现代自动化工厂 （透明工厂整体解决方案） 主讲 吴桂峰

1 自动化概论 1.1什么叫自动化和电气自动化? 1.2自动化科学与技术的 研究内容和应用领域 1.3工厂自动化技术 1.4现代自动化工厂（透明 工厂整体解决方案）

什么叫自动化和电气自动化? 机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。因此，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。

发展简况　　 1946年，美国福特公司的机械工程师D.S.哈德最先提出“自动化”一词，并用来描述发动机汽缸的自动传送和加工的过程。他认为在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运就是“自动化”。 50年代，自动调节器和经典控制理论的发展，使自动化进入以单变量自动调节系统为主的局部自动化阶段。60年代，随现代控制理论的出现和电子计算机的推广应用，自动控制与信息处理结合起来，使自动化进入到生产过程的最优控制与管理的综合自动化阶段。70年代，自动化的对象变为大规模、复杂的工程和非工程系统，涉及许多用现代控制理论难以解决的问题。

研究内容 自动化是一门涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术。作为一个系统工程，它由5个单元组成：①程序单元。决定做什么和如何做。②作用单元。施加能量和定位。③传感单元。检测过程的性能和状态。④制定单元。对传感单元送来的信息进行比较，制定和发出指令信号。⑤控制单元。进行制定并调节作用单元的机构。自动化的研究内容主要有自动控制和信息处理两个方面，包括理论、方法、硬件和软件等，从应用观点来看，研究内容有过程自动化、机械制造自动化、管理自动化、实验室自动化和家庭自动化等。　　

过程自动化 石油炼制和化工等工业中流体或粉体的化学处理自动化。一般采用由检测仪表、调节器和计算机等组成的过程控制系统，对加热炉、精馏塔等设备或整个工厂进行最优控制。采用的主要控制方式有反馈控制、前馈控制和最优控制等。

机械制造自动化 这是机械化、电气化与自动控制相结合的结果，处理的对象是离散工件。早期的机械制造自动化是采用机械或电气部件的单机自动化或是简单的自动生产线。20世纪60年代以后，由于电子计算机的应用，出现了数控机床、加工中心、机器人、计算机辅助设计、计算机辅助制造、自动化仓库等。研制出适应多品种、小批量生产型式的柔性制造系统（FMS）。以柔性制造系统为基础的自动化车间，加上信息管理、生产管理自动化，出现了采用计算机集成制造系统（CIMS）的工厂自动化。

管理自动化 工厂或事业单位的人、财、物、生产、办公等业务管理自动化，是以信息处理为核心的综合性技术，涉及电子计算机、通信系统与控制等学科。一般采用由多台具有高速处理大量信息能力的计算机和各种终端组成的局部网络。现代已在管理信息系统的基础上研制出决策支持系统（DSS），为高层管理人员决策提供备选的方案。对社会的影响 自动化是新的技术革命的一个重要方面。自动化技术的研究、应用和推广，对人类的生产、生活等方式将产生深远影响。生产过程自动化和办公室自动化可极大地提高社会生产率和工作效率，节约能源和原材料消耗，保证产品质量，改善劳动条件，改进生产工艺和管理体制，加速社会的产业结构的变革和社会信息化的进程。

发展趋势 现代生产和科学技术的发展，对自动化技术提出越来越高的要求，同时也为自动化技术的革新提供了必要条件。70年代以后，自动化开始向复杂的系统控制和高级的智能控制发展，并广泛地应用到国防、科学研究和经济等各个领域，实现更大规模的自动化，例如大型企业的综合自动化系统、全国铁路自动调度系统、国家电力网自动调度系统、空中交通管制系统、城市交通控制系统、自动化指挥系统、国民经济管理系统等。自动化的应用正从工程领域向非工程领域扩展，如医疗自动化、人口控制、经济管理自动化等。自动化将在更大程度上模仿人的智能，机器人已在工业生产、海洋开发和宇宙探测等领域得到应用，专家系统在医疗诊断、地质勘探等方面取得显著效果。工厂自动化、办公自动化、家庭自动化和农业自动化将成为新技术革命的重要内容，并得到迅速发展。

电气自动化 电气工程及其自动化的触角伸向各行各业，小到一个开关的设计，大到宇航飞机的研究，都有它的身影。本专业生能够从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、试验技术、研制开发、经济管理以及电子与计算机技术应用等领域的工作，是宽口径“复合型”高级工程技术人才。该领域对高水平人才的需求很大。据估计，随着国外大企业的进入，在这一专业领域将出现很大缺口，那时很可能出现人才供不应求的现象。

