自动化技术及其应用.ppt
工厂自动化技术及其应用,中科院沈阳自动化研究所,2023年9月15日星期五,汇 报 提 纲,一、中国科学院沈阳自动化研究所简介二、工厂自动化的技术体系三、相关单元技术及典型应用介绍四、合作建议,中国科学院沈阳自动化研究所简介,目前：主要从事机器人、工业自动化、光电信息处理技术的研究开发在编职工500多人，工程院院士2人在学研究生300人,研究所发展基本情况,1958年建所,机器人技术国家工程研究中心机器人学国家重点实验室中国科学院光电信息技术重点实验室中国科学院工业信息技术重点实验室科技部高技术成果转化产业化基地,国家先进制造技术R&D的重要基地,研究所发展基本情况,光电信息研究室,现代装备研究室,自动化系统研究室,工业信息学研究室,高技术产业化,事业法人研究开发实体,创新结构布局：“两个实体、四个层次”,企业法人产业化实体,制造:,制造技术:,Longman词典对“制造解释为：“通过机器进行(产品)制作或生产，特别是适用于大批量”,国际生产工程学会（1990年）：制造是一个涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称。,把原材料变成产品，所采用的一系列技术的统称。,先进制造技术(AMT)，是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源以及现代化管理等领域的成果，将其综合应用于产品生产、设计、制造、检测、管理和售后服务全过程的结果。它是制造技术的最新发展阶段，是制造技术与现代高新技术结合而产生的完整的技术群。,二、工厂自动化的技术体系,二、工厂自动化的技术体系,制造产品其本身的创新设计能力，即产品的竞争能力(制造-创造)现有产品的改进 新产品的研发生产产品的制造能力和管理水平，即制造产品的敏捷能力(制造-智造)几个层面:制造单机设备层 制造设备本身能力的提升(智能化)生产线/制造系统 制造/检测/物流设备构成的系统（成套化和数字化）制造过程管理 制造执行过程的高效运行和过程改进（可视化和可控化）企业资源管理 企业运作的科学化和业务流程的优化,企业竞争优势的两个关键：,先进制造技术的应用给企业赋予了新的特征:,信息时代的现代制造企业将是一个全面集成的数字化企业。,管理数字化,产品设计数字化,生产过程数字化,制造装备数字化,企业数字化,以CIMS为核心的数字化企业思想得到企业的认同，并将其作为信息化建设的目标。,二、工厂自动化的技术体系,制造装备,PCS/NCS,MES,二、工厂自动化的技术体系,工厂自动化技术是先进制造技术的重要组成部分,ERP,制造业信息化,工厂自动化,制造能力和管理水平,三、相关单元技术及典型应用介绍,1、制造执行系统技术（MES）2、网络化控制技术3、专用装备技术,12,70年代末,传统T-MES阶段：单一功能的车间级应用专用Point-MES,Next-Generation MES:-2004年协同制造执行系统C-MES概念-具有开放式、客户化、可配置、可伸缩等特性的新型体系结构-智能性-WEB技术,80年代中期,90年代初2000年,2004年,可集成I-MES阶段:-1990年AMR MES概念-1992年MESA成立-1997年MES 白皮书-2000年ISA 95 系列标准具有客户化、可重构、可扩展和互操作等特性,发展阶段:,3.1 制造执行系统(MES)技术,MES汇集了车间中用以管理和优化从定单下达到生产完成全过程中的所有活动的硬件或软件组件，通过控制和利用准确的制造信息，对车间生产活动中的实时事件做出快速响应，同时向企业决策支持过程提供相关生产活动的重要信息。,定义:Manufacturing Execution System Association，MESA,制造执行系统（Manufacturing Execution System,MES）是一种面向车间层的生产管理和优化运行技术；是位于企业上层生产计划和底层工业控制之间、面向车间层的管理信息系统。,3.1 制造执行系统(MES)技术,MES在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。MES采集从接受订货到制成最终产品全过程的各种数据和状态信息，目的在于优化和改善制造活动。它强调是当前视角，即精确的实时数据。