《工业自动化系统》课件

工业自动化系统工业自动化系统是工业时代的核心技术，代表着现代制造业的发展方向

4.0通过集成先进的控制技术、信息技术和人工智能，工业自动化系统能够显著提高生产效率、产品质量与安全性，同时大幅降低人工成本与错误率在数字化转型的浪潮中，工业自动化不仅仅是简单的机器替代人工，更是一个包含感知、决策、执行和优化的智能化系统从传统的机械自动化到如今的智能制造，工业自动化正在重新定义生产方式，推动制造业向更高效、更灵活、更可持续的方向发展课程内容目录1工业自动化概述2系统基本组成深入了解工业自动化的定义、发展历程和基本原理学习控制器、执行器、传感器等关键组件的作用与特点3控制系统类型4自动化层级结构掌握顺序控制、过程控制、运动控制等不同控制方式理解从现场设备到企业管理的五层自动化架构5关键技术与设备6发展趋势与应用探索先进控制技术、工业网络和智能传感等核心技术分析工业、智能制造的发展趋势和实际应用案例

4.0第一部分工业自动化概述基础概念历史发展核心原理工业自动化的定义与核心理念，理解自从世纪的机械自动化到世纪的智深入理解自动控制、信息处理和执行控1821动化技术如何改变传统制造模式，实现能自动化，追溯工业自动化技术的演进制的基本原理，掌握工业自动化系统运从人工操作向智能控制的转变历程和重要里程碑行的内在逻辑工业自动化的定义技术整合无人操作工业自动化利用控制技术和信息在无人或少人干预的条件下，系技术的深度融合，实现生产过程统能够独立完成复杂的生产任务的自动化运行这种技术整合不这种自主运行能力大大提高了生仅包括硬件设备的协调配合，更产的连续性和稳定性，减少了人重要的是软件算法的智能决策为因素造成的不确定性系统特征现代工业自动化体现为系统化、信息化、智能化的工业生产方式系统各部分协调运作，信息流畅通无阻，智能算法优化决策，共同构成高效的生产体系工业自动化的发展历程1机械自动化阶段世纪的蒸汽机和机械传动系统，开启了自动化的序幕这个阶段主18-19要依靠机械装置实现简单的自动操作，为后续发展奠定了基础2电气自动化阶段世纪初到中期，电气技术的应用使自动化水平大幅提升电动机、继电20器和电气控制回路的普及，实现了更精确的控制和更复杂的自动化功能3电子信息自动化阶段世纪中后期，计算机和电子技术的发展推动了自动化的革命性进步

20、等控制系统的出现，使自动化控制更加灵活和智能PLC DCS4智能自动化阶段世纪至今，人工智能、物联网和大数据技术的融入，开启了智能自动化21新时代系统具备了学习、优化和自适应能力工业自动化的基本原理信息处理系统具备完整的信息处理能力，包括数据采集、传输、处理、存储与应用现自动控制代自动化系统能够处理海量实时数据，为决策提供可靠依据在无人直接参与的情况下，系统按照预先设定的规律自主运行这包括开环控执行控制制和闭环控制两种方式，闭环控制通过反馈机制实现更精确的调节根据控制指令执行相应的操作与动作，将控制决策转化为实际的物理动作执行系统的精度和响应速度直接影响整个自动化系统的性能工业自动化的意义30-50%生产效率提升通过优化生产流程和减少等待时间实现显著的效率改善40-60%缺陷率降低精确控制和质量监测大幅提高产品质量稳定性25-35%人工成本降低减少人工依赖，优化人力资源配置结构85%工伤事故减少危险作业自动化显著提升作业安全水平工业自动化不仅带来了显著的经济效益，更重要的是提升了制造业的整体竞争力通过资源优化利用，能耗可降低，实现了经济效15-20%益与环境效益的双重收获这些数据充分证明了工业自动化在现代制造业中的重要价值和发展潜力第二部分工业自动化系统基本组成控制器系统的核心处理单元，负责信号处理、算法执行和控制决策，是整个自动化系统的大脑执行