工业 4.0 电气自动化技术介绍与应用

国际金属加工网 2018年05月16日

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引言

在人工成本逐渐提高以及生产制造企业数据化、自动化、规模化的发展需求趋势下,工业 4.0技术逐步在生产制造领域发挥出其不可替代的作用。工业 4.0 基于传统自动化技术,不断整合新兴的智能制造设备及生产物流设备,在不同行业均产生了显著的效应。以下就某仪表阀门企业实际案例,从工业 4.0 概念入手,结合电气技术应用及多种生产物流设备,对工业 4.0 电气自动化技术及应用进行介绍。

1 关于工业 4.0 的一般介绍

1.1 工业 4.0 的概念

工业 4.0 战略旨在通过充分利用信息通讯技术和信息物理系统,推动制造业向着智能化角度转变,其主要特点是互联、集成、数据化、创新、转型。工业 4.0 的互联主要表现在生产设备之间的互联,设备和产品之间的互联、以及虚拟世界和现实生活的互联,构成一个完整的互联网体系。工业 4.0 的集成化表现在其将传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施等通过信息物理系统(CPS,Cyber-Physical Systems)联系在一起, 形成一个智能的网络系统,将人与人之间、人与设备之间、设备与设备之间形成一种紧密的联系,实现横向、纵向以及端口对端口的高度集成。工业 4.0 的数据化主要表现在对产品、设备联网终端的数据通过信息物理系统进行录入,将数据渗透在生产工作的每一个环节。工业 4.0 的创新性不仅表现在技术的创新上,还包括对生产、服务的创新化变革。工业 4.0 是一个发展的概念, 其对产业的转型有着重要的推动意义,推动工厂由局部智能化向全厂智能化转变。

1.2 工业 4.0 的架构

目前,对于工业 4.0的研究还只是集中在理论层面上,并没有确定的模式。工业 4.0主要目的是建立高度灵活的个性化和数字化的产品与服务模式,工业 4.0 的层次架构大致可以分为五个阶段:企业层面、管理层面、操作层面、控制层面和现场层面。对每一个层面都有相应的设备,各个层面之间又有着紧密的联系,企业层面主要负责产品的开发设计,主要包括企业资源计划(ERP, EnterpriseResourcePlanning) 和产品生命周期管理(PLM,ProductLifecycleManagement);在管理层面,承接了企业层面的部分功能,主要工作是执行制造,包括制造企业生产过程执行管理系统 (MES,Manufacturing ExecutionSystem) 和工厂工程组态; 操作层面主要由分布式控制系统(DCS, Distributed Control System)和数据采集与监视控制系统 (SCADA, Supervisory Control And Data Acquisition) 构成, 执行的任务由 MES 系统发出,控制层面的主要系统是可编程逻辑控制器 (PLC, Programmable Logic Controller) 和 人 机 界 面 (HMI, Human Machine Interface);现场层面主要是指具体的现场设备。工业 4.0 背景下的工厂层次一般分为 EPR、MES、通信、控制、执行五个层次,对应工业 4.0 的五个阶段。

1.3 工业 4.0 的应用及发展

工业 4.0 主要集中在机械制造和电气工程领域,在我国的发展具有明显的优势,我国是世界上唯一一个拥有联合国产业分类中全部工业门类的国家,所以,我国的工业体系门类齐全、独立完整,这样庞大的工业体系为工业 4.0 的开展奠定了雄厚的基础。随着我国人口红利的逐渐消失,我国迫切需要实现制造业的全自动化生产,以智能生产为主的工业 4.0 就成为了我国推动产业转型的依托,不仅在大型制造业企业中开始开展了产业转型,一些中小企业也顺应工业 4.0 的潮流进行产业的转型。以电器自动化为主的企业在我国如雨后春笋般出现,工业 4.0 的全自动技术为传统制造业的转型升级提供了技术支持,运用智能化技术实施的生产模式极大地提高了生产效率,为企业的发展提供了条件,发展前景一片大好。

2 工业 4.0 的物流自动化电气控制系统技术架构

2.1 PLC 控制在电器自动化中的应用

1) PLC控制系统的特点

PLC 具有以下特点,首先,与传统的控制器相比, 其响应速度快,传统的机械式继电器主要根据电磁感应原理运转,由导线连接,所以,存在着一定的节点变位时间。但是,PLC 的运转原理是由内部定义的辅助继电器代替,通过软件编程进行工作,以前的导线连接变为了内部逻辑关系,辅助变电器的变为节点时间几乎可以忽略不计,所以响应迅速。其次,PLC 的可靠性很强, 机械式继电器的节点在进行变位时,需要断开再连接,其对设备的损耗很大,而且受环境的影响很大,设备的稳定运行受到了很大的影响,使得设备的运行成本增加。然而,PLC 的内部辅助继电器抗干扰性强,损耗自然低,可以使整个系统运行稳定。此外,PLC 使用方便,操作简单,其运行编程较为简单,容易理解, 可以直观、形象地对整个系统的运行情况做出描述, 还可以对整个系统的运行进行监督,准确把握系统运转情况,对于出现的问题可以进行实时修改,操作简单方便。应用范围广,兼容能力强,通过与变频器、触摸屏等的结合使用,形成了完整的运行系统,极大地提高了电气自动化控制过程中的实用性,可大幅度提升生产效率。

