智能制造系统控制技术2015-3-6

1、http:/仲崇权大连理工大学电子信息与电气工程学部 教 授http:/汇报提纲-1 1 1、智能制造控制技术与问题、智能制造控制技术与问题 2 2、系统控制技术与趋势、系统控制技术与趋势 3 3、突破几个关键技术、突破几个关键技术 4 4、应用案例、应用案例http:/智能制造控制系统原原油油煤煤炭炭矿矿石石然油等有机材料电力等能源动力金属等无机材料汽车汽车高铁高铁飞机飞机家电家电微机微机通信通信纺织纺织轻工轻工食品食品工程工程机械机械高效、绿色、安全高效、绿色、安全、智能智能流程制造流程制造(DCS/大型大型PLC)离散制造离散制造(PLC/ECU)工业机器人工业

2、机器人服务机器人服务机器人特种机器人特种机器人无人无人制造制造(MC/NC/Robot)http:/4l 德国工业 4.0的特性u通过信息技术改变制造模式u实现产业工人与制造过程分离u实现用户对制造过程的深度参与l 德国工业 4.0的重点是创造智能产品、程序和过程u人、机器、资源如同在一个社交网络里自然的相互沟通协作u智能产品和制造过程与用户密切结合，产品功能和服务能力得到较大提高德国工业德国工业4.04.0u信息技术深度融合制造过程u全产业链能够自组织集成u制造具有个性化制造特征德国工业4.0的内涵http:/解决四个关键技术：1）数据智能采集技术 支持设备、条码、IC卡以及视频等信息集成；

3、信息自动获取。2）全互联网络集成技术 各种生产过程数据全集成，消除各种信息壁垒。3）协同自动化技术 实时数据和数据库多种信息集成，实现监控（HMI）、制造执行（MES）、企业资源管理（ERP）以及产品全生命周期管理（PLM）。4）制造全信息化技术 人、机器、资源如同在一个社交网络里自然的相互沟通协作智能制造内涵制造智能：随着互联网、物联网、大数据、云制造等技术的发展，使制造装备和过程与信息技术深度融合，制造具有概念、判断、推理以及自诊断、自维护，自恢复等能力。 如：德国推出工业4.0、美国提出智能制造、日本提出的“智能制造系统计划”等 。http:/智能装备和智能产品嵌入式可编程控制器，具有视

4、觉测量、距离测量、环境测量、输出驱动、运行执行和网络通信等功能。http:/智能制造控制系统要解决问题网络由现场总线、控制总线、车间级管理总线组成，多种网络集成技术是控制系统要解决的问题开放的感知、控制和驱动一体化控制技术是系统控制技术的新特点多种信息有效集成和管理为制造过程智能化提供技术基础；统一数据描述、一致性、互操作性标准化技术体系是技术发展趋势http:/汇报提纲-2 1 1、智能制造控制技术与问题、智能制造控制技术与问题 2 2、系统控制技术与趋势、系统控制技术与趋势 3 3、突破几个关键技术、突破几个关键技术 4 4、应用案例、应用案例http:/智能制造系统控制技术组成智能制造控

5、制系统智能制造控制系统组成组成:1）单元控制技术解决特种仪表、控制器和执行器中的关键单元技术2）系统控制技术用可编程系统解决制造高效/安全/绿色等关键技术3）开发平台技术程序开发、组态监控和信息集成等开发平台技术4）智能控制技术对数据进行分析和处理，实现系统的智能化（知识自动化）5）网络互联技术解决不同系统的信息互通和统一理解（不同系统的集成）组件组件智能智能制造控制系统制造控制系统DCCE NEAS信息开发平台（信息开发平台（HMI/MES/ERP)网络化程序开发平台网络化程序开发平台软软PLC控制系统控制系统可编程可编程控制器控制器（PLC/NC/DCS）关键关键控制单元控制单元EPA/W

6、IA + 其它网络其它网络嵌入式可编程序嵌入式可编程序控制器控制器单元单元控制控制系统控制系统控制技技 术术开发开发平台平台技技 术术网络集成网络集成大大数据的智能控制技术数据的智能控制技术智能技术智能技术http:/控制网络和信息网络融合日趋明显 1）网络功能无处不在（移动互联）l 有线无线通信技术已经成熟l 现场总线、控制总线、互联网、移动终端可以混合使用http:/系统控制技术趋势 2）硬件软件化趋势日益明显l 仪表功能集成到控制器中，测量功能做成软件功能块l 执行器中具有可编程控制功能，执行器就是一个可编程序控制器+=+=http:/系统控制技术趋势 3）可编程控制系统，嵌入式系统（板

