1.2 装备制造业与自动化技术的发展趋势

装备制造的核心是机械制造。机械制造业主要有塑料机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、木材加工机械、CNC（计算机数字控制）机床/机器人以及工程机械等行业。由于提高机械性能和生产效率的需求日益迫切，工业自动化技术发挥着越来越重要的作用。工业自动化系统不仅是机械系统的一个组成部分，它已经成为机械设备的灵魂。

1.2.1 机电软一体化

传统意义上的机械设计是从机械结构规划入手，在制订机械加工工艺的同时，完成机械制图。20世纪80年代后，出现了一个新词叫“Mechatronics”，中文的含义是机电一体化。机电一体化概念的出现标志着在机械制造领域，电气系统重要性的加强，同时机械和电气在机械设计和运行过程中相互配合、相互补偿的关系越来越受到重视。从工业自动化的视角来看，我国的机械制造业经历了继电器控制、单板机控制、简单的PLC（可编程序逻辑控制器）逻辑控制、集成式复杂智能控制这几个阶段。就目前的发展来看，仅仅是机电一体化已经不能适应装备制造业的需求。软件成为工业自动化设计方案的核心，不仅承担机械的动作控制，而且还具有配方管理、智能测算、工艺库的实施与集成、设备生命周期的管理等功能。在机械设备上应该体现的是机、电、软一体化。机电一体化主要体现的是机电系统的相互配合、协调和互补，而软件却在机械设计、系统升级与优化、机械的生命周期管理中都起着核心的作用。机械的知识产权或技术核心越来越多地体现在软件设计之中。当今现代化的机械设备中，机、电、软这三元素融为一体，缺一不可。机械设备机电软一体化如图1.5所示。

1.2.2 个性化方案与大批量生产

以印刷机械为例，尤其是胶印机行业，进入21世纪以来，正在发生革命性的变革，这个变革主要是数字化和信息化主导的。数字化印刷技术的先驱——HP Indigo公司的创始人Benny Landa曾经这样描述这场革命：所有可以数字化的都将会数字化，印刷也不例外（Everything that can become digital will become digital，and printing is no exception.）。这场数字化技术的革命带来的是印刷产品的定制化和个性化。案例1：每一则广告在日报中会因地区不同而内容不同，比如针对当地的超市而定制。案例2：每一辆汽车都有专门的使用手册（燃油的种类、配置选项等都有区别）。案例3：每一本相册都是独特的。所有这些案例都体现了印刷行业的新特征，那就是系列化生产中的单件批量（Batch Size One）。

印刷行业的变革不是孤立的，其他行业也正在进行着同样的演化过程。塑料机械、包装机械、纺织机械以及CNC机床/机器人等行业都面临着一个同样的问题，即每一批订单，甚至每一台设备的订单，都要考虑客户不同的个性化需求。大批量、同质化的产品已经进入完全竞争的阶段，会逐渐失去竞争力。设备制造商面临着一个艰难的战略选择。大规模、同质化的制造模式只能靠价格取胜，属于利润空间狭窄的商业模式。个性化方案、系列化生产的模式所面临的压力是研发的投入、成本的控制以及灵活的反应能力，这会成为企业发展的瓶颈。个性化方案大批量生产面临的挑战因素如图1.6所示，它描述了这个战略选择将面对的挑战。

迎接这个挑战就要发挥自动化软件的效能，而最根本的设计理念就是“模块化设计”。在构建机械设计方案时，有三个要素最为重要：

1) 模块化的系统构架。无论是机械部分、电气部分，还是自动化软件部分，有了模块化的构架，才能像搭积木那样组合成多种多样的设计方案。

2) 软件工程。软件工程包括软件架构、软件设计、项目管理以及产品生命周期管理等内容，这是面向未来工程化的思想。只有在规范化和标准化基础上设计的软件才具备长久的生命力。

3) 知识的重复利用。机械制造的关键技术和工艺将越来越多地沉淀到软件设计中，软件将成为机械制造知识产权的核心。将成熟的功能或技术标准化，避免重复的、无谓的开发，需要将测试的、验证过的、成熟的知识封装入功能库，以便重复、高效地利用。另外，从自动化技术的角度来看，建立一个自动化功能库，针对特定的机械制造业研发相应的行业模板，创造一个定制化应用的研发环境，是解决个性化需求、设计自动化构架方案的理想平台。个性化自动化方案构架如图1.7所示。

