工厂自动化技术及其应用教材

工厂自动化技术及其应用中科院沈阳自动化研究所14一月2023

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机器人学实验室水下机器人研究室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攻关应用示范研究与探索高技术产业化新松机器人等所投资公司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/NCSMES

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、相相关单单元技技术及及典型型应用用介绍绍1、制造造执行行系统统技术术（MES）2、网络络化控控制技技术3、专用用装备备技术术1270年代末传统T-MES阶段：：单一功功能的的车间间级应应用专用Point-MESNext-GenerationMES:-2004年协同同制造造执行行系统统C-MES概念-具有开开放式式、客客户化化、可可配置置、可可伸缩缩等特特性的的新型型体系系结构构-智能性性-WEB技术80年代中期90年代初初~2000年2004年~可集成成I-MES阶段:-1990年AMRMES概念-1992年MESA成立-1997年MES白皮书书-2000年ISA95系列标标准具有客客户化化、可可重构构、可可扩展展和互互操作作等特特性发展阶阶段:3.1制造执执行系系统(MES)技术MES汇集了了车间间中用用以管管理和和优化化从定定单下下达到到生产产完成成全过过程中中的所所有活活动的的硬件件或软软件组组件，，通过过控制制和利利用准准确的的制造造信息息，对对车间间生产产活动动中的的实时时事件件做出出快速速响应应，同同时向向企业业决策策支持持过程程提供供相关关生产产活动动的重重要信信息。。定义:ManufacturingExecutionSystemAssociation，MESA制造执执行系系统（（ManufacturingExecutionSystem,MES）是一一种面面向车车间层层的生生产管管理和和优化化运行行技术术；是是位位于企企业上上层生生产计计划和和底层层工业业控制制之间间、面面向车车间层层的管管理信信息系系统。。3.1制造执执行系系统(MES)技术MES在整个个企业业信息息集成成系统统中承承上启启下，，是生生产活活动与与管理理活动动信息息沟通通的桥梁。MES采集从从接受受订货货到制制成最最终产产品全全过程程的各各种数数据和和状态态信息息，目目的在在于优化和和改善善制造造活动动。它强强调是是当前前视角角，即即精确的的实时时数据据。从对实时的的要求求而言，，如果果说控控制层层要求求的实实时的的时间间系数数为1，那么么,MES的时间间系数数为10,ERP的时间间系数数为100可控性性可视性性MES特征:3.1制造执执行系系统(MES)技术功能模模型:MESAO/DSDPRA&CDCPT&GPALMMMPMQMDC&A资源分分配及及控制制RA&C生产作作业计计划O/DS生产调调度DP质量管管理QM生产过过程管管理PM文档控控制DC数据采采集DC&A劳动力力管理理LM设备维维护管管理MM产品跟跟踪与与追溯溯PT&G性能分分析PASCMService/RepairAPSERPCRMPCSPLMPDM/CMC3.1制造执执行系系统(MES)技术MES标准的的进展展:ANSI/ISA-95标准----企业与与控制制系统统集成成标准准（1），企业-控制系系统集集成，，第一一部分分：模模型和和术语语；包括标标准的的术语语和对对象模模型(信息交交换)(ApprovedJuly15,2000;2010:IEC/ISO62264-1;GB/T20720.1)（2），企业-控制系系统集集成，，第二二部分分：对对象模模型属属性；；由第一一部分分中的的定义义的每每一个个对象象的属属性组组成。。