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企业集成环境下的车间先进管理与控制系统,陆宝春 博士2003年2月,南京理工大学机械工程学院,企业集成环境下的车间先进管理与控制系统,1 概述2 车间管理与控制系统的发展2.1 传统车间管理与控制系统的结构2.2 传统递阶控制结构的弱点2.3 传统控制系统及其主要存在问题2.4 新一代车间管理与控制系统,南京理工大学机械工程学院,3 基于现场总线的全分散式控制系统3.1 现场总线的定义及特点3.2 目前国际流行的现场总线3.3 现场总线系统的体系结构3.4 现场总线控制系统应用实例4 企业集成环境下的车间先进管理与控制系统（AMCS）4.1 AMCS体系结构4.2 基于AMCS的敏捷制造系统的总体结构5 结论,南京理工大学机械工程学院,1.概 述,知识经济 以知识为基础 未来经济发展的主要推动力 以信息技术为主要竞争资源,南京理工大学机械工程学院,促使制造系统的变革,制造系统的五个转变 以技术为中心以人为中心 金字塔式结构扁平化网络结构 顺序工作方式并行工作方式 功能部门组织形式柔性工作小组 质量竞争策略反应竞争策略,南京理工大学机械工程学院,敏捷制造 新一代制造理念 企业集成 集成化、网络化、智能化,南京理工大学机械工程学院,实施敏捷的车间管理与控制,2.车间管理与控制系统的发展,2.1 传统车间管理与控制系统的结构2.2 传统递阶控制结构的弱点2.3 传统控制系统及其主要存在问题2.4 新一代车间管理与控制系统,南京理工大学机械工程学院,2.1 传统车间管理与控制系统的结构,分散 集中 递阶,南京理工大学机械工程学院,传统的分散结构,产品简单 生产规模小 单机自动化 缺乏协调 系统不稳定,南京理工大学机械工程学院,集中控制结构,产品复杂度提高 生产规模扩大 机组自动化 控制集中 风险集中,南京理工大学机械工程学院,递阶控制结构,生产规模进一步扩大 幅度控制原则 综合自动化 分散控制 集中管理,南京理工大学机械工程学院,2.2 传统递阶控制结构的弱点,高度结构化信息反馈慢 系统结构刚性灵活性和开放性不足 功能分解任务整体绩效低 理性静态化组织缺乏创新和响应能力,南京理工大学机械工程学院,关键问题:以复杂的组织去对付复杂的问题,2.3 传统控制系统及其主要存在问题,仪表控制系统 PLC控制系统 集散控制系统DCS 工业PC控制系统,南京理工大学机械工程学院,仪表控制系统,单机控制 集中控制能力差 一对一结构 可靠性差 失控状态 互换性差,南京理工大学机械工程学院,PLC和DCS,南京理工大学机械工程学院,三层复杂结构 开放性差 半数字化通信 半分散控制 连线复杂成本高 可靠性差 失控状态 互操作性差,工业PC控制系统,南京理工大学机械工程学院,标准化通用化软硬件平台 系统开放性集成性较好,优点：,系统结构仍较复杂 并没有改变DCS固有弱点 抗干扰能力及可靠性需进一步提高,缺点：,传统管理与控制系统无法从根本上适应工厂自动化走向管控一体化的需求,新一代的管理与控制系统成为历史发展的必然,南京理工大学机械工程学院,综观控制系统的发展,专用处理器 通用处理器主从式结构 分散对等式系统独立的计算机 网络封闭式,专利的开发式,可互操作的,南京理工大学机械工程学院,传统控制系统,新一代控制系统,2.3 新一代车间管理与控制系统,南京理工大学机械工程学院,要求能够克服DCS封闭性 要求能够满足CIMS信息集成的需求 要求能够实现点级控制与维护 要求建立一种扁平化的系统结构,现场总线控制系统成为目前的最佳选择,3 基于现场总线的全分散控制系统,3.1 现场总线的定义及特点3.2 目前国际流行的现场总线3.3 现场总线控制系统的体系结构3.4 现场总线控制系统应用实例,南京理工大学机械工程学院,3.1 现场总线的定义及特点,定义:现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式，双向传输，多分支结构的通讯网络.,现场总线控制系统 称为第五代控制系统,南京理工大学机械工程学院,特点,系统的开放性 互可操作性和互用性 现场设备智能化和功能自治性 系统结构的高度分散性 对现场环境的适应性 系统结构的高度分散性,南京理工大学机械工程学院,优点,一对N结构 可靠性高 可控状态 互换性 互操作性 综合功能 分散控制 统一组态 开放式系统,南京理工大学机械工程学院,鉴于上述特性现场总线具有传统系统无法比拟的优势,节省硬件数量和投资 节省安装费用 节省维护开销 用户具有高度的集成主动权 提高了系统的准确性和可靠性,南京理工大学机械工程学院,3.2 目前国际流行的现场总线,HART CAN LONWORKS PROFIBUS FF,南京理工大学机械工程学院,3.3 