现代工业自动化系统原理及组成
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பைடு நூலகம்
直到上世纪四十年代末，美国数学家维纳与墨西哥生物学家罗森布卢 特合作，提出了自动化的理论基础著作——控制论。标志着自动化技术的正 式诞生。 自动化技术从诞生到现在，已取得了长足进步，逐步走向成熟。自动 化技术为生产力的发展起着巨大的作用，实现了人们摆脱繁重劳动和驾驭复 杂系统的愿望。同时,自动化技术也在应用中得到不断发展和完善。人们在 自动化技术应用中发展了各种理论以及设计了各种设备和自动化装置，并在 各个领域大显身手，如飞机导航、交通运输、导弹控制、智能楼宇、现代化 工厂中到处都有自动化技术的应用。 随着微电子技术、计算机技术、光电技术、信息技术以及现代控制方法 与理论的发展，今天的自动化技术正以崭新的面貌在各个领域中发挥着重要 作用，以现代自动控制理论为基础的现代工业化系统展现出其无限美好的发 展前景。
五、结束语
现代工业自动化系统技术的应用为我们创建一流的现代化企 业、生产一流的优质产品提供了有力的保证，是我们促进产品市 场开拓、推动企业持续创新发展的有效途径。 自动化技术方兴未艾，不少新的技术有待我们去开拓应用。愿 每个有志于从事自动化技术工作的工程技术人员不断掌握本领域 一流的最新技术。
再见
PID控制——比例、积分、微分 PID控制器作为最早实用化的控制器已有50多 年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先 决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 现代控制——最优控制、自适应控制、预测控制、 自学习控制。。。 智能控制——模糊控制、专家系统、神经网络
传感器－系统的耳目 传感器被用来测量各种物理量，种类有温度传感器、 流量传感器、压力传感器等等。传感器要满足可靠性的要求，从传感器的 输出信号中得到被测量的原始信息，如果传感器不稳定，那么对同样的输 入信号，其输出信号就不一样，则传感器会给出错误的输出信号，也就失 去了传感器应有的作用。
●传统控制与现代控制
电磁阀
电磁换向阀
步进电机
3、 检测仪表
压力仪表、温度仪表、电压电流检测仪表、各类传感器、各种特殊仪表。
电磁传感器
压力传感器
温度传感器
光纤传感器
超声波传感器
显示仪表
编码器
4、 网络设备
交换器、集线器HUB、工业以太网交换机。
四、实例分析
钛金板带轧机二级自动化系统
典型工业计算机网络控制系统：L1+L2 机电系统 + 计算机系统 + 网络拓扑 → 生产过程控制 集成的三电一体化系统： 电气设备、电子仪表、电子计算机 + 联网通信
钛金板带轧机二级自动化系统配置图
电磁传感器
系统配置：
1、电气驱动系统 设备运行控制、电机调速控制、机械运动控制、流体介质控制。包括： 可回馈交/直整流逆变器+公共直流母线+可回馈逆变器（TDC控制）、ACS800 系列驱动控制器 、电机控制中心MCC等。 2、仪表检测系统 过程参数传感器、信号变换、采集、处理、传输。包括： 板形仪、X射线测厚仪、激光测速仪、张力计、辊缝位置传感器、轧辊压力传 感器、线性绝对值编码器，旋转多圈绝对值编码器，接近开关，温度传感器， 压力传感器等。 3、计算机控制系统 控制模型、实时过程数据采集、状况分析、决策指令、系统管理、生产管理。 包括： 硬件配置：L1基础控制器 AC800 PEC，L2服务器/工作站/工程师站、PDA远 程数据采集机(IBA FOB-2i采集卡)； 软件配置：Windons XP, Windows Server2003、Control IT基础开发软件、上 位组态软件自动化扩展系统800XA、IBA-PDA软件包、数据库管理软件等 。 4、网络通信系统 总线拓扑、系统集成、通信协议、信息交换。包括： 工业以太网+DP网、以太网交换器等。
●顺序控制与回路控制
顺序控制开关逻辑控制 如：继电器矩阵控制、可编程序控制器 I/O模块输入输出控 制。 回路控制连续调节控制 如： FM 458-1 DP 应用模块专为自由组态的高性能闭环控制 和技术应用（如运动控制）而设计。
●现代工业自动化系统
现代工业自动化系统是在现代工业企业大型化、连续化、高速化、 快节奏生产的必然产物。 基础自动化L1（控制层）：现场设备控制系统 过程自动化L2（运行层）：生产过程监控系统 工厂自动化L3（管理层）：MES制造执行系统 企业自动化L4（经营层）：ERP企业资源规划 工业自动化最新技术：工业计算机网络控制系统
2、 执行器
