机电一体化技术的新发展.ppt

第二课堂技术讲座 浅谈 机电一体化技术的新发展 生产设备 继 接断续控制系统 交流调速系统 工控机控制系统 可编程控制器 单片机控制系统 直流调速系统 各种专用的控制器 网络控制系统 交流电动机 直流电动机 伺服控制电动机步进电动机交流伺服电动机直流伺服电动机直线电机直接驱动电动机 数控机床 工业机器人 新式武器装备和作战指挥系统 航天航空飞行器 生产动力设备 交通运输设备 过程控制设备 现代办公设备 现代通信设备 现代家用电器 1 机电一体化是现代科学技术发展的必然结果 由于微电子 信息 生物工程 新材料 新能源 核武 空间 海洋等世界高新技术的突飞猛进 极大地推动了不同学科的交叉与渗透 纵向分化 横向综合已成为当代科学技术发展的重要特点 在机械工程领域 由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透 使机械工业的技术结构 产品机构 功能与构成 生产方式及管理体系发生了巨大变化 使工业生产由 机械电气化 迈入了 机电一体化 为特征的发展阶段 创造出了许许多多梦幻中的新产品与新装备 机电一体化的发展 使传统的机械如虎添翼 超越了操作机械和动力机械的范畴 进入了智能化 柔性化 绿色化 人性化 信息化 多功能化 全自动化 微机数字化和远程网络化控制的新时代 不仅极大地解放了人类的体力劳动 还极大地解放了人类的脑力劳动 2 世界各国都在抢占 机电一体化 前沿技术的制高点 美国提出 战略防御倡议 即星球大战计划 SDI 欧洲提出 尤里卡 高技术发展规划 日本提出 振兴科技的政策大纲 韩国提出 国家长远发展构想 印度提出 新技术政策声明 落后就要挨打 我国也公布了 高技术研究发展计划纲要 即863计划 3 什么是机电一体化 机电一体化 就是将机械 电子与信息技术进行有机结合 以实现工业产品和生产过程整体最优化的一种高新技术 机电一体化是指在设备机构的主功能 动力功能 信息处理功能和控制功能上引进电子技术 将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称 机电一体化发展至今也已成为一门具有自身体系的新型学科专业 随着科学技术的不断发展 还将被赋予新的内容 4 机电一体化的技术基本特征 机电一体化是从系统的观点出发 综合运用机械技术 微电子技术 自动控制技术 计算机技术 信息技术 传感测控技术 电力电子技术 接口技术 信息变换技术以及软件编程技术等群体技术 根据系统功能目标和优化组织目标 合理配置与布局各功能单元 在多功能 高质量 高可靠性 低能耗的意义上实现特定功能价值 并使整个系统最优化的系统工程技术 机电一体化是一个综合的概念 涵盖 技术 和 产品 两方面内容 前者是指包括技术基础 技术原理在内的 使机电一体化产品得以实现 使用和发展的技术 后者是指采用机电一体化技术 在机械产品基础上创造出来的新一代机电一体化产品 机电一体化 已成为当今世界工业发展的主要趋势 也带动了传统机械工业的一场新的革命 机械工业要争生存 求发展 必需走机电一体化之路 5 机电一体化的学科专业特点 突出特点在于它在机械产品中注入了过去所没有的新技术 把电子器件的信息处理和自动控制等功能 揉和 到机械装置中去 从而获得了过去单靠某一种技术而无法实现的功能和效果 重要实质是应用系统工程的观点和方法来分析和研究机电一体化产品或系统 综合运用各种现代高新技术进行产品的设计与开发 通过各种技术的有机结合 实现产品内部各组成都分的合理匹配和外部的整体效能最佳 它与传统机械的不同在于增添了检测和自动化控制 即测控 等核心精尖技术 赋予工业产品更多更好更新的功能和柔性 是硬结构和软技术相互协调统一的一个信息处理系统 它既区别于机械设计与制造专业 又不同于电气自动化专业 前者的理论基础是机械结构设计 固体力学 切削原理 缺乏电子与控制技术 后者的理论基础是电力电子 电机传动 测控与计算机技术 对机械设计 力学分析涉及较少 这两类专业都很难适应对现代化高新科技术机电产品的设计 制造 使用 维护 改造 开发和研制 更难胜任大量引进先进新技术与新设备的消化吸收和国产化自主创新 机电一体化是一种崭新的学术思想 它除了强调机与电的有机结合与融合 而不是简单组合与 拼凑外 还具有更深刻 更广泛的涵义 按照机电一体化思想 凡是由各种现代高新技术与机械和电子技术相互结合而形成的各种技术 产品 或系统 都应属于机电一体化范畴 如 机电光 机电仪 机电液 气 机电信 机电计 等等 机电一体化 是一个建立在高新技术发展基层上的大系统工程 其 主体 是机械 不是以机械为主体的设备系统是电子设备系统 其 核心 是控制和计算机 不是以计算机控制的机电设备系统是传统的老机电设备系统 发展 机电一体化 所面临的共性关键技术主要有 精密机械技术 传感检测技术 信息处理技术 伺服驱动技术 机电接口技术 自动控制技术 及 系统总体技术 已形成 机械 电气 计算机 三分天下的实际格局 6 机电一体化的典型产品 数控机床 智能机器人 新型武器装备和作战指挥系统 高精尖的航空航天飞行器 以及用微电子 尤其微机 技术装置了的自动化生产设备 动力设备 交通运输设备 生产过程自动化设备 通信设备 办公设备和智能家用电器 智能儿童玩具等等 这些都是当今世界高新技术的核心和应用成果集中体现 7 国家现阶段对 机电一体化 工作的重点安排 1 两个层次 一是狠抓用微电子技术改造传统产业 二是集中人财物力抓紧抓好数字化 自动化 智能化机电产品的开发应用 2 三个重点 数控装置 新型工业控制系统 第二代电力电子产品系列 3 八类产品 经济型数控系统 中档数控系统 新型工业控制系统 可编程序控制器 发电设备自动控制系统 交流调速系统 智能化仪表 电力电子产品 4 四项配套产品和技术 集成电路 传感器 CAD与CAM CAT 5 一个前沿技术 智能机器人 8 机电一体化的构成要素 人体是机电一体化系统最理想的参照物 如图a所示 构成人体的五大要素分别是头脑 感官 眼 耳 鼻 舌 皮肤 