自动化技术迎接智能制造的挑战

《系统、控制技术的新发展》系列学术第六次活动

　　自动化技术迎接智能制造的挑战，自动化产业为智能制造更好服务

　　会议纪要

　　一、概况

　　制造业，特别是装备制造业是为国民经济各行业提供技术装备的战略性产业，是各行业产业升级、技术进步的重要保障和国家综合实力的集中体现。世界技术进步与经济发展表明：发展智能制造是提升制造业效能，促进经济发展的大趋势。

　　为了配合十二五规划发展先进制造业的部署，中国自动化学会仪表与装置专业委员会于2011年6月16日在上海浦东新国际博览中心召开第十五届国际工业自动化与控制技术展览会期间，举办了“系统、控制技术的新发展”系列学术第六次活动，以“自动化技术迎接智能制造的挑战，自动化产业为智能制造更好服务”为主题的学术会议，吸引200余人参会。

　　南京菲尼克斯电气有限公司、西门子(中国)有限公司、上海恩德斯豪斯自动化有限公司、CC-Link协会、德国倍福自动化有限公司、上海工业自动化仪表研究院的7位专家作了精彩的大会报告。中国自动化学会理事、仪表与装置专业委员会常务委员彭瑜教授与中国自动化学会常务理事、仪表与装置专业委员会常务委员任德祥教授分别主持上下午的大会报告。参会人士普遍反映：这次学术交流会的主题具有前沿性，专家报告分析精辟，技术先进，对于大家拓宽视野、引导和推动我国自动化行业的发展有重要意义。

　　二、大会报告

　　首先，由南京菲尼克斯电气有限公司杜品圣博士作“自动化实现未来，自动化成就‘十二五’”的报告，他深刻地论述了三个方面：

　　①自动化发展的黄金时间已到：经过2009年世界经济危机之后，自动化技术已成为经济形势全面复兴的驱动力。以德国为例，从2010年11月德国纽伦保自动化展得知，德国主要工业自动化技术的提供商和制造商在2010年都取得了惊人的业绩，如PhoenixContact、B&R、Turck、Lenze、Weidmüller、Beckhoff等公司销售收入增长率达30%～50%，而当年德国经济的增长率为3%，为什么自动化公司会如此迅速增长呢？主要是由于新经济体国家特别是中国经济的迅猛发展，新市场、新能源战略领域的不断拓展和推动，以及德国十年(2010～2020年)自动化计划的贯彻执行。这表明自动化技术是开拓新领域、新市场的开路先锋，世界经济的规律需要自动化技术的发展。

　　②德国十年自动化计划：德国对于2020年自动化技术的定义，包含的技术为电子电气技术、机电一体化技术、生产工艺流程、计算机和IT技术、传感器和变送器、驱动和执行系统、通信技术、以及上述的综合技术等。德国高新技术策略将自动化应用技术和应用领域有机地结合，提出了八大方向：新能源，能效，医疗技术，智能化楼宇，数字媒体，公共安全，交通运输及物流，汽车电子。德国十年自动化发展计划对德国政府提出了要求，即自动化技术发展的十大必要条件，主要内容为：自动化技术对于经济和技术发展的重要性必须在政界、教育和社会上得到高度重视；自动化技术必须得到广泛的宣传；当今通过自动化技术发展而达到的成果和经验须在未来得到持续的保证；对于国际领先的德国自动化技术应提供有力的投入；以自动化技术为主导的科技中心必须占领自动化技术的卓越的领先地位；必须加强自动化领域标准化工作；要加强自动化领域的技术交流与合作；对未来自动化技术开发及其不同领域所期望的解决方法有明确的路径和方案；自动化需要特殊的人才，包括领军人物、科研人员、工程师，技术员和熟练工人；高度重视对于自动化领域的接班人的培养，必须从中学开始使得学生热爱技术工作，特别是培养热爱自动化行业。

　　③自动化产品的制造商如何面临世界经济与技术的挑战。例如中国的“十二五”计划重点提出的7个发展新方向为能源、水、环境，人口和健康，城镇化和城市发展，信息处理，公共安全，城市发展和交通运输。对对自动化提出了新要求，为此作为自动化技术和应用的主力军——自动化产品的制造商，应按照“十二五”计划发展自己的产品市场，管理、研发及战略规划。须进行组织机构的全盘整顿和调整；建立面向系统解决方案的研究开发、生产、市场的体系；建立以技术为导向的发展模式。例如，德国某家自动化产品制造商，按自动化发展方向，把企业结构以工业、能源、医疗卫生三个应用领域为中心作了调整。菲尼克斯集团公司也将以产品为导向的事业部机构转化为市场为导向系统解决方案的业务模式结构，建立“六新”(新市场、新技术、新产品、新应用、新方法、新体制)战略部，菲尼克斯中国公司成立投资有限公司，整合全球资源；建立行业自动化系统方案部，打造具有全球胜任力的自主创新型的产品研发管理队伍，真正构建面向中国市场的新产品开发、生产、管理的产业链。

