工業自動化

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目錄

什麼是工業自動化[1]

  工業自動化是指將多台設備(或多個工序)組合成有機的聯合體,用各種控制裝置和執行機構進行控制,協調各台設備(或各工序)的動作,校正誤差,檢驗質量,使生產全過程按照人們的要求自動實現,並儘量減少人為的操作與干預。

工業自動化的內容[1]

  從生產過程的三大環節、八個主要過程看,目前工業自動化的主要內容如下:

  (1)設計過程

  在採用CAD(電腦輔助設計)技術之前,機械(或材料加工)工業的設計人員約占技術人員的10%~15%,設計工作50%~60%的工作量是製圖與其他一些重覆性勞動,且設計多憑經驗設計,工作量大,周期長,設計圖紙修改不便,設計的安全繫數通常較大。隨著電腦技術的廣泛採用,設計過程中可應用電腦輔助進行產品設計、性能分析、模擬試驗等,進一步的發展是將CAD技術與CAE(電腦輔助工程)技術和CAM(電腦輔助製造)技術等結合起來,實現CAD/CAE/CAM一體化,從而大大縮短了設計過程,提高了設計的準確性與可靠性,設計方案與圖樣的修改和保存也非常便利,設計過程的發展趨勢是設計自動化。

  (2)生產準備過程

  該過程包括:根據公司企業銷售和市場信息部門提出的產品訂貨訂單,考慮生產綱領、本廠設備及庫存情況;編製材料、刀具、元器件、專用設備等需用,採購、外協加工委托計劃;必要時,甚至包括專用生產基地廠房的建設等任務。在這些工作中相應地採用各種自動化技術與手段可提高效益,減少差錯。

  (3)工藝準備過程

  該過程包括:根據設計圖樣、技術裝備水平及產品批量等因素,選擇加工設備;確定加工工藝及技術要求;設計零件製造、產品裝配的工藝過程,編製材料明細表;確定工裝模具、量具等的設計製造,準備外協加工件的驗收方法及手段。在這些工作中,有些已經實現了相當程度的自動化,如工藝過程模擬及自動設計方面。

  (4)加工過程

  自動化的加工過程包括:從大批量生產中採用的各種高效專用機床、組合機床、自動化生產線,到多品種、小批量生產中採用的數控機床、組合機床,直至近年來採用的成組技術和柔性加工系統。各種類型的調節器、控制器,特別是電腦、微型機的大量應用,加快了加工過程自動化速度。

  (5)檢驗過程

  在自動化單機、自動線等的工作過程中,出於保證產品質量、提高精度和為操作者提供安全保護等目的,往往需要進行自動測試。各種感測器的出現,使原材料、毛坯、零部件等的性能、外形尺寸、特征,加工和裝配的工位狀況,設備工作狀況,材料、零件的傳送情況,產品性能等的檢測都成為可能。各種各樣的放大器、轉換器、傳送器顯示記錄裝置促進了自動檢測技術的發展,使得機械及材料加工工業的檢測技術,由過去的離線、被動、單參數、接觸式逐步轉向使用電腦的線上、主動、多參數、非接觸式快速檢測。

  (6)裝備過程

  裝配作業自動化包括零件供給、裝配作業、裝配成品、運送等方面的自動化。從裝配作業來看,方向是研製高生產率的數控裝配機、自動裝配線、裝配機器人;從整個生產過程來看,是如何將裝配作業與CAN、零件後處理和自動化立體倉庫相連接。

  (7)輔助生產過程

  該過程包括毛坯、原材料、工件、刀具、工夾具、廢料等的處理、搬運、抓取、中間存貯、檢修等,由於該過程的時間占生產時間的95%以上,費用占30%—40%,因此研製各種自動化物流裝置得到世界各國普遍重視。各種懸掛輸送、自動小車輸送、高架立體倉庫、機械手和工業機器人已廣泛應用於各個領域。