2.1 全球化工业生产 2.2 控制理论的进展 2.3 CIMS 2.4 CIPS 2.5 人工智能与人工心理 2 自动化科学与技术的发展状况 2.1 全球化工业生产 2.2 控制理论的进展 2.3 CIMS 2.4 CIPS 2.5 人工智能与人工心理

过程工程基础（流体力学、工程 力学、热工基础、化工原理等） 过程检测及仪表技术 过程控制仪表及装置 过程控制系统 3 工厂自动化技术 3.1 工业过程控制与自动化仪表 过程工程基础（流体力学、工程 力学、热工基础、化工原理等） 过程检测及仪表技术 过程控制仪表及装置 过程控制系统

电力电子技术 电机及拖动技术 运动控制系统 直流电机、交流电机 伺服电机、步进电机 3.2 电力电子与运动控制 电力电子技术 电机及拖动技术 运动控制系统 直流电机、交流电机 伺服电机、步进电机 3.3 工厂供电与电气控制技术 工厂供电技术 电气控制技术

3.4 CIMS （1）CAD/CAM/CAE CAD的主要研究内容：曲面造型、实体造型、物体质量特性计算、二维和三维图形的转换、三维几何模型的显示处理。 CAM的主要研究内容：数控加工技术、工业机器人技术。 CAE的主要研究内容：有限元法（FEM）网格自动生成（分析和研究产品结构的静、动态特性）、优化设计、三维运动机构的分析和仿真。

（2）计算机辅助工艺过程设计（CAPP） （3）成组技术（GT） （4）柔性制造系统（FMS） （加工系统、物流系统、信息流系统） 物料搬运系统、自动化仓库。 （5）管理信息系统（MIS）与数据库 （6）制造资源计划MRP-Ⅱ （7）CIMS网络

3.5 CIPS CIPS（Computer Integrated Producing System，计算机集成生产系统）：是企业在当前实施的人工集成信息的生产系统。CIPS属于一种类型的控制论系统，即工业生产控制论系统。其主要硬件系统除原生产系统中的基础自控装置如DCS，PLC等外，还有计算机网络构架及服务器，网络交换机等。软件系统除各相关的系统软件及数据库系统外，应用软件开发是CIPS的主体，它包括三大类：（1）管理信息系统类：生产计划管理，营销合同管理，生产调度管理，物资及库存管理，产品质量保证体系，厂务管理、人事财务管理等等；（2）信息存贮、综合统计类：市场信息管理，包括原、材、燃料，产品的国内外价格信息，工程数据库，生产过程数据库，质量数据库；（3）生产过程优化及管理决策类：企业系统物料平衡模型，企业能量平衡模型，企业投入产出动态经济模型，企业生产运行和管理优化系统。

3.6 控制网络 （1）计算机控制技术 硬件技术：计算机、单片机、DSP、IPC、SLC、PLC、变频器等。 3.6 控制网络 （1）计算机控制技术 硬件技术：计算机、单片机、DSP、IPC、SLC、PLC、变频器等。 软件技术：操作系统、常用编程语言和工具软件、实时软件设计、控制策略与控制算法设计、组态软件、SCADA/HMI。 元部件：电机、执行器（电动、气动、液压）、传感器、变送器等工业测控仪表与自动化装置。 系统集成：CIMS、CIPS、控制网、企业网。 抗干扰及可靠性技术。

（2）CNC(数控机床)、DDC、DCS、FCS （3）控制网络 RS-485、BITBUS、Fieldbus等控制网络已普遍使用，以太网（Ethernet）在工业自动化和过程控制领域正在迅猛增长，100 MB以上数据传输速率的Ethernet已经实现。在德国举办的‘99 INTERKA工业过程测控技术展览会上，许多基于现场总线的FCS系统都最终连接到Ethernet，直至与Internet相连。 专家们预言：种种迹象表明，Ethernet将最终到达所有的传感器和执行机构。

4 现代自动化工厂（透明工 厂整体解决方案） 4.1 透明工厂 4 现代自动化工厂（透明工 厂整体解决方案） 4.1 透明工厂 透明工厂是一种开放的自动化系统框架，它建立在TCP/IP协议、互连网技术及面向对象软件的基础上，为生产自动化及经营管理提供浑然一体的通信系统。透明工厂除主控装置外，主要由3部分组成：网络通信采用TCP/IP+Fieldbus；客户机/服务器结构；面向对象的软件。

4.2 透明工厂整体解决方案 现场总线（Fieldbus）控制系统+以太信息网（Ethernet）+因特网（Internet）= 透明工厂的一体化系统集成方案。 透明工厂的整体解决方案，对企业的自动化技术发展、业务环境的发展、技术环境的发展、生产环境的发展、管理环境的发展，将产生巨大的推动作用，并带来显著的经济效益和社会效益。

