現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)原理及組成

1、 原理及其組成2009年11月彭一江一、概述二、系統(tǒng)組成三、常用器件四、實例分析五、結(jié)束語 自動化(Automation)，是指機(jī)器或裝置在無人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或指令自動地進(jìn)行操作或運行。 自動化裝置是指無需人的參與就可以自動進(jìn)行工作，完成特定任務(wù)的機(jī)器。 工業(yè)自動化系統(tǒng)是運用控制理論、儀器儀表、計算機(jī)和其它信息技術(shù)，對工業(yè)生產(chǎn)過程實現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，以達(dá)到增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低消耗、確保安全為目標(biāo)的集成系統(tǒng)。 自動化技術(shù)發(fā)展是伴隨著人類各個領(lǐng)域的科技發(fā)展而發(fā)展起來的。人們在幾千年的生產(chǎn)過程中，為了多快好省地生產(chǎn)出自己需要的東西，發(fā)明了很多能夠替代人來工作的自動裝

2、置。 古代人在河流上建造可以通過水的沖擊帶動輪子轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)灌溉、碾米等工作的水車、磨坊。 近代人創(chuàng)造出的許多諸如鐘表、蒸汽機(jī)速度調(diào)節(jié)控制等等的自動裝置，到十八世紀(jì)末自動裝置的應(yīng)用和研究使得自動化技術(shù)初具雛形。 直到上世紀(jì)四十年代末，美國數(shù)學(xué)家維納與墨西哥生物學(xué)家羅森布盧特合作，提出了自動化的理論基礎(chǔ)著作控制論。標(biāo)志著自動化技術(shù)的正式誕生。 自動化技術(shù)從誕生到現(xiàn)在，已取得了長足進(jìn)步，逐步走向成熟。自動化技術(shù)為生產(chǎn)力的發(fā)展起著巨大的作用，實現(xiàn)了人們擺脫繁重勞動和駕馭復(fù)雜系統(tǒng)的愿望。同時,自動化技術(shù)也在應(yīng)用中得到不斷發(fā)展和完善。人們在自動化技術(shù)應(yīng)用中發(fā)展了各種理論以及設(shè)計了各種設(shè)備和自動化裝置，并在

3、各個領(lǐng)域大顯身手，如飛機(jī)導(dǎo)航、交通運輸、導(dǎo)彈控制、智能樓宇、現(xiàn)代化工廠中到處都有自動化技術(shù)的應(yīng)用。 隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、光電技術(shù)、信息技術(shù)以及現(xiàn)代控制方法與理論的發(fā)展，今天的自動化技術(shù)正以嶄新的面貌在各個領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，以現(xiàn)代自動控制理論為基礎(chǔ)的現(xiàn)代工業(yè)化系統(tǒng)展現(xiàn)出其無限美好的發(fā)展前景。 一個自動化系統(tǒng)無論結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜都有下面幾個主要組成部分：一個自動化系統(tǒng)無論結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜都有下面幾個主要組成部分：l檢測器：主要是獲得反饋信息，計算目標(biāo)值與實際值之間的差值；檢測器：主要是獲得反饋信息，計算目標(biāo)值與實際值之間的差值；l控制器：相當(dāng)于大腦在分析決策上的作用，適時地決定系統(tǒng)應(yīng)該實施控制

4、器：相當(dāng)于大腦在分析決策上的作用，適時地決定系統(tǒng)應(yīng)該實施怎樣的調(diào)節(jié)控制；怎樣的調(diào)節(jié)控制；l執(zhí)行器：完成控制器下達(dá)的決定；執(zhí)行器：完成控制器下達(dá)的決定；l對象：對象： 被控制的客觀實體。被控制的客觀實體?？刂破?執(zhí)行器檢測器過程對象反饋信號輸入信號輸出信號控制信號l自動控制是基于反饋的技術(shù)。反饋理論的要素包括三個部分：測量、自動控制是基于反饋的技術(shù)。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用兩者之間的偏比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用兩者之間的偏差來糾正調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)。因此，自動化技術(shù)的核心思想是反饋，差來糾正調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)。因此，自動化技術(shù)的

5、核心思想是反饋，通過反饋建立起輸入（原因）和輸出（結(jié)果）之間的聯(lián)系。使控制通過反饋建立起輸入（原因）和輸出（結(jié)果）之間的聯(lián)系。使控制器可以根據(jù)輸入與輸出的實際情況來決定控制策略，以便達(dá)到預(yù)定器可以根據(jù)輸入與輸出的實際情況來決定控制策略，以便達(dá)到預(yù)定的系統(tǒng)功能。的系統(tǒng)功能。l系統(tǒng)構(gòu)成前向通道和反饋通道兩個通道，前向通道是任務(wù)執(zhí)行的功系統(tǒng)構(gòu)成前向通道和反饋通道兩個通道，前向通道是任務(wù)執(zhí)行的功能主體。能主體。X XY YK KF FG GXXY YX = x0,x1,x2,xn Y = y0,y1,y2,yn 主要組成部分及其作用主要組成部分及其作用l控制器系統(tǒng)的大腦控制器系統(tǒng)的大腦 自動控制系統(tǒng)中