四肢 内脏及躯干 相应的功能如图b C所示 内脏提供人体所需要的能量 动力 及各种激素 维持人体活动 头脑处理各种信息并对其他要素实施控制 感官获取外界信息 四肢执行动作 躯干的功能是把人体各要素有机地联系为一体 机电一体化系统的构成要素与人体构成要素相对应 一个较完善的机电一体化系统 应包括以下几个基本要素 机械本体 动力系统 检测传感系统 执行部件 信息处理及控制系统 各要素和环节之间通过接口相联系 如上图c所示 机电一体化系统五大要素实例如下图所示 9 机电一体化系统的功能组成 传统的机械产品主要是解决物质流和能量流的问题 而机电一体化产品除了解决物质流和能量流外 还要解决信息流的问题 机电一体化系统的主要功能就是对输入的物质 能量与信息 即所谓工业三大要素 按照要求进行处理 输出具有所需特性的物质 能量与信息 不同主功能及输入的组合如上表所示 典型机电一体化系统功能原理构成的实例如下图所示 10 机电一体化的共同性关键技术 1 机械技术机械技术是机电一体化的基础和主体 利用其他高 新技术来更新概念 实现结构上 材料上 性能上的变更 满足减小重量 缩小体积 提高精度 提高刚度及改善性能的要求 在机电一体化系统制造过程中 经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术 同时采用人工智能与专家系统等 形成新一代的机械制造技术 2 计算机与信息技术其中信息交换 存取 运算 判断与决策 人工智能技术 专家系统技术 神经网络技术均属于计算机信息处理技术 3 系统技术系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术 从全局角度和系统目标出发 将总体分解成相互关联的若干功能单元 接口技术是系统技术中一个重要方面 它是实现系统各部分有机连接的保证 4 自动控制技术其范围很广 在控制理论指导下 进行系统设计 设计后的系统仿真 现场调试 控制技术包括如高精度定位控制 速度控制 自适应控制 自诊断校正 补偿 再现 检索等 5 传感检测技术传感检测技术是系统的感受器官 是实现自动控制 自动调节的关键环节 其功能越强 系统的自动化程序就越高 现代工程要求传感器能快速 精确地获取信息并能经受严酷环境的考验 它是机电一体化系统达到高水平的保证 6 伺服传动技术包括电动 气动 液压等各种类型的传动装置 伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件 对系统的动态性能 控制质量和功能有决定性的影响 11 机电一体化的发展现状 机电一体化的发展大体可以分为3个阶段 1 20世纪60年代以前为初级阶段 利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能 特别是在二战期间 战争刺激了机械产品与电子技术的结合 战后转为民用 对战后经济的恢复起了积极的作用 那时研制和开发从总体上看还处于自发状态 由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平 机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展 已经开发的产品也无法大量推广 2 20世纪70 80年代为蓬勃发展阶段 计算机技术 控制技术 通信技术为其奠定了技术基础 大规模 超大规模集成电路和微型计算机为其提供了充分的物质基础 这个时期的特点是 它在世界范围内得到比较广泛的承认 机电一体化技术和产品得到了极大发展 各国均开始对它给以很大的关注和支持 3 20世纪90年代后期为向智能化方向迈进的新阶段 一方面 光学 通信技术 微细加工技术进入机电一体化 出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支 另一方面对其系统的建模设计 分析和集成方法 学科体系和发展趋势都进行了深入研究 人工智能技术 神经网络技术及光纤技术为其发展开辟了发展的广阔天地 这些研究 将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系我国是从20世纪80年代初才开始研究和应用 国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为 863计划 中 在制定 九五 十五 规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响 许多大专院校 研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作 也取得了一定成果 但与日本等先进国家相比仍有相当差距 12 机电一体化的发展趋势 机电一体化是集机械 电子 光学 控制 计算机 信息等多学科的交叉综合 它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步 因此 机电一体化的主要发展方向如下 1 智能化 智能化 是对机器行为的描述 是在控制理论的基础上 吸收人工智能 运筹学 计算机科学 模糊数学 心理学 生理学和混沌动力学等新思想 新方法 模拟人类智能 使它具有判断推理 逻辑思维 自主决策等能力 以求得到更高的控制目标 机器人与数控机床的智能化就是重要应用 机电一体化产品不可能也不必要具有与人完全相同的智能 但高性能 高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能 则是完全可能而又必要的 2 模块化研制和开发具有标准机械接口 电气接口 动力接口 环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事 如研制集减速 智能调速 电机于一体的动力单元 具有视觉 图像处理 识别和测距等功能的控制单元 以及各种能完成典型操作的机械装置 利用标准单元迅速开发出新产品 同时也可以扩大生产规模 这需要制定各项标准 