4.3 Internet、Intranet、Infranet Internet作为国际互连网，是由大量局域网连接形成的广域网，它已成为当代信息社会的高速公路和重要的基础设施。Internet的主要技术在企业内部或局域网范围内也得到了广泛应用。但由于Internet具有地域广、接点多和成员复杂等特点，因而难于管理，安全性差，不能完全适应企业内部网络的使用需要。因而作为Internet技术的一种发展，诞生了Intranet。

Intranet是指企业网（内联网），它从根本上改变了企业内部的管理模式，大大改善了企业内部的信息交流。Intranet可以成为企业应用程序之间、雇主与雇员之间、雇员与雇员之间、企业与客户之间交换信息的重要手段与媒体。 Infranet是指下层或底层控制网。由于现场总线（Fieldbus）作为自动控制领域的网络，又位于工厂网络的底层，因而Infranet成为现场总线、控制网络的代名词。Infranet把具有通信功能的控制设备连接起来，形成低成本、高可靠性的分布式控制系统网络，它可以成为Intranet底层的特殊网络，也可以通过Internet形成特殊的控制系统。

随着计算机、控制、网络、通信技术的发展，Intranet、Infranet和Internet正在各尽所长，并趋于一体化。因此，透明工厂整体解决方案的条件已基本成熟，尽快实施透明工厂整体解决方案的立项研究工作，使信息系统继续向着更广、更深的领域发展，发挥更大的作用，为人类作出更大贡献。

4.4 透明工厂整体解决方案的主要内容 应用现场总线和以太网技术，把企业网络一直延伸到生产现场或生产设备，实现企业管控一体化网络集成，即透明工厂方案。透明工厂整体解决方案的主要内容包括： ①网络通信：采用TCP/IP+现场总线（FF、PROFIBUS、CAN、LONWORKS、HART等等）；企业网络将采用以太网（Ethernet）通信系统。以太网将成为首选的控制网络。

②数据管理：采用瘦形客户机、图形服务器和嵌入式服务器，通过网络通信实现数据管理和生产过程的控制。 ③面向对象的软件：采用梯形逻辑；对程序代码的封装；每个梯形逻辑控制一个对象。面向对象的软件将重构工厂控制的数据、方法和过程，更加注重工艺和知识。

透明工厂的整体解决方案，可实现以下目标： ① 信息管理。 ② 技术管理。 ③ 经营管理。 ④ 维护管理。 ⑤ 用户效益。 ⑥ 工厂管理者的效益

4.5 拟解决的关键问题 ①基于Fieldbus控制系统网络化、集成化、智能化问题； ②基于Fieldbus和Ethernet的透明工厂方案问题； ③商业集成问题（把技术用于商业战略的制定之中），即信息系统之间的集成； ④垂直集成问题，即控制系统和信息系统的集成； ⑤水平集成问题，即控制系统各部分之间的集成； ⑥分布式控制网络、嵌入式控制网络、交换式控制网络等新技术的应用问题。

4.6 透明工厂的实现方法 采用Fieldbus、Infranet、Ethernet、Intranet、Internet技术发展框架，以TCP/IP协议为基础，以Web浏览和系统集成SQL数据库为核心应用，构成智能化系统内统一和便捷的信息交换平台，各个自动化子系统和信息子系统的实时运行信息可通过网关上传到网络中心的系统集成服务器，开设智能化监控网络站点。各监控管理人员均可在授权下通过Web工具方便地浏览企业内部Intranet上丰富的实时信息，监控和管理各个子系统的实时工况。通过开放的数据库互连（ODBC）技术将系统集成SQL数据库与办公自动化和管理信息数据库互连，提供综合全面的信息与数据。

5 自动化科学与技术发展中 存在的问题 5.1 认识问题 5.2 低成本问题 5.3 控制理论的实用性问题

6 自动化科学与技术的发展趋势 6.1 计算机技术与自动化 6.2 信息网络环境下的自动化理论 6.3 智能自动化技术 6 自动化科学与技术的发展趋势 6.1 计算机技术与自动化 6.2 信息网络环境下的自动化理论 6.3 智能自动化技术 6.4 生物技术与控制论 6.5 脑科学对控制理论的影响 及反作用 6.6 绿色自动化技术 6.7 无线技术是自动化的下一个前沿

结束语 综合化(CIMS+CIPS) 网络化（INTERNET） 人性化（AI+AP） 绿色化（洁净生产+绿色制造） 就是21世纪自动化技术的发展趋势，这种趋势将很快或已经影响人们的生活。

谢谢各位！