現(xiàn)代自動化工廠透明工廠整體解決方案

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(xué)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(jī)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(jìn)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(xué)研究、交通運(yùn)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(kuò)展人的器官功能，極大地提高勞動生產(chǎn)率，增強(qiáng)人類認(rèn)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(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要條件和顯著標(biāo)志。發(fā)展簡況

1946年，美國福特公司的機(jī)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(jī)汽缸的自動傳送和加工的過程。他認(rèn)為在一個生產(chǎn)過程中，機(jī)器之間的零件轉(zhuǎn)移不用人去搬運(yùn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(xué)科較多、應(yīng)用廣泛的綜合性科學(xué)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(jìn)行比較，制定和發(fā)出指令信號。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(jī)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化工等工業(yè)中流體或粉體的化學(xué)處理自動化。一般采用由檢測儀表、調(diào)節(jié)器和計算機(jī)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(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)械制造自動化這是機(jī)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(jī)械制造自動化是采用機(jī)械或電氣部件的單機(jī)自動化或是簡單的自動生產(chǎn)線。20世紀(jì)60年代以后，由于電子計算機(jī)的應(yīng)用，出現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人、計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)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(jī)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(jī)、通信系統(tǒng)與控制等學(xué)科。一般采用由多臺具有高速處理大量信息能力的計算機(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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)程。發(fā)展趨勢現(xiàn)代生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對自動化技術(shù)提出越來越高的要求，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(xué)研究和經(jīng)濟(jì)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(jì)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(kuò)展，如醫(yī)療自動化、人口控制、經(jīng)濟(jì)管理自動化等。自動化將在更大程度上模仿人的智能，機(jī)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(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(jì)管理以及電子與計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域的工作，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(jìn)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(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

2.3CIMS2.4CIPS2.5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(xué)、工程力學(xué)、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(yùn)動控制

電力電子技術(shù)電機(jī)及拖動技術(shù)運(yùn)動控制系統(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)

3.4CIMS

（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(jī)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(yùn)動機(jī)構(gòu)的分析和仿真。

（2）計算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計（CAPP）

（3）成組技術(shù)（GT）

（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)3.5CIPS

CIPS（ComputerIntegratedProducingSystem，計算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)）：是企業(yè)在當(dāng)前實施的人工集成信息的生產(chǎn)系統(tǒng)。CIPS屬于一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(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，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(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）計算機(jī)控制技術(shù)

硬件技術(shù)：計算機(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(jī)、執(zhí)行器（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)?？垢蓴_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)自動化和過程控制領(lǐng)域正在迅猛增長，100MB以上數(shù)據(jù)傳輸速率的Ethernet已經(jīng)實現(xiàn)。在德國舉辦的‘99INTERKA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(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TCP/IP+Fieldbus；客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)；面向?qū)ο蟮能浖?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)展，將產(chǎn)生巨大的推動作用，并帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4.3Internet、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(dāng)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(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，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：采用瘦形客戶機(jī)、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?；對程序代碼的封裝；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(biāo)：

①信息管理。

②技術(shù)管理。

③經(jīng)營管理。

④維護(hù)管理。

⑤用戶效益。

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)的應(yīng)用問題。

4.6透明工廠的實現(xiàn)方法

采用Fieldbus、Infranet、Ethernet、Intr