(ApprovedOctober17,2001;2010:IEC/ISO62264-2;GB/T20720.2)（3），企业-控制系系统集集成，，第三三部分分：制制造过程管理活动模型；；集中在在第三三层（（生产产/MES层）上上的功功能和和活动动。(ApprovedJune6,2005;2010:IEC/ISO62264-3;GB/T20720.3)（4），第四部部分：：定义制制造运运作管管理对对象模模型属属性（制定定中））（5），第五部部分：：定义义商业业系统统和制制造业业之间间信息息交易易(ApprovedJanuary10,2007)3.1制造执执行系系统(MES)技术来源:美国LogicaMESCentreofExcellence公司的的MESProductSurvey2007/2008报告国外MES行业分分布:1电子2汽车3食品&饮料4机械&工具5制药6半导体体7塑料&橡胶3.1制造执执行系系统(MES)技术国内的的MES应用集集中在在冶金金、石石化、、汽车车、烟烟草和和电子子等几几大行行业。。冶金金、石石化、、汽车车等为为国内内较早早开始始信息息化建建设的的行业业，轻轻工、、纺织织等行行业启启动则则较晚晚。流程/混合流流程行行业应应用要要好于于离散散行业业我国已已经应应用和和正在在建设设MES的钢铁铁企业业共有有30多家，，他们们的钢钢铁产产量占占全国国钢铁铁总产产量的的50%以上。。烟草行行业大大约有有1/3左右的的生产产厂已已经实实施了了MES系统。。国内MES行业分分布:3.1制造执执行系系统(MES)技术MESA调查分分析结结果：：生产周周期缩缩短45%；数数据输输入时时间缩缩短75%；在制品品减少少24%；文文书书工作作减少少61%；交货期期缩短短27%；不不合合格产产品降降低18%；文书丢丢失减减少56%。MES给企业业带来来的效效益3.1制造执执行系系统(MES)技术3.1制造执执行系系统(MES)技术MES相关技技术：：制造执执行系系统平平台与与集成成技术术基于MES标准的的制造造过程程建模模技术术数据采采集与与过程程跟踪踪技术术产品质质量诊诊断/控制/调整技技术（（SPCDA）不同生生产类类型的的高级级排产产与调调度技技术（（APS）设备故故障诊诊断与与预防防性维维护技技术制造系系统性性能评评价技术…自主研研发了了MES开发与与运行行平台台：MessageBusDBManagerDataReaderDataWriterAlarmSPCGateWayMES应用套件生产管理过程跟踪建模工具工厂模型产品模型事件模型执行模型异构数据源适配器实时历史库OPCRS232……质量管理产品管理效率分析CalculationMgrMES企业集成连接器ERPCRMInfoPublishEngine……DataMiningEngineMES信息门户持久存储SQLServer2005SDK核心服务3.1制造执执行系系统(MES)技术3.1制造执执行系系统(MES)技术制造过过程建建模方方法与与可视视化技技术：：产品模模型-工厂模模型关关联执行模模型-工厂模模型关关联执行模模型-产品模模型关关联生产线线参数工位车间制造过过程建建模方方法与与可视视化技技术：：3.1制造执执行系系统(MES)技术工厂模模型：：生产产线/工艺段段/设备实现工工艺段段与质质量检检测点点和保保证工工艺参参数的的设备备及控控制变变量的的关联联实现生生产线线/设备模模型与与状态态信息息和生生产信信息的的关联联①②间隙测测量及及垫片片自动动选装装系统统带钮距距传感感器的的电动动拧紧紧工具具带位移移和压压力传传感器器的压压装机机基于图图像的的自动动识别别系统统关键设设备的的数据据采集集与集集成：：(可视化化)3.1制造执执行系系统(MES)技术变速箱箱综合合性能能加载载试验验台发动机机综合合性能能试验验台关键设设备的的数据据采集集与集集成：：(可视化化)3.1制造执执行系系统(MES)技术磁导航航带RFID定位的的AGV物流小小车工业智智能打打标机机RFID托盘跟跟踪手持PDA物料扫扫描关键设设备的的数据据采集集与集集成：：(可视化化)3.1制造执执行系系统(MES)技术防错装装控制制产品A零件所所在料料位产品B零件所所在料料位产品A计划执执行产品B计划执执行MES应用系系统PLC利用料料架上上的指指示灯灯，指指示操操作者者获取取正确确的物物料智能料料架工艺执执行、、质量量、防错漏漏等在线线控制制能力力(可控化化)3.1制造执执行系系统(MES)技术MES应用系系统产品A工艺产品B工艺产品A计划执执行产品B计划执执行PLC工位计计算机机压机压力超超过工工艺要要求产产生报报警提提示并并同时时控制制压机机停止止动作作工艺执执行、、质量量、防错错漏等等在线线控制制能力力(可控化化)3.1制造执执行系系统(MES)技术物料跟跟踪示示例:PartAPartBPartC…分总成成APartMPartN…零件数量时间批次PartA105-08:450512011PartB205-08:450412013PartC105-08:450510001MES对分总成A的跟踪记录示意装配者工人甲在制品A托盘/AGV总装配配线报完工工零件数量时间批次PartM105-08:450512011PartN205-08:450412013分总成A105-08:450510001MES对在制品A的跟踪记录示意装配者工人乙基于事事件&时间序序列的的制造造过程程跟踪踪和追追溯能能力(可控化化)3.1制造执执行系系统(MES)技术基于事事件和和时间间序列列的过过程跟跟踪与与控制制模型型ERP计划跟踪过程工位料架人员离线质量零件详细排产总装计划总装过程投料总装开始总装结束使用零件信息班组登录压机拧紧工具测试料架实际工艺参数、设备状态、人员操作品种\数量\供应商料架设备投料使用零件信息品种\数量\供应商分装开始分装结束分装过程生产过程实际工艺参数、设备状态、人员操作实际工艺参数、设备状态、人员操作实际工艺参数、设备状态、人员操作时序质量信息质量信息3.1制造执执行系系统(MES)技术产品质量故障原因查找生产线效率分析及生产节拍的改进根据跟踪信息进行控制查找同该批次物料关联的所有产品产品生产过程工艺参数查询查找问题产品所用物料的批次查找问题产品相关的操作人员生产过程跟踪基于事事件&时间序序列的的制造造过程程跟踪踪和追追溯能能力(可控化化)3.1制造执执行系系统(MES)技术物料配配送清清单及及批次次采集集基于事事件&时间序序列的的制造造过程跟跟踪和和追溯溯能力力(可控化化)关键工工艺\测试数数据参参数柴油机机产品品的制制造过过程档档案：：(物料批批次、、试漏漏/拧紧/试车工工艺参参数、、人员员、操操作时时间)基于生生产过过程跟跟踪模模型的的典型型应用用--朝阳柴柴油机机总装装MES系统3.1制造执执行系系统(MES)技术基于生生产过过程跟跟踪模模型的的典型型应用用—宇通客客车MES系统基于事事件&时间序序列的的制造造过程程跟踪踪和追追溯能能力(可控化化)3.1制造执执行系系统(MES)技术基于事事件&时间序序列的的制造造过程跟跟踪和和追溯溯能力力(可控化化)基于生生产过过程跟跟踪模模型的的典型型应用用--宇通客客车MES系统3.1制造执执行系系统(MES)技术基于事事件&时间序序列的的制造造过程跟跟踪和和追溯溯能力力(可控化化)基于生生产过过程跟跟踪模模型的的典型型应用用--宇通客客车MES系统3.1制造执执行系系统(MES)技术瓶颈车车间的的调度度问题题(优化)基于生生产过过程跟跟踪模模型的的典型型应用用--宇通客客车MES系统3.1制造执执行系系统(MES)技术计划排排产生生产周周期压压缩涂装车车间现现平均均单车车实际际生产产周期期约55小时，，计划划排产产压缩缩生产产周期期约10小时计划排排产吊吊装满满足率率由于计计划排排产采采用依依据吊吊装计计划的的倒排排产算算法，，理论论上100%满足吊吊装。。