《自动化控制系统培训》课件

自动化控制系统培训欢迎参加自动化控制系统培训课程！本次培训包含张系统化知识导学，全50面覆盖工业、生产和楼宇自动化领域的核心知识和应用技能我们将从基础理论到实际应用，从系统设计到运维管理，为您提供全方位的自动化控制系统专业知识无论您是初学者还是有经验的从业人员，本课程都将助您提升专业技能，跟上行业发展步伐课程目标与内容概览掌握自动化基础知识理解自动化控制系统的基本原理、发展历程及分类，建立完整的知识体系框架学习核心技术深入了解、、等关键技术，以及传感器、执行器等核心PLC DCSSCADA元件的工作原理实践应用能力通过行业案例分析，掌握系统设计、调试、维护的实用技能，提升实际工作解决问题的能力把握行业趋势了解智能制造、工业互联网等前沿发展方向，为职业发展奠定基础自动化的定义与发展历程1世纪初19机械自动化的雏形出现，詹姆斯瓦特的离心调速器被视为最早的自动·控制装置之一2世纪年代2030-40经典控制理论形成，奈奎斯特和波德的频率响应方法奠定了控制理论的基础3世纪年代2060现代控制理论发展，以状态空间方法为代表，计算机控制开始应用于工业领域4世纪至今21智能控制、分布式控制系统广泛应用，工业和人工智能引领自动

4.0化新方向自动化控制系统的基本组成传感器控制器系统的眼睛，将物理信号转换为电信号，监测系统状态和环境参数系统的大脑，负责逻辑判断和指令发出，包括、、单片机等PLC DCS执行器系统的手臂，接收控制信号并执行动作，如电机、阀门、气缸等人机界面反馈环节系统的窗口，实现操作人员与设备的交互，显示系统状态和参数系统的神经，将执行结果反馈给控制器，形成闭环控制自动化控制系统分类按控制方式分类按信号特性分类按时间特性分类开环控制系统无反馈调节，输出不影线性系统满足叠加原理，易于分析，连续系统信号在时间上连续变化，适响输入，结构简单但精度较低大多数控制系统在小范围工作点附近可用于模拟量控制视为线性闭环控制系统有反馈调节，输出通过离散系统信号在时间上离散采样，适反馈影响输入，可自动纠正偏差，精度非线性系统不满足叠加原理，分析复用于计算机控制系统高但结构复杂杂但更符合实际物理特性控制系统中的主要元件传感器类型及原理执行器类型温度传感器热电偶、热电阻、红电动执行器各类电机、电磁阀、••外测温电动阀压力传感器压电式、电容式、应液压执行器液压缸、液压马达、••变式液压阀流量传感器电磁式、涡街式、超气动执行器气缸、气动阀门、气••声波动马达位置传感器光电式、霍尔式、电•感式控制器种类可编程逻辑控制器•PLC分布式控制系统•DCS单片机与嵌入式控制器•工业计算机与•PAC典型自动化系统结构图企业管理层系统，负责生产计划、质量管理、成本控制等ERP/MES监控层系统，负责数据采集、监视和控制，包括操作员站、工程师站、历史服务器等SCADA控制层控制系统，执行自动控制功能，包括控制器、模块、通信网络等DCS/PLC I/O现场设备层传感器、执行器、智能仪表等，直接与生产过程交互自动化系统常用信号介绍信号类型特点应用场景常见标准电流模拟量抗干扰能力强，现场仪表信号4-20mA适合远距离传传输输电压模拟量分辨率高，响近距离信号传±0-10V,10V应快输开关量只有两种状态，状态指示、启24VDC,结构简单停控制220VAC脉冲信号频率或占空比速度测量、流TTL/CMOS携带信息量计数电平数字通信信息量大，抗智能设备间通RS485,干扰能力强信Profibus基础知识PLC定义与特点主要品牌模块I/O可编程逻辑控制器，是一西门子、施耐数字量输入输