現(xiàn)代自動化工廠（透明工廠整體解決方案）

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

2、通運輸、商業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)和家庭等方面。采用自動化技術(shù)不僅可以把人從繁重的體力勞動、部分腦力勞動以及惡劣、危險的工作環(huán)境中解放出來，而且能擴展人的器官功能，極大地提高勞動生產(chǎn)率，增強人類認識世界和改造世界的能力。因此，自動化是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學技術(shù)現(xiàn)代化的重要條件和顯著標志。,發(fā)展簡況,1946年，美國福特公司的機械工程師D.S.哈德最先提出“自動化”一詞，并用來描述發(fā)動機汽缸的自動傳送和加工的過程。他認為在一個生產(chǎn)過程中，機器之間的

3、零件轉(zhuǎn)移不用人去搬運就是“自動化”。 50年代，自動調(diào)節(jié)器和經(jīng)典控制理論的發(fā)展，使自動化進入以單變量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)為主的局部自動化階段。60年代，隨現(xiàn)代控制理論的出現(xiàn)和電子計算機的推廣應(yīng)用，自動控制與信息處理結(jié)合起來，使自動化進入到生產(chǎn)過程的最優(yōu)控制與管理的綜合自動化階段。70年代，自動化的對象變?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題。,研究內(nèi)容,自動化是一門涉及學科較多、應(yīng)用廣泛的綜合性科

4、學技術(shù)。作為一個系統(tǒng)工程，它由5個單元組成：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。檢測過程的性能和狀態(tài)。④制定單元。對傳感單元送來的信息進行比較，制定和發(fā)出指令信號。⑤控制單元。進行制定并調(diào)節(jié)作用單元的機構(gòu)。自動化的研究內(nèi)容主要有自動控制和信息處理兩個方面，包括理論、方法、硬件和軟件等，從應(yīng)用觀點來看，研究內(nèi)容有過程自動化、機械制造自動化、管理自動化、實驗室自動化和家庭自動化等。,過程自動化,石油煉制和

5、化工等工業(yè)中流體或粉體的化學處理自動化。一般采用由檢測儀表、調(diào)節(jié)器和計算機等組成的過程控制系統(tǒng)，對加熱爐、精餾塔等設(shè)備或整個工廠進行最優(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。,,機械制造自動化,這是機械化、電氣化與自動控制相結(jié)合的結(jié)果，處理的對象是離散工件。早期的機械制造自動化是采用機械或電氣部件的單機自動化或是簡單的自動生產(chǎn)線。20世紀60年代以后，由于電子計算機的應(yīng)用，出現(xiàn)了數(shù)控機床、加工中心、機器人、計算機輔助

6、設(shè)計、計算機輔助制造、自動化倉庫等。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)的自動化車間，加上信息管理、生產(chǎn)管理自動化，出現(xiàn)了采用計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的工廠自動化。,管理自動化,工廠或事業(yè)單位的人、財、物、生產(chǎn)、辦公等業(yè)務(wù)管理自動化，是以信息處理為核心的綜合性技術(shù)，涉及電子計算機、通信系統(tǒng)與控制等學科。一般采用由多臺具有高速處理大量信息能力的計算機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。對社會的影響 自動化是新的技術(shù)革命的一個重要方面。自動化技術(shù)的研究、應(yīng)用和推廣，對人類的生產(chǎn)、生活等方式將產(chǎn)生深遠影響。生產(chǎn)過程自動化和辦公室自動化可極大地提高社會生產(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，改善勞動條件，改進生產(chǎn)工藝和管理體制，加速社會的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變革和社會信息化的進程。,發(fā)展趨勢,現(xiàn)代生產(chǎn)和科學技術(shù)的發(fā)展，對自動化技術(shù)提出越來越高的

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

9、，機器人已在工業(yè)生產(chǎn)、海洋開發(fā)和宇宙探測等領(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。工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化和農(nóng)業(yè)自動化將成為新技術(shù)革命的重要內(nèi)容，并得到迅速發(fā)展。,電氣自動化,電氣工程及其自動化的觸角伸向各行各業(yè)，小到一個開關(guān)的設(shè)計，大到宇航飛機的研究，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)運行、自動控制、電力電子技術(shù)、信息處理、試驗技術(shù)、研制開發(fā)、經(jīng)濟管理以及電子與計算機技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域的工作

