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工业自动化技术研究报告
 
慧聪网   2005年11月24日18时31分   信息来源:上海电气自动化设计研究院自动控制专业部    

    一、工业自动化技术简介

    工业自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术,对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策,达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的综合性高技术,包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。

    工业自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一,主要解决生产效率与一致性问题。无论高速大批量制造企业还是追求灵活、柔性和定制化企业,都必须依靠自动化技术的应用。

    自动化系统本身并不直接创造效益,但它对企业生产过程起着明显的提升作用:

   (1)提高生产过程的安全性;

   (2)提高生产效率;

   (3)提高产品质量;

   (4)减少生产过程的原材料、能源损耗。

    据国际权威咨询机构统计,对自动化系统投入和企业效益方面提升产出比约1:4至1:6之间。

    特别在资金密集型企业中,自动化系统占设备总投资10%以下,起到“四两拨千金”的作用。

    传统的工业自动化系统即机电一体化系统主要是对设备和生产过程的控制,即由机械本体、动力部分、测试传感部分、执行机构、驱动部分、控制及信号处理单元、接口等硬件元素,在软件程序和电子电路逻辑的有目的的信息流引导下,相互协调、有机融合和集成,形成物质和能量的有序规则运动,从而组成工业自动化系统或产品。

    在工业自动化领域,传统的控制系统经历了继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统和集散式控制系统DCS的发展历程。

    近年来,随着控制技术、计算机、通信、网络等技术的发展,信息交互沟通的领域正迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理各个层次。工业控制机系统一般是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制的自动化技术工具(包括自动测量仪表、控制装置)的总称。今天,对自动化最简单的理解也转变为:用广义的机器(包括计算机)来部分代替或完全取代或超越人的体力。

    二、工业自动化与工业信息化的关系

    根据清华大学自动化系金以慧教授的定义,工业信息化是指在工业的生产、管理、经营过程中,通过信息基础设施,在集成平台上,实现信息的采集(传感器及仪器仪表)、信息的传输(通信)、信息的处理(计算机)以及信息的综合应用(自动化、管理、经营等功能)等都是信息化的内容。

    将信息技术用于企业产品设计、制造、管理和销售的全过程,以提高企业的市场应变能力和竞争能力,这是企业信息化的主要内容和目标。

    自动化往往是指包括检测、控制和继电保护等常规自动化的概念。广义自动化是指实现经营管理、计划调度、成本核算、生产监控、故障诊断、自动控制等更大范围内的自动化,又称之为“综合自动化”或称3层结构的“流程工业CIMS”。 自动化与信息化的关系如下图:

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    三、自动化系统结构

    目前,工业自动化系统通常分为5级:企业管理级、生产管理级、过程控制级、设备控制级和检测驱动级。前两级管理级涉及的高新技术主要是计算机技术、软件技术、网络技术和信息技术;过程控制级涉及的高新技术主要是智能控制技术和工程方法;设备控制级和检测驱动级涉及的高新技术主要是三电一体化技术、现场总线技术和新器件交流数字调速技术。工业自动化系统 5级结构如下:

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    也可将上述5级分层归纳为:企业管理决策系统层(ERP)、生产执行系统层(MES)、过程控制系统层(PCS)三层结构和计算机支撑系统(企业网络、数据库),并实现系统集成,从而实现企业的物流、资金流、信息流的集成,提高企业竞争力。企业管理决策系统层(ERP)、生产执行系统层(MES)必须建立在设备自动化和过程自动化基础上。企业管理决策系统层和过程控制系统层结构简介如下:

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    1、企业管理决策系统层(ERP)

    90年代以来,MPRII(制造资源计划)经过进一步地发展完善,形成了目前的企业资源计划ERP 系统。ERP除了包括和加强了MRPII各种功能外,更加面向全球市场,所管理的企业资源更多,支持混合式生产方式(分散生产与流程生产),管理覆盖面更宽,进入了企业供应链管理。从企业全局角度进行经营与生产计划,是制造业企业的综合的集成经营系统,也是集成化的企业管理软件系统。

