自動化技術迎接智能制造的挑戰

《系統、控制技術的新發展》系列學術第六次活動

　　自動化技術迎接智能制造的挑戰，自動化產業為智能制造更好服務

　　會議紀要

　　一、概況

　　制造業，特別是裝備制造業是為國民經濟各行業提供技術裝備的戰略性產業，是各行業產業升級、技術進步的重要保障和國家綜合實力的集中體現。世界技術進步與經濟發展表明：發展智能制造是提升制造業效能，促進經濟發展的大趨勢。

　　為了配合十二五規劃發展先進制造業的部署，中國自動化學會儀表與裝置專業委員會于2011年6月16日在上海浦東新國際博覽中心召開第十五屆國際工業自動化與控制技術展覽會期間，舉辦了“系統、控制技術的新發展”系列學術第六次活動，以“自動化技術迎接智能制造的挑戰，自動化產業為智能制造更好服務”為主題的學術會議，吸引200余人參會。

　　南京菲尼克斯電氣有限公司、西門子(中國)有限公司、上海恩德斯豪斯自動化有限公司、CC-Link協會、德國倍福自動化有限公司、上海工業自動化儀表研究院的7位專家作了精彩的大會報告。中國自動化學會理事、儀表與裝置專業委員會常務委員彭瑜教授與中國自動化學會常務理事、儀表與裝置專業委員會常務委員任德祥教授分別主持上下午的大會報告。參會人士普遍反映：這次學術交流會的主題具有前沿性，專家報告分析精辟，技術先進，對于大家拓寬視野、引導和推動我國自動化行業的發展有重要意義。

　　二、大會報告

　　首先，由南京菲尼克斯電氣有限公司杜品圣博士作“自動化實現未來，自動化成就‘十二五’”的報告，他深刻地論述了三個方面：

　　①自動化發展的黃金時間已到：經過2009年世界經濟危機之后，自動化技術已成為經濟形勢全面復興的驅動力。以德國為例，從2010年11月德國紐倫保自動化展得知，德國主要工業自動化技術的提供商和制造商在2010年都取得了驚人的業績，如PhoenixContact、B&R、Turck、Lenze、Weidmüller、Beckhoff等公司銷售收入增長率達30%～50%，而當年德國經濟的增長率為3%，為什么自動化公司會如此迅速增長呢？主要是由于新經濟體國家特別是中國經濟的迅猛發展，新市場、新能源戰略領域的不斷拓展和推動，以及德國十年(2010～2020年)自動化計劃的貫徹執行。這表明自動化技術是開拓新領域、新市場的開路先鋒，世界經濟的規律需要自動化技術的發展。

　　②德國十年自動化計劃：德國對于2020年自動化技術的定義，包含的技術為電子電氣技術、機電一體化技術、生產工藝流程、計算機和IT技術、傳感器和變送器、驅動和執行系統、通信技術、以及上述的綜合技術等。德國高新技術策略將自動化應用技術和應用領域有機地結合，提出了八大方向：新能源，能效，醫療技術，智能化樓宇，數字媒體，公共安全，交通運輸及物流，汽車電子。德國十年自動化發展計劃對德國政府提出了要求，即自動化技術發展的十大必要條件，主要內容為：自動化技術對于經濟和技術發展的重要性必須在政界、教育和社會上得到高度重視；自動化技術必須得到廣泛的宣傳；當今通過自動化技術發展而達到的成果和經驗須在未來得到持續的保證；對于國際領先的德國自動化技術應提供有力的投入；以自動化技術為主導的科技中心必須占領自動化技術的卓越的領先地位；必須加強自動化領域標準化工作；要加強自動化領域的技術交流與合作；對未來自動化技術開發及其不同領域所期望的解決方法有明確的路徑和方案；自動化需要特殊的人才，包括領軍人物、科研人員、工程師，技術員和熟練工人；高度重視對于自動化領域的接班人的培養，必須從中學開始使得學生熱愛技術工作，特別是培養熱愛自動化行業。