以便各部件 单元的匹配和接口 由于利益冲突 近期很难制定国际或国内这方面的标准 但可以通过组建一些大企业逐渐形成 显然 标准化 系列化带来的好处可以肯定 规模化将给机电一体化企业带来美好的前程 3 网络化现代计算机技术等的突出成就是网络技术 而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品 现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势 利用家庭网络 homenet 将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统 CIAS 使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐 因此 机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展 LONWORKS 局域网 就是一种特别有发展前途的现代网络技术 4 微型化指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势 国外称其为微电子机械系统 MEMS 泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品 并向微米 纳米级发展 微机电一体化产品体积小 耗能少 运动灵活 在生物医疗 军事 信息等方面具有不可比拟的优势 微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术 微机电一体化产品的加工采用精细加工技术 即超精密技术 它包括光刻技术和蚀刻技术两类 5 绿色化工业的发达给人们生活带来了巨大变化 一方面 物质丰富 生活舒适 另一方面 资源减少 生态环境受到严重污染 于是 人们呼吁保护环境资源 回归自然 绿色产品概念在这种呼声下应运而生 绿色化是时代的趋势 绿色产品在其设计 制造 使用和销毁的生命过程中 符合特定的环境保护和人类健康的要求 对生态环境无害或危害极少 资源利用率极高 设计绿色的机电一体化产品 具有远大的发展前途 机电一体化产品的绿色化主要是指 使用时不污染生态环境 报废后能回收利用 6 系统化系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构 系统可以灵活组态 进行任意剪裁和组合 同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理 表现之二是通信功能的大大加强 一般除RS232外 还有RS485 DCS 7 人格化未来的机电一体化更加注重产品与人的关系 机电一体化的人格化有两层含义 一层是 机电一体化产品的最终使用对象是人 如何赋予机电一体化产品人的智能 情感 人性显得越来越重要 特别是对家用机器人 其高层境界就是人机一体化 另一层是模仿生物机理 研制各种机电一体花产品 事实上 许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的 机电一体化的出现不是孤立的 它是许多科学技术发展的结晶 是社会生产力发展到一定阶段的必然要求 当然 与机电一体化相关的技术还有很多 并且随着科学技术的发展 各种技术相互融合的趋势将越来越明显 机电一体化技术的广阔发展前景也将越来越光明 在机电一体化技术迅速发展的同时 运动控制技术作为其关键组成部分 也得到前所未有的大发展 各厂家相继推出运动控制的新技术 新产品 诸如 1 数字式交流伺服系统 1 全闭环交流伺服驱动技术 在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中 广泛使用数字式交流伺服系统 这种伺服系统的驱动器对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样 在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统 位置控制分辨高 可靠性好 通常带位置环的伺服系统 位置环的反馈采样取自伺服电机的编码器 对于传动链上的间隙及误差还不能补偿克服 只能形成半闭环的位置控制系统 松下公司新近推出了一种更完善 可以实现更高精度的全闭环全数字式伺服系统 其控制原理如上图所示 该系统克服了上述半闭环系统的缺陷 位置环的采样可以直接采自装在最后一级机械上的位置反馈元件 如光栅尺 磁栅尺 旋转编码器等 而电机上的编码器此时仅作为速度环的反馈 这样就可以消除机械上存在的一切间隙 并且该伺服系统还可以对机械传动上出现的误差进行补偿 达到真正全闭环的功能 实现高精度的位置控制 而且这种全闭环控制均由驱动器来完成 无需增加上位控制器的负担 由于采用全闭环交流伺服系统能获得极高的定位精度 而不需增加上位控制系统的复杂程度 所以它广泛应用于数控机床 台钻机等高精度数控设备 2 直线电机驱动技术 直线电动机在机床进给伺服系统中的应用 近几年来已在世界机床行业得到重视 并在西欧工业发达地区掀起 直线电动机热 在机床进给系统中 采用直线电动机直接驱动与原旋转电动机传动的最大区别是取消了从电动机到工作台 拖板 之间的一切机械中间传动环节 把机床进给传动链的长度缩短为零 这种传动方式被称为 零传动 正由于这种 零传动 方式 带来了原旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和一定优点 1 高速响应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的如丝杠等机械传动件 使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高 反应异常灵敏快捷 2 精度高直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构引起的传动误差减少了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差 