从对实时的要求而言，如果说控制层要求的实时的时间系数为1，那么,MES的时间系数为10,ERP的时间系数为100,可控性,可视性,MES特征:,3.1 制造执行系统(MES)技术,功能模型:MESA,O/DS,DP,RA&C,DC,PT&G,PA,LM,MM,PM,QM,DC&A,资源分配及控制 RA&C,生产作业计划 O/DS,生产调度 DP,质量管理 QM,生产过程管理 PM,文档控制 DC,数据采集 DC&A,劳动力管理 LM,设备维护管理 MM,产品跟踪与追溯 PT&G,性能分析 PA,SCM,Service/Repair,APS,ERP,CRM,PCS,PLM,PDM/CMC,3.1 制造执行系统(MES)技术,MES标准的进展:,ANSI/ISA-95标准-企业与控制系统集成标准（1），企业-控制系统集成，第一部分：模型和术语；包括标准的术语和对象模型(信息交换)(Approved July 15,2000;2010:IEC/ISO 62264-1;GB/T 20720.1)（2），企业-控制系统集成，第二部分：对象模型属性；由第一部分中的定义的每一个对象的属性组成。(Approved October 17,2001;2010:IEC/ISO 62264-2;GB/T 20720.2)（3），企业-控制系统集成，第三部分：制造过程管理活动模型；集中在第三层（生产/MES层）上的功能和活动。(Approved June 6,2005;2010:IEC/ISO 62264-3;GB/T 20720.3)（4）ANSI/ISA-95.00.04，第四部分：定义制造运作管理对象模型属性（制定中）（5）ANSI/ISA-95.00.05，第五部分：定义商业系统和制造业之间信息交易(Approved January 10,2007),3.1 制造执行系统(MES)技术,来源:美国 Logica MES Centre of Excellence公司的MES Product Survey 2007/2008 报告,国外MES行业分布:,1 电子,2 汽车,3 食品&饮料,4 机械&工具,5 制药,6 半导体,7 塑料&橡胶,3.1 制造执行系统(MES)技术,国内的MES应用集中在冶金、石化、汽车、烟草和电子等几大行业。冶金、石化、汽车等为国内较早开始信息化建设的行业，轻工、纺织等行业启动则较晚。流程/混合流程行业应用要好于离散行业 我国已经应用和正在建设MES的钢铁企业共有30多家，他们的钢铁产量占全国钢铁总产量的50%以上。烟草行业大约有1/3左右的生产厂已经实施了MES系统。,国内MES行业分布:,3.1 制造执行系统(MES)技术,MESA 调查分析结果：生产周期缩短45%；数据输入时间缩短75%；在制品减少24%；文书工作减少61%；交货期缩短27%；不合格产品降低18%；文书丢失减少56%。,MES给企业带来的效益,3.1 制造执行系统(MES)技术,3.1 制造执行系统(MES)技术,MES相关技术：,制造执行系统平台与集成技术基于MES标准的制造过程建模技术数据采集与过程跟踪技术 产品质量诊断/控制/调整技术（SPCDA）不同生产类型的高级排产与调度技术（APS）设备故障诊断与预防性维护技术制造系统性能评价技术,自主研发了MES开发与运行平台：,3.1 制造执行系统(MES)技术,3.1 制造执行系统(MES)技术,制造过程建模方法与可视化技术：,产品模型-工厂模型关联,执行模型-工厂模型关联,执行模型-产品模型关联,生产线,参数,工位,车间,制造过程建模方法与可视化技术：,3.1 制造执行系统(MES)技术,工厂模型：生产线/工艺段/设备,实现工艺段与质量检测点和保证工艺参数的设备及控制变量的关联实现生产线/设备模型与状态信息和生产信息的关联,间隙测量及垫片自动选装系统,带钮距传感器的电动拧紧工具,带位移和压力传感器的压装机,基于图像的自动识别系统,关键设备的数据采集与集成：(可视化),3.1 制造执行系统(MES)技术,变速箱综合性能加载试验台,发动机综合性能试验台,关键设备的数据采集与集成：(可视化),3.1 制造执行系统(MES)技术,磁导航带RFID定位的AGV物流小车,工业智能打标机,RFID托盘跟踪,手持PDA物料扫描,关键设备的数据采集与集成：(可视化),3.1 制造执行系统(MES)技术,防错装控制,产品A零件所在料位,产品B零件所在料位,产品A计划执行,产品B计划执行,MES应用系统,PLC,利用料架上的指示灯，指示操作者获取正确的物料,智能料架,工艺执行、质量、防错漏等在线控制能力(可控化),3.1 制造执行系统(MES)技术,MES应用系统,产品A计划执行,产品B计划执行,PLC,工位计算机,压机,压力超过工艺要求产生报警提示并同时控制压机停止动作,工艺执行、质量、防错漏等在线控制能力(可控化),3.1 制造执行系统(MES)技术,物料跟踪示例:,分总成A,总装配线,报完工,基于事件&时间序列的制造过程跟踪和追溯能力(可控化),3.1 