　?、圩詣踊a品的制造商如何面臨世界經濟與技術的挑戰。例如中國的“十二五”計劃重點提出的7個發展新方向為能源、水、環境，人口和健康，城鎮化和城市發展，信息處理，公共安全，城市發展和交通運輸。對對自動化提出了新要求，為此作為自動化技術和應用的主力軍——自動化產品的制造商，應按照“十二五”計劃發展自己的產品市場，管理、研發及戰略規劃。須進行組織機構的全盤整頓和調整；建立面向系統解決方案的研究開發、生產、市場的體系；建立以技術為導向的發展模式。例如，德國某家自動化產品制造商，按自動化發展方向，把企業結構以工業、能源、醫療衛生三個應用領域為中心作了調整。菲尼克斯集團公司也將以產品為導向的事業部機構轉化為市場為導向系統解決方案的業務模式結構，建立“六新”(新市場、新技術、新產品、新應用、新方法、新體制)戰略部，菲尼克斯中國公司成立投資有限公司，整合全球資源；建立行業自動化系統方案部，打造具有全球勝任力的自主創新型的產品研發管理隊伍，真正構建面向中國市場的新產品開發、生產、管理的產業鏈。

　　西門子(中國)有限公司廖妍女士闡述“工程技術跨入新時代——TIA博途”。她介紹；TIA博途(TotallyIntegratedAutomationPortal)是西門子于2010年11月推出的新一代工程軟件統一平臺，它解決了以往單獨的軟件包在數據一致性和用戶界面集成方面的許多局限性(如數據不一致、界面不統一等)。通過對所有的自動化任務(如配置、通信、診斷等)采用統一的操作理念、數據與項目的一致性、強化的庫概念，使其成為HMI、Metwork、PLC、Drives、Safety?iagnosis都可共享的工程平臺，它是后臺的公共軟件平臺，因此不作為一個產品出售，用戶只需購買SIMATICSTEP7V11和SIMATICWinCCV11兩個軟件產品即可體驗TIA博途的功能，這個新一代工程軟件平臺支持西門子現有的硬件與軟件，由于其高可用性、協同工作與開放性，也是西門子未來軟硬件創新的基石。

　　TIA博途的性能有3大亮點：

　?、僦庇^全新集成了面向任務的智能化編輯界面和開發環境，使得用戶學習和使用的過程中變得更加容易。如Portalview使新用戶可快速入門；有面向任務的全新導航界面；具有統一布局的各類型編輯器；過程可視化，使SCADA以簡馭繁，最復雜的組態也變得簡單；在STEP7中可無縫集成故障安全型功能等。

　?、诟咝⑺械墓こ倘蝿?，從PLC到人機界面均在統一的開發框架下完成，從而可有效地節約工程開發時間和成本。如清晰的硬件和網絡拓撲組態布局；數據自動化一致性及匹配功能，保證工程質量；快速靈活的高效編程；控制器與HMI的完美交互；完善庫概念，可節約成本、積累經驗；可隨時訪問當前系統運行狀態，包括自動進行系統診斷，能比以往更簡單的方式顯示診斷信息。

　?、劭煽考纯芍貜褪褂靡延械墓こ添椖?，又可在集成全新軟件產品的平臺上創建新的項目，從而保證了項目投資；有可靠的密碼保護功能，如針對單個或多個模塊的密碼保護，針對項目庫的密碼保護，對畫面也會進行保護等?？傊?，今后西門子大量的創新自動化產品將TIA博途這一軟件平臺推出，不斷有效地改善企業的生產效率。