　　西门子(中国)有限公司廖妍女士阐述“工程技术跨入新时代——TIA博途”。她介绍；TIA博途(TotallyIntegratedAutomationPortal)是西门子于2010年11月推出的新一代工程软件统一平台，它解决了以往单独的软件包在数据一致性和用户界面集成方面的许多局限性(如数据不一致、界面不统一等)。通过对所有的自动化任务(如配置、通信、诊断等)采用统一的操作理念、数据与项目的一致性、强化的库概念，使其成为HMI、Metwork、PLC、Drives、Safety?iagnosis都可共享的工程平台，它是后台的公共软件平台，因此不作为一个产品出售，用户只需购买SIMATICSTEP7V11和SIMATICWinCCV11两个软件产品即可体验TIA博途的功能，这个新一代工程软件平台支持西门子现有的硬件与软件，由于其高可用性、协同工作与开放性，也是西门子未来软硬件创新的基石。

　　TIA博途的性能有3大亮点：

　　①直观全新集成了面向任务的智能化编辑界面和开发环境，使得用户学习和使用的过程中变得更加容易。如Portalview使新用户可快速入门；有面向任务的全新导航界面；具有统一布局的各类型编辑器；过程可视化，使SCADA以简驭繁，最复杂的组态也变得简单；在STEP7中可无缝集成故障安全型功能等。

　　②高效将所有的工程任务，从PLC到人机界面均在统一的开发框架下完成，从而可有效地节约工程开发时间和成本。如清晰的硬件和网络拓扑组态布局；数据自动化一致性及匹配功能，保证工程质量；快速灵活的高效编程；控制器与HMI的完美交互；完善库概念，可节约成本、积累经验；可随时访问当前系统运行状态，包括自动进行系统诊断，能比以往更简单的方式显示诊断信息。

　　③可靠即可重复使用已有的工程项目，又可在集成全新软件产品的平台上创建新的项目，从而保证了项目投资；有可靠的密码保护功能，如针对单个或多个模块的密码保护，针对项目库的密码保护，对画面也会进行保护等。总之，今后西门子大量的创新自动化产品将TIA博途这一软件平台推出，不断有效地改善企业的生产效率。

　　上海恩德斯豪斯自动化设备有限公司刘宽先生介绍“基于FDT技术的设备管理及应用”。他说：FDT(FieldDeviceTool)是针对工厂设备资产进行管理的技术，世界上许多知名的厂商如西门子、横河、EH，包括中国的浙大中控制、上海自仪等公司都支持这种技术。FDT是工厂应用不同厂商不同设备的整合平台，在当今的工厂中控室里，(以前FDT只用于DCS，现在已可用于PLC)，通过这个统一平台，不仅可以看到仪表的测量值，也可观察有关仪表的问题，建立设备文档管理等，这样，即使人员多批次调动，当需要更换设备时，仍可及时调出文档进行核查；当操作系统崩溃时，也可查找有关设备运行信息，如设备操作活动日志等。依据工厂生命周期概念，基于FDT技术的设备管理内容如：仪表管理从工厂设计选型开始；启动阶段设备管理，如仪表选型计算，仪表采购，订单跟踪，仪表安装，仪表调试等；运营阶段设备管理，如仪表诊断，预维护，更换与备品备件等。一般来说，工厂启动阶段设备出现的问题概率在68%，而在运营阶段为14%。启动阶段典型的总是如设计不足，制造质量不佳，错误安装，错误开车，错误操作，过多不必要维护，过多无效维护，以及因人员素质低等。

　FDT架构包括3部分：

　　①框架应用程序，即操作系统(可应用于DCS、PLC、工程工具等)，它类似于电脑软件，提供的功能有一般环境，网络配置，导航，设备管理，资料库存储。

　　②FDT接口，即集成标准。

　　③设备类型管理器(DTM)，DTM是实际设备的驱动程序，由设备生产商提供，需要安装在PC上，可以在任意的框架应用程序中使用，它提供图形化的用户界面，允许获得所有设备参数。DTM有两种类型，一是通信DTM，它是通信设备的驱动程序，例如PC中的通信网卡、分接器、网关、连接设备等；二是设备DTM，它是现场设备的驱动程序，现场设备如记录仪、阀门、传感器、电动机和泵等。目前市场上有超过2000款设备的DTM和15种FDT框架应用程序。为了保证质量，众多不同的供应商所提供的DTM和框架应用程序之间经常进行互操作性项目合作，建立了DTM认证流程，最近以建立了框架认证流程。已认证的DTM列表可通过FDT官网获取。