通过直线位置检测反馈控制 即可大大提高机床的定位精度 3 动刚度高由于 直接驱动 避免了启动 变速和换向时因中间传动环节的弹性变形 摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象 同时提高了其传动刚度 4 速度快 加减速过程短由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车 时速可达500Km h 所以用在机床进给驱动中 要满足其超高速切削的最大进给速度 要求达60 100M min或更高 当然是没有问题的 也由于上述零传动的高速响应性 使其加减速过程大大缩短 以实现起动时瞬间达到高速 高速运行时又能瞬间准停 可获得较高的加速度 一般可达 2 10 g g 9 8m s2 而滚珠丝杠传动的最大加速度只有 0 1 0 5 g 5 行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电机 就可以无限延长其行程长度 6 动安静 噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦 且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨 无机械接触 其运动时噪音将大大降低 7 效率高由于无中间传动环节 消除了机械摩擦时的能量损耗 科尔摩根PLATINNMDDL系列直线电机和SERVOSTARCD系列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统 它能提供很高的动态响应速度和加速度 极高的刚度 高的定位精度和平滑的无差运动 3 可编程计算机控制器技术 PLC控制技术已走过了40年的发展历程 随着近代计算机技术和微电子技术的发展 它已在软硬件技术方面远远走出了当初的 顺序控制 的雏形阶段 可编程计算机控制器 PCC 就是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器 与常规的PLC相比较 PCC最大的特点在于其类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计 常规的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I O通道的状态采集与刷新 这样处理 直接导致了真正意义上的 控制速度 依赖于应用程序的大小 这一结果无疑是同I O通道中高实时性的控制要求相违背的 PCC的系统软件完美地解决了这一问题 它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台 这样应用程序的运行周期则与程序长短无关 而是由操作系统的循环周期决定 由此 它将应用程序的扫描周期同真正外部的控制周期区别开来 满足了真正实时控制的要求 当然 这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下 按照用户的实际要求 任意修改 基于这样的操作系统 PCC的应用程序由多任务模块构成 给项目应用软件的开发带来很大的便利 因为这样可以方便地按照控制项目中各部分不同的功能要求 如运动控制 数据采集 报警 PID调节运算 通信控制等 分别编制出控制程序模块 任务 这些模块既独立运行 数据间又保持一定的相互关联 这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后 可一同下载至PCC的CPU中 在多任务操作系统的调度管理下并行运行 共同实现项目的控制要求 PCC在工业控制中强大的功能优势 体现了可编程控制器与工业控制计算机及DCS 分布式工业控制系统 技术互相融合的发展潮流 虽然这还是一项较为年轻的技术 但在其越来越多的应用领域中 它正日益显示出不可低估的发展潜力 13 我国机电一体化技术的新发展 机电一体化产品技术大力推进机电一体化 我国目前重点研究可适应复杂工序变化和网络制造管理的智能化数控加工技术和机器人技术 具有自诊断和故障在线监测等自适应功能的电力电气产品技术 兼备结构材料和功能材料复合性能的人工合成智能材料技术 工业自动化控制系统平台软件技术 新一代智能化传感器等高新技术 1 工业可编程序控制器的现状与发展趋势 20世纪40年代末50年代初 我国的流程工业规模很小 设备陈旧 必要的调节主要靠最简单的测量仪表由人工操作运行 50年代末60年代初 我国研制生产的传感器 变送器 调节器 执行器等 基本上能显示过程状态 实现调节意图 最终命令执行器完成对工艺流程的调节要求 70年代初 我国自行研制的工控机开始应用于工业过程控制 它部分地取代了原来控制室内的仪表 但由于受当时电子器件性能的限制 工控机本身的可靠性远不如现在 工控机带来的控制集中引起 危险 集中 70年代末 分散型控制系统 DCS 进入工控领域 解决了 危险 集中的问题 还解决了一些复杂的控制 DCS可建立通信网络 为大工厂生产带来许多方便 但其价格一直居高不下 80年代初 适应性较强的总线型工控机 STD 应运而生 STD总线技术的推广和应用 使工控机的功能更加强化 PLC作为工控机的一员 现代工业三大支柱之一 在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置 它具有控制方便 可靠性高 容易掌握 体积小 价格适宜等特点 据不完全统计 当今世界PLC生产厂家约200多家 生产300多个品种 占工控机市场份额的50 PLC将在工控机市场中占有主要地位 并保持继续上升的势头 主要应用在汽车 23 粮食加工 16 4 化学 制药 14 6 金属 矿山 11 5 纸浆 造纸 11 3 等行业 PLC在60年代末引入我国时 只用作离散量的控制 其功能只是将操作接到离散量输出的接触器等 