7、级，芯片级）和MEMS（微机电系统）等多种形态的统一l 仪表、控制器和驱动器统一成整体l 控制系统形式多样化l (1)符合工业应用环境， (2)具有可编程功能，(3)支持网络功能http:/汇报提纲-3 1 1、智能制造控制技术与问题、智能制造控制技术与问题 2 2、系统控制技术与趋势、系统控制技术与趋势 3 3、突破几个关键技术、突破几个关键技术 4 4、应用案例、应用案例http:/智能工厂：面向产品全产业链环节，综合应用现代传感技术、网络技术、自动化技术、智能化技术和管理技术等先进技术，与现有生产过程的工艺和设备运行技术高度集成的新型工厂，以实现复杂环境下生产运营的高效、节能和可持续为目

8、标。智能工厂的必要技术智能工厂的必要技术传感器传感器网络网络数据互操作性数据互操作性大规模动态建模与仿真大规模动态建模与仿真智能化自动控制智能化自动控制可伸缩的、多层次的信可伸缩的、多层次的信息安全息安全智能工厂带来的收益智能工厂带来的收益降低降低产品上市周期产品上市周期推动动态的、基于需求的生产模式推动动态的、基于需求的生产模式带来全局性的竞争力优势带来全局性的竞争力优势使过程向零事故和零排放方向发展使过程向零事故和零排放方向发展利用能耗管理与智能电网集成的优势利用能耗管理与智能电网集成的优势快速响应消费者需求的变化快速响应消费者需求的变化智能工厂当前的潜在应用智能工厂当前的潜在应用利用嵌入

9、操作员工具和服务信息系利用嵌入操作员工具和服务信息系统的数字化控制系统，优化生产操统的数字化控制系统，优化生产操作和提高安全性作和提高安全性利用预防性维护、统计评价和度量利用预防性维护、统计评价和度量进行资产管理，提高工厂的可靠性进行资产管理，提高工厂的可靠性利用智能传感器检测异常，避免非利用智能传感器检测异常，避免非正常和灾难性事件正常和灾难性事件智能系统、能耗管理系统、外部智智能系统、能耗管理系统、外部智能电网集成，进行实时能源优化能电网集成，进行实时能源优化智能工厂的定义http:/关键技术1）监控管理开发平台 像生产汽车一样生产软件，像搭积木一样构建系统。 由用户自己开发所需要的软件，

10、修改、维护和升级自由通信业务使用统一模型描述。业务系统按统一组件化标准开发。开发过程全部工具化。重复劳动环节全部自动化。统一标准的组件可以快速装配出适合业务需要的系统。不同业务系统间自由通信、协作，无缝集成。业务变化时，业务系统可以快速重组，适应变化。快速开发降低成本无缝集成敏捷应变产出产出开发团队1装配装配开发团队2可复用组件集业务系统A业务系统B重组新版业务系统A将HMI/MES/ERP开发平台整合，形成信息集成开发平台，解决制造企业数据开发平台http:/项项目目规规划划（1）建立工厂模型描述相关的工厂管理及信息层面的逻辑结构部署模型定义系统中各站点服务器的功能角色，并能在整个项目周期进

11、行调整，而不受时间网络拓扑的限制整个设计项目规划开发安装运行调试诊断及维护升级扩容工厂模型http:/全互联制造网络系统架构（2）工业互联网技术全互联制造信息一体化集成平台 能够实现各类生产数据和制造信息的一体化集成，并对其进行合理的、有效的组织、管理和展示，实现从现场、控制和管理信息的无缝融合，为制造企业提供能自主实现跨层、跨系统的纵向集成和跨应用、跨组织的横向集成的能力。http:/（3）形成监控管理开发平台信息开发平台说说 明明工程开发提供工程创建、编辑等开发功能和运行管理功能设备管理提供设备描述管理、工程师站配置、设备拓扑编辑功能变量管理提供变量表编辑、变量组编辑功能、IO变量、内存变

12、量、HMI的临时变量画面开发提供图片库、图形库、曲线库、表格等丰富部件视频管理提供视频控件，软件具有视频显示和管理功能地理信息提供地理信息和场地信息图形化导航用户管理提供现场用户的权限配置与依据权限页面操作或发布功能实时数据提供变量的实时数据的读取功能，提供外部访问服务数据库包括历史数据库存储器，与数据库服务器报表管理提供各种报表模板，与数据库连接运行管理提供操作过程设备、人员、原材料、产成品等管理Web发布提供Web发布功能，使用移动终端访问监控页面在已有的人机界面组态软件基础上开发数据库管理功能，实现制造在已有的人机界面组态软件基础上开发数据库管理功能，实现制造过程管理在统一一个平台上开发