    ERP面向市场,能够对市场快速响应,强调了供应商、制造商、与分销商间的新的伙伴关系。ERP强调企业流程与工作流,通过工作实现对企业的人员、财务、制造与分销间的集成,支持企业过程重组,支持后勤管理,使得企业的资金流、物流、信息流更加有机地结合,支持多种方式,即分散制造业与流程生产过程。此外,ERP系统还包括了金融投资管理、质量管理、运输管理、项目管理、法规与标准、过程控制(待链接)等,目的是通过ERP提高企业的经济效益。

    由于internet技术迅猛发展,改变了传统的管理和信息传递的单向制,又实现了实时与互动性。在网络经济中,管理需要考虑的问题更多。例如:如何管理和优化企业的外部资源,在全球经济环境中,建立业务网络,拓展企业新的业务增长点,如何在各个业务环节中,密切同客户的关系,在越来越复杂的供求关系中准确、及进地为了现有和潜在的客户提供“个性化”的产品和服务等。

    市场和客户需求决定了企业生产。企业必须更注意市场营销和客户服务、客户关系,其重点发生转移。销售、服务、经营等客户关系管理(CRM)成为的重点。企业战略管理(SEM)产品,客户关系管理(CRM)、供应链管理(SCM)都已是ERP的内容。支持电子商务,将是ERP软件进一步发展的必由之路。

    2、过程控制层(PCS)

    按费希尔·罗斯蒙特控管一体化的策略,过程管理能力的过程控制概念,即工厂网络。更明白地说,过程管理=过程控制+设备管理是开放式结构,是基于FF现场总线的工厂网络,“Web”概念就连接了设备系统和软件的网络。凡是FF现场总线产品的供应商的设备、系统和软件均可纳入过程控制概念结构里。这样,给最终用户带来了设备兼容的好处。

    工厂管控网结构的各个组成部分有机地联系在一起 ,提供了三个方面的主要功能,即过程控制,设备管理和业务管理和执行。

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    (1)过程控制

    过程控制系统不仅能有效和可靠地完成各种控制任务,覆盖常规DCS / PLC的所有功能以外,它还能实现“任意地点的控制”,即用户能够把控制功能下装到现场设备或系统中执行。

    任意地点的控制是工厂网络结构与FF现场总线技术相结合的产物。对于一些基本的控制回路来说,把控制功能下装到现场变送器或阀门中执行,既能加快回路信号响应,改善调节品质,又能减轻控制系统负担,使其完成较复杂的优化控制等任务,同时,增加了系统的分散度,提高了系统可靠性。

    (2)设备管理

    工厂网络另一项重要功能是AMS设备管理能力。AMS的主要功能是对过程中,运行的现场设备进行在线的监测和诊断。它不仅包括变送器、阀门、分析仪器和其它现场仪表,还包括一些旋转设备,如泵和电机

    经过管理软件的处理,HART或FF现场总线设备中的大量信息,如标定日期和步骤,组成材质、状态诊断等,能够被用来对设备进行组态和标定;自动存档;及时诊断和预测潜在的故障。所有这些任务都不需到环境恶劣或危险的现场,只需在控制室,维护车间或网络的任意节点上即可轻松完成。

    (3)集成的模块软件

    在工厂网络结构中,集成的模块软件把过程和设备自身的大量信息转化为有用的知识和判断--对运行和维护人员来说,不必陷入到繁杂的数据之中,而是得到直观、高效的分析,提示和判断。这一点在AMS设备管理软件中体现得优为明显,从而极大地提高工作效率。

    软件的模块化结构同时意味着用户可以根据需要灵活、方便地应用软件。而且这些软件都是基于Windows的,具有相同设备的外观和感受,减少了很多使用和掌握所需的时间和费用。

    (4)业务管理和执行

    对一个企业而言,仅仅具备过程控制和设备管理仍然是不够的,还必须对企业的各个环节,从定单处到生产计划及财务审查进行全方位的管理。这些都是业务管理的内容。

    在过程管理和业务管理的信息集成方面,通过遍及企业内部的工业标准数字通讯网络及OPC服务器,其网络结构涵盖了从设备层到工厂和业务系统的各个层次,包括过程的优化、维护管理、资源分配和其它企业管理任务。