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

11、 力學、熱工基礎(chǔ)、化工原理等） 過程檢測及儀表技術(shù) 過程控制儀表及裝置 過程控制系統(tǒng),3.1 工業(yè)過程控制與自動化儀表,3.2 電力電子與運動控制,電力電子技術(shù) 電機及拖動技術(shù) 運動控制系統(tǒng) 直流電機、交流電機 伺服電機、步進電機,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的主要研究內(nèi)容：曲面造型、實體造型、物體質(zhì)量特性計算、二維和三維圖形的轉(zhuǎn)換、三維幾何模型的顯示處理。 CAM的主要研究內(nèi)容：數(shù)控加工技術(shù)、工業(yè)機器人技術(shù)。 CAE的主要研究內(nèi)容：有限元法（FEM）網(wǎng)格自動生成（分析和研究產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性）、優(yōu)化設(shè)計、三維運動機構(gòu)的分析和仿真。,（2）計算機輔助工藝過程設(shè)計（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)） 物料搬運系統(tǒng)、自動化倉庫。 （5）管理信息系統(tǒng)（MIS）與數(shù)據(jù)庫 （6）制造資源計劃MRP-Ⅱ （7）CIMS網(wǎng)絡(luò),3.5 CIPS,CIPS（Computer Integrated Producing System，計算機集成生產(chǎn)系統(tǒng)）：是企業(yè)在當前實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，還有計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架及服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)交換機等。軟件系統(tǒng)除各相關(guān)的系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)庫系統(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)計劃管理，營銷合同管理，生產(chǎn)調(diào)度管理，物資及庫存管理，產(chǎn)品質(zhì)量保證體系，廠務(wù)管理、人事財務(wù)管理等等；（2）信息存貯、綜合統(tǒng)計類：市場信息管理，包括原、材、燃料，產(chǎn)品的國內(nèi)外價格信息

15、，工程數(shù)據(jù)庫，生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)庫，質(zhì)量數(shù)據(jù)庫；（3）生產(chǎn)過程優(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)出動態(tài)經(jīng)濟模型，企業(yè)生產(chǎn)運行和管理優(yōu)化系統(tǒng)。,3.6 控制網(wǎng)絡(luò),（1）計算機控制技術(shù) 硬件技術(shù)：計算機、單片機、DSP、IPC、SLC、PLC、變頻器等。 軟件技術(shù)：操作系統(tǒng)、常用編程語言和工具軟件、實時軟件設(shè)計、控制策略與控制算法設(shè)計、組態(tài)軟件、SCADA/HMI。 元部件：電機、執(zhí)行器（

16、電動、氣動、液壓）、傳感器、變送器等工業(yè)測控儀表與自動化裝置。 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)自動化和過程控制領(lǐng)域正在迅猛增長，100 MB以上數(shù)據(jù)傳輸速率的Ethernet已經(jīng)實現(xiàn)。在德國舉辦的‘99 INT

17、ERKA工業(yè)過程測控技術(shù)展覽會上，許多基于現(xiàn)場總線的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將最終到達所有的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)。,4.1 透明工廠 透明工廠是一種開放的自動化系統(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)自動化及經(jīng)營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/服務(wù)器結(jié)構(gòu)；面向?qū)ο蟮能浖?4 現(xiàn)代自動化工廠（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，對企業(yè)的自動化技術(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)生巨大的推動作用，并帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。,4.3 Internet、Intranet、Infranet Internet作為國際互連網(wǎng)，是由大量局域網(wǎng)連接形成的廣域網(wǎng)，它已成為當代信息社會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、接點多和成員復(fù)雜等特點，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)場總線（Fieldbus）作為自動控制領(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，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Internet形成特殊的控制系統(tǒng)。,隨著計算機、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，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，盡快實施透明工廠整體解決方案的立項研究工作，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。,4.4 透明工廠整體解決方案的主要內(nèi)容 應(yīng)用現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)技術(shù)，把企業(yè)網(wǎng)絡(luò)一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場或生產(chǎn)設(shè)備，實現(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、圖形服務(wù)器和嵌入式服務(wù)器，通過網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和生產(chǎn)過程的控制。,③面向?qū)ο蟮能浖翰捎锰菪芜壿嫞粚Τ绦虼a的封裝；每個梯形邏輯控制一個對象。面向?qū)ο蟮能浖⒅貥?gòu)工廠控制的數(shù)據(jù)、方法和過程，更加注重工藝和知識。,透明工廠的整體解決方案，可實現(xiàn)以下目標： ① 信息管理。 ② 技術(shù)管理。 ③ 經(jīng)營管理。 ④ 維護管理。 ⑤ 用戶效益。

24、⑥ 工廠管理者的效益,4.5 擬解決的關(guān)鍵問題 ①基于Fieldbus控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化問題； ②基于Fieldbus和Ethernet的透明工廠方案問題； ③商業(yè)集成問題（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垂直集成問題，即控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的集成； ⑤水平集成問題，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)用問題。,4.6 透明工廠的實現(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，各個自動化子系統(tǒng)和信息子系統(tǒng)的實時運行信息可通過網(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。各監(jiān)控管理人員均可在授權(quán)下通過Web工具方便地瀏覽企業(yè)內(nèi)部I

26、ntranet上豐富的實時信息，監(jiān)控和管理各個子系統(tǒng)的實時工況。通過開放的數(shù)據(jù)庫互連（ODBC）技術(shù)將系統(tǒng)集成SQL數(shù)據(jù)庫與辦公自動化和管理信息數(shù)據(jù)庫互連，提供綜合全面的信息與數(shù)據(jù)。,5.1 認識問題 5.2 低成本問題 5.3 控制理論的實用性問題,5 自動化科學與技術(shù)發(fā)展中 存在的問題,6.1 計算機技術(shù)與自動化 6.2 信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的自動化理論 6.3 智能自動化技術(shù) 6.4