  (8)生產管理過程

  生產管理包括車間或工廠的各種原材料、工具、存貨的管理,生產調度,中長期規劃,生產作業計劃,產品訂貨與銷售,市場預測與分析,財務管理,工資計算,人事管理等。生產管理自動化就是利用電腦技術按照訂貨或任務要求,通過各個管理子系統及時、準確地處理大量數據,對器件、設備、人力、技術資料進行組織、協調,保證在規定的時間、人力和消耗限額(包括能源、資金、器材等)內完成生產任務。

  綜上所述,工業生產過程自動化所研究的內容主要有兩個方面:對上述各個過程,實現不同程度自動化時的各種方法和手段;對上述幾個過程或全部過程按照一定的目標和要求(如技術上先進、經濟上合理、具體所要求的生產率)聯繫起來,組成不同規模的自動線、自動化車間或自動化工廠。

  從另一種角度看,生產過程所進行的生產活動,實際上由物質流和信息流兩個主要部分組成。物質流是指物質的流動和處理,包括原材料、毛坯、工夾具、模具、半成品、成品、廢料、能源的流動、處理(加工)、變換。信息流指信息(包括加工指令、數據、反映生產過程各種狀態的資料等)的流動和處理。

  實現物質流動和處理的自動化必須有相應的自動化設備,如自動化單機、生產線、裝配線以及各種物料搬運系統;實現信息的流動和處理的自動化,則必須適時檢測、收集信息,然後利用電腦進行自動處理。

工業自動化的發展[2]

  20世紀50年代以前,是人工控制階段。當時的生產規模較小,測控儀錶是安裝在生產設備現場的氣動測量儀錶,功能簡單。操作人員只能通過對生產現場的巡視,瞭解生產過程,併在現場直接把被控對象的參數調整在預定值上。這時的儀錶信號不能傳送給別的儀錶或系統,儀錶處於封閉狀態,無法與外界溝通信息。這一階段的控制系統稱為氣動信號控制系統。

  20世紀50年代為模擬控制階段。隨著生產規模的擴大,整個生產過程需要對生產現場的多個點進行測控,自動控製成為必然,於是出現了現場儀錶與集中控制室。生產現場出現了氣動、電動單元組合式儀錶,將測量得到的0.02~0.1MPa氣壓信號、4~20mA直流電流信號、1~5V的直流電壓信號等模擬信號傳送到集中控制室。操作人員可以坐在控制室觀察生產流程各處的狀況。但是,模擬信號的傳遞比較困難,信號變化緩慢,抗干擾能力也較差,很難滿足生產過程對速度和精度的需要。

  20世紀60年代~70年代中期,工業控制系統開始進入集中式數字控制階段。它的發展經歷了直接數字控制、集中型電腦控制和分層電腦控制。由於模擬信號的諸多不足,在這一階段人們考慮用數字信號代替模擬信號,而且電腦也逐步進入工業控制系統。

  直接數字控制(DDC)技術主要是由一臺數字電腦替代一組模擬控制器,首先通過模數轉換器,實時採集生產過程被控參數的信息,電腦按照控制演算法運算後,其結果通過數模轉換器去控制執行器,構成一個閉環控制迴路。

  由於當時的電腦技術尚不發達,價格昂貴,人們又試圖用一臺電腦取代控制室的幾乎所有的儀錶盤,實現過程監視、數據收集、數據處理、數據存儲和報警等過程式控制制的全部功能,並能實現生產調度和工廠管理的部分功能,這就是集中型電腦控制系統。它雖然在信息的綜合、改變控制方案、實現最優控制以及改善人機介面等方面取得了重大進展,但也暴露了“集中”帶來的不足:脆弱性問題,一旦電腦出現某種故障,就會造成所用的控制迴路癱瘓、生產停產的嚴重局面,這種危險集中的系統結構很難被生產過程接受;電腦負荷問題,生產規模越來越大,測控點越來越多,電腦不堪重負;開發問題,由於控制水平的不斷提高,新的要求不斷提出,使得軟體也越來越複雜.越來越龐大,造成開發周期和費用不斷增加。