计划排排产设设备利利用率率现涂装装车间间设备备利用用率约约50%，详细细计划划排产产提高高设备备利用用率到到约70%瓶颈车车间的的调度度问题题(优化)3.1制造执执行系系统(MES)技术MES应用与与合作作：3.1制造执执行系系统(MES)技术汽车行业装配生产线大同变速箱装配生产线MES系统陕西FAST变速箱装配生产线MES系统株洲欧格瑞变速器装配试验线MES系统东风朝阳柴油机总装生产线MES系统浙江万里扬变速箱装配生产线MES系统郑州宇通客车生产线MES系统行业应用离散加工企业沈阳第一机床厂MES系统长春55所柔性制造系统MES系统流程&混合流程鞍钢冷轧薄板厂MES系统吉林烟草工业公司延吉卷烟厂制丝车间MES系统吉林烟草工业公司延吉卷烟厂厂级MES系统MES应用与与合作作：3.1制造执执行系系统(MES)技术国内唯唯一GE智能平平台高高级解解决方方案供供应商商国际联联合实实验室室三、相相关单单元技技术及及典型型应用用介绍绍1、制造造执行行系统统技术术（MES）2、网络络化控控制技技术3、专用用装备备技术术3.2网络化化控制制技术术网络控制系统(NetworkedControlSystem，NCS），即即网络络化的的控制系统，，又称称为控制网络。。分布布式控制系统或或称集集散控制系统（（DCS）、工工业以以太网网和现现场总线系统(FCS)都属于于网络络控制系统。。这体体现了了控制系统正正向网网络化化、集集成化化、分分布化化、节节点智智能化化的方方向发发展。。3.2网络化化控制制技术术现场总总线技技术：：现场总线（Fieldbus）是一一种数数字化化的串串行双双向通通信系系统。。这一一技术术可将将所有有现场场设备备（传感器器、变变送器器、执执行器器和数数据采采集模模板等）与与控制器用一一根电电缆（（光缆缆或无线）连接接在一一起，，形成成设备备及车车间级级的数数字化化通信信网络络，可可完成成现场场状态态监测测、控制、远程程参数数化等等功能能。自动控制和显示系统PLF现场总线车间现场设备减少连连线和和安装装传统的4-20mA连线每台设备需要一个安全栅和一对连线现场总线连线多台设备共用一个安全栅和一根总线控制器控制系统网络现场总线4-20mA输入/输出子系统I.S.I.S.I.S.I.S.控制器控制系统网络3.2网络化化控制制技术术现场总总线技技术优优点：：提高控控制功功能的的分散散性传统型现场总线型有些控制和I/O功能可以转移到现场仪表。控制器控制系统网络现场总线4-20mA输入/输出子系统PIDPIDAI

AIAOAO控制器控制系统网络3.2网络化化控制制技术术现场总总线技技术优优点：：增加信信息的的交互互量传统4-20mA单变量单向现场总线多变量双向控制器控制系统网络现场总线输入/输出子系统控制器控制系统网络3.2网络化化控制制技术术现场总总线技技术优优点：：扩大了了操作作视野野传统4-20mA只能看到

I/O子系统现场总线视野可以扩展到现场仪表控制器控制系统网络现场总线远程输入/输出子系统控制器控制系统网络3.2网络化化控制制技术术现场总总线技技术优优点：：过程自自动化化（PA）FoundationFieldbusH1ProfibusPAHART工厂自自动化化（FA）DeviceNet/ControlNetProfibusDPCANopenModbus3.2网络化化控制制技术术主流的的现场场总线线技术术：工业以以太网网(Ethernet)技术3.2网络化化控制制技术术随着计计算机机领域域的局局域通通信逐逐步被被以太太网垄垄断，，过程程控制领域中中上层层的通通信也也逐步步统一一到以以太网网和快快速以以太网网。以以太网网被用用于网网络控制系统已已成为为一种种发展展趋势势；以太网网技术术具有数字式式互联联网络络、互互操作作性、、开放放性和和高网网络性性能，是最符符合网网络控制系统现现场总线的特点，工业业以太网网成为现现场总总线技技术的的发展展方向向；现场总总线向向工业业以太太网方方向发发展FoundationFieldbus->HSE（HighSpeedEthernet）Profibus->PROFINETDeviceNet/ControlNet->EtherNet/IPModbus->ModbusIDAEPA（国内内自主主标准准）EthernetPOWERLINKEtherCATSERCOSIII要满足：：实时性性、确定定性、可可靠性工工业要求求工业以太太网(Ethernet)技术3.2网络化控控制技术术工业无线技术3.2网络化控控制技术术非接触传传输，特特别适用用于恶劣环境境或振动动、高速速旋转对对象的监监控降低安装装成本、、持续降降低运行行维护成成本更换方便便，便于于升级减少接插插件故障障，移动动自由且且不受限限制工厂测控控模式的的变革传统认为为成本过过高，无无法大规规模部署署传感器器进行监监测的应应用成为为可能。。