　　CC-Link协会龚明先生叙述“基于以太网的整合网络CC-LinkIE铺就智能制造之路”。他说：当前准备制造正在不断向智能化系统方向发展，其发展特征是技术和融合化；产品的高技术化、绿色化，即产品的高附加值化、智能化和系统化；系统管理集成化(包括系统、软件、技术和接口集成)和网络化。其中，因现代制造业面临重重挑战，智能化工厂对网络需求不断提高；网络技术正在加速装备制造业全球化的进程，并正在改变其生产和流通方式；智能化网络已成为现代制造业的发展趋势。根据智能化制造的需求，用户需要开放灵活的网络，以便于从众多厂商选择多样的产品，不被单一厂家的变化所左右；通过多厂家产品的构成，可降低成本，并可保证当今和未来的投资。CC-Link整合网络的应用，能解决制造业的诸多挑战，如设备运转率提高，品质损耗减少，生产性能提高，加工时间、开发周期、制造周期缩短等。2006年产生CC-Link，2007年推出CC-LinkIE控制器网络，2009年研发了CC-LinkIE现场网络，CC-LinkIE能满足智能制造的上述需求。其中：

　　①CC-LinkIE控制器网络技术规格基本通信功能有网络型共享内存通信(循环通信，用于实时通信)和报文通信(瞬时通信，用于非实时通信)；通信速度与拓扑为1Gb/s、以太网标准、环路；为保证高可靠数据传送功能，采用令牌方式；网络型共享内存容量，最大为256kB；通信介质，采用IEEE802.3z多模光纤(GI)；每层网络的总连接站数为120台；使用多模光纤时，站间距离最长为550m，总延长距离最长为66000m。

　　②CC-LinkIE现场网络技术规格以太网规格，基于IEEE802.3ab(1000BASE-T)；通信速度1Gb/s；通信介质为屏蔽双绞电缆(5e类)；通信控制方式，采用令牌通信方式；网络拓扑可线型、星型、环型；主站和从站合计最大连接站数254台；最大站间距离100m。利用CC-LinkIE可构建小、中、大规模和智能制造系统，目前已用于许多领域，由于实时性能很好，在煤矿、采矿等领域也得到很好应用。今后计划：CC-LinkIE现场网络的一致性测试规范将更完善；进一步完善用于联网的元器件应对安全网络；不久将发布CC-LinkIE运动控制网络规范。未来对应的安全网络和运动控制网络将更加完善地连接不同的设备，提供更加完善的智能网络系统，帮助用户铺就智能制造之路。

　　西门子(中国)有限公司杨自鸣先生简述“COMOS软件——一体化工程设计到一体化运营的智能解决方案”。他说：智能制造离不开各种硬件与软件的集成运行，而西门子工业软件能提供全球工业软件市场的所有核心要素，如计算机辅助设计和工程(CAx)、协作式产品数据管理(cPDM)、数字化制造(DM)、工厂设计软件(即COMOS)、制造执行系统(MES)。其中COMOS软件解决方案，适用于整个工厂生命周期中涉及的工厂设计与运营，使产能最大化。

　　COMOS产品分为4类：

　　①COMOSPlatform是COMOS解决方案的基础，提供面向对象的全局数据一致性管理，其效益是有唯一的数据库，确保数据流转过程中没有数据丢失和冲突；优化工厂和工艺。

　　②COMOSProcess是工艺工程解决方案，涵盖概念设计，2D/3D设计和建造多阶段，其效益是满足复杂需求的高效工程设计流程，缩短项目周期。

　　③COMOSAutomation是涵盖一体化电气和仪表控制设计以及数字化工程的解决方案，其效益是软硬件之间无缝，且可靠地进行数据交换。

　　④COMOSOperations是工厂运行和维护阶段专业的工厂管理解决方案，其效益是为工厂的可持续运行提供高颜色策略支持，降低风险和费用。

　　这4类COMOS解决方案采用模块化的设计，这些模块在下列5个阶段提供和主要功能如：

　　①基础工程设计详实工艺工程数据表，功能流程图设计，工艺流程图设计等。

　　②详细工程设计阶段设备和装配工程设计，布局工程设计，管路布置设计，仪表与控制位置图，逻辑图等。

　　③施工阶段采购文档，安装文档，电气原理图，调试，试车等。

　　④试车阶段调试，功能测试，修订管理，最终计划，工厂技改计划等。

　　COMOS模块使串行设计变为并行设计，数据都在COMOS的唯一数据库中，能保证在工程设计的各阶段中安全无缝传输数据。在中国COMOS已用于中国石油化式股份有限公司等。