器将控制信号转化为实际动作的执行部件，如电机、气缸等，是系统的手脚传感器感知外界环境和系统状态的检测装置，为控制系统提供准确的反馈信息通信系统实现各部件间信息交换的网络架构，确保数据传输的实时性和可靠性人机界面操作人员与自动化系统交互的窗口，提供友好的操作和监控界面控制器系统的大脑——核心处理执行复杂控制算法信号处理处理来自传感器的输入信号指令输出向执行器发送控制命令性能决定决定整个系统的响应速度和控制精度控制器作为工业自动化系统的核心，承担着信息处理、逻辑运算和控制决策的重要职责现代控制器不仅具备强大的计算能力，还具有良好的扩展性和通信能力，能够适应复杂多变的工业环境要求常见控制器类型可编程逻辑控制器（）PLC工业标准的数字控制器，具有高可靠性和实时响应能力，广泛应用于离散控制系统编程简单，维护方便，是中小型自动化系统的首选分布式控制系统（）DCS适用于大型连续过程控制的集散型控制系统具有分散控制、集中管理的特点，冗余设计确保系统高可用性运动控制器专门用于精确运动控制的专用控制器，能够实现多轴协调控制，广泛应用于机器人和数控设备中工控机（）IPC基于架构的工业控制计算机，具有开放性好、处理能力强的特点，PC适合复杂算法和大数据处理应用的特点与应用PLC工业级可靠性设计抗干扰能力强，适应恶劣工业环境实时响应能力毫秒级响应速度，满足实时控制要求模块化结构设计灵活配置，易于扩展和维护采用梯形图、功能块图等直观的编程语言，降低了编程门槛，使维护人员能够快速理解和修改程序在离散控制和顺序控制领域，PLC凭借其稳定性和经济性成为最受欢迎的控制解决方案从简单的开关控制到复杂的生产线协调，都能提供可靠的控制性能PLC PLC的特点与应用DCS高冗余设计集中管理模式关键设备采用双重或三重冗余配置，确保分散控制架构通过中央操作站实现全厂范围的统一监控系统在设备故障时仍能正常运行在大型控制功能分散到各个控制站，避免单点故和管理操作员可以在中央控制室掌握整连续生产过程中应用广泛障风险，提高系统整体可靠性每个控制个生产过程的运行状态站独立运行，互不干扰执行器系统的手脚——变量调节动作执行功能占比功能占比35%30%改变温度、压力、流量等操将电信号转化为机械动作••纵变量实现开关、调节、定位等操•信号接收精确调节控制参数作功能多样性•功能占比25%功能占比10%接收控制器发出的指令信号•根据不同应用场景选择合适的执信号格式转换与放大行器类型•常见执行器类型电气执行器包括普通电动机和精密伺服电机，具有控制精度高、响应速度快的特点广泛应用于需要精确位置控制和速度调节的场合，如数控机床、机器人关节等液压执行器利用液压油的压力驱动，能够提供巨大的驱动力适用于重载、大功率的应用场景，如工程机械、大型压机等具有功率密度高、动态响应好的优势气动执行器使用压缩空气作为动力源，结构简单、成本低廉、维护方便在食品、制药等对清洁度要求高的行业广泛应用，特别适合快速开关动作传感器系统的耳目——参数测量精确测量温度、压力、流量、液位等各种物理参数，为控制系统提供准确的过程信息测量精度直接影响控制效果信号转换将物理量转换为标准的电信号输出，如电流信号或电压信4-20mA0-10V号，便于控制器处理和传输反馈提供为闭环控制系统提供实时反馈信息，使控制器能够及时调整控制策略，确保系统稳定运行信息来源作为控制系统获取外界信息的主要途径，传感器的可靠性和准确性是整个自动化系统正常运行的基础常见传感器类型传感器类型测量参数工作原理应用领域温度传感器温度热电效应、电阻加热炉、反应器、变化、红外辐射环境监测压力传感器压力、压差压阻效应、电容管道系统、储罐、变化压缩机流量传感器流量、流速涡轮转速、电磁化工管道、供水感应、超声波系统位置传感器位置、角度光电编码、霍尔数控机床、机器效应人视觉传感器图像、尺寸成质量检测、识别CCD/CMOS像分拣通信系统系统的神经网络——数据传输实现设备间高速、可靠的数据交换设备互联连接不同厂商、不同协议的设备信息共享实现生产信息的集成与共享分层通信构建现场级、控制级、管理级网络工业通信网络是现代自动化系统的重要组成部分，它不仅要保证数据传输的实时性和可靠性，还要具备良好的抗干扰能力和扩展性随着工业的发展，通信网络正向着更高速