2) PLC系统的运行原理分析

PLC 系统的运行可以大致分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。在输入采样阶段,PLC 首先通过对输入端口的状态以及相关数据进行扫描,将扫描结果输入到输入输出点(I/O, Input/Output)映像区单元,在这一工作过程中,PLC 外部端口出现任何情况都不会对其内部数据造成破坏,若要保证这一过程的顺利进行, 必须对信号状态的宽度进行设置,使其大于 PLC 的一个扫描周期。程序执行阶段,主要是按照 PLC 设定好的程序进行工作,执行过程是按照从左到右、从上到下的顺序进行,上一阶段 I/O 中存储的信号,经过 PLC 程序处理,所以,这一过程中,必须保证程序运行的流畅性和合理性,以免出现意外。程序的输出也是通过 I/O 处理的,程序执行的结果,直接显示在 PLC 的终端窗口上。

3) PLC在自动系统中的应用

PLC 可以应用于控制开关、顺序控制、闭环控制以及自动切换控制等领域,在控制开关中的应用主要是为了降低触电事故的发生频率,使整个控制系统的电路连接更为简洁快速,提高了整个系统的安全性。在顺序控制环节中,PLC 系统可以对电器设备的运转顺序进行调整,使得能源消耗降低,进而提升设备的控制质量与效率。在闭环控制中,可以进行远程操控,降低对地理环境的受制程度,在自动化闭环系统中使用 PLC 可以使自身系统得到很大的完善,增强自身稳定性和安全性。在自动切换控制中的应用,主要涉及电源切换,运用PLC 系统可以最大限度地保证电路的稳定性,提高系统运转的安全性。

2.2 自动化总线标准 / 过程现场总线

1) Profinet的分类

Profinet 主要可以分为三种通信方式,即网络通讯协议(TCP/IP, Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 标准化通信,实时通信(RT)和同步实时通信(IRT)。第一种方式只提供基础的通信,是通过面向安全连接和传输通道在本地和分布式网络中的数据进行交换。第二种方式是对第一种方式的优化,这种方式可以极大地减少数据在通信站里的处理时间。第三种方式可以满足运动控制的告诉通信需求,使得系统的响应能够及时稳定的传到接收处。

2) Profinet的通信介质与速率

对于 Profinet 和 Profibus 两者都可以将铜和光纤作为通信介质,Profinet 还可以将无线作为额外的介质, 两种方式相比,Profinet 的传输效率更快。

3) Profinet的使用与运行情况

相比而言,Profinet 优势更多,但是两者的实时性都很好,Profibus 的总线上只有一个主站系统,多主站会对系统运转造成影响,然而 Profinet 可以进行多主站系统的运转,而且不会对 I/O 的响应时间造成影响。

2.3 传感器 / 执行器接口系统的应用

1) AS-i系统的结构及运转原理

AS-i 系统是属于设备级的总线系统,是一种极为简单的两线制网络,主要由主站、AS-i 电源单元和节点- 从站组成,主站主要是用于与上位控制器进行连接, AS-i 电源单元主要用于向子设备进行供电,从站主要是指连接到 AS-i 上的节点,可以在最大范围内安装尽可能多的从站。主要用于与主站的连接与信息的传输。

2) AS-i系统的优势

AS-i 总线具有节约电缆以及施工量的优点,作为总线进行信号的传输可以极大地节约连接电缆和安装费用,还可以进行自动安装,对故障进行分析,自动检测然后进行修复,极大地节约了系统安装和故障排除的时间,提高了效率,节省了成本。此外,AS-i 不需要进行拨线和连接端子,所以,可以很方便地将传感器 / 执行器连接到系统上。AS-i 的传输效率很快,主站与从站之间采用串行双向数字通信,可以在极短时间内进行信息的传输。功能可靠以及系统开放也是 AS-i 系统的优势。

3) AS-i在物流工作中的应用

AS-i 技术应用于各行各业,且其应用范围很广泛, 从汽车制造到图书出版、无线电远程通信、绝缘材料制造、木材加工、烟草行业以及泥煤提炼都有 AS-i 系统的应用,主要在于 AS-i 系统的灵活以及总通信模式。