　　德国倍福自动化有限公司周耀纲先生详述“XFC极速控制技术及其应用”，他介绍：XFC是在4种组件——TwinCAT、EtherCAT、IPC和EtherCATI/O基础上产生的技术，能全方位提升控制系统的性能。XFC主要有5种技术组成：

　　①分布式时钟它使I/O实现同步，与通信延迟和控制拌动无关。分布式时钟是XFC技术的基础，也是EtherCAT技术的基本功能，所有的EtherCAT设备都具有本地时钟，并通过EtherCAT通信自动化连续地与其它所有的时钟保持同步，通信所用时间偏差可以得到补偿，所有时钟之间的最大偏差都小于100ns。分布式时钟的当前时间也可作为系统时间，因为它可以被整个系统使用。

　　②时间戳它使I/O的过程数据还额外包含一个系统时间信息。时间戳为过程数据提供高精度的时间信息，可用于输入信号、记录信号发生的时间和输出信号控制输出的时间。

　　③高速I/O传统的方法要达到100μs的周期时间，需要依赖专用的、独立的控制器，但有许多缺点。而XFC的高速I/O采用高速信号检测技术，输出一个非常短的脉冲，数字量I/O上升沿时间为1μs，A/D、D/A转换时间为10μs。

　　④超采样在每个I/O扫描周期捕捉和输出一批数据，使控制获得更高的连续性。通常为了提高采样率都是通过缩短扫描周期来实现，而扫描周期又不能无限制的缩短。而XFC的超采样数据类型能够实现在一个扫描周期内对一个输入值多次等时间间隔采样，记录到一个数组里面，并在一个扫描周期内传输到控制器。对于输出值，能够使输出在一个扫描周期内改变多次。超采样系统描述了在一个通信周期中采样(改变)的次数，即使是在一般的通信周期时间条件下，也可以轻松地达到200kHz的采样率。

⑤微增量利用信号的上升沿和下降沿的时间来计算微增量。这样，在使用标准的编码器时，可在低速情况下也能获得更准确的位置值；可获得更准确的速度计算；不需要滤波器，因为滤波将会导致响应时间变慢。采用微增量技术可使机器运转更平稳，可提升多轴系统的同步性能。具体应用XFC技术的案例：如加拿大Husky公司生产的Jogole杯子年产量54568421个，老产品单个重量22g，采用XFC技术后的新产品单个重量为20g，每年节约125507kg，每年节约价值18.2651万美元的原材料。

　　上海工业自动化仪表研究院彭瑜教授综述“工业通信技术新观察”。首先，他指出：IEC和ISO近年设立的联合工作组JWG14提出了《工业自动化能效》的文件，正在广泛征求意见。这标志着继测量控制和功能安全之后，提高能源的利用效率，已经列入工业自动化的三大任务之一。按照《工业自动化能效》文件的定义，能效是输出的性能(绩效)、服务、货品或能量与输入能量之间的比率，或其它的定量关系。这里应注意的是，上述的输入和输出都必须是明确定量、定性的，而且是可以度量或测量的。

　　接着，他就近些年来围绕工业通信技术和应用领域的长足发展，从降低能耗、提高工业自动化能效和改善功能安全两方面进行观察的结果作深入的论述。

　　第一方面，利用工业通信技术帮助节能——PROFIenergy和SercosEmergy。众所周知，节能是国民经济发展的永恒主题，各国都引起了高度重视，近些年来，像ProfiNet、SercosⅢ、CC-Link以及ODVA等工业通信协议的组织纷纷投入人力和财力来研究如何在工业控制现场总线和工业以太网日趋成熟和应用的基础上，为减少制造工业的能耗必须建立的相应标准化机制，以浓度地挖掘系统潜在的节能潜力。其中，ODVA从2011年开始正在制定十年的能源路线图。

　　在挖掘节能潜力方面，上述工业通信协议的组织有3大共识：

　　①只有对能耗按时间和按生产设备部件进行细分和精确的监测实现可视化，才可能有针对性的采取对应的节能措施；

　　②节能的视野应该广阔，不仅要关注耗能设备的节能潜力，还应关注供能设备的节能潜力；

　　③充分挖掘工业通信总线的潜力，在现有控制总线已经取得广泛认同和应用的基础上，不另添通信系统，只要适当添加能耗检测模块以及在应用层上增添节能行规(或节能功能块)就能增加检测能耗的功能。