最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作 新一代的PLC具有PID调节功能 它的应用已从开关量控制扩大到模拟量控制领域 广泛地应用于航天 冶金 轻工 建材等行业 目前正向着以下几个方面发展 1 微型 小型PLC功能明显增强很多有名的PLC厂家相继推出高速 高性能 小型 特别是微型的PLC 三菱的FXOS14点 8个24VDC输入 6个继电器输出 其尺寸仅为58mm 89mm 仅大于信用卡几个毫米 而功能却有所增强 使PLC的应用领域扩大到远离工业控制的其它行业 如快餐厅 医院手术室 旋转门和车辆等 甚至引入家庭住宅 娱乐场所和商业部门 2 集成化发展趋势增强由于控制内容的复杂化和高难度化 使PLC向集成化方向发展 PLC与PC集成 PLC与DCS集成 PLC与PID集成等 并强化了通讯能力和网络化 尤其是以PC为基的控制产品增长率最快 PLC与PC集成 即将计算机 PLC及操作人员的人 机接口结合在一起 使PLC能利用计算机丰富的软件资源 而计算机能和PLC的模块交互存取数据 以PC机为基的控制容易编程和维护用户的利益 开放的体系结构提供灵活性 最终降低成本和提高生产率 3 向开放性转变PLC存在严重的缺点 主要是PLC的软 硬件体系结构是封闭而不是开放的 绝大多数的PLC是专用总线 专用通信网络及协议 编程虽多为梯形图 但各公司的组态 寻址 语言结构不一致 使各种PLC互不兼容 国际电工协会 IEC 在1992年颁布了IEC1131 3 可编程序控制器的编程软件标准 为各PLC厂家编程的标准化铺平了道路 现在开发以PC为基础 在WINDOWS平台下 符合IEC1131 3国际标准的新一代开放体系结构的PLC正在规划中 在全球PLC制造商中 根据美国AutomationResearchCorp ARC 调查 世界PLC领导厂家的五霸分别为Siemens 西门子 公司 Allen Bradley A B 公司 Schneider 施耐德 公司 Mitsubishi 三菱 公司 Omrom 欧姆龙 公司 他们的销售额约占全球总销售额的三分之二 我国的PLC产品市场目前也还被外国人垄断着 霸占着 我国的PLC生产目前也有一定的发展 小型PLC已批量生产 中型PLC已有产品 大型PLC已开始研制 国内PLC形成产品化的生产企业约30多家 国内产品市场占有率不超过10 主要生产单位有 苏州电子计算机厂 苏州机床电器厂 上海兰星电气有限公司 天津市自动化仪表厂 杭州通灵控制电脑公司 北京机械工业自动化所和江苏嘉华实业有限公司等 国内产品在价格上占有明显的优势 2 数控机床发展的新策略 1 在国外模拟伺服快过时时 我国开始搞模拟伺服 还没等我国占稳市场 技术上就已经落后了 2 在国外将脉冲驱动的数字式伺服打入我国市场时 我国就跟着搞这类所谓的数字伺服 但至今没形成大的市场规模 3 近来国外将数字式伺服发展到用网络 通过光缆等 与数控装置连接时 我国又跟着发展此类系统 前途仍不乐观 这种老是被国外牵着鼻子 跟在别人后面走 永远受别人的制约 按国外已有控制和驱动模式来开发国产数控系统 在技术上难免要滞后 大力加强数控领域的科技创新 努力研究具有中国特色的实用的先进数控技术 逐步建立自己独立的 先进的技术体系 大力发展符合中国国情的数控产品 从而形成从数控系统 数控功能部件到种类齐全的数控机床整机的完整的产业体系 用先进 实用的数控产品去收复国内市场 打开国际市场 使中国的数控技术和数控产业在21世纪走在世界的前列 是我国数控技术发展的新策略 我国的数控技术 在 八五 攻关中 不失时机地提出了以自主版权为目标 以平台为基础的发展新战略 而且在攻关过程中 瞄准或调整到以PC机为基础的发展路线上 并以此形成了两种平台 开发出了四个基本系统 其中华中I型和中华I型是将数控专用模板嵌入通用PC机构成的单机数控系统 航天I型和兰天I型是将PC机嵌入到数控之中构成的多机数控系统 形成典型的前后台型结构 国内其它单位也都先后开发开放式体系结构系统 在通用微机数控领域 以PC平台为基础的国产数控系统 已经走在了世界前列 根据数控机床向复合 高速 智能 精密 环保等方向发展的新趋势 完善我国自主知识产权的开放式数控系统平台及技术规范 开发数控机床的智能化和网络化技术 进一步研究并联加工技术和集车 磨 铣 钻 铰 镗等工序于一身的集成技术 减少加工中的装夹次数 攻克高水平电主轴 直线电机 高速滚珠丝杠等功能部件制造技术 提高产品性能和技术水平 推广机械加工中的无冷却 无润滑 无气味等技术 减少机床使用中对环境的污染 发展具有中国特色的新一代PC数控系统 3 智能工业机器人的新发展 随着信息技术的惊人发展 智能机器人 可分实体机器人与虚拟机器人 这一信息技术的前沿领域也得到了飞速的发展 智能机器人集成了数学 物理 化学 生物 机械 电子 材料 能源 计算机硬件 软件 人工智能 多媒体技术 通讯技术和网络技术等众多领域的科学与技术知识 没有哪一种技术平台能比智能机器人更综合 智能机器人是现代科学技术前沿之一 集成了许多领域的先进技术 代表着一个国家的技术水平 智能机器人发展的终极目标是类人机器人 需要人类几十年的努力 智能机器人能自主吸收众多技术领域的新发展 从而在本质上保证了智能机器人作为技术平台能持续走在时代前列 具有良好的技术自我更新性 在 863 计划实施的初期 我国先后研制出了水下机器人 排险机器人 机器人压路机 微操作机器人 双足步行机器人 灵巧手等多种用途的特种机器人 大大缩短了我国机器人水平与国外发达国家之间的差距 有力地推动了我国机器人技术的发展 加强了机器人与社会 经济的联系 智能机器人是具有感知 思维和行动功能的机器 是机构学 自动控制 计算机 人工智能 光电技术 传感技术 通讯技术 仿真技术等多种学科和技术的综合成果 智能机器人做为新一代生产和服务工具 在制造领域和非制造领域占有更广泛 更重要的位置 这对人类开辟新的产业 提高生产与生活水平具有十分现实的意义 例如 