現(xiàn)代自動(dòng)化工廠（透明工廠整體解決方案）

1、現(xiàn)代自動(dòng)化工廠（透明工廠整體解決方案）,主講 吳桂峰,1 自動(dòng)化概論,1.1什么叫自動(dòng)化和電氣自動(dòng)化? 1.2自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的 研究?jī)?nèi)容和應(yīng)用領(lǐng)域 1.3工廠自動(dòng)化技術(shù) 1.4現(xiàn)代自動(dòng)化工廠（透明 工廠整體解決方案）,什么叫自動(dòng)化和電氣自動(dòng)化?,機(jī)器或裝置在無(wú)人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或指令自動(dòng)進(jìn)行操作或控制的過(guò)程。自動(dòng)化技術(shù)廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學(xué)研究、交

2、通運(yùn)輸、商業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)和家庭等方面。采用自動(dòng)化技術(shù)不僅可以把人從繁重的體力勞動(dòng)、部分腦力勞動(dòng)以及惡劣、危險(xiǎn)的工作環(huán)境中解放出來(lái)，而且能擴(kuò)展人的器官功能，極大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，增強(qiáng)人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的能力。因此，自動(dòng)化是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要條件和顯著標(biāo)志。,發(fā)展簡(jiǎn)況,1946年，美國(guó)福特公司的機(jī)械工程師D.S.哈德最先提出“自動(dòng)化”一詞，并用來(lái)描述發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的自動(dòng)傳送和加工的過(guò)程。他認(rèn)為在一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)器之間的

3、零件轉(zhuǎn)移不用人去搬運(yùn)就是“自動(dòng)化”。 50年代，自動(dòng)調(diào)節(jié)器和經(jīng)典控制理論的發(fā)展，使自動(dòng)化進(jìn)入以單變量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)為主的局部自動(dòng)化階段。60年代，隨現(xiàn)代控制理論的出現(xiàn)和電子計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用，自動(dòng)控制與信息處理結(jié)合起來(lái)，使自動(dòng)化進(jìn)入到生產(chǎn)過(guò)程的最優(yōu)控制與管理的綜合自動(dòng)化階段。70年代，自動(dòng)化的對(duì)象變?yōu)榇笠?guī)模、復(fù)雜的工程和非工程系統(tǒng)，涉及許多用現(xiàn)代控制理論難以解決的問(wèn)題。,研究?jī)?nèi)容,自動(dòng)化是一門涉及學(xué)科較多、應(yīng)用廣泛的綜合性科

4、學(xué)技術(shù)。作為一個(gè)系統(tǒng)工程，它由5個(gè)單元組成：①程序單元。決定做什么和如何做。②作用單元。施加能量和定位。③傳感單元。檢測(cè)過(guò)程的性能和狀態(tài)。④制定單元。對(duì)傳感單元送來(lái)的信息進(jìn)行比較，制定和發(fā)出指令信號(hào)。⑤控制單元。進(jìn)行制定并調(diào)節(jié)作用單元的機(jī)構(gòu)。自動(dòng)化的研究?jī)?nèi)容主要有自動(dòng)控制和信息處理兩個(gè)方面，包括理論、方法、硬件和軟件等，從應(yīng)用觀點(diǎn)來(lái)看，研究?jī)?nèi)容有過(guò)程自動(dòng)化、機(jī)械制造自動(dòng)化、管理自動(dòng)化、實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化和家庭自動(dòng)化等。,過(guò)程自動(dòng)化,石油煉制和

5、化工等工業(yè)中流體或粉體的化學(xué)處理自動(dòng)化。一般采用由檢測(cè)儀表、調(diào)節(jié)器和計(jì)算機(jī)等組成的過(guò)程控制系統(tǒng)，對(duì)加熱爐、精餾塔等設(shè)備或整個(gè)工廠進(jìn)行最優(yōu)控制。采用的主要控制方式有反饋控制、前饋控制和最優(yōu)控制等。,,機(jī)械制造自動(dòng)化,這是機(jī)械化、電氣化與自動(dòng)控制相結(jié)合的結(jié)果，處理的對(duì)象是離散工件。早期的機(jī)械制造自動(dòng)化是采用機(jī)械或電氣部件的單機(jī)自動(dòng)化或是簡(jiǎn)單的自動(dòng)生產(chǎn)線。20世紀(jì)60年代以后，由于電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，出現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)輔助