　　经过积极努力，已取得初步成果如：

　　①瑞士联邦苏黎世技术大学对制造业典型机械装置随时间细分的功耗测试表明；如果功率输入为100%，其中只有25%是机械设备加工所需要的功率消耗，其余75%均为间接功耗和无效功耗。这说明节能潜力很大，特别是如何应对无负荷工况下消耗20%的能源，应找出对应的措施，而目前，在相当程度上忽略了控制这个能耗的潜力；这还启示我们，要节能需要对能源消耗按时间做精确的检测和记录；同时要特别关注控制系统在短时间的状态变化下潜在的节能潜力，通过适当切换生产线或机械装置所连接的驱动设备、I/O、传感器等，让这些生产线或机械装置进入节能状态。

　　②德国在研究能效时发现，对于大规模生产企业来说，将是电功率按加工和非加工的时间段来分析，只31%的电能真正用在产品的生产加工期间，换言之就是有69%的电能却消耗在非生产加工的辅助期间。

　　③德国汽车制造商协会AIDA于2008年启动了将汽车制造生产线的自动化系统和能源系统整合为一体的计划，希望能找到一种既能大幅度降低能耗以投资较少的标准化解决方案。

　　④现在西门子公司已有PROFIenergy将生产的控制系统和能源的管理系统合二为一。PROFIenergy是在ProfiNet基础上开发的应用行规。它使用现有的ProfiNet机制，仅利用ProfiNet网络运行中的非周期时间槽传递节能命令，使现场的耗能设备和整个生产单元参与实施智能能源管理策略。这一机制使得PROFIenergy完全可在现有的ProfiNet控制系统中运行，而不会对原有的控制系统产生任何负面影响。经应用，有明显的节能效果。

　　⑤SercosEnergy是基于实时工业以太网SercosⅢ的能源行规，其研发思路完全与PROFIenergy相同，不同的是它更细分了机械设备不同阶段的耗能，因为ProfiNet更多是用于生产线，而Sercos更多用在机械装置，如不同设备间的同步等。此外，SercosⅢ能源行规独特之处在于它将能源行规分为两个层次：一是对机械装备进行工厂管理的上层，提供长期生产停顿和长期故障的信息；二是生产负载的机械控制的下层，则承担为降低能耗而对机械特定故障和当前过程做出反应。

　　第二方面，openSAFETY——全球第一个开源的、安全应用层协议标准：工业级的安全现场总线和安全工业以太网开发的投资大、风险较多、耗时较长，有什么途径和方法能尽可能地规避这种风险，解决提升和扩展现有工业通信规范的安全性能呢？openSAFETY是解决这一难题的范例，它是一种全开放的、可为各种工业通信总线实现功能安全的机制。该协议标准：在物理层可以是以太网，也可以是RS485、CAN、USB、LVDS(即RS644)；在第二至第六层可以是任意现场总线，或者是无线协议；它只在第七层即应用层做了定义。其亮点和技术优势很多，如对所有的现场总线来说只用一个统一的安全应用层标准；由于安全节点之间通信的高效率，容易实现生产率最大化，可减少工程投运、调试、维护时间，经T??V认证满足SIL3协议，已开始在运动控制和过程控制中应用等。

　　三、小结

　　本次学术活动深入剖析自动化动向与成果，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?悄苤圃炜焖俜⒄沟拇蟊尘跋拢ひ等砑胪缤ㄐ偶际醴⒄辜欤任俗⒛俊１敬位嵋橛芍獭⒆医樯苷夥矫娴男录际跏谷硕恳恍拢唤鲇兄谠谖夜耐乒阌τ茫捕ń俳夜远际醯奶岣摺?

　　②工业自动化的任务，上世纪只是实现“检测控制”，新世纪初增加“功能安全”，近年来又要求“改善能效”。所有从事工业自动化的企业和专业人士，都应牢记这三大任务，转变观念、提高认识，实践使命。

　　③一些工业发达国家已真正认识到自动化是经济发展的引擎，如德国已将自动化发展计划上升为国家规划，引导政府有关部门、企业、教育界对自动化的重视，因此自动化技术创新不断，为世界经济发展作出积极贡献。对照我国状况，这方面差距很大，即使国家“十二五”规划，似乎也没有正视自动化的作用。国内外经验表明，只有重视自动化，才能加快自动化技术创新，促进经济优质、持续发展。

　　中国自动化学会仪表与装置专业委员会

　　2011年6月