我国在争取公海海域优先开采权的过程中 由国家 863 计划研制的6000米水下无缆自治机器人系统先后两次出海 获得了海底锰结核分布的珍贵资料 使我国成为世界上少数几个具有深海探测能力的国家之一 机器人是具有创新性的 战略性的 对国民经济和国家安全有巨大影响的高技术 是21世纪经济技术的制高点之一 近年来 我国大规模的基础设施建设为混凝土喷射机器人 凿岩机器人 机器人压路机 机器人推土机等机器人化工程机械提供了用武之地 新一代机器人化工程机械如装载机 搅拌机 摊铺机 盾构机器人等正在研究和完善中 21世纪是人类走向海洋 向海洋要资源的世纪 我国的系列水下机器人将承担起海洋探测的重任 为我国开发海洋作出贡献 各种军用和特种机器人也得到了快速发展 4 现场总线技术的新发展 现场总线技术自20世纪70年代诞生至今 由于它在减少系统线缆 简化系统安装 维护和管理 降低系统的投资和运行成本 增强系统性能等方面的优越性 得到了大范围的推广 导致了自动控制领域的一场革命 现场总线技术以其先进性 实用性 可靠性 开放性的优点 必然成为未来自动化技术发展的主流 对传统的PLC DCS系统形成了巨大的冲击 FCS已不再是一种预测 一种设想 而是实实在在的作为先进控制系统产品出现在市场上 现场总线在控制领域崭露头角不过是最近几年 然而其来势凶涌 且有愈演愈烈之趋势 那么 究竟什么是现场总线 什么是现场总线控制系统 现场总线控制系统较之目前在工控界仍占主导地位的集散控制系统 DCS 有何特点和优点 在现场总线标准尚未统一之前 能采用吗 若欲采用 40多种现场总线 应选用哪一种 在现场总线诞生的初期 其主要功能是将当时的可编程逻辑控制器以一种较简洁的方式连接起来 计算机通信技术的引入大大增强了现场总线的功能 成为现场总线技术发展的主要趋势 在分散型控制系统 较早地在站间通信中采用了局域网 随着电子技术的发展 许多站的功能已经可以在现场实现 因此通信也逐渐延伸到现场 在过程控制领域中 上层的通信也逐步统一到以太网和快速以太网 TCP IP协议也进入过程控制领域 因为现场总线与一般计算机通信在功能 要求和结构上有所不同 计算机通信技术并不能取代现场总线 现场总线 Fieldbus 是20世纪90年代初国际上发展形成的 用于过程自动化 制造自动化 楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络 它作为工厂数字通信网络的基础 沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系 它不仅是一个基层网络 而且还是一种开放式 新型全分布控制系统 这项以智能传感 控制 计算机 数字通讯等技术为主要内容的综合技术一经提出 就倍受世界范围的关注 成为自动化技术发展的热点 并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革 国际上许多有实力 有影响的大公司集团都先后投入重金在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发 现场总线设备的工作环境处于过程设备的最底层 作为工厂设备级基础通信网络 要求具有协议简单 容错能力强 安全性好 成本低 具有一定的时间确定性和较高的实时性要求 还具有网络负载稳定 多数为短帧传送 信息交换频繁等特点 由于上述特点 现场总线系统从网络结构到通讯技术 都具有不同上层高速数据通信网的特色 人们通常把现场总线系统的发展分为五代 即把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代 把4 20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代 把数字计算机集中式控制系统称为第三代 而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称为第四代 把现场总线控制系统FCS称为第五代 FCS作为新一代控制系统 一方面 突破了DCS系统采用通信专用网络的局限 采用了基于公开化 标准化的解决方案 克服了封闭系统所造成的缺陷 另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构 变成了新型全分布式结构 把控制功能彻底下放到现场 可以说 开放性 分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征 现场总线技术在历经了群雄并起 分散割据的初始阶段后 尽管已有一定范围的磋商合并 但至今尚未形成完整统一的国际标准 其中具备较强实力和影响的有 LonWorks Lon FoudationFieldbus FF CAN Profibus HART Dupline等 它们具有各自的特色 在不同应用领域形成了自己的优势 现场总线的技术特点1 系统的开放性 开放系统是指通信协议公开 各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换 现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统 这里的开放是指对相关标准的一致 公开性 强调对标准的共识与遵从 一个开放系统 它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连 一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的 开放系统把系统集成的权利交给了用户 用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统 2 互可操作性与互用性 这里的互可操作性 是指实现互连设备间 系统间的信息传送与沟通 可实行点对点 一点对多点的数字通信 而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用 