13、，解决车间运行监控和管理问题。过程管理在统一一个平台上开发，解决车间运行监控和管理问题。http:/（4）开放的智能组件集成技术 以应用为目标，研发数据分析和处理软件； 建立知识库，实现对制造过程指导和优化； 提高整个制造过程和产品的智能化水平；将专家经验转换成智能应用组件(iAPP），形成积累和汇集专家经验的平台软件http:/关键技术2）感知、控制和执行一体化开发平台根据IEC61131-3、IEC61499 和 PLCOPEN 等编程语言标准、定义逻辑处理、变量处理、过程控制、运动控制和程序控制等图形化编程指令，以分布式体系结构为基础，开发程序统一执行平台软件，实现全分散系统下的统一编程

14、开发和系统管理。http:/（1）程序开发平台支持IEC61131/ IEC61499/ PLC_Open等标准的图形化程序开发，支持逻辑、运动、过程控制等编程指令。支持程序的编辑、编译、下载、运行、调试、仿真与监控功能。与CAD/CAE/CAM接口。形成制造执行系统的自动执行单元http:/（2）网络化运动控制系统以无人工厂的替人装备专机或机器人为目标，研发专机运动或机器人控制系统(1)嵌入式运动控制技术(2)网络化运动控制技术(3)嵌入式视觉定位技术(4)伺服驱动技术(5)特种电机http:/工业机器人技术http:/功能安全功能安全（Functional Safety） IEC 6150

15、8系列标准等 物理安全物理安全（Physical Safety） IEC 61010系列标准等 信息安全信息安全（Security） IEC 62443系列标准等l 产品安全的核心是物理安全l 网络安全的核心是信息安全l 安全仪表系统的核心是功能安全关键技术3）智能制造系统安全技术 控制系统安全分为物理安全、信息安全和功能安全http:/人员干预安全系统(自动地)基本自动控制过压阀,破裂片收集池主动的保护被动的保护灾难保护灾难保护安全仪表系统 (SIS) 过程值过程报警标准的行为过程控制系统安全停车功功能能安安全全社区应急响应机械缓解系统安全仪表系统机械防护系统具有操作人员纠正措施的过程警报

16、安全仪表系统基本过程控制系统监测系统 (过程警报)操作人员监督工厂应急响应过程（1）功能安全保护层分级http:/p昆山中荣金属制品有限公司昆山中荣金属制品有限公司铝粉铝粉粉尘爆炸粉尘爆炸n7575人死亡人死亡, 185, 185人受伤人受伤p美国西部制药厂公司美国西部制药厂公司聚乙烯聚乙烯粉尘爆炸粉尘爆炸n6 6人死亡人死亡, 38, 38人受伤人受伤昆山昆山预防预防粉尘爆炸的发生，降低粉尘爆炸危害，必须粉尘爆炸的发生，降低粉尘爆炸危害，必须针对针对产生产生粉粉尘的制造过程进行安全研究，提高制造安全等级，避免尘的制造过程进行安全研究，提高制造安全等级，避免粉尘粉尘爆炸爆炸发生！发生！西部制药

17、西部制药（2）工业粉尘爆炸预防、控制http:/汇报提纲-4 1 1、智能制造控制技术与问题、智能制造控制技术与问题 2 2、系统控制技术与趋势、系统控制技术与趋势 3 3、突破几个关键技术、突破几个关键技术 4 4、应用案例、应用案例http:/DCCE-iFactory智能工厂 iFactory 针对工业生产如何执行、监控、追溯等问题，提供生产工艺配置、生产资源管理、生产过程监控和质量控制优化四大方面的功能，并提供与企业级计划层、控制层、设备层的数据通信接口，全程管控选料、加工、检验、装配、调试、包装，以及维修、回收、报废等制造过程，实现产品全生命周期管理，形成高效、节能、安全、环保和可持续改进的“智能工厂”，使制造资源利用率最高，满足智能化、绿色化、精益化的生产需求。 下图是以电子制造过程为例说明。http:/办公系统http:/制造执行与企业资源管理http:/设计与研发管理以以CMMI模型为基础开发的研发管理软件模型为基础开发的研发管理软件智能工厂网络化控制系统数据采集运动控制 离散控制系统 数字化生产线