6、設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)等。研制出適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)型式的柔性制造系統(tǒng)（FMS）。以柔性制造系統(tǒng)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化車間，加上信息管理、生產(chǎn)管理自動(dòng)化，出現(xiàn)了采用計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的工廠自動(dòng)化。,管理自動(dòng)化,工廠或事業(yè)單位的人、財(cái)、物、生產(chǎn)、辦公等業(yè)務(wù)管理自動(dòng)化，是以信息處理為核心的綜合性技術(shù)，涉及電子計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)與控制等學(xué)科。一般采用由多臺(tái)具有高速處理大量信息能力的計(jì)算機(jī)和各種終端組成的局部網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)代已在管理信息

7、系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研制出決策支持系統(tǒng)（DSS），為高層管理人員決策提供備選的方案。對(duì)社會(huì)的影響 自動(dòng)化是新的技術(shù)革命的一個(gè)重要方面。自動(dòng)化技術(shù)的研究、應(yīng)用和推廣，對(duì)人類的生產(chǎn)、生活等方式將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和辦公室自動(dòng)化可極大地提高社會(huì)生產(chǎn)率和工作效率，節(jié)約能源和原材料消耗，保證產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，改進(jìn)生產(chǎn)工藝和管理體制，加速社會(huì)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變革和社會(huì)信息化的進(jìn)程。,發(fā)展趨勢(shì),現(xiàn)代生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)自動(dòng)化技術(shù)提出越來(lái)越高的

8、要求，同時(shí)也為自動(dòng)化技術(shù)的革新提供了必要條件。70年代以后，自動(dòng)化開始向復(fù)雜的系統(tǒng)控制和高級(jí)的智能控制發(fā)展，并廣泛地應(yīng)用到國(guó)防、科學(xué)研究和經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的自動(dòng)化，例如大型企業(yè)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、全國(guó)鐵路自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)、國(guó)家電力網(wǎng)自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)、空中交通管制系統(tǒng)、城市交通控制系統(tǒng)、自動(dòng)化指揮系統(tǒng)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)等。自動(dòng)化的應(yīng)用正從工程領(lǐng)域向非工程領(lǐng)域擴(kuò)展，如醫(yī)療自動(dòng)化、人口控制、經(jīng)濟(jì)管理自動(dòng)化等。自動(dòng)化將在更大程度上模仿人的智能

9、，機(jī)器人已在工業(yè)生產(chǎn)、海洋開發(fā)和宇宙探測(cè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用，專家系統(tǒng)在醫(yī)療診斷、地質(zhì)勘探等方面取得顯著效果。工廠自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化和農(nóng)業(yè)自動(dòng)化將成為新技術(shù)革命的重要內(nèi)容，并得到迅速發(fā)展。,電氣自動(dòng)化,電氣工程及其自動(dòng)化的觸角伸向各行各業(yè)，小到一個(gè)開關(guān)的設(shè)計(jì)，大到宇航飛機(jī)的研究，都有它的身影。本專業(yè)生能夠從事與電氣工程有關(guān)的系統(tǒng)運(yùn)行、自動(dòng)控制、電力電子技術(shù)、信息處理、試驗(yàn)技術(shù)、研制開發(fā)、經(jīng)濟(jì)管理以及電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域的工作