出模块、模Siemens/种专用于工业控制的数字德、罗克韦尔拟量输入输出模块、特殊Schneider/运算操作电子系统，具有、三菱功能模块高速计数、通信、Allen-Bradley可靠性高、抗干扰能力强、、欧姆龙温度测量等Mitsubishi编程简单等特点等Omron应用领域机械制造、流水线控制、过程控制、楼宇自动化等各行各业的自动化控制系统中指令系统与编程方法PLC梯形图LD最常用的编程语言，类似于继电器控制电路PLC指令表IL类似汇编语言的文本编程方式功能块图FBD图形化的逻辑框图编程方式顺序功能图SFC适合表达顺序控制过程的图形化编程语言结构化文本ST类似高级编程语言的文本编程方式传感器技术详解温度传感器热电偶利用两种不同金属接触产生的热电动势测量温度，适用于℃℃的宽广测温范围；热电阻利用金属电阻随温度变化的特性测量温度，精度高但测温范围较-200~1800窄℃℃-200~800压力传感器压电式利用压电晶体受力产生电荷的特性测量压力；电容式利用压力引起电容变化测量；应变式利用应变片变形产生电阻变化测量压力，应用最为广泛流量传感器电磁流量计适用于导电液体测量；超声波流量计无接触测量，不影响流体；涡街流量计结构简单，维护量小，但不适用于低流速；科氏力质量流量计测量精度高，但成本较高执行器与驱动单元电动执行机构包括各类电机及电动阀门，控制精度高，响应快液压执行机构输出力大，适合大负载控制，但系统复杂气动执行机构结构简单，本质安全，适合易燃易爆环境自动化通信协议工业自动化领域常用的通信协议包括现场总线类、、、串行通信类、、工业以太网类、Profibus FoundationFieldbus DeviceNetModbus HARTProfinet、以及无线通信技术、、不同协议适用于不同应用场景，选择合适的通信协议对系统的可靠性和性能至关EtherNet/IP ModbusTCP WLANZigbee LoRa重要（集散控制系统）介绍DCS定义与特点与比较DCS DCS PLC集散控制系统是一种分布式控系统更适合大型连续过程控制，而更适合离散控制Distributed ControlSystem DCSPLC制系统，将控制功能分散到多个控制单元，由通信网络连接形成两者的主要区别一个整体系统具有高可靠性、强大的过程控制能力和友好的组态环境方面DCSPLC控制功能分散、监控功能集中•规模大型系统中小型系统冗余设计确保系统高可靠性•应用连续过程离散控制开放的系统架构便于扩展•冗余全面冗余部分或无系统基础SCADA100+24/7监控点数量运行时间典型系统可监控上百甚至上千个全天候不间断运行，保障生产安全SCADA现场点位5-10平均响应时间单位为秒，是系统性能的关键指标数据采集与监控系统是一种通过计算机对远程设备进行监控和控制的系统SCADA它广泛应用于电力、石油、天然气、自来水、化工等行业系统由主站、通信SCADA网络和远程终端单元组成，具有数据采集、设备控制、报警管理、历史记录、RTU趋势分析等功能上位机与人机界面（）HMI监视功能实时显示设备状态、工艺参数和生产数据操作功能设定参数、启停设备、切换工作模式报警功能异常情况声光报警、记录和处理趋势分析历史数据存储、曲线显示和数据分析控制系统设计流程方案设计需求分析系统结构设计、控制算法选择、硬件选型明确控制对象特性、控制目标和技术指标详细设计电气原理图、接线图、程序设计、界面设计验收评估实施调试功能测试、性能评估、文档完善硬件安装、软件调试、系统联调系统仿真与验证1建立数学模型2选择仿真工具通过理论分析或试验辨识，建立被控对象的数学模型，为根据系统特点选择适合的仿真软件，如仿真分析提供基础、或专业仿真工具Matlab/Simulink