4.0度、更大带宽、更低延迟的方向演进工业通信网络类型现场总线技术工业以太网无线通信技术德国西门子推出的现场基于以太网的实时通信工业无线局域网技术•PROFIBUS•PROFINET•WiFi总线标准罗克韦尔的以太网协议过程自动化无线协议•EtherNet/IP•WirelessHART基于总线的设备级•DeviceNet CAN实时以太网技术低功耗无线网络•EtherCAT•Zigbee网络基于的新一代移动通信技术•Modbus TCPTCP/IP•5G应用最广泛的工业通信协•Modbus协议Modbus议过程自动化领域的现场总线•FF人机界面（）系统的对话窗口HMI——状态显示指令接收以图形化方式实时显示系统运行状态、通过触摸屏、按键或鼠标接收操作人员参数值和趋势曲线，让操作人员直观了的指令，实现参数设定、模式切换和设解生产过程支持多种显示格式和自定备启停等操作提供权限管理和操作确义界面认功能报警管理友好交互及时显示系统报警和事件信息，支持报提供直观易懂的操作界面，降低操作难警分类、优先级设定和历史记录查询度支持多语言显示、快捷操作和帮助帮助操作人员快速定位和处理问题信息，提升用户体验第三部分控制系统类型顺序控制系统按时间或逻辑顺序执行控制，适用于生产线和设备启停控制过程控制系统对连续变量进行闭环调节，维持工艺参数稳定运动控制系统精确控制位置、速度和力矩，实现高精度运动监控系统数据采集与远程监视，实现生产过程可视化管理机器视觉系统图像处理与识别，实现自动检测和质量控制顺序控制系统时间顺序控制按预定时间间隔执行控制动作逻辑顺序控制根据条件满足情况逐步推进控制流程典型应用场景电梯运行、包装机操作、自动生产线顺序控制系统是工业自动化中最基础也是应用最广泛的控制方式它通过继电逻辑或程序实现，能够确保设备按照正确的顺序启PLC动和停止，避免操作冲突和安全事故在现代生产线中，顺序控制与其他控制方式相结合，构成了完整的自动化控制解决方案过程控制系统连续变量控制对温度、压力、液位、流量等连续变化的物理量进行精确调节通过闭环反馈控制，确保被控变量始终保持在设定值附近参数稳定维持在外界干扰和负载变化的情况下，自动调节执行器的输出，维持工艺参数的稳定这对保证产品质量和生产安全至关重要广泛行业应用在化工、电力、冶金、石油等过程工业中发挥重要作用通过系统和DCS先进控制算法，实现复杂工艺过程的优化控制控制实现PID主要采用控制算法，结合现代控制理论如预测控制、自适应控制等，PID不断提升控制效果和系统性能运动控制系统精密控制亚微米级定位精度速度控制宽范围速度调节与平滑加减速力矩控制精确力矩输出与力反馈控制多轴协调多轴同步运动与轨迹规划运动控制系统在现代制造业中扮演着越来越重要的角色从简单的单轴定位到复杂的多轴协调运动，从传统的步进电机到先进的直线电机，运动控制技术不断发展在机器人、数控机床、半导体设备等高精度应用中，运动控制系统的性能直接决定了设备的加工精度和生产效率监控系统（）SCADA数据采集与监视实时采集现场设备的运行数据，包括温度、压力、流量等工艺参数，以及设备状态信息通过图形化界面直观显示生产过程远程控制与管理操作人员可以在中央控制室对分布在不同地点的设备进行远程监控和操作支持