工业无线技术3.2网络化控控制技术术ARC预测：2010～2015年，工厂厂设备健健康维护护相关市市场将以以每年200％的速度度增长。。美国总统统科技顾顾问委员员会在““面向21世纪的联联邦能源源研究与与发展规规划”中中指出：：工业无线线技术的的应用将将使工业业生产效效率提高高10％，并使使排放和和污染降降低25％。WirelessHART标准于2008年9月成为国国际标准准ISA100.11a标准于2009年4月正式发发布WIA-PA（国内自自主标准准）标准准于2008年10月成为国国际标准准工业无线技术3.2网络化控控制技术术工业无线技术3.2网络化控控制技术术Emerson智能无线线网络产产品(基于WirelessHART标准)工业无线技术3.2网络化控控制技术术Honeywell无线产品品(基于ISA100.11a标准)工业自动动化仪表表方面：：国内唯一一符合IEC61158协议标准准的低功功耗芯片片支持FFH1、ProfibusPA标准设备备开发在保持功功耗（60μA）低于同同类产品品指标的的前提下下内嵌4KSRAM，能有效效简化芯芯片用户户的开发发工作量量自主HART芯片HT1200M核心芯片片符合HART协议国际际标准，，低功耗耗和性能能指标完完全达到到国外同同类先进进产品水水平。通信芯片FBC0409通信芯片HT1200M3.2网络化控控制技术术现场总线线智能仪仪表全套套解决方方案FF/HART/ProfibusPA现场总线线芯片FF/HART/ProfibusPA现场总线线协议FF/HART/ProfibusPA现场总线线通信卡卡/仪表圆卡卡FF/HART/ProfibusPA现场总线线控制应应用功能能块工业自动动化仪表表方面3.2网络化控控制技术术牵头制定定工业无无线网络络国家标标准(WIA-PA)2008年10月成为IEC国际标准准3.2网络化控控制技术术工业无线技术方面系统级模块+协议级模块级OEM裸模块传感器网络硬件平台OEM协议级模块开发套件工具软件仪表整机网关组态软件服务技术咨询技术服务技术开发3.2网络化控控制技术术工业无线技术方面3.2网络化控控制技术术工业无线技术方面压力计：：中科博博微公司司温度计：：上海自动动化仪表表所粉尘浓度度传感器器：川仪仪公司压力变送送器：伟伟岸测仪仪阀门定位位器：浙浙江中控控电磁流量量计：北北京天宇宇蓝翔与国内仪仪表企业业密切合合作，开开发出10余种无线线智能仪仪表样机机，在企企业示范范应用WIA—PA电机能效效在线监监测系统统通过无线线方式监监测电机机和电炉炉的运行行状态，，实现节节能运行行及故障障预测维维护3.2网络化控控制技术术工业无线技术方面智能电网网和工业业无线仪仪表3.2网络化控控制技术术工业无线技术方面三、相关关单元技技术及典典型应用用介绍1、制造执执行系统统技术（（MES）2、网络化化控制技技术3、专用装装备技术术1997年完成国国内第一一台全自自动肋骨骨弯淬机机床电气气控制系系统2001年和2002年先后完完成了三三台改进进型肋骨骨弯淬机机床电气气控制系系统曲率半径径检测和和闭环控控制已申申请了国国家专利利项目获得得了中国国科学院院科技进进步三等等奖3.3工业机器器人与专专用装备备技术典型实例例:全自动肋肋骨弯淬淬机床3.3工业机器器人与专专用装备备技术典型实例例:全自动肋肋骨弯淬淬机床采用先进进的工业业PC、曲率半半径和淬淬火温度度在线检检测技术术，实现现了肋骨骨加热、、淬火、、成型的的全自动动化控制制。主要要指标：：弯制曲率率半径：：1200mm-；曲率半径径控制