现场总线控制系统的体系结构,两层结构 现场控制层 车间管理层 管理网与控制网的结合,南京理工大学机械工程学院,控制网络的定义,通讯时遵循统一的 通讯协议.,智能的 设备或节点,9,Stub,南京理工大学机械工程学院,控制网络使用更少的接线,降低系统安装的成本,减少接线和硬件,提高工作效率工作成本取决于芯片及软件,而不是 铜线和劳动力,南京理工大学机械工程学院,通过互操作性实现,最终用户-自由选择生产商系统集成商/承包商-简化了集成设计工程师-简化了设计说明,统一的通讯协议,12,控制网络使集成更加简便,南京理工大学机械工程学院,控制网络和国际互联网,高速公路=Internet(TCP/IP 协议),辅路=Infranet(LonTalk 协议),主干道=Intranet(以太网协议),公用数据库 趋势分析 财政分析,直方图 数据线报告 历史事件 跟踪,温度 压力 状态 开/关,信息高速公路上的主通道和分支,南京理工大学机械工程学院,Infranet,在世界上任意的地点访问任意一个节点,一个测量点,一个数据,服务器,Infranet,总部,工厂,传感器和执行器,远程访问,其他客户,南京理工大学机械工程学院,控制网络的组成 传感器,执行器,路由器,用户接口,网关,南京理工大学机械工程学院,3.4 现场总线控制系统应用实例,中美合资安庆安菱化学有限公司Smar现场总线系统LonWorks总线系统的应用工业自动化家庭自动化楼宇自动化LonPoint控制网络的应用,南京理工大学机械工程学院,中美合资安庆安菱化学有限公司Smar现场总线系统,南京理工大学机械工程学院,LONWORKS 在工业自动化领域的应用,南京理工大学机械工程学院,典型的过程控制系统这里的每一级设备都是大家熟知的,南京理工大学机械工程学院,传统的控制网络 传统的观点,南京理工大学机械工程学院,LonWorks在控制网络中的优势,南京理工大学机械工程学院,上海三维制药厂LonWorks总线系统,南京理工大学机械工程学院,在家庭自动化和公共设施领域的应用,南京理工大学制造工程学院,LONWORKS 网络在家庭控制中的优势,对即插即用的互操作性的支持对用户自行安装的支持非常可靠的电力线通信对不同用户的接口和控制器的支持已广泛地被公共设施领域接受很容易被集成到主要家用接口设备中PC网络计算机电力接口设备箱 电话有线调制解调器,南京理工大学机械工程学院,LONWORKS 是动力,LONWORKS 已经在75,000 个家庭中使用(预计将达到超过5百万个家庭)超过 25 种公共设施应用了 LONWORKS 网络超过 100 家开发商开发了家庭/公共设施领域的应用产品LONWORKS 网络正被接受为家庭/公共设施的标准,南京理工大学机械工程学院,LONWORKS控制网络技术 在楼宇自动化领域的应用,南京理工大学机械工程学院,LONWORKS Networks 标准在智能大厦,智能建筑的新概念业主住户设计师,南京理工大学机械工程学院,LONWORKS Networks 标准在智能大厦,智能建筑的实现 智能控制网络技术LONWORKS Networks 神经元处理器芯片同时具有智能控制和网络通讯的功能多种介质收发器使信息传输媒体不受限制总线和自由拓扑网络结构形式,对等式网络通讯取替点对点控制方式,节省布线提高智能开放式ISO七层通讯协议实现多家供应商产品的互操作性打破生产厂商的垄断,将不同厂家的子系统无缝隙地集成为一个智能控制网络系统LONWORKS Networks 能在一个网络通讯中进行工业自动化控制和建筑环境的智能控制LONWORKS 提供 Infranet 与 Intranet 和 Internet 相联实现远程监控,南京理工大学机械工程学院,LonPoint控制网络的应用,南京理工大学机械工程学院,Any Point Any Time Any Where,过去,控制系统是集中式和封闭式的,单一厂商供应被单一供应商封锁运作费用高服务、系统的增加、改动和变化 都受到限制安装费用高大量的线和人工劳动每个子系统都需要重复的部分-用于子系统间无法交换信息系统改动的费用很高大量的用户编程工作每个子系统需要逐个修改,南京理工大学机械工程学院,最终用户需要的是具有互操作性的、开放式的解决方案,减少专用的、封闭的设备，中央 控制器和PLC开发平面的结构以减少复杂的布 线、编程和维护从众多厂商中选择有互操作性的 部件减少维护费用,南京理工大学机械工程学院,今天，最终用户需要开放式的控制系统,供应商今天他们希望从大量的设备供应商中去选择具有所有产品一起工作的能力日后还有自由去选择其它公司的产品服务提供者他们希望系统是开放的，并且有许多服务提供者相互竞争老的和新的他们希望能够利用现有的传感器和执行器来修改系统并保持其开 放系统的灵活性系统必须能够根据新的需要升级和改动,南京理工大学机械工程学院,对于最终用户的价值,LonPoint系统减少了高昂的运作费用和封闭、专用系统 