LabVIEW3构建仿真环境4运行仿真分析在仿真软件中构建完整控制系统模型，包括控制器、被控设定不同工况和参数，观察系统响应，分析性能指标，优对象、传感器等化控制方案控制算法简介控制先进控制算法PID比例积分微分控制是工业控制中最常用的算法，结构简单但针对控制的局限性，工业中也应用了多种先进控制算法--PID效果良好模糊控制基于模糊集合和模糊规则•比例减小稳态误差，加快响应速度•P自适应控制参数可根据系统变化自动调整•积分消除静态误差•I预测控制基于系统模型预测未来行为•微分预测误差变化趋势，抑制超调•D最优控制寻求最优控制策略•经典控制理论与现代控制理论经典控制理论现代控制理论时域分析单位阶跃响应、稳态状态空间分析状态变量、状态••误差方程频域分析波特图、奈奎斯特图、最优控制性能指标最优化••根轨迹适用于多输入多输出复杂系统•适用于单输入单输出线性定常系•数学性强，计算机实现方便•统直观性强，物理意义明确•非线性系统控制李雅普诺夫稳定性分析•描述函数法•相平面分析法•反馈线性化•现场仪表与过程自动化水泥生产过程水泥生产线自动化控制系统主要包括原料配料、生料磨、回转窑、水泥磨等环节的控制通过实现全流程的优化控制，提高产品质量的稳定性，降低能耗DCS化工生产过程化工过程自动化强调安全与工艺参数精确控制通过先进过程控制技术，实现关键参数如温度、压力、流量、液位的精确控制，确保产品质量与生产安全APC电力生产过程电厂自动化系统包括锅炉自动化控制系统、汽轮机自动化控制系统、电气自动化控制系统等子系统，实现机组的安全、高效、经济运行BCS TCSECS运动控制与伺服系统楼宇自动化系统照明控制系统智能照明管理，节能高效暖通空调系统精确温湿度控制，提高舒适度安防监控系统全方位安全保障消防系统快速火灾探测与处理设备管理系统电梯、给排水等核心设备监控智能制造与工业

4.0智能装备工业互联网云平台工业机器人、智能生产线、通过工业以太网、等技利用云计算技术，实现资5G自动搬运系统等智术，实现设备互联互通，源的弹性配置，为数据分AGV能化设备的广泛应用，实构建设备、产品、服务全析、远程监控提供强大的现生产过程的高度自动化生命周期的数据闭环计算能力人工智能通过机器学习、深度学习等技术，实现设备故障预测、生产优化决策、质量智能检测等高级功能自动化控制系统集成案例泵站系统架构主要功能效益分析泵站自动化系统采用三层架构现场层泵机组自动轮换运行，均衡设备磨损系统实施后，泵站运行效率提升，•25%（各类传感器、泵机组、阀门等执行能耗降低，维护成本降低，人30%40%器）、控制层（控制系统）、管理力成本降低系统投资回收期约PLC水位、流量、压力等参数实时监测60%•层（监控系统）系统通过工业年，具有显著的经济和社会效益SCADA

1.5能耗优化控制，降低运行成本•以太网实现各层级的数据交互和信息共故障自动诊断与报警•享远程监控与无人值守运行•自动化项目实施步骤前期准备现场勘察、需求分析、方案论证了解用户需求和生产工艺•现场环境及设备情况调研•编制项目建议书和初步方案•方案设计系统架构设计、设备选型、软件规划编制详细的技术方案•控制系统硬件配置与选型•软件功能规划与界面设计•项目实施设备安装、系统集成、软件开发控制系统硬件安装与接线•控制程序编写与调试•上位机软件开发与人机界面设计•系统调试单元测试、系统联调、试运行各单元功能测试•整体系统联合调试•模拟各种工