具体到某一个机械制造厂商，这意味着“多型号机器，一套软件”的系统构架。这样的一套软件架构，不仅创造了统一的操作习惯，而且大大缩短了新机型的研发周期，降低了研发和售后服务成本，更重要的是，它有力地保证了方案的可靠性和质量。

纺织机械的统一软件构建平台如图1.8所示，图中DM代表着数据模块，这是某纺织机械制造商的软件架构案例。

1.2.3 能效的追求

能效是指机械设备的能耗和性能。我国装备制造业战略转型的标志之一是摆脱低价竞争的怪圈，从价格竞争走向价值竞争。而价值竞争就要同时关注成本和性能，即性能价格比。产品的性能指标涉及一系列综合的评价指标，它包含设备的性能参数、精度、生产效率、质量管理水平以及终端产品品质等。性能价格比与机械设备的售价是一个非线性正比关系。这里所关注的成本不仅仅是机械设备本身的售价，还有设备未来的运行成本。能耗就是未来成本的一部分。

能耗的最小化设计包括两个要点：设计节能和能源管理。

1.设计节能

设计节能是指从产品和系统方案的设计构架开始，进行省材料、省时间和省人工的设计规划，选用能耗低的元器件，借助于技术创新保障单位产量的能耗最低。

其中，设备的轻装结构设计不仅意味着在运动控制上的能源节省，也意味着制造这些结构件的原材料的能耗在上一个供应链环节的节能。

采用低能耗元器件设计的案例很多。例如，用永磁同步电动机代替异步电动机，提高电动机的效率，改善电网的功率因数；工厂的照明系统把传统照明改成LED（发光二极管）照明；在多轴共母线的伺服驱动系统上采用电网回馈技术，使电动机制动产生的能量回馈电网。

另外，仿真技术的创新已经为设计和制造过程中的节能带来了革命性的变化。在设计制造过程中，传统的项目研发过程是样机随着设计的改进一款又一款地不断研制。这不仅意味着设计时间的冗长，更关键的是研制的成本或能耗无法降低，甚至一个设计人员的小失误也会给生产厂带来巨大的损失。HiL(Hardware in the Loop，硬件在环）是来自汽车行业的仿真研制方法，即包含硬件或设备的仿真回路，它能够解决纯软件仿真的不足。这种仿真技术的投入，避免了每一个小小的改动都要做一个汽车样机的耗费。在机械系统自动控制方案研发过程中，MATLAB/Simulink在研发系统中的集成也为设计节能、缩短研发周期带来了新的途径。系统仿真创造设计捷径如图1.9所示，它展示了这种仿真思路的优势。

2.能源管理

ISO 50001是由ISO的能源管理委员会ISO/PC 242组织制订的，目的是作为企业的能源管理标准，以提高能源使用效率、减少成本支出，降低对环境的影响。ISO 50001能源管理标准提供了一种方法，结合能效与实际的工业或商业管理系统，实现持续的节能改善。

ISO 50001标准所提倡的中心思想是将能源的消耗变得可测、可控，最终通过策略和规划的调整使能耗得到持续不断的优化。能源管理的中心思想如图1.10所示，能源管理系统模型Plan-Do-Check-Act (PDCA，计划、实施、检查、行动） 如图1.11所示，它们分别从不同的角度阐述了这个思想。

这里的能源所指的不仅是传统意义上的电能，它涉及工厂生产中各种类型的能源，如电能、水、压缩空气、热能、蒸汽、燃气、燃油以及其他能源介质。

能源管理就是要让能源可测、可控，并基于所测信息形成报表，制定下一步优化策略，以达到不断改进能源利用效率的目的。例如，同样的生产设备和任务，两个车间可以进行比较；同样的车间两个班次之间可以进行比较；针对用电或用燃气的波峰、波谷如何进行有效安排生产；怎样的顺序起动设备才能使能源需求量不超限，以避免额外支付惩罚性费用。贝加莱公司APROL EnMon的系统构架如图1.12所示，它是能源管理系统典型拓扑结构的一个案例。

现代机械自动化系统的能效设计理念是从系统性能设计开始就融入节能的思想，并贯穿设备操作、生产规划的过程中。节能不仅是降低使用成本的手段，从低碳环保角度出发，体现了产品具有保护地球资源的道德境界。