3 现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量 补偿计算 工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成 仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能 并可随时诊断设备的运行状态 4 系统结构的高度分散性 由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能 使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构 从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系 简化了系统结构 提高了可靠性 5 对现场环境的适应性 工作在现场设备前端 作为工厂网络底层的现场总线 是专为在现场环境工作而设计的 它可支持双绞线 同轴电缆 光缆 射频 红外线 电力线等 具有较强的抗干扰能力 能采用两线制实现送电与通信 并可满足本质安全防爆要求等 2 Lon总线的优缺点LonWorks是一具有强劲实力和影响的现场总线技术 它是由美国Ecelon 埃施朗 公司推出并与摩托罗拉 东芝公司共同倡导 于90年代正式公布而形成的 它采用了ISO OSI模型的全部七层通讯协议 面向对象的设计方法 通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置 其通信速率从300bps至15Mbps不等 直接通信距离可达到2700m 78kbps 双绞线 支持双绞线 同轴电缆 光纤 射频 红外线 电源线等多种通信介质 并开发相应的本安防爆产品 被誉为通用控制网络 LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的芯片中并得以实现 集成芯片中有3个8位CPU 一个用于完成开放互连模型中第1 2层的功能 称为媒体访问控制CPU 实现介质访问的控制与处理 第二个用于完成第3 6层的功能 称为网络CPU 进行网络变量处理的寻址 处理 背景诊断 函数路径选择 软件计量 网络管理 并负责网络通信控制 收发数据包等 第三个是应用CPU 执行操作系统服务与用户代码 芯片中还具有存储信息缓冲区 以实现CPU之间的信息传递 并作为网络缓冲区和应用缓冲区 如Motorola公司生产的神经元集成芯片MC143120E2就包含了2KRAM和2KEEPROM LonWorks技术的不断推广应用促成了神经元芯片的低成本 而芯片的低成本又反过来推动了LonWorks技术的推广应用 形成了良好循环 LonWorks公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonWorks技术和神经元芯片 开发自己的应用产品 目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技术 1000多家公司已经推出了LonWorks产品 并进一步组织起LonWark互操作协会 开发推广LonWorks技术与产品 它被广泛应用在楼宇自动化 家庭自动化 保安系统 办公设备 运输设备 工业过程控制等行业 为了支持LonWorks与其他协议和网络之间的互连与互操作 该公司已开发出各种网关 以便将LonWorks与以太网和FF Modbus DeviceNet Profibus Serplex等总线互连为系统 从世界任何角落远程对现场设备进行配置 监视 控制和管理 另外 在开发智能通信接口 智能传感器方面 LonWorks神经元芯片也具有独特的优势 LonWorks技术已经被美国暖通工程师协会ASRE定为建筑自动化协议BACnet的一个标准 美国消费电子制造商协会也以LonWorks技术为基础制定了EIA 709标准 这样 LonWorks已经建立了一套从协议开发 芯片设计 芯片制造 控制模块开发制造 OEM控制产品 最终控制产品 分销 系统集成等一系列完整的开发 制造 推广 应用体系结构 吸引了数万家企业参与到这项工作中来 这对于一种技术的推广 应用有很大的促进作用 3 节省维护开销 由于总线控制设备具有自诊断与故障处理的能力 并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室 用户可以查询所有设备的运行 诊断维护信息 以便早期分析故障原因并快速排除 缩短了维护停工时间 同时由于系统结构简化 连线简单而减少了维护工作量 4 用户具有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统 避免因选择了某一品牌的产品被 框死 了设备的选择范围 不会为系统集成中不兼容的协议 接口而一筹莫展 使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中 5 提高了系统的准确性与可靠性 由于现场总线设备的智能化 数字化 与模拟信号相比 它从根本上提高了测量与控制的准确度 减少了传送误差 同时 由于系统的结构简化 设备与连线减少 现场仪表内部功能加强 减少了信号的往返传输 提高了系统的工作可靠性 此外 由于它的设备标准化和功能模块化 因而还具有设计简单 易于重构等优点 Lon总线作为一种现场总线 特别是其系统结构的简化 使控制系统的设计 安装 投运到正常生产运行及其检修维护 都体现出现场总线的优越性 1 节省硬件数量与投资 由于n总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感 控制 报警和计算功能 因而可减少变送器的数量 不再需要单独的控制器 计算单元等 也不再需要DCS系统的信号调理 转换 隔离技术等功能单元及其复杂接线 还可以用工控PC机作为操作站 从而节省了一大笔硬件投资 由于控制设备的减少 还可减少控制室的占地面积 