况的系统试运行•验收交付用户培训、系统验收、技术文档交付操作人员和维护人员培训•系统功能和性能验收•完整技术文档交付•系统调试与常见故障排查硬件检查电源、接线、通信连接软件分析程序逻辑、参数设置功能测试模块功能、系统联动问题处理故障修复、系统优化运行状态监测与预警运行参数监测实时采集电机电流、温度、振动、压力等关键参数，建立设备运行状态数据库，为预测性维护提供基础数据异常报警管理设置多级报警阈值，实现早期预警；建立报警过滤和优先级管理机制，减少误报和报警风暴智能诊断分析利用机器学习算法，分析设备运行数据的变化趋势，识别潜在故障模式，提前预测可能发生的故障远程监控与通知通过实现随时随地查看设备状态；建立短信、邮件、推送等Web/App App多渠道报警通知机制维护管理与生命周期预防性维护预测性维护按照设备使用手册和维护规程，定期进通过状态监测和趋势分析，预测可能的行检查、清洁、润滑等工作故障，在故障发生前采取措施改进性维护校正性维护4基于历史数据分析，对系统进行优化和发生故障后的维修工作，快速响应并恢升级，提高可靠性和性能复设备正常运行自动化系统安全基础工控系统安全案例解析震网病毒Stuxnet年，针对伊朗核设施的定向攻击，通过感染西门子控制系2010PLC统，导致铀浓缩离心机损坏乌克兰电网攻击年月，黑客攻击乌克兰电力公司系统，导致大规模201512SCADA停电，影响约万用户233德国钢铁厂事件年，黑客通过鱼叉式钓鱼邮件入侵办公网络，进而渗透到生产2014网络，导致高炉无法正常关闭恶意软件TRITON年，针对中东某石化厂安全仪表系统的攻击，意图破坏安2017SIS全保护机制，可能导致严重的安全事故自动化控制中的应用UPS类型选择容量配置原则维护检查要点UPS在线式电力质量最好，零切换时计算实际负载功率需求定期检查电池电压和状态•••间，适合关键控制系统考虑启动电流和功率因数清洁散热系统和通风口••在线互动式平衡性能与成本，适•预留的容量余量检查输入输出电压和频率•30%-50%•合一般控制系统根据备用时间确定电池容量定期进行放电测试••后备式成本低但切换时间较长，•确认通信和报警功能正常•适合非关键场合控制系统示例分析一控制系统示例分析二初始参数设置PID根据经验或整定规则设置初始参数PID系统响应测试观察系统在设定值变化时的响应曲线参数调整根据响应特性调整、、参数P ID性能验证验证系统稳定性、响应速度和稳态精度控制系统示例分析三智能决策层优化目标和控制策略高级控制层模糊控制、神经网络、专家系统基础控制层控制、逻辑控制PID现场设备层传感器、执行器典型行业应用场景一水泥生产工艺流程控制难点解决方案水泥生产工艺主要包括原料准备、生料回转窑温度控制精度要求高采用系统实现全厂集中控制，结合•DCS制备、熟料煅烧、水泥粉磨和包装发运专家系统和模糊控制算法优化回转窑操多变量、强耦合、大滞后特性•五个阶段其中熟料煅烧是核心工序，作通过在线分析仪实时监测物料成分，原料成分波动对工艺影响大•通过回转窑将生料煅烧成熟料自动调整配料比例建立能耗管理系统，能耗控制与产品质量平衡•实现能耗与质量的最优平衡典型行业应用场景二电厂自动化锅炉控制系统汽轮机控制系统电气控制系统锅炉控制系统是电厂自动化系统的汽轮机控制系统负责调节主汽门开电气控制系统包括发电机控制、厂BCS TCSECS核心组成部分，负责燃烧控制、给水控制、度、控制转速、保护监视等功能现代用电系统控制、配电系统控制等通过电蒸汽温度控制等功能现代锅炉控制系统系统通常采用数字电液控制技气自动化系统，可实现电压自动调节、无TCS DEH采用协调控制策略，能够在负荷变化时保术，具有响应快、可靠性高的特点，能够功功率控制、自动并网等功能，确保电力持各参数的协调平衡，提高锅炉运行效率实现机组的精确调节和快速保护系统的稳定运行和安全性典型行业应用场景三化工过程