　　上海恩德斯豪斯自動化設備有限公司劉寬先生介紹“基于FDT技術的設備管理及應用”。他說：FDT(FieldDeviceTool)是針對工廠設備資產進行管理的技術，世界上許多知名的廠商如西門子、橫河、EH，包括中國的浙大中控制、上海自儀等公司都支持這種技術。FDT是工廠應用不同廠商不同設備的整合平臺，在當今的工廠中控室里，(以前FDT只用于DCS，現在已可用于PLC)，通過這個統一平臺，不僅可以看到儀表的測量值，也可觀察有關儀表的問題，建立設備文檔管理等，這樣，即使人員多批次調動，當需要更換設備時，仍可及時調出文檔進行核查；當操作系統崩潰時，也可查找有關設備運行信息，如設備操作活動日志等。依據工廠生命周期概念，基于FDT技術的設備管理內容如：儀表管理從工廠設計選型開始；啟動階段設備管理，如儀表選型計算，儀表采購，訂單跟蹤，儀表安裝，儀表調試等；運營階段設備管理，如儀表診斷，預維護，更換與備品備件等。一般來說，工廠啟動階段設備出現的問題概率在68%，而在運營階段為14%。啟動階段典型的總是如設計不足，制造質量不佳，錯誤安裝，錯誤開車，錯誤操作，過多不必要維護，過多無效維護，以及因人員素質低等。

　FDT架構包括3部分：

　　①框架應用程序，即操作系統(可應用于DCS、PLC、工程工具等)，它類似于電腦軟件，提供的功能有一般環境，網絡配置，導航，設備管理，資料庫存儲。

　?、贔DT接口，即集成標準。

　?、墼O備類型管理器(DTM)，DTM是實際設備的驅動程序，由設備生產商提供，需要安裝在PC上，可以在任意的框架應用程序中使用，它提供圖形化的用戶界面，允許獲得所有設備參數。DTM有兩種類型，一是通信DTM，它是通信設備的驅動程序，例如PC中的通信網卡、分接器、網關、連接設備等；二是設備DTM，它是現場設備的驅動程序，現場設備如記錄儀、閥門、傳感器、電動機和泵等。目前市場上有超過2000款設備的DTM和15種FDT框架應用程序。為了保證質量，眾多不同的供應商所提供的DTM和框架應用程序之間經常進行互操作性項目合作，建立了DTM認證流程，最近以建立了框架認證流程。已認證的DTM列表可通過FDT官網獲取。

　　CC-Link協會龔明先生敘述“基于以太網的整合網絡CC-LinkIE鋪就智能制造之路”。他說：當前準備制造正在不斷向智能化系統方向發展，其發展特征是技術和融合化；產品的高技術化、綠色化，即產品的高附加值化、智能化和系統化；系統管理集成化(包括系統、軟件、技術和接口集成)和網絡化。其中，因現代制造業面臨重重挑戰，智能化工廠對網絡需求不斷提高；網絡技術正在加速裝備制造業全球化的進程，并正在改變其生產和流通方式；智能化網絡已成為現代制造業的發展趨勢。根據智能化制造的需求，用戶需要開放靈活的網絡，以便于從眾多廠商選擇多樣的產品，不被單一廠家的變化所左右；通過多廠家產品的構成，可降低成本，并可保證當今和未來的投資。CC-Link整合網絡的應用，能解決制造業的諸多挑戰，如設備運轉率提高，品質損耗減少，生產性能提高，加工時間、開發周期、制造周期縮短等。2006年產生CC-Link，2007年推出CC-LinkIE控制器網絡，2009年研發了CC-LinkIE現場網絡，CC-LinkIE能滿足智能制造的上述需求。其中：

　　①CC-LinkIE控制器網絡技術規格基本通信功能有網絡型共享內存通信(循環通信，用于實時通信)和報文通信(瞬時通信，用于非實時通信)；通信速度與拓撲為1Gb/s、以太網標準、環路；為保證高可靠數據傳送功能，采用令牌方式；網絡型共享內存容量，最大為256kB；通信介質，采用IEEE802.3z多模光纖(GI)；每層網絡的總連接站數為120臺；使用多模光纖時，站間距離最長為550m，總延長距離最長為66000m。