  集中型電腦控制系統的缺陷促使控制系統向功能分散化方向發展,於是出現了過程現場控制與集中顯示操作分離開來的分層電腦控制系統。各個控制迴路的模擬儀錶調節器互相獨立並由電腦來實現,當某一迴路出現故障時,不致影響其他迴路的正常工作,提高了系統的可靠性,同時現場控制電腦的信號也送入上一級電腦,由它顯示過程參數,並根據對象的數學模型進行最優化處理,計算最優操作條件,最後以最優工藝參數傳給下層電腦作為設定值。實際上,這時的工業控制系統已經具有了集散式控制系統的初步概念。

  20世紀70年代中期,工業控制系統進入集散型控制系統(DCS)階段。集散型控制系統是一個集中與分散相結合的系統,它吸收了分散儀錶控制系統和集中式電腦控制系統的優點,將當時的微處理器、電腦數字通信等技術應用到工業控制領域。從總體邏輯結構上講,集散型控制系統是一個分支型結構,它分為過程式控制制級、控制管理級和生產管理級,充分體現了管理的集中性和控制的分散性,它把控制功能分散到若幹台控制站,在監控操作站進行集中監視操作。

  集散型控制系統由集中管理部分、分散控制監測部分和通信部分組成。集中管理部分又可分為工程師站、操作站和管理電腦。工程師站主要用於組態和維護,操作站則用於監視和操作,管理電腦用於全系統的信息管理和優化控制。分散控制監測部分按功能可分為控制站、監測站和現場控制站,它們用於控制和監測。通信部分連接系統的各個部分,完成數據、指令及其他信息的傳遞。系統軟體是由實時多任務操作系統、資料庫管理系統、數據通信軟體、組態軟體和各種應用軟體組合而成。

  集散型控制系統具有通用性強,系統組態靈活,控制功能完善,數據處理方便,顯示操作集中,人機界面友好,安裝簡單、規範,調試方便和運行安全可靠等特點。它的控制範圍更寬,控制功能得到加強,能夠適應工業生產過程的各種需要,設備與信息的共用程度也進一步提高,促進了生產自動化水平和管理水平提高。DCS與前三個階段相比,發生了質的變化,可以說是一場革命。

  但在集散型控制系統中仍有許多不足。信息化問題,CIMS的發展要求對企業經營決策、經營管理、生產調度、過程優化、故障診斷及過程式控制制的信息進行綜合處理,迅速滿足市場的需要,而集散型控制系統僅能從過程式控制制站得到現場儀錶傳來的被測參數值,以及向它發出的調節信號,無法對現場儀錶進行診斷,影響了系統信息的完整性;數字化問題,在集散型控制系統中仍然有模擬測量儀錶,因而它是一種模擬數字混合系統;互換性與互操作問題,在DCS系統形成的過程中,由於受電腦系統早期存在的系統封閉這一缺陷的影響,各廠家的產品自成系統,軟硬體產品不能互換,而且通信協議也各不相同,不同廠家的設備不能互連在一起,難以實現互換與互操作,組成大範圍信息共用的網路系統存在很多困難,這也是集散型控制系統的最大不足。

  現場匯流排控制系統是20世紀80年代中後期隨著控制、電腦、通信以及模塊化集成等技術發展出現的工業控制系統,代表工業自動化控制發展的最新階段。現場匯流排的概念是1982年首先在歐洲提出的。隨後,北美與南美也都投入巨大的人力、物力開展研究工作。到現在為止,比較流行的現場匯流排已有40多種。現場匯流排控制系統的全分佈、全數字、全開放特性解決了集散型控制系統中存在的不足。在此值得一提的是作為從DCS向FCS過渡過程中出現的HART(Highway Addressable Remote Transducer)協議,它在現有模擬信號傳輸線上載入一個數字信號,使模擬信號與數字信號雙向通信同時進行,互不幹擾。從長遠的發展來看,作為過渡產品的HART不會有很大的作為。