2 节省安装费用 总线系统的接线十分简单 由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备 因而电缆 端子 槽盒 桥架的用量大大减少 连线设计与接头校对的工作量也大大减少 当需要增加现场控制设备时 无需增设新的电缆 可就近连接在原有的电缆上 既节省了投资 也减少了设计 安装的工作量 据有关典型试验工程的测算资料 可节约安装费用达60 以上 与其他现场总线相比 LonWorks总线技术还具有下列明显优势 1 使控制网络结构简单 布线容易 更改方便 并可灵活地采用自由拓扑结构 选择双绞线 电力线或其他通信媒体混合使用 在许多场合可以避免重新布线 2 容易对各种监控系统 如 设备和设施监控系统 环境监控系统 安防系统 火灾报警系统等 按照应用要求进行互联 实现系统总集成 使各系统之间按要求实现联动和信息共享 3 容易与管理微机局域网络实现联网和信息共享 4 可通过Internet在全世界的任何角落实现设备的远程配置 监控和管理 有助于全局的集中管控 包括设备的远程监测 远程控制和远程诊断 5 LonWorks的互操作性保证总体规划和分步实施能顺利实现 系统设计和实施的各个阶段采用统一的平台 统一的协议 统一的工具 而分步实施过程中的各个系统设备可以根据市场情况及性能价格比灵活选择 6 遥信 遥测 遥控 遥调 设备监控与设施监控可以采用同一控制网络平台 有利于系统的实施 管理和维护 7 LonWorks的通信协议 即LonTalk协议 已成为许多国家和国际标准化组织采纳的控制网络通信协议的标准 也是我国建设部和信息产业部正在制订的 建筑及住宅社区控制网络通信协议 国家标准首选的参照标准 其开放性和互操作性保证了系统的标准化 可持续发展和建设 以保证投资者的长期利益 8 LonWorks功能强大的网络管理服务体系 使网络配置 管理 监控 维护非常方便 适用于各种不同类型的应用 和不同规模的控制网络 9 LonWorks完备的开发工具适合各种不同的开发要求 使开发者很容易掌握和使用 以最快的速度开发出产品 10 LonWorks备有成套的培训教材和课程设置体系 内容涉及各种技术层面 可对教师和学生进行有针对性的 系统的培训 然而遗憾的是目前各Lon厂家生产的神经元芯片输入时钟的最大频率只有10MHz 这对于一般的应用足够了 但是对于某些高速或者要求网络响应速度较快的情况 会有些力不从心 所以在使用的时候 为了以后扩展系统方便 一般都将神经元芯片和其他微处理器联合使用 Echelon公司推出的Lon技术是一套完整地解决方案 从硬件到软件 还包括各种开发工具 但是其昂贵的价格却令好多用户望而生畏 其中一个重要的原因就是好多产品现在还是Echelon公司一家垄断 而与其竞争的对手还不够强大 这也是一门新技术兴起的一个必须经历的阶段 3 LonWorks 现场总线的核心技术和网络自由拓扑结构LON网络系统是由智能节点组成 每个智能节点可具有多种型式的I O功能 节点之间可通过不同的传输媒介进行通信 并遵守ISO OSI的7层协议 LonWorks技术是诸多现场总线中唯一涵盖SensorBus DeviceBus和FieldBus三种应用层次的总线技术 是目前各种现场总线中技术最完整 应用领域最广的一种技术 LonWorks作为一个完整的控制网络平台 包括网络的设计 开发 安装和调试 监控等一整套工具 以及从神经元芯片 智能收发器 网络接口 路由器 中继器 IP网络连接设备 网络操作系统一整套完整的端到端解决方案 其核心技术是神经元通信控制微处理器芯片和LonTalk通信协议 1 神经元通信控制微处理器芯片 NeuronChip 它是LonWorks技术的核心器件 是一种集通信 控制 调度和I O支持为一体的高级VLSI器件 它内含3个8位的流水线CPU 在片内存储单元中固化了7层通信协议中的6层内容 只有第7层需用户编写 它有11个可编程的I O引脚 可组成34种工作模式 I O对象 并有5个通信引脚可组成3种通信模式 最高时钟频率为40MHz 有2个16位定时器 计数器 一个48位编码的内部标识符NeuronID 一个用于远程标识和诊断的Service引脚 2 LonTalk通信协议 LonTalk是LonWorks技术的通信协议的标准 与其他现场总线技术不同的是 它提供了对应于ISO OSI开放系统互连七层参考模型所有各层的服务 LonTalk协议采用一种基于载波侦听多路访问 介质访问控制 CSMA MAC 并且针对控制应用进行了优化的新型通信模式 称为带预测的P PersistentCSMA算法 LonTalk协议支持多种传输介质 如双绞线 电力线 超声波 光纤 无线射频 红外线和信源线 linkpower 以及IP等 1 物理层面 物理性收发功能 与特别介质接口计划调制 TP PL RF 同轴电缆 紫外线 2 数据连接层面 介质访问 Access Farming 数据编码 检查CRC错误介质访问 回避冲突与检查 优先顺序 3 网络层面 传输短消息 单元传输 多点传输 寻址 数据包路由选择 4 传输层面 保障可靠的通信 服务类型 数据包序列 重复检查 5 通话层面 提供控制功能 要求应答6 图象层面 对数据形态及结构的一致 网络变量 应用短消息 7 应用层面 提供应用服务 标准对象与类型 构成属性 传输文件 网络服务 每一种介质称为一种信道 每一种信道都有专用的收发器 transceiver 作为智能节点和通信介质之间的接口器件 不同信道之间使用路由器 router 进行连接 各种传输介质具有不同的传输速率 最高为1 25Mbps IP信道可支持10 100Mbps 传输报文每帧的最高有效字节为228个 普通双绞线信道最远的传输距离为2 7公里 LonTalk协议支持各种规模的网络 每个域最多可连接3 2万个节点 可有3 2万个域 LonTalk协议支持全分布式的对等层点到点 PeertoPeer 的通信 节点可以组成总线型 环型 树型等多种拓扑网络结构 特别值得一提的是还