　?、贑C-LinkIE現場網絡技術規格以太網規格，基于IEEE802.3ab(1000BASE-T)；通信速度1Gb/s；通信介質為屏蔽雙絞電纜(5e類)；通信控制方式，采用令牌通信方式；網絡拓撲可線型、星型、環型；主站和從站合計最大連接站數254臺；最大站間距離100m。利用CC-LinkIE可構建小、中、大規模和智能制造系統，目前已用于許多領域，由于實時性能很好，在煤礦、采礦等領域也得到很好應用。今后計劃：CC-LinkIE現場網絡的一致性測試規范將更完善；進一步完善用于聯網的元器件應對安全網絡；不久將發布CC-LinkIE運動控制網絡規范。未來對應的安全網絡和運動控制網絡將更加完善地連接不同的設備，提供更加完善的智能網絡系統，幫助用戶鋪就智能制造之路。

　　西門子(中國)有限公司楊自鳴先生簡述“COMOS軟件——一體化工程設計到一體化運營的智能解決方案”。他說：智能制造離不開各種硬件與軟件的集成運行，而西門子工業軟件能提供全球工業軟件市場的所有核心要素，如計算機輔助設計和工程(CAx)、協作式產品數據管理(cPDM)、數字化制造(DM)、工廠設計軟件(即COMOS)、制造執行系統(MES)。其中COMOS軟件解決方案，適用于整個工廠生命周期中涉及的工廠設計與運營，使產能最大化。

　　COMOS產品分為4類：

　?、貱OMOSPlatform是COMOS解決方案的基礎，提供面向對象的全局數據一致性管理，其效益是有唯一的數據庫，確保數據流轉過程中沒有數據丟失和沖突；優化工廠和工藝。

　?、贑OMOSProcess是工藝工程解決方案，涵蓋概念設計，2D/3D設計和建造多階段，其效益是滿足復雜需求的高效工程設計流程，縮短項目周期。

　　③COMOSAutomation是涵蓋一體化電氣和儀表控制設計以及數字化工程的解決方案，其效益是軟硬件之間無縫，且可靠地進行數據交換。

　?、蹸OMOSOperations是工廠運行和維護階段專業的工廠管理解決方案，其效益是為工廠的可持續運行提供高顏色策略支持，降低風險和費用。

　　這4類COMOS解決方案采用模塊化的設計，這些模塊在下列5個階段提供和主要功能如：

　?、倩A工程設計詳實工藝工程數據表，功能流程圖設計，工藝流程圖設計等。

　?、谠敿毠こ淘O計階段設備和裝配工程設計，布局工程設計，管路布置設計，儀表與控制位置圖，邏輯圖等。

　?、凼┕るA段采購文檔，安裝文檔，電氣原理圖，調試，試車等。

　?、茉囓囯A段調試，功能測試，修訂管理，最終計劃，工廠技改計劃等。

　　COMOS模塊使串行設計變為并行設計，數據都在COMOS的唯一數據庫中，能保證在工程設計的各階段中安全無縫傳輸數據。在中國COMOS已用于中國石油化式股份有限公司等。

　　德國倍福自動化有限公司周耀綱先生詳述“XFC極速控制技術及其應用”，他介紹：XFC是在4種組件——TwinCAT、EtherCAT、IPC和EtherCATI/O基礎上產生的技術，能全方位提升控制系統的性能。XFC主要有5種技術組成：

　?、俜植际綍r鐘它使I/O實現同步，與通信延遲和控制拌動無關。分布式時鐘是XFC技術的基礎，也是EtherCAT技術的基本功能，所有的EtherCAT設備都具有本地時鐘，并通過EtherCAT通信自動化連續地與其它所有的時鐘保持同步，通信所用時間偏差可以得到補償，所有時鐘之間的最大偏差都小于100ns。分布式時鐘的當前時間也可作為系統時間，因為它可以被整個系統使用。

　?、跁r間戳它使I/O的過程數據還額外包含一個系統時間信息。時間戳為過程數據提供高精度的時間信息，可用于輸入信號、記錄信號發生的時間和輸出信號控制輸出的時間。

　?、鄹咚買/O傳統的方法要達到100μs的周期時間，需要依賴專用的、獨立的控制器，但有許多缺點。而XFC的高速I/O采用高速信號檢測技術，輸出一個非常短的脈沖，數字量I/O上升沿時間為1μs，A/D、D/A轉換時間為10μs。