99.9%15%产品质量合格率能源消耗降低先进控制技术有效提高产品质量稳定性通过优化控制策略显著减少能源消耗30%生产效率提升自动化系统优化生产流程，提高设备利用率化工过程自动化控制系统需要处理复杂的多变量控制问题，同时满足安全、质量、环保和效益的多重要求先进过程控制技术如模型预测控制在化工行业得到广泛应用，APC MPC能够处理复杂的约束条件，实现多目标优化控制数据闭环和优化控制是化工过程控制的核心，通过实时监测、分析和调整，保持工艺参数在最佳工作点典型行业应用场景四冶金、石油、燃气冶金行业自动化石油行业自动化冶金行业自动化系统主要涉及石油行业自动化系统覆盖油田高炉、转炉、连铸、轧制等工开采、原油炼制、石化加工等序的控制高炉炉温控制、转环节油井远程监控、炼油装炉吹氧控制、连铸二次冷却控置先进控制、油气管道SCADA制和轧机控制是冶金自动系统是石油行业自动化的重点AGC化的关键技术，直接影响产品应用，对保障生产安全、提高质量和生产效率产品质量具有重要意义燃气行业自动化燃气行业自动化系统包括气源站控制、管网调度、用户计量等方面城市燃气系统能够实现管网压力自动调节、泄漏监测和紧急切断，是SCADA确保燃气供应安全稳定的关键技术智能控制前沿技术智能控制是自动化领域的前沿技术，主要包括专家系统、模糊控制、神经网络和强化学习等方向专家系统将人类专家的知识和经验编码为规则库，适用于经验丰富但难以精确建模的场合；模糊控制能够处理不精确和不确定性信息，特别适合复杂非线性系统；神经网络具有自学习能力，可用于系统辨识和复杂映射；强化学习通过与环境交互不断改进控制策略，是人工智能在控制领域的最新应用系统兼容与可扩展性设计标准化接口设计采用开放的标准通信协议如、，确保与不同厂商设备的互Modbus OPCUA操作性建立统一的数据交换格式，便于系统集成和信息共享模块化系统架构将系统功能按照业务逻辑划分为相对独立的功能模块，模块之间通过标准接口交互采用松耦合设计，使各模块可以独立开发、测试和升级容量预留与弹性扩展在硬件配置上预留足够的点数、通信带宽和存储空间，以应对未来I/O扩展需求软件设计考虑水平扩展和垂直扩展能力，支持系统功能和规模的动态增长版本兼容与平滑升级建立严格的版本管理机制，确保新版本兼容旧版本数据和功能提供平滑升级路径，避免系统升级对生产运行的影响自动化系统标准与规范标准领域代表性标准适用范围功能安全安全相关控制系统设计IEC61508,IEC61511与实施工业通信工业总线与通信网络IEC61158,IEC61784编程语言编程语言规范IEC61131-3PLC系统集成企业控制系统集成与批ISA-95,ISA-88次控制网络安全工控系统网络安全IEC62443,NISTSP800-82国家标准中国工业自动化系统相GB/T20439,关标准GB/T29848自动化系统经济性分析系统节能与绿色自动化节能控制算法能源管理系统案例分析绿色自动化系统采用多种节能控制算法，能源管理系统是绿色自动化的核某化工企业通过实施绿色自动化系统，EMS优化系统运行效率心平台，主要功能包括取得显著成效负荷预测与优化调度能源消耗实时监测电能消耗降低•••18%设备启停优化控制能耗指标统计分析蒸汽消耗降低•••22%变频调速节能控制能耗异常预警用水量降低•••15%峰谷电价优化运行节能潜力评估碳排放减少约万吨年•••2/设备效率在线监测与优化节能改造效果验证投资回收期仅年•••