移动终端访问，实现随时随地的监控管理报警与事件记录自动检测异常情况并及时报警，记录所有操作和事件信息提供完整的历史数据查询和事故追溯功能趋势分析与报表生成各种统计报表和趋势分析图表，为生产优化和决策提供数据支持支持自定义报表格式和自动报表生成机器视觉系统质量检测与分拣特征识别根据检测结果判断产品质量，控制图像处理通过模式识别和机器学习算法识别分拣设备将合格品和不合格品分开图像采集运用数字图像处理算法对采集的图产品特征，如尺寸测量、缺陷检测、实现在线检测，大幅提高产100%使用高分辨率工业相机捕获产品图像进行预处理、增强和分析包括字符识别等结合深度学习技术，品质量控制水平像，配合专业照明系统确保图像质滤波、边缘检测、形态学处理等技不断提升识别精度和适应性量支持线阵和面阵相机，适应不术，提取有用的特征信息同的检测需求和生产节拍第四部分自动化层级结构企业管理层（）L4系统，战略决策与资源规划ERP工厂自动化层（）L3系统，生产执行与管理MES过程自动化层（）L2系统，过程监控与优化SCADA基础自动化层（）L1控制系统，实时控制PLC/DCS现场设备层（）L0传感器、执行器等现场设备自动化层级结构清晰地定义了从现场设备到企业管理的五个层次，每个层次都有其特定的功能和作用这种分层架构不仅便于系统设计和管理，也为信息集成和数据流动提供了标准化的框架现场设备层（）L0传感器设备执行器设备设备占比设备占比30%25%温度、压力、流量传感器电动机与驱动器••位置、速度检测器气动、液压执行器••液位、重量传感器调节阀、开关阀••过程设备接口设备设备占比35%设备占比10%管道、储罐•模块、信号转换器、现场总线接口I/O换热器、反应器•等连接设备泵、风机、压缩机•基础自动化层（控制层）L1/现场设备控制控制器系统控制功能实现直接与现场设备连接，实现对传感器包括、、运动控制器等各类实现单回路控制、顺序控制、逻辑控PLC DCS信号的采集和对执行器的控制这是控制设备根据应用需求选择合适的制等基本控制功能通过编程实现复自动化系统的核心控制层，负责实时控制器类型，确保系统的可靠性和实杂的控制逻辑，满足各种工艺要求响应和精确控制时性过程自动化层（运行层）L2/生产过程监控通过系统实现对整个生产过程的实时监控，显示工艺流SCADA程图和关键参数趋势过程优化协调协调多个控制回路的运行，实现工艺过程的整体优化通过先进控制算法提高生产效率和产品质量操作员界面提供友好的人机交互界面，操作员可以监控系统状态、调整参数、处理报警等包括操作员站和工程师站工厂自动化层（管理层）L3/制造执行MES制造执行系统连接计划层和控制层生产计划调度根据订单制定详细的生产计划和调度质量管理追溯全程质量控制和产品追溯管理设备管理维护设备状态监控和预防性维护管理工厂自动化层是连接生产执行和企业管理的重要桥梁系统不仅要处理生产调度MES和质量管理，还要实现与上层系统和下层控制系统的信息集成，确保生产信息的ERP实时传递和共享企业管理层（经营层）L4/企业资源规战略决策支持市场销售管理财务人力资源ERP划基于大数据分析提供决客户关系管理、订单处财务核算、成本控制、集成财务、供应链、人策支持，制定企业发展理、市场分析和销售预人员配置和绩效考核等力资源等企业资源，实战略和经营计划测等商务活动企业管理职能现统一管理和优化配置第五部分关键技术与设备可编程控制技术计算机集成制造工业网络技术编程语言的发展，从传统的梯形图技术的深度集成，实从现场总线到工业以太网的演进，工业PLC