制造执行系统(MES)技术,基于事件和时间序列的过程跟踪与控制模型,3.1 制造执行系统(MES)技术,基于事件&时间序列的制造过程跟踪和追溯能力(可控化),3.1 制造执行系统(MES)技术,物料配送清单及批次采集,基于事件&时间序列的制造过程跟踪和追溯能力(可控化),关键工艺测试数据参数,柴油机产品的制造过程档案：(物料批次、试漏/拧紧/试车工艺参数、人员、操作时间),基于生产过程跟踪模型的典型应用-朝阳柴油机总装MES系统,3.1 制造执行系统(MES)技术,基于生产过程跟踪模型的典型应用宇通客车MES系统,基于事件&时间序列的制造过程跟踪和追溯能力(可控化),3.1 制造执行系统(MES)技术,基于事件&时间序列的制造过程跟踪和追溯能力(可控化),基于生产过程跟踪模型的典型应用-宇通客车MES系统,3.1 制造执行系统(MES)技术,基于事件&时间序列的制造过程跟踪和追溯能力(可控化),基于生产过程跟踪模型的典型应用-宇通客车MES系统,3.1 制造执行系统(MES)技术,瓶颈车间的调度问题(优化),基于生产过程跟踪模型的典型应用-宇通客车MES系统,3.1 制造执行系统(MES)技术,计划排产生产周期压缩 涂装车间现平均单车实际生产周期约55小时，计划排产压缩生产周期约10小时计划排产吊装满足率 由于计划排产采用依据吊装计划的倒排产算法，理论上100%满足吊装。计划排产设备利用率 现涂装车间设备利用率约50%，详细计划排产提高设备利用率到约70%,瓶颈车间的调度问题(优化),3.1 制造执行系统(MES)技术,MES应用与合作：,3.1 制造执行系统(MES)技术,MES应用与合作：,3.1 制造执行系统(MES)技术,国内唯一GE 智能平台高级解决方案供应商,国际联合实验室,三、相关单元技术及典型应用介绍,1、制造执行系统技术（MES）2、网络化控制技术3、专用装备技术,3.2 网络化控制技术,网络控制系统(NetworkedControlSystem，NCS），即网络化的控制系统，又称为控制网络。分布式控制系统或称集散控制系统（DCS）、工业以太网和现场总线系统(FCS)都属于网络控制系统。这体现了控制系统正向网络化、集成化、分布化、节点智能化的方向发展。,3.2 网络化控制技术,现场总线技术：,现场总线（Fieldbus）是一种数字化的串行双向通信系统。这一技术可将所有现场设备（传感器、变送器、执行器和数据采集模板等）与控制器用一根电缆（光缆或无线）连接在一起，形成设备及车间级的数字化通信网络，可完成现场状态监测、控制、远程参数化等功能。,减少连线和安装,3.2 网络化控制技术,现场总线技术优点：,提高控制功能的分散性,3.2 网络化控制技术,现场总线技术优点：,增加信息的交互量,3.2 网络化控制技术,现场总线技术优点：,扩大了操作视野,3.2 网络化控制技术,现场总线技术优点：,过程自动化（PA）Foundation Fieldbus H1 Profibus PAHART工厂自动化（FA）DeviceNet/ControlNetProfibus DPCANopenModbus,3.2 网络化控制技术,主流的现场总线技术：,工业以太网(Ethernet)技术,3.2 网络化控制技术,随着计算机领域的局域通信逐步被以太网垄断，过程控制领域中上层的通信也逐步统一到以太网和快速以太网。以太网被用于网络控制系统已成为一种发展趋势；以太网技术具有数字式互联网络、互操作性、开放性和高网络性能，是最符合网络控制系统现场总线的特点，工业以太网成为现场总线技术的发展方向；,现场总线向工业以太网方向发展Foundation Fieldbus-HSE（HighSpeedEthernet）Profibus-PROFINETDeviceNet/ControlNet-EtherNet/IPModbus-Modbus IDAEPA（国内自主标准）Ethernet POWERLINKEtherCATSERCOS III要满足：实时性、确定性、可靠性工业要求,工业以太网(Ethernet)技术,3.2 网络化控制技术,工业无线技术,3.2 网络化控制技术,非接触传输，特别适用于恶劣环境或振动、高速旋转对象的监控降低安装成本、持续降低运行维护成本 更换方便，便于升级减少接插件故障，移动自由且不受限制工厂测控模式的变革传统认为成本过高，无法大规模部署传感器进行监测的应用成为可能。,工业无线技术,3.2 网络化控制技术,ARC预测：20102015年，工厂设备健康维护相关市场将以每年200的速度增长。美国总统科技顾问委员会在“面向21世纪的联邦能源研究与发展规划”中指出：工业无线技术的应用将使工业生产效率提高10，并使排放和污染降低25。