　?、艹蓸釉诿總€I/O掃描周期捕捉和輸出一批數據，使控制獲得更高的連續性。通常為了提高采樣率都是通過縮短掃描周期來實現，而掃描周期又不能無限制的縮短。而XFC的超采樣數據類型能夠實現在一個掃描周期內對一個輸入值多次等時間間隔采樣，記錄到一個數組里面，并在一個掃描周期內傳輸到控制器。對于輸出值，能夠使輸出在一個掃描周期內改變多次。超采樣系統描述了在一個通信周期中采樣(改變)的次數，即使是在一般的通信周期時間條件下，也可以輕松地達到200kHz的采樣率。

⑤微增量利用信號的上升沿和下降沿的時間來計算微增量。這樣，在使用標準的編碼器時，可在低速情況下也能獲得更準確的位置值；可獲得更準確的速度計算；不需要濾波器，因為濾波將會導致響應時間變慢。采用微增量技術可使機器運轉更平穩，可提升多軸系統的同步性能。具體應用XFC技術的案例：如加拿大Husky公司生產的Jogole杯子年產量54568421個，老產品單個重量22g，采用XFC技術后的新產品單個重量為20g，每年節約125507kg，每年節約價值18.2651萬美元的原材料。

　　上海工業自動化儀表研究院彭瑜教授綜述“工業通信技術新觀察”。首先，他指出：IEC和ISO近年設立的聯合工作組JWG14提出了《工業自動化能效》的文件，正在廣泛征求意見。這標志著繼測量控制和功能安全之后，提高能源的利用效率，已經列入工業自動化的三大任務之一。按照《工業自動化能效》文件的定義，能效是輸出的性能(績效)、服務、貨品或能量與輸入能量之間的比率，或其它的定量關系。這里應注意的是，上述的輸入和輸出都必須是明確定量、定性的，而且是可以度量或測量的。

　　接著，他就近些年來圍繞工業通信技術和應用領域的長足發展，從降低能耗、提高工業自動化能效和改善功能安全兩方面進行觀察的結果作深入的論述。

　　第一方面，利用工業通信技術幫助節能——PROFIenergy和SercosEmergy。眾所周知，節能是國民經濟發展的永恒主題，各國都引起了高度重視，近些年來，像ProfiNet、SercosⅢ、CC-Link以及ODVA等工業通信協議的組織紛紛投入人力和財力來研究如何在工業控制現場總線和工業以太網日趨成熟和應用的基礎上，為減少制造工業的能耗必須建立的相應標準化機制，以濃度地挖掘系統潛在的節能潛力。其中，ODVA從2011年開始正在制定十年的能源路線圖。

　　在挖掘節能潛力方面，上述工業通信協議的組織有3大共識：

　?、僦挥袑δ芎陌磿r間和按生產設備部件進行細分和精確的監測實現可視化，才可能有針對性的采取對應的節能措施；

　?、诠澞艿囊曇皯搹V闊，不僅要關注耗能設備的節能潛力，還應關注供能設備的節能潛力；

　　③充分挖掘工業通信總線的潛力，在現有控制總線已經取得廣泛認同和應用的基礎上，不另添通信系統，只要適當添加能耗檢測模塊以及在應用層上增添節能行規(或節能功能塊)就能增加檢測能耗的功能。

　　經過積極努力，已取得初步成果如：

　?、偃鹗柯摪钐K黎世技術大學對制造業典型機械裝置隨時間細分的功耗測試表明；如果功率輸入為100%，其中只有25%是機械設備加工所需要的功率消耗，其余75%均為間接功耗和無效功耗。這說明節能潛力很大，特別是如何應對無負荷工況下消耗20%的能源，應找出對應的措施，而目前，在相當程度上忽略了控制這個能耗的潛力；這還啟示我們，要節能需要對能源消耗按時間做精確的檢測和記錄；同時要特別關注控制系統在短時間的狀態變化下潛在的節能潛力，通過適當切換生產線或機械裝置所連接的驅動設備、I/O、傳感器等，讓這些生產線或機械裝置進入節能狀態。