3西部某阀门制造企业工业 4.0 实施案例及关键技术应用

2017 年,西部某阀门生产企业率先引进工业 4.0 的生产理念,利用仿真软件实现模拟排产排程,最优化每周生产计划任务,结合上位控制系统、MES 系统、仓储控制系统(WCS,Warehouse Control System)及多种自动化生产物流设备(见图 1),实现加工制造自动化 , 生产设备网络化 , 过程管理数字化 , 计划调度的智能化 , 在中国同类生产行业 , 率先全面实现了智能控制阀数字化工厂,取得了很大的经济及社会效益。

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图 1 该企业控制 - 信息 - 上位管理系统层次关系

3.1 物料控制系统的应用

MFC/WCS 系统是一种管理控制系统, 是介于仓库管理系统 (WMS,WarehouseManagementSystem) 和PLC之间的系统,它与 WMS系统进行信息交互,接收WMS的信号指令,然后将其发送给 PLC系统,从而使得生产系统做出相应的反映。将 PLC系统上的状态及数据反映在界面上,还可以为 PLC系统和产线提供手动调试口。其主要功能是接收任务、指令下发、状态监督、故障判断,对人机交互进行异常处理、任务模式管理、系统策略优化以及执行报告。

3.2 SCADA 系统的应用

SCADA 主要是指监控与数据采集,综合利用计算机技术、控制技术、通信与网络技术,对测控点的过程设备进行数据的采集,对生产过程实施全面实时的监控,然后为安全生产、调度、管理提供完整的数据及技术手段。设备监督系统主要用于对组态现场的设备界面进行监督,对现场设备的运行状态进行显示,对现场设备运行故障进行报警,对历史故障进行统计查询,对设备的启停进行控制,还包括对设备运行参数的设置。SCADA 系统主要应用于测控点十分分散、分布范围广的生产过程和设备的监控。

3.3 射频识别技术及其应用

RFID 读写器主要用于对悬挂链输送系统的关键部位进行作业指令,当带有 RFID 标签的小车经过读写器时,可以根据标签内容做出作业指令,将小车送到目的地,也可以对小车写入特定的内容,可通过识别信息对整个输送过程进行跟踪以及追溯。RFID 技术无需识别系统与特定目标建立机械或光学接触,就可以实现快速读写、非可视的识别、移动识别、多目标识别、定位以及长期的跟踪管理,读取速度快,读取信息准确可靠。

3.4 悬挂运输系统

悬挂运输系统是指以连接安装件将特制的轨道吊挂在空中,运行在轨道内的滑车来实现物料的运输和移动。一般来说,悬挂运输系统的结构紧凑,性能较稳定,使用起来可靠方便,广泛应用于飞机制造、汽车、家用电器、服装、烟草等各行各业的流水线作业中。其标准组建包括轨道、连接安装件、滑车等,这些装备在投入运作前必须确保其质量,以保证物资运输的安全性和稳定性,为企业的高效运转提供保障。

3.5 自动导引运输车系统

AGV 系统是指装有电、磁、声、光等导引传感装置,能够根据指示进行自动行走的小车或叉车,可以根据实际情况进行移动,还具有视频监控的功能。AGV 的运输效率很高,还具有节能环保无公害的优势,AGV 系统可以实现柔性运输,使用非常灵活,在许多领域都有应用。AGV 导引传感器是 AGV 能够精确完成指引的基石,常见的电磁导引方式有电磁导引、红外导引、磁带导引、 全球定位系 统(GPS,Global PositioningSystem)导引等。AGV 驱动电机使其运动的基石,运动的稳定性和响应的及时性是衡量驱动电机质量的主要标志。AGV 涉及的方面较多,包括对硬件电路设计的兼容性以及软件控制算法的优化性等,在实际运用中, 应该根据具体的情况进行合理的选择。

3.6 堆垛机系统

自动化立体仓库在现代物流企业和现代化制造产业中有着很广泛的应用,堆垛机是自动化立体仓库的执行机构,货物的出库进库都需要通过堆垛机来完成。堆垛机的运行模式有自动和手动两种,手动模式是通过操作不同的按钮来完成,可以实现对无货仓位的送货操作, 也可以实现对有货仓位的取货操作。自动运行模式可以通过上位机或操作人员实现单循环或连续操作,在进行运作时,堆垛机的行走运动电机和升降运动电机可以同时运转,加快运行速度,提高工作效率。对于堆垛机的控制主要是由伺服电机进行定位,程序设计中控制系统设计采用表指令来对立体化仓库进行货物的进出控制, 其可靠性很高,不需要安装物料检测传感器。

4 结语

关于工业 4.0, 其电气自动化技术包含的内容范围很广泛,对其的研究应该从不同的技术出发,进行全面综合的探讨,才能在其应用上有着准确的把握,关于物流自动化架构的应用,在我国的各大企业中都发挥着重要作用,在促进企业快速高效运转上,工业 4.0 功不可没, 以 PLC 为基础,通过 Profinet/Profibus 为架构的电气架构技术在物流方面的应用是很广泛的。


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