現代自動化工廠（透明工廠整體解決方案）

1、現代自動化工廠（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自動化科學與技術的 研究內容和應用領域 1.3工廠自動化技術 1.4現代自動化工廠（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。自動化技術廣泛用于工業(yè)、農業(yè)、軍事、科學研究、交

2、通運輸、商業(yè)、醫(yī)療、服務和家庭等方面。采用自動化技術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)、農業(yè)、國防和科學技術現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。他認為在一個生產過程中，機器之間的

3、零件轉移不用人去搬運就是“自動化”。 50年代，自動調節(jié)器和經典控制理論的發(fā)展，使自動化進入以單變量自動調節(jié)系統為主的局部自動化階段。60年代，隨現代控制理論的出現和電子計算機的推廣應用，自動控制與信息處理結合起來，使自動化進入到生產過程的最優(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、復雜的工程和非工程系統，涉及許多用現代控制理論難以解決的問題。,研究內容,自動化是一門涉及學科較多、應用廣泛的綜合性科

4、學技術。作為一個系統工程，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。進行制定并調節(jié)作用單元的機構。自動化的研究內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，從應用觀點來看，研究內容有過程自動化、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、調節(jié)器和計算機等組成的過程控制系統，對加熱爐、精餾塔等設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合的結果，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線。20世紀60年代以后，由于電子計算機的應用，出現了數控機床、加工中心、機器人、計算機輔助

6、設計、計算機輔助制造、自動化倉庫等。研制出適應多品種、小批量生產型式的柔性制造系統（FMS）。以柔性制造系統為基礎的自動化車間，加上信息管理、生產管理自動化，出現了采用計算機集成制造系統（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、辦公等業(yè)務管理自動化，是以信息處理為核心的綜合性技術，涉及電子計算機、通信系統與控制等學科。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絡。現代已在管理信息

7、系統的基礎上研制出決策支持系統（DSS），為高層管理人員決策提供備選的方案。對社會的影響 自動化是新的技術革命的一個重要方面。自動化技術的研究、應用和推廣，對人類的生產、生活等方式將產生深遠影響。生產過程自動化和辦公室自動化可極大地提高社會生產率和工作效率，節(jié)約能源和原材料消耗，保證產品質量，改善勞動條件，改進生產工藝和管理體制，加速社會的產業(yè)結構的變革和社會信息化的進程。,發(fā)展趨勢,現代生產和科學技術的發(fā)展，對自動化技術提出越來越高的

8、要求，同時也為自動化技術的革新提供了必要條件。70年代以后，自動化開始向復雜的系統控制和高級的智能控制發(fā)展，并廣泛地應用到國防、科學研究和經濟等各個領域，實現更大規(guī)模的自動化，例如大型企業(yè)的綜合自動化系統、全國鐵路自動調度系統、國家電力網自動調度系統、空中交通管制系統、城市交通控制系統、自動化指揮系統、國民經濟管理系統等。自動化的應用正從工程領域向非工程領域擴展，如醫(yī)療自動化、人口控制、經濟管理自動化等。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、海洋開發(fā)和宇宙探測等領域得到應用，專家系統在醫(yī)療診斷、地質勘探等方面取得顯著效果。工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化和農業(yè)自動化將成為新技術革命的重要內容，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)，小到一個開關的設計，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的系統運行、自動控制、電力電子技術、信息處理、試驗技術、研制開發(fā)、經濟管理以及電子與計算機技術應用等領域的工作

10、，是寬口徑“復合型”高級工程技術人才。該領域對高水平人才的需求很大。據估計，隨著國外大企業(yè)的進入，在這一專業(yè)領域將出現很大缺口，那時很可能出現人才供不應求的現象。,2 自動化科學與技術的發(fā)展狀況,2.1 全球化工業(yè)生產 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,過程工程基礎（流體力學、工程

11、 力學、熱工基礎、化工原理等） 過程檢測及儀表技術 過程控制儀表及裝置 過程控制系統,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 電機及拖動技術 運動控制系統 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,工廠供電技術 電氣控制技術,3.

12、4 CIMS,（1）CAD/CAM/CAE CAD的主要研究內容：曲面造型、實體造型、物體質量特性計算、二維和三維圖形的轉換、三維幾何模型的顯示處理。 CAM的主要研究內容：數控加工技術、工業(yè)機器人技術。 CAE的主要研究內容：有限元法（FEM）網格自動生成（分析和研究產品結構的靜、動態(tài)特性）、優(yōu)化設計、三維運動機構的分析和仿真。,（2）計算機輔助工藝過程設計（CAPP） （3）成組技術（GT）

13、（4）柔性制造系統（FMS） （加工系統、物流系統、信息流系統） 物料搬運系統、自動化倉庫。 （5）管理信息系統（MIS）與數據庫 （6）制造資源計劃MRP-Ⅱ （7）CIMS網絡,3.5 CIPS,CIPS（Computer Integrated Producing System，計算機集成生產系統）：是企業(yè)在當前實施的人工集成信息的生產系統。CIPS屬于一

14、種類型的控制論系統，即工業(yè)生產控制論系統。其主要硬件系統除原生產系統中的基礎自控裝置如DCS，PLC等外，還有計算機網絡構架及服務器，網絡交換機等。軟件系統除各相關的系統軟件及數據庫系統外，應用軟件開發(fā)是CIPS的主體，它包括三大類：（1）管理信息系統類：生產計劃管理，營銷合同管理，生產調度管理，物資及庫存管理，產品質量保證體系，廠務管理、人事財務管理等等；（2）信息存貯、綜合統計類：市場信息管理，包括原、材、燃料，產品的國內外價格信息