电动调节装置—— 伺服阀—— 电磁阀——是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介 质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀不但能够应用在气动 系统中，在油压的系统、水压的系统中也能够得到相同或者类似的 应用. 步进电机——作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛 应用在各种自动化控制系统中。
复杂自动化系统往往是多变量，多回路，多类型的系统。
Y G
X
K
X’
Y’
F
X = { x0,x1,x2,…xn } Y = { y0,y1,y2,…yn }
●主要组成部分及其作用
控制器－系统的大脑 自动控制系统中控制器在整个系统中起着重要的作 用，扮演着系统管理和组织核心的角色。系统性能的优劣很大程度上取决 于控制器的好坏。 执行器－系统的手脚 执行器在自动控制系统中的作用就是相当于人的四 肢，它接受调节器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正 常运行。在生产现场，执行器直接控制工艺介质，若选型或使用不当，往 往会给生产过程的自动控制带来困难。因此执行器的选择、使用和安装调 试是个重要的环节。
现代工业自动化系统
原理及其组成
彭一江
2009年11月
目
录
一、概述 二、系统组成 三、常用器件 四、实例分析 五、结束语
一、概述
自动化(Automation)，是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程 序 或指令自动地进行操作或运行。 自动化装置是指无需人的参与就可以自动进行工作，完成特定任务的机 器。 工业自动化系统是运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术， 对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，以达到增加产 量、提高质量、降低消耗、确保安全为目标的集成系统。 自动化技术发展是伴随着人类各个领域的科技发展而发展起来的。人们 在几千年的生产过程中，为了多快好省地生产出自己需要的东西，发明了很 多能够替代人来工作的自动装置。 古代人在河流上建造可以通过水的冲击带动轮子转动，实现灌溉、碾米 等工作的水车、磨坊。 近代人创造出的许多诸如钟表、蒸汽机速度调节控制等等的自动装置， 到十八世纪末自动装置的应用和研究使得自动化技术初具雏形。
输入信号 控制器
控制信号
执行器 过程对象
输出信号
反馈信号
检测器
自动控制是基于反馈的技术。反馈理论的要素包括三个部分：测量、 比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用两者之间的偏 差来纠正调节系统的响应。因此，自动化技术的核心思想是反馈， 通过反馈建立起输入（原因）和输出（结果）之间的联系。使控制 器可以根据输入与输出的实际情况来决定控制策略，以便达到预定 的系统功能。 系统构成前向通道和反馈通道两个通道，前向通道是任务执行的功 能主体。
系统控制功能：
辊缝和轧制力控制 自动厚度控制 凸度调整 中间辊窜辊 平直度控制 轧机顺序控制 辅助系统顺序控制 诊断系统具有在线诊断、故障报警、报警分析、事故记录
自学习的数学模型：
输入数据和预设值 轧制表模型 张力模型 速度模型 机座辊缝模型 屈服应力模型 摩擦模型 平直度模型 位置模型 轧制线模型 反馈参数模型 自适应模型
二、系统组成
一个自动化系统无论结构多么复杂都有下面几个主要组成部分：
检测器：主要是获得反馈信息，计算目标值与实际值之间的差值；
控制器：相当于大脑在分析决策上的作用，适时地决定系统应该实施 怎样的调节控制；
执行器：完成控制器下达的决定；
对象： 被控制的客观实体。
●自动化系统结构
一个简单自动控制系统结构图
三、 常用器件
组成工业自动化系统的最基本的单元器件： 各类电器：主令器、断路器、接触器、继电器、驱动器等； 各类仪表： 传感器、热工仪表、专用仪表等；
各类计算机：可编程序控制器、工业计算机等。
1、 控制器
通用控制器——可编程控制器PLC PLC是将逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作， 以指令的形式存贮于可编程的存储器中，并经过数字式或模拟式 的输入输出部件，对生产设备和过程进行控制的数字运算操作电 子装置。 PLC是基于计算机技术和自动控制理论发展而来的，它既不同于 普通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊 形式的计算机控制装置，它在系统结构，硬件组成，软件结构以 及I/O通道，用户界面诸多方面都有其特殊性。 专用控制器—— 温度调节器、速度调节器等。