CAD/CAM/CAE到现代的结构化文本和功能块实时操现从产品设计到制造的无缝连接数字物联网和边缘计算技术的兴起，为自动作系统和故障诊断技术不断完善，提高化工厂和虚拟制造技术让生产过程可视化系统提供了更强大的通信和计算能力了系统的可靠性和维护性化和可预测可编程控制技术多元编程语言支持梯形图、指令列表、功能块等多种编程方式实时操作系统确保控制程序的实时响应和可靠执行智能控制算法集成人工智能和机器学习算法提升控制性能故障诊断容错自动故障检测和容错控制保障系统安全运行现代可编程控制技术不仅提供了丰富的编程工具和调试手段，还具备了强大的网络通信能力和数据处理功能通过模块化设计和标准化接口，大大降低了系统集成的复杂度，提高了开发效率和系统可维护性计算机集成制造（）CIM集成数字化工厂设计CAD/CAM/CAE计算机辅助设计、制造和工程分析技术利用三维建模和仿真技术构建虚拟工厂，的无缝集成，实现从概念设计到产品制在实际建设前验证生产线布局和工艺流2造的全流程数字化提高设计效率和产程大幅降低投资风险和调试时间品质量一体化管理虚拟制造仿真整合产品生命周期各阶段的信息和流程，通过虚拟现实技术模拟真实生产环境，实现研发、生产、销售、服务的协同管进行工艺优化和人员培训支持复杂产理提升企业整体竞争力品的虚拟装配和性能验证工业网络技术边缘计算5G+超低延迟通信与边缘智能处理工业物联网设备互联与数据云端处理分析工业以太网高速实时通信与确定性传输现场总线现场设备数字化通信基础工业网络技术的发展经历了从模拟信号到数字通信、从现场总线到工业以太网、从有线到无线的演进过程随着技术的成熟和边缘计算的普5G及，工业网络正向着更高带宽、更低延迟、更智能化的方向发展，为工业和智能制造提供强有力的技术支撑

4.0智能传感与控制智能传感器集成信号处理、自校准和通信功能的新一代传感器具备自诊断能力，能够自动补偿环境影响，提供更准确可靠的测量数据机器学习控制基于大数据和机器学习算法的自适应控制系统能够从历史数据中学习优化控制策略，不断提升控制性能和系统效率神经网络控制模拟人脑神经元结构的控制算法，具有强大的非线性映射和学习能力特别适用于复杂、非线性和难以建模的控制对象模糊控制技术基于模糊逻辑的控制方法，能够处理不确定性和模糊信息在经验丰富但难以精确建模的控制场合具有独特优势第六部分现代控制方法控制模糊控制神经网络控制PID经典的比例积分微分控制，应用基于模糊逻辑的智能控制方法，处模拟人脑结构的控制算法，具备学--最广泛的基础控制算法理不确定性问题习和自适应能力自适应控制预测控制能够自动调整控制参数以适应系统变化的控制方法基于模型预测的先进控制策略，优化未来系统性能控制原理PID比例（）作用积分（）作用微分（）作用P ID比例控制能够快速响应偏差变化，控制积分控制能够消除稳态误差，对偏差的微分控制能够预测偏差变化趋势，提前作用与偏差成正比比例系数越大，控累积进行修正积分时间越小，积分作进行控制修正具有超前调节作用，能制作用越强，但过大会引起系统振荡用越强，但可能降低系统稳定性够改善系统的动态性能控制器的参数整定是关键环节，常用的方法包括经验法、试验法和理论计算法现代控制器还集成了自整定功能，能够根据系PID PID统响应自动优化参数，大大简化了调试过程在实际应用中，控制广泛应用于温度、压力、流量、液位等各种工艺参数的控制PID模糊控制应用优势领域控制器设计特别适用于非线性、时变、难以建模糊推理机制设计合适的隶属度函数和模糊规则立精确数学模型的复杂系统在家模糊逻辑基础通过规则库进行模糊推理，是关键需要根据被控对象特性和电控制、工业过程控制等领域得到if-then基于模糊集合理论，用隶属度函数将专家经验转化为控制策略推理控制要求，确定输入输出变量的模广泛应用描述变量的模糊性不同于传统的过程包括模糊化、规则激活、推理糊化方法和控制规则二值逻辑，模糊逻辑允许部分隶属合成和去模糊化四个步骤关系，更符合人类思维模式。