蓋、貼標、熱膜包、碼垛、裝箱構成了完整的生產線，而且，可以快速的根據生產批次的需求調整而轉換到另一個訂單。

膠裝聯動線：將折頁、配頁、膠裝、輸送、三邊切進行連貫生產，從而提高效率。

其它如在紡機行業的清梳聯、細絡聯；在牛奶生產的無菌包裝線也正是這一需求的體現。

獨立的機器被聯線，對控制系統提出了新的要求，這主要體現在以下幾個方面：

（1）機器需要更為開放的接口與第三方設備連接能力，因為存在著不同控制系統設備的連接問題，否則無法構成完整的生產線。

（2）機器需要與上層管理級系統的開放連接能力，例如：通過OPC Server被SCADA系統或更高的管理系統如MES、ERP訪問數據。

（3）機器需要提供開放的軟件接口：例如支持ActiveX技術來實現組件連接。

（4）系統適應無縫連接的能力：通常我們把機器自動化稱為MA，而把工廠自動化稱為FA，把連續的過程生產稱為PA。在未來，MA/FA/PA將實現更為緊密的連接，例如啤酒的前道糖化、發酵、存儲構成了過程控制，而后道包裝工廠的整個流水線構成了FA，獨立的灌裝機、膜包則是機器控制MA。控制系統的開放性要實現在這些系統之間進行無縫連接能力。

5 節能技術

由于能源成本的上升，機器現在對于能耗的要求也更加苛刻，自動化技術在節能方面的應用表現在以下幾個層面：

（1）控制技術

例如在注塑機領域，越來越多的廠商采用伺服泵技術，通過對整個生產過程中的各個環節進行液壓壓力與流量的調節，而不像原有定量泵直接通過泄流閥釋放能量的方式，使得能量在“按需使用”的情況下達到節能的效果，通常可以實現40%～80%以上的能量節省。

（2）能量再生

對于傳動系統，可通過共直流母線技術（Common DC Bus）將制動能量回饋DC總線，然后經過變流器處理后成為再生能源提供給電動狀態的電機或回饋電網，從而達到節能。

（3）整體能量優化

通過對整個工廠和生產系統的設備啟停運轉中的過程進行分析，從而制定有效的能源優化方案。

6 結語

現代機械制造業正在借助自動化技術的發展而變得更加高效、安全、節能，而自動化技術又隨著IT技術的發展而不斷發展，自動化技術的核心在于與機器的結合，在于控制系統的設計，而IT技術則提供了自動技術發展的主要技術基礎。

[1] 肖維榮. 新一代可編程控制器[J]. 機電國際市場.1999,7.

[2] 齊蓉. 可編程計算機控制器原理及應用[M]. 西北工業大學出版社, 2002.