0、引言

機械制造業(yè)正在發(fā)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以來，盡管我們可以說中國是一個機械制造大國，但是還不能說是一個機械制造強國。不過，中國的機械制造業(yè)正在緊跟全球機械領(lǐng)域的發(fā)展步伐，也有了自己的特色，而且經(jīng)過了不斷引進(jìn)、吸收甚至是“復(fù)制”的過程。中國的機械制造業(yè)正在走向一個轉(zhuǎn)型期，這既意味著巨大的挑戰(zhàn)，同時也意味著機會，我們從自動化的視角來衡量機械制造業(yè)水平的進(jìn)展，并展望機械制造業(yè)技術(shù)的未來發(fā)展與變化。

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

PLC的出現(xiàn)使得機器的控制變得更加可靠和標(biāo)準(zhǔn)化，它代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器回路控制給工業(yè)自動化帶來了革命性的變革，在開始的很長一段時間里，自上個世紀(jì)70年代開發(fā)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(jì)80年代后電子與半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，PLC的價格不斷下降，很快，它逐漸成為了工業(yè)控制的主流，甚至某種程度說它就像工業(yè)領(lǐng)域的“日用消費品”一樣的普及。

同時由于PLC無法滿足諸如復(fù)雜控制響應(yīng)的需求，或者無法滿足復(fù)雜的圖形設(shè)計，很多專用的系統(tǒng)也被設(shè)計應(yīng)用到機器上，如：Eltromat套色控制系統(tǒng)，Ulst專用的梳棉、并條機勻整系統(tǒng)、經(jīng)編機的電子送經(jīng)系統(tǒng)、回潮儀、Delem折彎控制器，包括CNC和機器人的控制系統(tǒng)也多采用專用的系統(tǒng)，專用控制系統(tǒng)通常價格非常高昂。

2、IT技術(shù)對自動化技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)

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

（1）芯片技術(shù)與存儲技術(shù)

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的存儲容量時，現(xiàn)在像B&R的PLC已經(jīng)擁有了Intelx86650MHz的處理芯片和128MB的SDRAM，并且輕易擴展到數(shù)個GB，DSP，CPLD，F(xiàn)PGA這些技術(shù)已經(jīng)使得原來需要進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計制造的芯片變得易于實現(xiàn)，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(shù)

經(jīng)歷了低速的現(xiàn)場總線技術(shù)后，以太網(wǎng)開始邁上舞臺，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)了各個控制器組件的連接接口，同時，為了解決以太網(wǎng)無法滿足實時通信需求的技術(shù)如EthernetPOWERLINK技術(shù)、Profinet、SERCOSIII、Ethernet/IP技術(shù)也快速發(fā)展并投入使用。

（3）視覺與圖像處理技術(shù)

現(xiàn)在更多的機器視覺技術(shù)監(jiān)測著設(shè)備上的每個變化，如CCD檢測和光電檢測技術(shù)用來檢測紡紗過程中紗線的斷裂、印刷過程的文字和圖像質(zhì)量。

（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，使得機器更容易處于監(jiān)控之下。

（5）工業(yè)無線技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)

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

3、終端消費市場需求的變化

市場的需求不斷地發(fā)生著變化，市場經(jīng)濟的大潮使得終端消費市場發(fā)生著變化，即對于更高品質(zhì)的追求和對更低價格的苛刻要求，這一切對機械制造業(yè)提出了巨大的設(shè)計變化，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，促進(jìn)了自動化技術(shù)的快速發(fā)展，同時，IT技術(shù)的快速發(fā)展也為自動化技術(shù)滿足機械行業(yè)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。

（1）品質(zhì)

人們對于產(chǎn)品的品質(zhì)產(chǎn)生了更高的要求，這對生產(chǎn)的精度和速度提出了更高的要求。

（2）靈活性

生產(chǎn)由原來的推動型市場轉(zhuǎn)向消費拉動型市場，即，個性化的需求使得生產(chǎn)系統(tǒng)變得更加需要靈活性。

（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，需要更多的過程數(shù)據(jù)采集用于工藝分析與質(zhì)量追溯，這包含了對成本的分析、在線質(zhì)量優(yōu)化、統(tǒng)計過程分析等管理工具的使用。

（4）安全與環(huán)保

人們開始不僅關(guān)心生產(chǎn)過程的產(chǎn)品質(zhì)量，同時也對環(huán)境的污染、人身的安全提出了更高的要求。

4、機器控制技術(shù)日趨復(fù)雜

正是上面提出的不斷需求使得機器控制變得更加復(fù)雜。復(fù)雜控制是相對于傳統(tǒng)的PLC控制或?qū)Ｓ孟到y(tǒng)而言的，因為機器控制已經(jīng)不僅僅滿足于PLC的邏輯控制。

4.1機器從簡單控制到復(fù)雜控制

在流程工業(yè)中，如石油化工行業(yè)，人們會覺得系統(tǒng)非常龐大，可是，在機器控制的小小機器上，我們越來越多的看到了定位控制、安全、液壓、顯示任務(wù)、管理任務(wù)、維護(hù)、仿真任務(wù)等等，傳統(tǒng)的PLC的邏輯控制只是其中最簡單的一部分了。

為了實現(xiàn)更為優(yōu)化的控制，更多的引發(fā)質(zhì)量的系統(tǒng)變量被檢測并輸入到系統(tǒng)，更為復(fù)雜的控制算法應(yīng)用于控制過程，這對算法設(shè)計能力提出了要求，而傳統(tǒng)的PLC在這個方面是具有弱勢的，而今天的面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)卻可以為此提供快速便捷的實現(xiàn)，在流程工業(yè)，主要是液位、壓力、溫度、壓力四大參數(shù)的控制，而在機器上，控制的變量更為復(fù)雜，位置、速度、壓力、安全信息、張力、視覺信息、光電開關(guān)，而且，響應(yīng)要求與流程中的mS、S相比要求更高，PID閉環(huán)要求的響應(yīng)速度往往達(dá)到uS級，例如位置閉環(huán)控制甚至達(dá)到100uS。

由于機器設(shè)計的模塊化需求，分布式控制變得更為廣泛，這也提高了通信任務(wù)在系統(tǒng)中的作用，以前的PLC只需要和上面的HMI通過232電纜連接即可，現(xiàn)在要連接的包括變頻、伺服、傳感器、特殊設(shè)備等。

這里所說的復(fù)雜控制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)成的機器控制模型的復(fù)雜性。

4.2獨立驅(qū)動技術(shù)在機器控制上的應(yīng)用

傳統(tǒng)的機器傳動均采用機械長軸的方式，由一個大電機驅(qū)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(zhì)量，另一方面，機械的維護(hù)和工藝切換時的機械調(diào)整需要花費時間，現(xiàn)在，通過為每個旋轉(zhuǎn)軸提供獨立的驅(qū)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(qū)動器的智能控制實現(xiàn)各個傳動軸之間的傳動比或凸輪關(guān)系(電子凸輪技術(shù))，甚至更為復(fù)雜的傳動關(guān)系。

這一技術(shù)在各個行業(yè)被賦予不同的名稱，如在印刷機械行業(yè)的“無軸傳動技術(shù)”，或者像在紡織機械行業(yè)的“多電機傳動”技術(shù)，在平網(wǎng)印花里稱為“全伺服印花技術(shù)”，注塑機和吹瓶機稱為“全電動注塑機”或者“電子軸”技術(shù)，如經(jīng)編機里的電子送經(jīng)EBC、電子橫移ELS。我們從過往的機械控制技術(shù)的發(fā)展來看，在各個領(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淼膬?yōu)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(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;獨立驅(qū)動”，它為機械制造業(yè)帶來了巨大的變化：

（1）生產(chǎn)變得更加靈活高效

原先的機械調(diào)整在切換訂單時需要進(jìn)行機械的調(diào)整，要么更換機械組件如刀輥、齒輪箱，或者反復(fù)調(diào)校機械，例如：特里科經(jīng)編機需要調(diào)整原有的重達(dá)2噸的機械鏈塊，而裁切單元需要更換刀輥的齒數(shù)來滿足裁切尺寸的變化；訂書機則調(diào)整機械規(guī)卡位置，這些調(diào)整需要花費時間是一個方面，而且在調(diào)校過程中依賴于人的經(jīng)驗，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&RACOPOS伺服驅(qū)動器的電子齒輪可以達(dá)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(dāng)于理想的無誤差狀態(tài)，這使得機器的生產(chǎn)精度得到了大幅度的提高，而事實上，如果在機械上達(dá)到同樣的精度所耗費的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子軸方式。

4.3單獨的機器正在被聯(lián)接成整條生產(chǎn)線

以前，各個單獨的機器在生產(chǎn)，然后半成品被通過輸送系統(tǒng)甚至人工搬運方式到另一臺機器上進(jìn)行再加工，這樣一個產(chǎn)品會經(jīng)過多個工藝段來生產(chǎn)，對于啤酒、飲料、乳制品等大批量生產(chǎn)的工廠來說，這樣的生產(chǎn)模式效率極其低下，無法滿足快速膨脹的市場需求，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、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)換到另一個訂單。

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

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

獨立的機器被聯(lián)線，對控制系統(tǒng)提出了新的要求，這主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

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

（2）機器需要與上層管理級系統(tǒng)的開放連接能力，例如：通過OPCServer被SCADA系統(tǒng)或更高的管理系統(tǒng)如MES，ERP訪問數(shù)據(jù)。

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

（4）系統(tǒng)適應(yīng)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(xù)的過程生產(chǎn)稱為PA。在未來，MA/FA/PA將實現(xiàn)更為緊密的連接，例如啤酒的前道糖化、發(fā)酵、存儲構(gòu)成了過程控制，而后道包裝工廠的整個流水線構(gòu)成了FA，獨立的灌裝機、膜包機則是機器控制MA。控制系統(tǒng)的開放性要實現(xiàn)在這些系統(tǒng)之間進(jìn)行無縫連接能力。

5、節(jié)能技術(shù)

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

（1）控制技術(shù)

例如在注塑機領(lǐng)域，越來越多的廠商采用伺服泵技術(shù)，通過對整個生產(chǎn)過程中的各個環(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，通常可以實現(xiàn)40%～80%以上的能量節(jié)省。

（2）能量再生

對于傳動系統(tǒng)，可通過共直流母線技術(shù)（CommonDCBus）將制動能量回饋DC總線，然后經(jīng)過變流器處理后成為再生能源提供給電動狀態(tài)的電機或回饋電網(wǎng)，從而達(dá)到節(jié)能。

（3）整體能量優(yōu)化

通過對整個工廠和生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備啟停運轉(zhuǎn)中的過程進(jìn)行分析，從而制定有效的能源優(yōu)化方案。

6、結(jié)語

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