直到上世纪四十年代末，美国数学家维纳与墨西哥生物学家罗森布卢 特合作，提出了自动化的理论基础著作——控制论。标志着自动化技术的正 式诞生。 自动化技术从诞生到现在，已取得了长足进步，逐步走向成熟。自动 化技术为生产力的发展起着巨大的作用，实现了人们摆脱繁重劳动和驾驭复 杂系统的愿望。同时,自动化技术也在应用中得到不断发展和完善。人们在 自动化技术应用中发展了各种理论以及设计了各种设备和自动化装置，并在 各个领域大显身手，如飞机导航、交通运输、导弹控制、智能楼宇、现代化 工厂中到处都有自动化技术的应用。 随着微电子技术、计算机技术、光电技术、信息技术以及现代控制方法 与理论的发展，今天的自动化技术正以崭新的面貌在各个领域中发挥着重要 作用，以现代自动控制理论为基础的现代工业化系统展现出其无限美好的发 展前景。
五、结束语
现代工业自动化系统技术的应用为我们创建一流的现代化企 业、生产一流的优质产品提供了有力的保证，是我们促进产品市 场开拓、推动企业持续创新发展的有效途径。 自动化技术方兴未艾，不少新的技术有待我们去开拓应用。愿 每个有志于从事自动化技术工作的工程技术人员不断掌握本领域 一流的最新技术。
再见
PID控制——比例、积分、微分 PID控制器作为最早实用化的控制器已有50多 年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先 决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 现代控制——最优控制、自适应控制、预测控制、 自学习控制。。。 智能控制——模糊控制、专家系统、神经网络
传感器－系统的耳目 传感器被用来测量各种物理量，种类有温度传感器、 流量传感器、压力传感器等等。传感器要满足可靠性的要求，从传感器的 输出信号中得到被测量的原始信息，如果传感器不稳定，那么对同样的输 入信号，其输出信号就不一样，则传感器会给出错误的输出信号，也就失 去了传感器应有的作用。
●传统控制与现代控制
电磁阀
电磁换向阀
步进电机
3、 检测仪表
压力仪表、温度仪表、电压电流检测仪表、各类传感器、各种特殊仪表。
电磁传感器
压力传感器
温度传感器
光纤传感器
超声波传感器
显示仪表
编码器
4、 网络设备
交换器、集线器HUB、工业以太网交换机。
四、实例分析
钛金板带轧机二级自动化系统
典型工业计算机网络控制系统：L1+L2 机电系统 + 计算机系统 + 网络拓扑 → 生产过程控制 集成的三电一体化系统： 电气设备、电子仪表、电子计算机 + 联网通信
钛金板带轧机二级自动化系统配置图
电磁传感器
系统配置：
1、电气驱动系统 设备运行控制、电机调速控制、机械运动控制、流体介质控制。包括： 可回馈交/直整流逆变器+公共直流母线+可回馈逆变器（TDC控制）、ACS800 系列驱动控制器 、电机控制中心MCC等。 2、仪表检测系统 过程参数传感器、信号变换、采集、处理、传输。包括： 板形仪、X射线测厚仪、激光测速仪、张力计、辊缝位置传感器、轧辊压力传 感器、线性绝对值编码器，旋转多圈绝对值编码器，接近开关，温度传感器， 压力传感器等。 3、计算机控制系统 控制模型、实时过程数据采集、状况分析、决策指令、系统管理、生产管理。 包括： 硬件配置：L1基础控制器 AC800 PEC，L2服务器/工作站/工程师站、PDA远 程数据采集机(IBA FOB-2i采集卡)； 软件配置：Windons XP, Windows Server2003、Control IT基础开发软件、上 位组态软件自动化扩展系统800XA、IBA-PDA软件包、数据库管理软件等 。 4、网络通信系统 总线拓扑、系统集成、通信协议、信息交换。包括： 工业以太网+DP网、以太网交换器等。
●顺序控制与回路控制
顺序控制开关逻辑控制 如：继电器矩阵控制、可编程序控制器 I/O模块输入输出控 制。 回路控制连续调节控制 如： FM 458-1 DP 应用模块专为自由组态的高性能闭环控制 和技术应用（如运动控制）而设计。
●现代工业自动化系统
现代工业自动化系统是在现代工业企业大型化、连续化、高速化、 快节奏生产的必然产物。 基础自动化L1（控制层）：现场设备控制系统 过程自动化L2（运行层）：生产过程监控系统 工厂自动化L3（管理层）：MES制造执行系统 企业自动化L4（经营层）：ERP企业资源规划 工业自动化最新技术：工业计算机网络控制系统
2、 执行器
