工厂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 2020年1月14日星期二 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 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 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 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 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 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 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 FoundationFieldbusH1ProfibusPAHART工厂自动化 FA DeviceNet ControlNetProfibusDPCANopenModbus 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FoundationFieldbus HSE HighSpeedEthernet Profibus PROFINETDeviceNet ControlNet EtherNet IPModbus ModbusIDAEPA 国内自主标准 EthernetPOWERLINKEtherCATSERCOSIII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 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 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 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 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FFH1 ProfibusPA标准设备开发在保持功耗 60 A 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 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 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WIA PA 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