10、，是寬口徑“復(fù)合型”高級(jí)工程技術(shù)人才。該領(lǐng)域?qū)Ω咚饺瞬诺男枨蠛艽?。?jù)估計(jì)，隨著國(guó)外大企業(yè)的進(jìn)入，在這一專業(yè)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)很大缺口，那時(shí)很可能出現(xiàn)人才供不應(yīng)求的現(xiàn)象。,2 自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r,2.1 全球化工業(yè)生產(chǎn) 2.2 控制理論的進(jìn)展 2.3 CIMS 2.4 CIPS 2.5 人工智能與人工心理,3 工廠自動(dòng)化技術(shù),過(guò)程工程基礎(chǔ)（流體力學(xué)、工程

11、 力學(xué)、熱工基礎(chǔ)、化工原理等） 過(guò)程檢測(cè)及儀表技術(shù) 過(guò)程控制儀表及裝置 過(guò)程控制系統(tǒng),3.1 工業(yè)過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表,3.2 電力電子與運(yùn)動(dòng)控制,電力電子技術(shù) 電機(jī)及拖動(dòng)技術(shù) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 直流電機(jī)、交流電機(jī) 伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī),3.3 工廠供電與電氣控制技術(shù),工廠供電技術(shù) 電氣控制技術(shù),3.

12、4 CIMS,（1）CAD/CAM/CAE CAD的主要研究?jī)?nèi)容：曲面造型、實(shí)體造型、物體質(zhì)量特性計(jì)算、二維和三維圖形的轉(zhuǎn)換、三維幾何模型的顯示處理。 CAM的主要研究?jī)?nèi)容：數(shù)控加工技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)。 CAE的主要研究?jī)?nèi)容：有限元法（FEM）網(wǎng)格自動(dòng)生成（分析和研究產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性）、優(yōu)化設(shè)計(jì)、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析和仿真。,（2）計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)（CAPP） （3）成組技術(shù)（GT）

13、（4）柔性制造系統(tǒng)（FMS） （加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、信息流系統(tǒng)） 物料搬運(yùn)系統(tǒng)、自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)。 （5）管理信息系統(tǒng)（MIS）與數(shù)據(jù)庫(kù) （6）制造資源計(jì)劃MRP-Ⅱ （7）CIMS網(wǎng)絡(luò),3.5 CIPS,CIPS（Computer Integrated Producing System，計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)）：是企業(yè)在當(dāng)前實(shí)施的人工集成信息的生產(chǎn)系統(tǒng)。CIPS屬于一

14、種類型的控制論系統(tǒng)，即工業(yè)生產(chǎn)控制論系統(tǒng)。其主要硬件系統(tǒng)除原生產(chǎn)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)自控裝置如DCS，PLC等外，還有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架及服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。軟件系統(tǒng)除各相關(guān)的系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)外，應(yīng)用軟件開發(fā)是CIPS的主體，它包括三大類：（1）管理信息系統(tǒng)類：生產(chǎn)計(jì)劃管理，營(yíng)銷合同管理，生產(chǎn)調(diào)度管理，物資及庫(kù)存管理，產(chǎn)品質(zhì)量保證體系，廠務(wù)管理、人事財(cái)務(wù)管理等等；（2）信息存貯、綜合統(tǒng)計(jì)類：市場(chǎng)信息管理，包括原、材、燃料，產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)外價(jià)格信息

15、，工程數(shù)據(jù)庫(kù)，生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)，質(zhì)量數(shù)據(jù)庫(kù)；（3）生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化及管理決策類：企業(yè)系統(tǒng)物料平衡模型，企業(yè)能量平衡模型，企業(yè)投入產(chǎn)出動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)模型，企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行和管理優(yōu)化系統(tǒng)。,3.6 控制網(wǎng)絡(luò),（1）計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 硬件技術(shù)：計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、DSP、IPC、SLC、PLC、變頻器等。 軟件技術(shù)：操作系統(tǒng)、常用編程語(yǔ)言和工具軟件、實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)、控制策略與控制算法設(shè)計(jì)、組態(tài)軟件、SCADA/HMI。 元部件：電機(jī)、執(zhí)行器（

