工厂自动化技术及其应用.ppt

工厂自动化技术及其应用,2020年5月20日星期三,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R2010: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：20102015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（60A）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WIAPA,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:它的位置对应钢料成型曲率半径,加热位置:中频加热钢料,直线位移传感器:光栅尺或球栅尺,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,1、曲率半径在线检测:通过曲率半径检测机构，利用计算机采集直线位移传感器（此处光栅尺或球栅尺）检测到的钢料成型部分给检测机构检测轮造成的位移，通过与成型轮和变形区的数量关系，即可计算出当前钢料曲率半径。2、成型轮位置控制:计算曲率半径与设定值比较，通过控制算法闭环控制成型轮位置。考虑到钢料的回弹等因素，系统加入了修正系数。,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,监控主画面,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,弯淬机运行状态,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,对数字化螺旋焊钢管成型机组的借鉴意义,1、钢管直径和椭圆度检测装置。在成型机组出口同一横截面上3个或4个固定位置安装激光测距传感器，检