  現場匯流排控制系統把集散型控制系統中的集中與分散相結合的概念變成了新型的全分散式測控系統。作為工廠數字通信網路的基礎,現場匯流排控制系統溝通了生產過程現場控制設備之間及其與更高控制管理層之間的聯繫:它向下深入到現場的每一臺儀錶、執行機構,把控制功能徹底下放到現場,依靠現場智能設備本身便可實現基本控制功能;向上連接到生產管理、企業經營的方方面面,為企業提供全面的解決方案。目前,現場匯流排將原來主要用於過程式控制制的工業控制自動化推廣到製造自動化、樓宇自動化等領域,成為新的現場智能設備互連通信網路。

  在現場匯流排控制系統中,4~20mA模擬信號儀錶將被符合現場匯流排標準的雙向通信全數字智能儀錶所代替,實現傳輸信號數字化,使模擬和數字混合控制系統最終轉變為全數字控制系統。

  現場匯流排控制系統的開放性解決了數字系統的兼容性問題,協議的完全開放導致不同生產商的產品之間可以互換和互操作。它不但給生產商和用戶帶來極大的方便,而且突破了集散型控制系統中由專用網路的封閉系統所造成的缺陷,把封閉、專用的解決方案變成了公開、標準化的解決方案。

  從上面的簡單回顧中,可以看到控制的效果、控制的花費和最終的收益一直是工業控制系統發展的衡量標準。從人工控制系統到集中式控制系統、從集中式控制系統到集散型控制系統,再到現在的現場匯流排控制系統,都是在逐步實現更好的控制、更小的花費和更大的收益。如果仔細分析一下工業控制系統發展的整個過程,不難看出它的發展具有以下特點:

  (1)電腦技術在工業控制系統中起到越來越重要的作用

  在集中式數字控制階段以前,電腦並沒有真正進入控制過程,電腦安裝在專用的機房中,與過程裝置之間沒有任何物理上的連接,只是用來“離線”計算控制器的設定值和執行器的位置值,即使後來在電腦中能夠加入一些管理信息,但電腦體積大,速度慢,價格昂貴而且不可靠,不能直接參与過程式控制制,充其量不過是一個離線數據分析的工具。

  從集中式數字控制開始,電腦開始進入過程式控制制。在電腦上設計了專門的介面,與現場裝置直接連接,電腦配上變送器、執行器和信號連接裝置就完全可以實現過程的檢測、監視以及對過程的控制了。最初,電腦只用於關鍵現場裝置的單迴路控制,在直接數字控制階段,一臺電腦替代一組模擬控制器;到了集中型電腦控制階段,一臺電腦已經滿足小型工業控制系統的全面需要。分層電腦控制系統是適應較大規模的工業控制需要,將電腦分層、模塊化的思想引入工業控制系統;到集散型電腦控制階段,模塊化、對象化的概念已經深入工業控制系統,集散型控制系統的工程師站、操作站和管理工作站都是具有自主特點的功能模塊。組態軟體的出現,更為工業控制系統的總體設計提供了方便。現場匯流排控制系統的出現是與電腦網路技術的發展密不可分的。實際上,現場匯流排控制就是電腦網路技術在工業控制領域的最新應用,所以又稱現場匯流排是工業控制的底層網路。另外,如果分析一下每一種現場匯流排的技術資料,就不難發現它們都是在國際標準組織的開放系統互操作網路模型基礎上加上一些特殊的規定形成自己的標準。圖1顯示了工業控制系統發展的這一特點。
Image:工业控制系统的发展体现的特点.jpg