16、電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓）、傳感器、變送器等工業(yè)測(cè)控儀表與自動(dòng)化裝置。 系統(tǒng)集成：CIMS、CIPS、控制網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)。 抗干擾及可靠性技術(shù)。,（2）CNC(數(shù)控機(jī)床)、DDC、DCS、FCS （3）控制網(wǎng)絡(luò) RS-485、BITBUS、Fieldbus等控制網(wǎng)絡(luò)已普遍使用，以太網(wǎng)（Ethernet）在工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制領(lǐng)域正在迅猛增長(zhǎng)，100 MB以上數(shù)據(jù)傳輸速率的Ethernet已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。在德國(guó)舉辦的‘99 INT

17、ERKA工業(yè)過(guò)程測(cè)控技術(shù)展覽會(huì)上，許多基于現(xiàn)場(chǎng)總線的FCS系統(tǒng)都最終連接到Ethernet，直至與Internet相連。 專家們預(yù)言：種種跡象表明，Ethernet將最終到達(dá)所有的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。,4.1 透明工廠 透明工廠是一種開放的自動(dòng)化系統(tǒng)框架，它建立在TCP/IP協(xié)議、互連網(wǎng)技術(shù)及面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ)上，為生產(chǎn)自動(dòng)化及經(jīng)營(yíng)管理提供渾然一體的通信系統(tǒng)。透明工廠除主控裝置外，主要由3部分組成：網(wǎng)絡(luò)通信采用

18、TCP/IP+Fieldbus；客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)；面向?qū)ο蟮能浖?4 現(xiàn)代自動(dòng)化工廠（透明工 廠整體解決方案）,4.2 透明工廠整體解決方案 現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）控制系統(tǒng)+以太信息網(wǎng)（Ethernet）+因特網(wǎng)（Internet）= 透明工廠的一體化系統(tǒng)集成方案。 透明工廠的整體解決方案，對(duì)企業(yè)的自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展、業(yè)務(wù)環(huán)境的發(fā)展、技術(shù)環(huán)境的發(fā)展、生產(chǎn)環(huán)境的發(fā)展、管理環(huán)境的發(fā)

19、展，將產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用，并帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。,4.3 Internet、Intranet、Infranet Internet作為國(guó)際互連網(wǎng)，是由大量局域網(wǎng)連接形成的廣域網(wǎng)，它已成為當(dāng)代信息社會(huì)的高速公路和重要的基礎(chǔ)設(shè)施。Internet的主要技術(shù)在企業(yè)內(nèi)部或局域網(wǎng)范圍內(nèi)也得到了廣泛應(yīng)用。但由于Internet具有地域廣、接點(diǎn)多和成員復(fù)雜等特點(diǎn)，因而難于管理，安全性差，不能完全適應(yīng)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的使用需要。因而作為

20、Internet技術(shù)的一種發(fā)展，誕生了Intranet。,Intranet是指企業(yè)網(wǎng)（內(nèi)聯(lián)網(wǎng)），它從根本上改變了企業(yè)內(nèi)部的管理模式，大大改善了企業(yè)內(nèi)部的信息交流。Intranet可以成為企業(yè)應(yīng)用程序之間、雇主與雇員之間、雇員與雇員之間、企業(yè)與客戶之間交換信息的重要手段與媒體。,Infranet是指下層或底層控制網(wǎng)。由于現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）作為自動(dòng)控制領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)，又位于工廠網(wǎng)絡(luò)的底層，因而Infranet成為現(xiàn)場(chǎng)總線、控制網(wǎng)絡(luò)的代

21、名詞。Infranet把具有通信功能的控制設(shè)備連接起來(lái)，形成低成本、高可靠性的分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它可以成為Intranet底層的特殊網(wǎng)絡(luò)，也可以通過(guò)Internet形成特殊的控制系統(tǒng)。,隨著計(jì)算機(jī)、控制、網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)的發(fā)展，Intranet、Infranet和Internet正在各盡所長(zhǎng)，并趨于一體化。因此，透明工廠整體解決方案的條件已基本成熟，盡快實(shí)施透明工廠整體解決方案的立項(xiàng)研究工作，使信息系統(tǒng)繼續(xù)向著更廣、更深的領(lǐng)域發(fā)展，發(fā)揮