　?、诘聡谘芯磕苄r發現，對于大規模生產企業來說，將是電功率按加工和非加工的時間段來分析，只31%的電能真正用在產品的生產加工期間，換言之就是有69%的電能卻消耗在非生產加工的輔助期間。

　?、鄣聡囍圃焐虆f會AIDA于2008年啟動了將汽車制造生產線的自動化系統和能源系統整合為一體的計劃，希望能找到一種既能大幅度降低能耗以投資較少的標準化解決方案。

　?、墁F在西門子公司已有PROFIenergy將生產的控制系統和能源的管理系統合二為一。PROFIenergy是在ProfiNet基礎上開發的應用行規。它使用現有的ProfiNet機制，僅利用ProfiNet網絡運行中的非周期時間槽傳遞節能命令，使現場的耗能設備和整個生產單元參與實施智能能源管理策略。這一機制使得PROFIenergy完全可在現有的ProfiNet控制系統中運行，而不會對原有的控制系統產生任何負面影響。經應用，有明顯的節能效果。

　?、軸ercosEnergy是基于實時工業以太網SercosⅢ的能源行規，其研發思路完全與PROFIenergy相同，不同的是它更細分了機械設備不同階段的耗能，因為ProfiNet更多是用于生產線，而Sercos更多用在機械裝置，如不同設備間的同步等。此外，SercosⅢ能源行規獨特之處在于它將能源行規分為兩個層次：一是對機械裝備進行工廠管理的上層，提供長期生產停頓和長期故障的信息；二是生產負載的機械控制的下層，則承擔為降低能耗而對機械特定故障和當前過程做出反應。

　　第二方面，openSAFETY——全球第一個開源的、安全應用層協議標準：工業級的安全現場總線和安全工業以太網開發的投資大、風險較多、耗時較長，有什么途徑和方法能盡可能地規避這種風險，解決提升和擴展現有工業通信規范的安全性能呢？openSAFETY是解決這一難題的范例，它是一種全開放的、可為各種工業通信總線實現功能安全的機制。該協議標準：在物理層可以是以太網，也可以是RS485、CAN、USB、LVDS(即RS644)；在第二至第六層可以是任意現場總線，或者是無線協議；它只在第七層即應用層做了定義。其亮點和技術優勢很多，如對所有的現場總線來說只用一個統一的安全應用層標準；由于安全節點之間通信的高效率，容易實現生產率最大化，可減少工程投運、調試、維護時間，經T??V認證滿足SIL3協議，已開始在運動控制和過程控制中應用等。

　　三、小結

　　本次學術活動深入剖析自動化動向與成果，使大家共享最新信息，下列3方面更使大家感受至深。

　　①在全球?悄苤圃煒燜俜⒄溝拇蟊塵跋攏ひ等砑臚繽ㄐ偶際醴⒄辜歟任俗⒛俊１敬位嵋橛芍獺⒆醫檣苷夥矯嫻男錄際跏谷碩懇恍攏喚鲇兄讜諼夜耐乒閿τ?，也定将促进我国走h際醯奶岣摺?

　?、诠I自動化的任務，上世紀只是實現“檢測控制”，新世紀初增加“功能安全”，近年來又要求“改善能效”。所有從事工業自動化的企業和專業人士，都應牢記這三大任務，轉變觀念、提高認識，實踐使命。

　?、垡恍┕I發達國家已真正認識到自動化是經濟發展的引擎，如德國已將自動化發展計劃上升為國家規劃，引導政府有關部門、企業、教育界對自動化的重視，因此自動化技術創新不斷，為世界經濟發展作出積極貢獻。對照我國狀況，這方面差距很大，即使國家“十二五”規劃，似乎也沒有正視自動化的作用。國內外經驗表明，只有重視自動化，才能加快自動化技術創新，促進經濟優質、持續發展。

　　中國自動化學會儀表與裝置專業委員會

　　2011年6月