6、控制器在整個系統(tǒng)中起著重要的作用，扮演著系統(tǒng)管理和組織核心的角色。系統(tǒng)性能的優(yōu)劣很大程度上取決于控制器的好壞。l執(zhí)行器系統(tǒng)的手腳執(zhí)行器系統(tǒng)的手腳 執(zhí)行器在自動控制系統(tǒng)中的作用就是相當(dāng)于人的四肢，它接受調(diào)節(jié)器的控制信號，改變操縱變量，使生產(chǎn)過程按預(yù)定要求正常運行。在生產(chǎn)現(xiàn)場，執(zhí)行器直接控制工藝介質(zhì)，若選型或使用不當(dāng)，往往會給生產(chǎn)過程的自動控制帶來困難。因此執(zhí)行器的選擇、使用和安裝調(diào)試是個重要的環(huán)節(jié)。傳感器被用來測量各種物理量，種類有溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器等等。傳感器要滿足可靠性的要求，從傳感器的輸出信號中得到被測量的原始信息，如果傳感器不穩(wěn)定，那么對同樣的輸入信號，其輸出信號就不一樣

7、，則傳感器會給出錯誤的輸出信號，也就失去了傳感器應(yīng)有的作用。 PID控制比例、積分、微分 PID控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。 現(xiàn)代控制最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、預(yù)測控制、 自學(xué)習(xí)控制。 智能控制模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)l順序控制開關(guān)邏輯控制順序控制開關(guān)邏輯控制 如：繼電器矩陣控制、可編程序控制器 I/O模塊輸入輸出控制。l回路控制連續(xù)調(diào)節(jié)控制回路控制連續(xù)調(diào)節(jié)控制 如： FM 458-1 DP 應(yīng)用模塊專為自由組態(tài)的高性能閉環(huán)控制和技術(shù)應(yīng)用（如運動控制）而設(shè)

8、計。 現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)是在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)大型化、連續(xù)化、高速化、現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)是在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)大型化、連續(xù)化、高速化、快節(jié)奏生產(chǎn)的必然產(chǎn)物?？旃?jié)奏生產(chǎn)的必然產(chǎn)物。 基礎(chǔ)自動化基礎(chǔ)自動化L1（控制層）：現(xiàn)場設(shè)備控制系統(tǒng)（控制層）：現(xiàn)場設(shè)備控制系統(tǒng) 過程自動化過程自動化L2（運行層）：生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)（運行層）：生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng) 工廠自動化工廠自動化L3（管理層）：（管理層）：MES制造執(zhí)行系統(tǒng)制造執(zhí)行系統(tǒng) 企業(yè)自動化企業(yè)自動化L4（經(jīng)營層）：（經(jīng)營層）：ERP企業(yè)資源規(guī)劃企業(yè)資源規(guī)劃 工業(yè)自動化最新技術(shù)：工業(yè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)工業(yè)自動化最新技術(shù)：工業(yè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 組成工業(yè)自動化系統(tǒng)的最

9、基本的單元器件：各類電器：主令器、斷路器、接觸器、繼電器、驅(qū)動器等；各類儀表： 傳感器、熱工儀表、專用儀表等；各類計算機(jī)：可編程序控制器、工業(yè)計算機(jī)等。l通用控制器通用控制器可編程控制器可編程控制器PLC PLC是將邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作，是將邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作，以指令的形式存貯于可編程的存儲器中，并經(jīng)過數(shù)字式或模擬式以指令的形式存貯于可編程的存儲器中，并經(jīng)過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出部件，對生產(chǎn)設(shè)備和過程進(jìn)行控制的數(shù)字運算操作電的輸入輸出部件，對生產(chǎn)設(shè)備和過程進(jìn)行控制的數(shù)字運算操作電子裝置。子裝置。 PLC是基于計算機(jī)技術(shù)和自動控制理論發(fā)展而

10、來的，它既不同于是基于計算機(jī)技術(shù)和自動控制理論發(fā)展而來的，它既不同于普通的計算機(jī)，又不同于一般的計算機(jī)控制系統(tǒng)，作為一種特殊普通的計算機(jī)，又不同于一般的計算機(jī)控制系統(tǒng)，作為一種特殊形式的計算機(jī)控制裝置，它在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件組成，軟件結(jié)構(gòu)以形式的計算機(jī)控制裝置，它在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件組成，軟件結(jié)構(gòu)以及及I/O通道，用戶界面諸多方面都有其特殊性。通道，用戶界面諸多方面都有其特殊性。l專用控制器專用控制器 溫度調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器等。溫度調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器等。 l電動調(diào)節(jié)裝置電動調(diào)節(jié)裝置l伺服閥伺服閥l電磁閥電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整