22、更大的作用，為人類作出更大貢獻(xiàn)。,4.4 透明工廠整體解決方案的主要內(nèi)容 應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)技術(shù)，把企業(yè)網(wǎng)絡(luò)一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或生產(chǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管控一體化網(wǎng)絡(luò)集成，即透明工廠方案。透明工廠整體解決方案的主要內(nèi)容包括：,①網(wǎng)絡(luò)通信：采用TCP/IP+現(xiàn)場(chǎng)總線（FF、PROFIBUS、CAN、LONWORKS、HART等等）；企業(yè)網(wǎng)絡(luò)將采用以太網(wǎng)（Ethernet）通信系統(tǒng)。以太網(wǎng)將成為首選的控制網(wǎng)絡(luò)。,②數(shù)據(jù)管理：采用瘦形客

23、戶機(jī)、圖形服務(wù)器和嵌入式服務(wù)器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和生產(chǎn)過(guò)程的控制。,③面向?qū)ο蟮能浖翰捎锰菪芜壿?；?duì)程序代碼的封裝；每個(gè)梯形邏輯控制一個(gè)對(duì)象。面向?qū)ο蟮能浖⒅貥?gòu)工廠控制的數(shù)據(jù)、方法和過(guò)程，更加注重工藝和知識(shí)。,透明工廠的整體解決方案，可實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)： ① 信息管理。 ② 技術(shù)管理。 ③ 經(jīng)營(yíng)管理。 ④ 維護(hù)管理。 ⑤ 用戶效益。

24、⑥ 工廠管理者的效益,4.5 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題 ①基于Fieldbus控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化問(wèn)題； ②基于Fieldbus和Ethernet的透明工廠方案問(wèn)題； ③商業(yè)集成問(wèn)題（把技術(shù)用于商業(yè)戰(zhàn)略的制定之中），即信息系統(tǒng)之間的集成； ④垂直集成問(wèn)題，即控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的集成； ⑤水平集成問(wèn)題，即控制系統(tǒng)各部分之間的集成； ⑥分布式控制網(wǎng)絡(luò)、嵌入式控制網(wǎng)絡(luò)、交換式控制網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)

25、的應(yīng)用問(wèn)題。,4.6 透明工廠的實(shí)現(xiàn)方法 采用Fieldbus、Infranet、Ethernet、Intranet、Internet技術(shù)發(fā)展框架，以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)，以Web瀏覽和系統(tǒng)集成SQL數(shù)據(jù)庫(kù)為核心應(yīng)用，構(gòu)成智能化系統(tǒng)內(nèi)統(tǒng)一和便捷的信息交換平臺(tái)，各個(gè)自動(dòng)化子系統(tǒng)和信息子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息可通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳到網(wǎng)絡(luò)中心的系統(tǒng)集成服務(wù)器，開設(shè)智能化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)。各監(jiān)控管理人員均可在授權(quán)下通過(guò)Web工具方便地瀏覽企業(yè)內(nèi)部I

26、ntranet上豐富的實(shí)時(shí)信息，監(jiān)控和管理各個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工況。通過(guò)開放的數(shù)據(jù)庫(kù)互連（ODBC）技術(shù)將系統(tǒng)集成SQL數(shù)據(jù)庫(kù)與辦公自動(dòng)化和管理信息數(shù)據(jù)庫(kù)互連，提供綜合全面的信息與數(shù)據(jù)。,5.1 認(rèn)識(shí)問(wèn)題 5.2 低成本問(wèn)題 5.3 控制理論的實(shí)用性問(wèn)題,5 自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展中 存在的問(wèn)題,6.1 計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化 6.2 信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的自動(dòng)化理論 6.3 智能自動(dòng)化技術(shù) 6.4