從簡單機器人系統到基于總線通信的柔性系統升級淺析

崔岳 郭敏 徐英培

摘要：本文以雙機器人為執行終端、以PLC為控制系統、以獨立回轉盤為傳送機構、加上HMI人機界面、視覺識別系統等，將多設備以總線型通信手段聯為一體，并以此作為FMS的典型形態，完成復雜工藝的規劃與實施。

關鍵詞：FMS;工業機器人;總線通信

研究背景與調研

我國目前距離制造業強國，仍有相當程度的差距。相當多的產業仍處于勞動密集型，在一些結構單一的自動線上，完成流水作業、分揀、檢測工作的主要勞動力，仍然是大批量的產業工人。筆者于2016年5月到山東濰坊調研，深入了當地電動車廠，當時該企業的電車生產線，仍然依靠人工操作叉車擺放底盤，兩人配合手工把車門鋼板擺放在沖壓機內，孤零零的機器人在所謂“生產線”上的作用，就是進行幾道焊接工藝，而工藝本身的定位校準，也是由人工完成的，據粗略估算，其電車當時的自動化率，不超過15%。這和我們想象的，現代智能制造車間中，寥寥無幾的監測工人，井井有條的多工藝多工序的生產線大相徑庭。時隔兩年多，在2018年6月筆者再次造訪的時候，當初和該企業技術部門溝通提出的三點建議（最大化提升自動化率、利用通信總線實現多設備協調工作、以PLC和傳感器作為機器人感知系統以降低人工介入）均已全部實現，自動化率超過60%，并且正在繼續深化工藝技術。

自動化率的提高，基于總線通信的系統改造，是我們制造業產業升級的一個縮影，要想盡快邁入制造業強國的行列，就要把握時代，深入研究智能制造相關技術，利用機器人系統相對人工的天然優勢，以科技密集型為轉換目標，以工業互聯網體系為最終實現形態。

簡單系統與簡單工藝

機器人簡單系統又稱機器人最小系統，以焊接系統（或鑄造件）為例，制造業企業或者工廠，還有相當部分屬于這種工作模型：人工按照擺放臺要求將焊件（鑄造坯料）擺放好，機器人負責按照定點軌跡焊接。在全過程中，機器人系統沒有“眼睛”，無法知道是否有工件，無法知道加工工藝是否偏斜或有誤，系統的啟動和停止都需要人工來控制。這種簡單系統，主要工序的核心工藝由機器人來完成，可以保障質量穩定，成品率較高，但幾乎所有輔助環節都由人工來判斷處理，所以整體自動化率并不高，對于人工的需求仍然很大，生產效率提升有限。這種機器人簡單系統，對于整個產業來說，處于“初級階段”，而且，無數據產出，無法對生產系統整體做有效的判斷。

總線型通信網絡與各子系統融合

較高自動化率的制造業系統，是結合了網絡通信技術、傳感器技術、機電控制技術的系統，并具備核心控制部件來完成邏輯判斷、布爾運算以及對環境感知系統輸入信號的決策（一般來講核心控制部件由可編程控制器來完成功能）。這一整套系統當中，核心控制系統負責復雜工藝的存儲分析和控制輸出，由子系統來實現具體工藝步驟。

以PLC為控制核心的系統結構

具體結構模型的實現

一套實訓系統，就是一個完整的通信交互型系統，多個子系統在PLC控制下實現具體工藝步驟，其中包含了視覺識別作為環境感知的典型設備，包含了人機界面（HMI）作為終端控制器，相比于簡單機器人系統，這套系統科技密集度要高很多。

通信交互型系統的優勢

相比于沒有眼睛、沒有大腦的簡單機器人系統，通信交互型系統具備包括傳感器、視覺識別在內的各類環境感知系統作為“眼睛”;具備擁有決策能力的核心大腦，一般由可編程控制器（PLC）系統來擔任。環境感知系統通過通信線路，將信息傳遞給PLC，機器人的整體控制以及機器人系統與其他系統的交互也由PLC來完成，而工藝級別的操作則由機器人系統本身或其他子系統完成。具備獨立的控制系統、能夠實現高復雜度的，可移植的控制、編程、裝配和調試，最終完成生產任務，這正是柔性制造系統（FMS）的典型模型。柔性制造系統正是簡單機器人系統的“高級形式”，具備完善的，智能化的，高效的生產能力，是制造業企業基于工位級別的生產系統的產業升級的“終極形態”。

柔性制造系統的拓展與實現

現代高可靠性、高效率、高帶寬、低延遲的工業級別通信系統，是柔性制造系統內各個子系統能夠實現通信，進而完成系統智能化的基礎保障。簡單工藝，配合勞動密集型生產，勢必將會被高復雜度、高智能化，高自動化率的科技密集型生產所替代，通過技術堆疊、有效地針對指定生產系統完成系統集成化工作，以無人的工位級別的柔性制造系統作為基礎生產單元，進一步拓展，將整體實現各個工序的柔性制造單元進一步聯網，共享數據，統一控制，這就上升到了智能工廠的技術模型。業內，這是領軍企業努力實現的技術方向。以聯想合肥智能制造基地為例，其主板的生產過程，被科學地拆解成有效工序，進而被一整套柔性制造單元分別實現。面對智能制造技術拒之門外、固步自封的企業，勢必將會面臨生產力提高的瓶頸;而積極響應智能制造，以科技密集型生產替代人工，積極完成產業升級的那些企業，將會以極高的生產效率，相對更穩定的產品質量，更低的產品成本，在行業競爭中占得先機。

結語

在2019年5月8日召開的中國機器人峰會（浙江余姚）上，筆者有幸到場并看到，我國行業內繼續在推進工業互聯網的發展，而我國作為制造業大國，在穩步邁向制造業強國的過程中，面臨的首要問題就是產業升級問題，簡單機器人系統升級到柔性制造系統，將柔性制造系統作為工位單元，繼續建設更大規模的智能制造網絡體系，這就是工業互聯網——智能制造的生態系統，再配合現代高可靠性、高效率、高帶寬、低延遲的工業級別的通信系統、融合了物聯網技術、從生產端到用戶端的大數據分析技術、云端控制技術（云計算）、基于柔性制造系統自身的數據生成、處理及優化分析（邊緣計算）……以諸多的先進技術、先進理念加持，我國的產業智能制造的發展，必將越走越快，最終實現工業互聯網這一目標。