    工厂网络运行着智能化、模块化软件,用户通过它可定义过程、设备和商业上的信息,包括了过程的测量,设备的运行和管理,即在系统运行状态下,对全厂的智能现场仪表和设备进行组态、监测、运行诊断和维护记录,从而能更平衡地操作,减少了停工维修的时间,也减少了施工、安装、维护和设备保养的支出。

   (5)智能化现场设备

    包括智能压力、温度、流量等及多参数变送器、智能分析仪,以及具有预测性维护和诊断能力的阀门等。

    工业控制系统是计算机技术与自动控制技术结合的产物,不仅是计算机的重要门类,而且是实现工业生产自动化,优质、高产、低耗,提高工业企业经济效益的重要技术手段。发展工控机对实现工业现代化、促进产业信息化和振兴经济有重要意义,调查工控机的市场对发展工控机和改造传统产业以及促进两个根本转变都有很大意义。

    四、工业自动化系统组成

    工业控制系统指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制的自动化技术工具(包括自动测量仪表、控制装置)的总称。工业自动化系统以构成的软、硬件可分类为:自动化设备、仪器仪表与测量设备、自动化软件、传动设备、计算机硬件、通信网络等。

    (1)自动化设备:包括可编程序控制器(PLC)、传感器、编码器、人机界面、开关、断路器、按钮、接触器、继电器等工业电器及设备;

    (2)仪器仪表与测量设备:包括压力仪器仪表、温度仪器仪表、流量仪器仪表、物位仪器仪表、阀门等设备;

    (3)自动化软件:包括计算机辅助设计与制造系统(CAD/CAM)、工业控制软件、网络应用软件、数据库软件、数据分析软件等;

    (4)传动设备:包括调速器、伺服系统、运动控制、电源系统、马达等;

    (5)计算机硬件:包括嵌入式计算机、工业计算机、工业控制计算机等;

    (6)通信网络:网络交换机、视频监视设备、通信连接器、网桥等。

    五、工业自动化系统产品种类

    工业自动化系统产品一般可分成下列几类:

   (1)可编程序控制器(PLC):按功能及规模可分为大型PLC(输入输出点数>1024),中型PLC(输入输出点数256~1024)及小型PLC(输入输出点数<256点)。

   (2)分布式控制系统(DCS):又称集散控制系统,按功能及规模亦可分为多级分层分布式控制系统、中小型分布式控制系统、两级分布式控制系统。

   (3)工业PC机:能适合工业恶劣环境的PC机,配有各种过程输入输出接口板组成工控机。近年又出现了PCI总线工控机。

   (4)嵌入式计算机及OEM产品,包括PID调节器及控制器

   (5)机电设备数控系统(CNC,FMS,CAM)

   (6)现场总线控制系统(FCS)

    六、工业自动化发展综述

    1983年工业控制计算机被列入国家计算机系列型谱及发展规划。1989年机电部受国务院电子振兴领导小组办公室委托,完成对全国工业控制计算机机型优选,共选出包括工业控制微机系统、但(多)回路调节器、可编程控制器和工业控制功能模块四个种类21个优选机型。1990年国家计委、机电部、化工部、建材局联合组织完成了首次全国工业炉窑控制系统的优选。共选出工业锅炉、水泥机立窑和小氮肥三种炉窑21套获奖的控制系统。目前我国工业控制计算机(包括工业控制计算机系统、分散型工业控制计算机系统、工业控制功能模块系列、自动测试系统和数控、程控五大系列)技术、产业和应用都有了很大的发展,我国工控机行业已经形成。

    我国工业自动化系统的发展道路,大多是在引进成套设备的同时,也相继引进了各种工控机系统,并开始自己设计控制系统和装置,然后进行消化吸收,进行二次开发和应用。也有一些厂家引进国外技术,与外商合作合资组装生产国外产品,并逐步实现国产化。

 
作者:章昌南 
 
 
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