工厂自动化技术及其应用研讨

工厂自动化技术及其应用中科院沈阳自动化研究所05五月2023第一页，共七十二页。

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、合作建议第二页，共七十二页。中国科学院沈阳自动化研究所简介第三页，共七十二页。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年建所第四页，共七十二页。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第五页，共七十二页。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第六页，共七十二页。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

第七页，共七十二页。

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：第八页，共七十二页。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

第九页，共七十二页。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第十页，共七十二页。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、专用装备技术第十一页，共七十二页。1270年代末传统T-MES阶段：单一功能的车间级应用专用Point-MESNext-GenerationMES:-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AMRMES概念-1992年MESA成立-1997年MES白皮书-2000年ISA95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)技术第十二页，共七十二页。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:ManufacturingExecutionSystemAssociation，MESA

制造执行系统（ManufacturingExecutionSystem,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)技术第十三页，共七十二页。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)技术第十四页，共七十二页。功能模型:MESA

O/DSDPRA&CDCPT&GPALMMMPMQMDC&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PASCMService/RepairAPSERPCRMPCSPLMPDM/CMC3.1制造执行系统(MES)技术第十五页，共七十二页。MES标准的进展:

ANSI/ISA-95标准----企业与控制系统集成标准（1）ANSI/ISA-95.00.01，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)

(ApprovedJuly15,2000;2010:IEC/ISO62264-1;GB/T20720.1)（2）ANSI/ISA-95.00.02，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。

(ApprovedOctober17,2001;2010:IEC/ISO62264-2;GB/T20720.2)（3）ANSI/ISA-95.00.03，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。(ApprovedJune6,2005;2010:IEC/ISO62264-3;GB/T20720.3)（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(ApprovedJanuary10,2007)3.1制造执行系统(MES)技术第十六页，共七十二页。来源:美国LogicaMESCentreofExcellence公司的MESProductSurvey2007/2008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)技术第十七页，共七十二页。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)技术第十八页，共七十二页。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)技术第十九页，共七十二页。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…第二十页，共七十二页。自主研发了MES开发与运行平台：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制造执行系统(MES)技术第二十一页，共七十二页。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第二十二页，共七十二页。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①②第二十三页，共七十二页。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)技术第二十四页，共七十二页。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)技术第二十五页，共七十二页。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)技术第二十六页，共七十二页。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)技术第二十七页，共七十二页。MES应用系统产品A工艺产品B工艺产品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)技术第二十八页，共七十二页。物料跟踪示例:PartAPartBPartC…分总成APartMPartN…零件数量时间批次PartA105-08:45PartB205-08:45PartC105-08:45MES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总装配线报完工零件数量时间批次PartM105-08:45PartN205-08:45分总成A105-08:45MES对在制品A的跟踪记录示意装配者工人乙基于事件&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)技术第二十九页，共七十二页。基于事件和时间序列的过程跟踪与控制模型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制造执行系统(MES)技术第三十页，共七十二页。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)技术第三十一页，共七十二页。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)技术第三十二页，共七十二页。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)技术第三十三页，共七十二页。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)技术第三十四页，共七十二页。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)技术第三十五页，共七十二页。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)技术第三十六页，共七十二页。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)技术第三十七页，共七十二页。MES应用与合作：3.1制造执行系统(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系统第三十八页，共七十二页。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

第三十九页，共七十二页。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、专用装备技术第四十页，共七十二页。3.2网络化控制技术网络控制系统(

Networked

Control

System

，

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。第四十一页，共七十二页。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。自动控制和显示系统PLF现场总线车间现场设备第四十二页，共七十二页。减少连线和安装传统的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网络化控制技术现场总线技术优点：第四十三页，共七十二页。提高控制功能的分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网络化控制技术现场总线技术优点：第四十四页，共七十二页。增加信息的交互量传统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网络化控制技术现场总线技术优点：第四十五页，共七十二页。扩大了操作视野传统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网络化控制技术现场总线技术优点：第四十六页，共七十二页。过程自动化（PA）FoundationFieldbus

H1ProfibusPAHART工厂自动化（FA）DeviceNet/ControlNetProfibusDPCANopenModbus3.2网络化控制技术主流的现场总线技术：第四十七页，共七十二页。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；第四十八页，共七十二页。现场总线向工业以太网方向发展FoundationFieldbus->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网络化控制技术第四十九页，共七十二页。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。第五十页，共七十二页。工业无线技术3.2网络化控制技术ARC预测：2010～2015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％。第五十一页，共七十二页。WirelessHART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网络化控制技术第五十二页，共七十二页。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WirelessHART标准)第五十三页，共七十二页。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)第五十四页，共七十二页。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FFH1、ProfibusPA标准设备开发在保持功耗（60μA）低于同类产品指标的前提下内嵌4K

SRAM，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HT1200M3.2网络化控制技术第五十五页，共七十二页。现场总线智能仪表全套解决方案FF/HART/ProfibusPA现场总线芯片FF/HART/ProfibusPA现场总线协议FF/HART/ProfibusPA现场总线通信卡/仪表圆卡FF/HART/ProfibusPA现场总线控制应用功能块工业自动化仪表方面3.2网络化控制技术第五十六页，共七十二页。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第五十七页，共七十二页。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网络化控制技术工业无线技术方面第五十八页，共七十二页。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WIA—PA第五十九页，共七十二页。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第六十页，共七十二页。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第六十一页，共七十二页。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、专用装备技术第六十二页，共七十二页。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第六十三页，共七十二页。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℃第六十四页，共七十二页。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