1.8智能运维与远程支持设备状态监测预测性维护远程诊断通过传感器实时监测设利用大数据分析和人工通过安全的远程连接，备运行参数，如温度、智能技术，分析设备历专家可以远程访问系统，振动、电流等，建立设史数据和当前状态，预查看实时数据和历史记备健康状态模型，及早测可能发生的故障，制录，进行故障诊断和问发现潜在问题定最优维护计划题排查增强现实辅助利用技术，现场维护AR人员可以获得直观的维修指导，提高维修效率和准确性工业互联网与大数据应用数据存储数据采集利用云平台和分布式存储技术保存海量数据通过各类传感器和智能设备采集生产过程中的数据数据分析应用大数据分析和人工智能技术挖掘数据价值持续改进决策优化通过数据闭环，实现生产过程的持续优化基于数据分析结果优化生产决策和控制策略人才能力模型与岗位要求自动化工程师自动化工程师主要负责自动化系统的设计、编程和调试工作需要掌握自动控制理论、编程、工业通信等技术，具备电气工程、自动化等相关专业背景核心能力PLC/DCS包括控制系统设计、逻辑编程、故障诊断和问题解决能力自动化运维工程师自动化运维工程师负责自动化系统的日常运行维护和故障处理需要熟悉电气设备、仪表、控制系统的工作原理和维护方法，具备较强的实际操作能力和故障分析能力要求能够快速响应现场问题，确保系统安全稳定运行自动化项目经理自动化项目经理负责自动化项目的整体规划、组织和管理需要具备扎实的自动化技术基础和丰富的项目管理经验，熟悉项目管理方法论核心能力包括需求分析、方案设计、团队管理、风险控制和沟通协调能力培训考试与能力复盘10010知识点总数实战案例本课程覆盖自动化领域核心知识点通过典型案例加深理解和应用80合格分数线考核评分标准（满分分）100培训考核采用理论测试与实际操作相结合的方式，全面评估学员的知识掌握程度和实际应用能力理论测试包括单选题、多选题和简答题，重点考察基础概念和原理；实际操作考核要求学员完成指定的控制系统设计、编程或故障排查任务，评估动手能力和问题解决能力考核结果将作为能力评定和后续培训规划的重要依据课堂案例回顾与答疑常见问题一选型依据常见问题二闭环控制不稳定PLC原因选型应综合考虑点数、控制PLC I/O性能、通信需求、编程功能、可靠性闭环控制系统不稳定常见原因包括和成本等因素对于简单的离散控制，参数设置不合理比例增益过大、PID可选择小型；对于复杂的过程控传感器信号噪声干扰大、执行器响应PLC制，建议选择中大型或系统滞后或不线性、控制周期设置不当、PLC DCS特殊行业如石化、电力等，还需考虑被控对象特性变化等解决方法是合冗余、安全等级等特殊要求理整定参数、改善信号质量、优PID化控制算法或采用先进控制策略常见问题三工控网络通信故障工控网络通信故障常见原因有物理连接问题接线、接地、通信参数设置错误波特率、校验位、通信协议不兼容、网络拓扑不合理、电磁干扰严重等排查方法是逐级检查物理连接、参数设置、使用协议分析仪器分析通信数据、检测电磁环境等课程总结与展望知识体系构建本课程系统介绍了自动化控制的基础理论、核心技术和应用实践，帮助学员建立完整的知识体系实践能力提升通过案例分析和实际操作，提升学员的系统设计、问题解决和项目实施能力3行业应用拓展介绍了水泥、电力、化工等多个行业的自动化应用，拓宽学员的视野和适用领域未来发展方向人工智能、大数据、工业互联网等新技术将深刻变革自动化领域，智能制造、预测性维护、数字孪生将成为主要发展趋势。