  (2)信息的集成度越來越高

  隨著工業規模的擴大,人們對控制系統的信息要求不斷提高,工業控制系統的信息集成程度也就越來越高。在人工控制階段,談不上信息的集成;模擬控制階段,雖然出現了集中控制室,模擬信號的“先天”不足決定了系統的信息集成無法滿足信息量、速度和精度等方面的要求;集中式數字控制階段,信息的集成程度進一步提高,不但能把一組儀錶的信息集成到一起,對於有些小系統甚至能把整個系統的測控信息集成到一起,為信息的綜合、改變控制方案、實現最優控制提供了有效的途徑,不過,這時的信息還只能是測控信息,與管理有關的信息很少;集散式控制系統實現了測控、管理信息的集成,但集成的程度仍然有限,沒能實現通信的全數字化,影響了信息的交換;基於網路的現場匯流排控制系統為信息的進一步集成提供了有效的技術保證,現場匯流排作為紐帶,將掛接在匯流排上的網路節點組成自動化系統,各現場智能設備分別作為一個網路節點,通過現場匯流排實現各節點之間、現場節點與過程式控制制管理層之間的信息傳遞與溝通,並實現各種複雜的綜合自動化功能。

  (3)控制功能越來越“接近”現場

  這裡所提及的“接近”主要是指系統內部層次上的接近,在此只以PID功能的逐步下放過程說明這一問題。圖2說明瞭這一過程,在集中式數字控制階段或者說直接數字控制階段,PID控制功能是集成在控制電腦內;到了集散式數字控制系統。PID控制功能下放到分散的現場控制站;到了現場匯流排控制系統,PID控制功能則徹底分散到現場控制儀錶中去了。
Image:PID功能越来越接近现场.jpg

  (4)現場儀錶的測控能力越來越強

  現場儀錶從最初的氣動儀錶,到後來的模擬儀錶,到集散型控制系統中的數字模擬混合儀錶,直到現場匯流排控制系統中的全數字智能儀錶,不但取得了從模擬信號到數字信號的進步,現場儀錶的性能也大大改善。圖3是測控儀錶能力示意圖,圖中對能力的描述在數值上並不精確,不過是一種示意性的表達。
Image:各阶段测控仪表能力示意图.jpg

  圖中表明瞭現場儀錶從實現單點、單控制迴路的測控功能開始,逐步發展到按裝置和過程來劃分的多迴路、多變數集中監控,一直到現場匯流排儀錶智能化過程。現場匯流排儀錶智能化是微處理器植入現場測控儀錶的結果,設備具有數值計算和數字通信能力,一方面提高了信號的測量、控制和傳輸精度,另一方面豐富了控制信息,併為實現其遠程傳送創造了條件;還可提供傳統儀錶所不能提供的如閥門開關動作次數、故障診斷等信息,便於操作管理人員更好、更深入地瞭解生產現場和自控設備的運行狀態,使現場匯流排控制系統成為分散式、可靠及信息完整的控管系統。

  另外,工業控制系統還有操作人員越來越遠離現場,系統的實時性和可靠性越來越強,精度越來越高。

工業自動化市場[3]

  工業自動化市場主要分為三大領域或技術:一是邏輯/分立技術主要用於製造工廠如汽車、包裝、或材料運送;二是過程/批次/連續主要用於流體處理工廠如發電廠、化學或石油加工;三是運動(motion)一無處不在,尤其是機械加工。

  其中,工業自動化的九個產品類別是:

  1.主控制器-PLC、CNC、工業PC、DCS等;

  2.驅動器/電機;

  3.感測器-流量表、反饋、限位開關;

  4.激勵器-閥、泵、螺線管、加熱器等;

  5.通信-乙太網、Fieldbus、DeviceNet等;

  6.面板組件-啟動器、熔絲等;

  7.人機介面HMI/MMI;

  8.軟體-軟邏輯、軟CNC等;

  9.企業軟體-SCADA、MES、MRP等。

參考文獻

  1. 1.0 1.1 樊自田主編.第一章 緒論 材料成形裝備及自動化.機械工業出版社,2006年8月.
  2. 夏繼強,邢春香編著.第1章 電腦網路與現場匯流排概述現場匯流排工業控制網路技術.北京航空航天大學出版社,2005年05月第1版.
  3. 李鴻鈞.F-RAM在工業自動化系統中的應用[J].中國電子商情(基礎電子),2010,(第11期).
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