15、，工程數據庫，生產過程數據庫，質量數據庫；（3）生產過程優(yōu)化及管理決策類：企業(yè)系統物料平衡模型，企業(yè)能量平衡模型，企業(yè)投入產出動態(tài)經濟模型，企業(yè)生產運行和管理優(yōu)化系統。,3.6 控制網絡,（1）計算機控制技術 硬件技術：計算機、單片機、DSP、IPC、SLC、PLC、變頻器等。 軟件技術：操作系統、常用編程語言和工具軟件、實時軟件設計、控制策略與控制算法設計、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。 系統集成：CIMS、CIPS、控制網、企業(yè)網。 抗干擾及可靠性技術。,（2）CNC(數控機床)、DDC、DCS、FCS （3）控制網絡 RS-485、BITBUS、Fieldbus等控制網絡已普遍使用，以太網（Ethernet）在工業(yè)自動化和過程控制領域正在迅猛增長，100 MB以上數據傳輸速率的Ethernet已經實現。在德國舉辦的‘99 INT

17、ERKA工業(yè)過程測控技術展覽會上，許多基于現場總線的FCS系統都最終連接到Ethernet，直至與Internet相連。 專家們預言：種種跡象表明，Ethernet將最終到達所有的傳感器和執(zhí)行機構。,4.1 透明工廠 透明工廠是一種開放的自動化系統框架，它建立在TCP/IP協議、互連網技術及面向對象軟件的基礎上，為生產自動化及經營管理提供渾然一體的通信系統。透明工廠除主控裝置外，主要由3部分組成：網絡通信采用

18、TCP/IP+Fieldbus；客戶機/服務器結構；面向對象的軟件。,4 現代自動化工廠（透明工 廠整體解決方案）,4.2 透明工廠整體解決方案 現場總線（Fieldbus）控制系統+以太信息網（Ethernet）+因特網（Internet）= 透明工廠的一體化系統集成方案。 透明工廠的整體解決方案，對企業(yè)的自動化技術發(fā)展、業(yè)務環(huán)境的發(fā)展、技術環(huán)境的發(fā)展、生產環(huán)境的發(fā)展、管理環(huán)境的發(fā)

19、展，將產生巨大的推動作用，并帶來顯著的經濟效益和社會效益。,4.3 Internet、Intranet、Infranet Internet作為國際互連網，是由大量局域網連接形成的廣域網，它已成為當代信息社會的高速公路和重要的基礎設施。Internet的主要技術在企業(yè)內部或局域網范圍內也得到了廣泛應用。但由于Internet具有地域廣、接點多和成員復雜等特點，因而難于管理，安全性差，不能完全適應企業(yè)內部網絡的使用需要。因而作為

20、Internet技術的一種發(fā)展，誕生了Intranet。,Intranet是指企業(yè)網（內聯網），它從根本上改變了企業(yè)內部的管理模式，大大改善了企業(yè)內部的信息交流。Intranet可以成為企業(yè)應用程序之間、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。由于現場總線（Fieldbus）作為自動控制領域的網絡，又位于工廠網絡的底層，因而Infranet成為現場總線、控制網絡的代

21、名詞。Infranet把具有通信功能的控制設備連接起來，形成低成本、高可靠性的分布式控制系統網絡，它可以成為Intranet底層的特殊網絡，也可以通過Internet形成特殊的控制系統。,隨著計算機、控制、網絡、通信技術的發(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，使信息系統繼續(xù)向著更廣、更深的領域發(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容 應用現場總線和以太網技術，把企業(yè)網絡一直延伸到生產現場或生產設備，實現企業(yè)管控一體化網絡集成，即透明工廠方案。透明工廠整體解決方案的主要內容包括：,①網絡通信：采用TCP/IP+現場總線（FF、PROFIBUS、CAN、LONWORKS、HART等等）；企業(yè)網絡將采用以太網（Ethernet）通信系統。以太網將成為首選的控制網絡。,②數據管理：采用瘦形客

23、戶機、圖形服務器和嵌入式服務器，通過網絡通信實現數據管理和生產過程的控制。,③面向對象的軟件：采用梯形邏輯；對程序代碼的封裝；每個梯形邏輯控制一個對象。面向對象的軟件將重構工廠控制的數據、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，可實現以下目標： ① 信息管理。 ② 技術管理。 ③ 經營管理。 ④ 維護管理。 ⑤ 用戶效益。

24、⑥ 工廠管理者的效益,4.5 擬解決的關鍵問題 ①基于Fieldbus控制系統網絡化、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（把技術用于商業(yè)戰(zhàn)略的制定之中），即信息系統之間的集成； ④垂直集成問題，即控制系統和信息系統的集成； ⑤水平集成問題，即控制系統各部分之間的集成； ⑥分布式控制網絡、嵌入式控制網絡、交換式控制網絡等新技術

25、的應用問題。,4.6 透明工廠的實現方法 采用Fieldbus、Infranet、Ethernet、Intranet、Internet技術發(fā)展框架，以TCP/IP協議為基礎，以Web瀏覽和系統集成SQL數據庫為核心應用，構成智能化系統內統一和便捷的信息交換平臺，各個自動化子系統和信息子系統的實時運行信息可通過網關上傳到網絡中心的系統集成服務器，開設智能化監(jiān)控網絡站點。各監(jiān)控管理人員均可在授權下通過Web工具方便地瀏覽企業(yè)內部I

26、ntranet上豐富的實時信息，監(jiān)控和管理各個子系統的實時工況。通過開放的數據庫互連（ODBC）技術將系統集成SQL數據庫與辦公自動化和管理信息數據庫互連，提供綜合全面的信息與數據。,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 自動化科學與技術發(fā)展中 存在的問題,6.1 計算機技術與自動化 6.2 信息網絡環(huán)境下的自動化理論 6.3 智能自動化技術 6.4