11、介質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥不但能夠應(yīng)用在氣動質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥不但能夠應(yīng)用在氣動系統(tǒng)中，在油壓的系統(tǒng)、水壓的系統(tǒng)中也能夠得到相同或者類似的系統(tǒng)中，在油壓的系統(tǒng)、水壓的系統(tǒng)中也能夠得到相同或者類似的應(yīng)用應(yīng)用.l步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛廣泛 應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。 電磁換向閥 電磁閥 步進(jìn)電機(jī)壓力儀表、溫度儀表、電壓電流檢測儀表、各類傳感器、各種特殊儀表。壓力儀表、溫度儀表、電壓電流檢測儀表、各類傳感器、各種特殊儀表。電磁傳感器 溫度傳感器 超聲波

12、傳感器 壓力傳感器 光纖傳感器 顯示儀表 編碼器 l交換器、集線器交換器、集線器HUB、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。 鈦金板帶軋機(jī)二級自動化系統(tǒng)鈦金板帶軋機(jī)二級自動化系統(tǒng)l典型工業(yè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)：典型工業(yè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)：L1+L2 機(jī)電系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng) + 計算機(jī)系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng) + 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)拓?fù)?生產(chǎn)過程控制生產(chǎn)過程控制l集成的三電一體化系統(tǒng)：集成的三電一體化系統(tǒng)： 電氣設(shè)備、電子儀表、電子計算機(jī)電氣設(shè)備、電子儀表、電子計算機(jī) + 聯(lián)網(wǎng)通信聯(lián)網(wǎng)通信電磁傳感器 鈦金板帶軋機(jī)二級自動化系統(tǒng)配置圖鈦金板帶軋機(jī)二級自動化系統(tǒng)配置圖l1、電氣驅(qū)動系統(tǒng)、電氣驅(qū)動系統(tǒng) 設(shè)備運行控制、電機(jī)調(diào)

13、速控制、機(jī)械運動控制、流體介質(zhì)控制。包括：設(shè)備運行控制、電機(jī)調(diào)速控制、機(jī)械運動控制、流體介質(zhì)控制。包括： 可回饋交可回饋交/直整流逆變器直整流逆變器+公共直流母線公共直流母線+可回饋逆變器（可回饋逆變器（TDC控制）、控制）、ACS800系列驅(qū)動控制器系列驅(qū)動控制器 、電機(jī)控制中心、電機(jī)控制中心MCC等。等。l2、儀表檢測系統(tǒng)、儀表檢測系統(tǒng) 過程參數(shù)傳感器、信號變換、采集、處理、傳輸。包括：過程參數(shù)傳感器、信號變換、采集、處理、傳輸。包括： 板形儀、板形儀、X射線測厚儀、激光測速儀、張力計、輥縫位置傳感器、軋輥壓力傳射線測厚儀、激光測速儀、張力計、輥縫位置傳感器、軋輥壓力傳感器、線性絕對值編碼

14、器，旋轉(zhuǎn)多圈絕對值編碼器，接近開關(guān)，溫度傳感器，感器、線性絕對值編碼器，旋轉(zhuǎn)多圈絕對值編碼器，接近開關(guān)，溫度傳感器，壓力傳感器等。壓力傳感器等。 l3、計算機(jī)控制系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng) 控制模型、實時過程數(shù)據(jù)采集、狀況分析、決策指令、系統(tǒng)管理、生產(chǎn)管理?？刂颇Ｐ?、實時過程數(shù)據(jù)采集、狀況分析、決策指令、系統(tǒng)管理、生產(chǎn)管理。包括：包括： 硬件配置：硬件配置：L1基礎(chǔ)控制器基礎(chǔ)控制器 AC800 PEC，L2服務(wù)器服務(wù)器/工作站工作站/工程師站、工程師站、PDA遠(yuǎn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集機(jī)程數(shù)據(jù)采集機(jī)(IBA FOB-2i采集卡采集卡)； 軟件配置：軟件配置：Windons XP, Windows Server2003、Control IT基礎(chǔ)開發(fā)軟件、上基礎(chǔ)開發(fā)軟件、上位組態(tài)軟件自動化擴(kuò)展系統(tǒng)位組態(tài)軟件自動化擴(kuò)展系統(tǒng)800XA、IBA-PDA軟件包、數(shù)據(jù)庫管理軟件等軟件包、數(shù)據(jù)庫管理軟件等 。l4、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng) 總線拓?fù)洹⑾到y(tǒng)集成、通信協(xié)議、信息交換。包括：總線拓?fù)洹⑾到y(tǒng)集成、通信協(xié)議、信息交換。包括： 工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)+DP網(wǎng)、以太網(wǎng)交換器等。網(wǎng)、以太網(wǎng)交換器等。l輥縫和軋制力控制l自動厚度控制l凸度調(diào)整l中間輥竄輥l平直度控制l軋機(jī)順序控制l輔助系統(tǒng)順序控制 l診斷系統(tǒng)具