所带来的选择限制最终用户可以从众多的传感器和执行器供应商，集成商和服务提供者中选择结果是-更多的选择和更少的费用LonPoint系统采用平面的、分布式的结构，减少了布线 费用，同时可以使子系统可以共享信息系统减少了布线工作量，允许设备具有互操作性，减少了功能重复的设备结果是-减少了安装和维护的费用,南京理工大学机械工程学院,对于最终用户的价值,LonPoint 系统改动和维护的费用很低系统设置使用CAD式的工具-不需用户编程,并可通过电话线或Internet对系统进行修改结果是-对服务和支持有更多的选择LonPoint 系统是一整套的解决方案LonMaker for Windows集成工具LonPoint 接口，路由器和时序模块PC机和调制解调器接口LONMARK 标准传感器和执行器结果是-降低每个应用的费用，从简单的到复杂的,南京理工大学机械工程学院,这就是为什么最终用户转向LonPoint系统LonPoint 系统提供了解决封闭和等级问题的控制网络,南京理工大学机械工程学院,LonPoint 系统可以远程监测,多个LonPoint 系统能够连成一个广域网，从而进行远程监测、控制、维护和诊断,南京理工大学机械工程学院,LonPoint 空气处理系统应用实力在麦迪逊(Madison)大街实现互操作性,麦迪逊大街590 号，纽约市股东，业主 Edward J.Minskoff 承包商/集成商 TEC Systems-,南京理工大学机械工程学院,机械设备,20,000 cu.Ft/min 空气处理器,南京理工大学机械工程学院,LonPoint AI-10&DI-10 模块,新的 LonPoint 系统以分布式结构减少了布线,南京理工大学机械工程学院,与特殊I/O的接口,AO-10 模块与相控模块接口来控制加热制冷阀LonPoint 接线盒左相控模块右,南京理工大学机械工程学院,明显地节省电缆,运行原有传感器和执行器所需的电缆(橙色/灰色)使用单根双绞线连接传感器和执行器(紫色)附加24Vac 电源线(黑色),南京理工大学机械工程学院,LonPoint 系统对于最终用户来说具有极大的价值优势,减少了对单一产品和支持的依赖性减少安装和维护费用 平面结构提供高可靠性并可为将来扩展留出空间 互操作性减少了系统的复杂性，扩大了兼容产品的选择 将控制放在你的手上,南京理工大学机械工程学院,4 企业集成环境下的车间先进管理与控制系统,4.1 AMCS体系结构4.2 基于AMCS的敏捷制造系统的总体结构,南京理工大学机械工程学院,目前车间管理与控制系统存在问题,企业上下信息集成的困难 通用性不足 动态和实时性不够 与工艺和质量等信息集成的困难,南京理工大学制造工程学院,AMCS提供了一种全面的解决方案,4.1 AMCS体系结构,南京理工大学机械工程学院,AMCS组成,制造过程建模工具 执行功能分系统 控制功能分系统,南京理工大学机械工程学院,4.2 基于AMCS的敏捷制造系统的总体结构,南京理工大学机械工程学院,5 总结,集成化、网络化、数字化、虚拟化以及智能化已成为信息时代、知识经济时代的先进制造系统的最主要内容；信息技术是知识经济社会中最重要的资源和竞争要素，对信息有效的挖掘、采集、存储、变换、传递、处理和广泛利用是知识经济社会的驱动力；,南京理工大学机械工程学院,企业为更好挖掘和利用信息，必须实现企业内与企业间集成；制造车间不仅是制造计划的具体执行者，也是制造信息的反馈者，更是大量制造实时信息的集散地，对车间内部制造过程的集成是企业集成的基础和关键环节；,5 总结,南京理工大学机械工程学院,5 总结,企业集成环境下车间管理与控制系统具有以下特点：从传统的多层递阶控制转变为扁平化、全分散式的控制；是集管理、控制、优化于一体的系统；底层设备控制的高度自治、分散和互操作；开放式的互联网络和全数字化的信息传输；,南京理工大学机械工程学院,5 总结,FCS相比与传统的DCS、PLC等构成的控制系统，有以下优点：以开放的、网络化的、灵活的控制系统代替了过去封闭的、集中式的控制系统；FCS废弃了DCS的输入输出单元和控制站，实现了底层彻底的分散控制；从最底层的传感器和执行器直至最高层均为通信网络互联，实现了全数字化通信；现场设备互操作性：不同厂家的现场设备既可以互联也可互换，并可以统一组态，彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性；技术和标准全开放：无专利许可要求，可供任何人使用，从总线标准、产品检验到信息发布全是公开的，面向世界任何一个制造商和用户；系统实施的成本大大节约，平均下降40%（导线82%，螺钉63%，接口板50%，安全栅50%，以及材料费、工时安装费等）。,南京理工大学机械工程学院,