,Wireless HART标准于2008年9月成为国际标准ISA100.11a标准于2009年4月正式发布WIA-PA（国内自主标准）标准于2008年10月成为国际标准,工业无线技术,3.2 网络化控制技术,工业无线技术,3.2 网络化控制技术,Emerson智能无线网络产品(基于Wireless HART标准),工业无线技术,3.2 网络化控制技术,Honeywell无线产品(基于ISA100.11a标准),工业自动化仪表方面：,国内唯一符合IEC61158协议标准的低功耗芯片支持FF H1、Profibus PA标准设备开发在保持功耗（60A）低于同类产品指标的前提下内嵌4KSRAM，能有效简化芯片用户的开发工作量自主HART 芯片HT1200M 核心芯片符合HART协议国际标准，低功耗和性能指标完全达到国外同类先进产品水平。,通信芯片FBC0409,通信芯片HT1200M,3.2 网络化控制技术,现场总线智能仪表全套解决方案FF/HART/Profibus PA现场总线芯片FF/HART/Profibus PA现场总线协议FF/HART/Profibus PA现场总线通信卡/仪表圆卡FF/HART/Profibus PA现场总线控制应用功能块,工业自动化仪表方面,3.2 网络化控制技术,牵头制定工业无线网络国家标准(WIA-PA)2008年10月成为IEC国际标准,3.2 网络化控制技术,工业无线技术方面,3.2 网络化控制技术,工业无线技术方面,3.2 网络化控制技术,工业无线技术方面,压力计：中科博微公司,温度计：上海自动化仪表所,粉尘浓度传感器：川仪公司,压力变送器：伟岸测仪,阀门定位器：浙江中控,电磁流量计：北京天宇蓝翔,与国内仪表企业密切合作，开发出10余种无线智能仪表样机，在企业示范应用WIAPA,电机能效在线监测系统,通过无线方式监测电机和电炉的运行状态，实现节能运行及故障预测维护,3.2 网络化控制技术,工业无线技术方面,智能电网和工业无线仪表,3.2 网络化控制技术,工业无线技术方面,三、相关单元技术及典型应用介绍,1、制造执行系统技术（MES）2、网络化控制技术3、专用装备技术,1997年完成国内第一台全自动肋骨弯淬机床电气控制系统2001年和2002年先后完成了三台改进型肋骨弯淬机床电气控制系统曲率半径检测和闭环控制已申请了国家专利项目获得了中国科学院科技进步三等奖,3.3工业机器人与专用装备技术,典型实例:全自动肋骨弯淬机床,3.3工业机器人与专用装备技术,典型实例:全自动肋骨弯淬机床,采用先进的工业PC、曲率半径和淬火温度在线检测技术，实现了肋骨加热、淬火、成型的全自动化控制。主要指标：弯制曲率半径：1200mm-；曲率半径控制精度：2mm淬火温度：800-1400；控温精度：5,肋骨成型原理:其中：q1为检测角；L1为顶轮圆心到线圈平面的初始距离；r1为顶轮半径；x为球栅尺检测值,定位轮:根据钢料宽度决定进给位移,硬支撑轮:几何位置固定,成型轮:它的位置对应钢料成型曲率半径,加热位置:中频加热钢料,直线位移传感器:光栅尺或球栅尺,3.3工业机器人与专用装备技术,典型实例:全自动肋骨弯淬机床,1、曲率半径在线检测:通过曲率半径检测机构，利用计算机采集直线位移传感器（此处光栅尺或球栅尺）检测到的钢料成型部分给检测机构检测轮造成的位移，通过与成型轮和变形区的数量关系，即可计算出当前钢料曲率半径。2、成型轮位置控制:计算曲率半径与设定值比较，通过控制算法闭环控制成型轮位置。考虑到钢料的回弹等因素，系统加入了修正系数。,3.3工业机器人与专用装备技术,典型实例:全自动肋骨弯淬机床,监控主画面,3.3工业机器人与专用装备技术,典型实例:全自动肋骨弯淬机床,弯淬机运行状态,3.3工业机器人与专用装备技术,典型实例:全自动肋骨弯淬机床,对数字化螺旋焊钢管成型机组的借鉴意义,1、钢管直径和椭圆度检测装置。在成型机组出口同一横截面上3个或4个固定位置安装激光测距传感器，检测钢管成型过程中造成的位移量，传送给控制计算机，计算出当前钢管直径和椭圆度。2、根据上面计算结果，与钢管设定直径相比较，通过控制算法自动调整成型机组后桥或（和）2号辊的位置，达到自动控制钢管直径、椭圆度及合口尺寸的目的。3、通过专家系统设置2号成型辊压下量，减小钢管回弹在合口处产生的应力，提高焊接质量。,3.3工业机器人与专用装备技术,典型实例:全自动肋骨弯淬机床,四、合作建议,1、为中石油装备制造企业提供制造执行系统（MES）建设方面的咨询、规划、设计、开发和系统实施等方面的技术服务；2、为企业现有生产装备的升级改造提供网络化控制解决方案；,科技创造未来 服务体现价值,谢谢！,