电动调节装置—— 伺服阀—— 电磁阀——是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介 质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀不但能够应用在气动 系统中，在油压的系统、水压的系统中也能够得到相同或者类似的 应用. 步进电机——作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛 应用在各种自动化控制系统中。
复杂自动化系统往往是多变量，多回路，多类型的系统。
Y G
X
K
X’
Y’
F
X = { x0,x1,x2,…xn } Y = { y0,y1,y2,…yn }
●主要组成部分及其作用
控制器－系统的大脑 自动控制系统中控制器在整个系统中起着重要的作 用，扮演着系统管理和组织核心的角色。系统性能的优劣很大程度上取决 于控制器的好坏。 执行器－系统的手脚 执行器在自动控制系统中的作用就是相当于人的四 肢，它接受调节器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正 常运行。在生产现场，执行器直接控制工艺介质，若选型或使用不当，往 往会给生产过程的自动控制带来困难。因此执行器的选择、使用和安装调 试是个重要的环节。
现代工业自动化系统
原理及其组成
彭一江
2009年11月
目
录
一、概述 二、系统组成 三、常用器件 四、实例分析 五、结束语
一、概述
自动化(Automation)，是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程 序 或指令自动地进行操作或运行。 自动化装置是指无需人的参与就可以自动进行工作，完成特定任务的机 器。 工业自动化系统是运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术， 对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，以达到增加产 量、提高质量、降低消耗、确保安全为目标的集成系统。 自动化技术发展是伴随着人类各个领域的科技发展而发展起来的。人们 在几千年的生产过程中，为了多快好省地生产出自己需要的东西，发明了很 多能够替代人来工作的自动装置。 古代人在河流上建造可以通过水的冲击带动轮子转动，实现灌溉、碾米 等工作的水车、磨坊。 近代人创造出的许多诸如钟表、蒸汽机速度调节控制等等的自动装置， 到十八世纪末自动装置的应用和研究使得自动化技术初具雏形。
输入信号 控制器
控制信号
执行器 过程对象
输出信号
反馈信号
检测器
自动控制是基于反馈的技术。反馈理论的要素包括三个部分：测量、 比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用两者之间的偏 差来纠正调节系统的响应。因此，自动化技术的核心思想是反馈， 通过反馈建立起输入（原因）和输出（结果）之间的联系。使控制 器可以根据输入与输出的实际情况来决定控制策略，以便达到预定 的系统功能。 系统构成前向通道和反馈通道两个通道，前向通道是任务执行的功 能主体。
系统控制功能：
辊缝和轧制力控制 自动厚度控制 凸度调整 中间辊窜辊 平直度控制 轧机顺序控制 辅助系统顺序控制 诊断系统具有在线诊断、故障报警、报警分析、事故记录
自学习的数学模型：
输入数据和预设值 轧制表模型 张力模型 速度模型 机座辊缝模型 屈服应力模型 摩擦模型 平直度模型 位置模型 轧制线模型 反馈参数模型 自适应模型
二、系统组成
一个自动化系统无论结构多么复杂都有下面几个主要组成部分：
检测器：主要是获得反馈信息，计算目标值与实际值之间的差值；
控制器：相当于大脑在分析决策上的作用，适时地决定系统应该实施 怎样的调节控制；
执行器：完成控制器下达的决定；
对象： 被控制的客观实体。
●自动化系统结构
一个简单自动控制系统结构图
三、 常用器件
组成工业自动化系统的最基本的单元器件： 各类电器：主令器、断路器、接触器、继电器、驱动器等； 各类仪表： 传感器、热工仪表、专用仪表等；
各类计算机：可编程序控制器、工业计算机等。
1、 控制器
通用控制器——可编程控制器PLC PLC是将逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作， 以指令的形式存贮于可编程的存储器中，并经过数字式或模拟式 的输入输出部件，对生产设备和过程进行控制的数字运算操作电 子装置。 PLC是基于计算机技术和自动控制理论发展而来的，它既不同于 普通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊 形式的计算机控制装置，它在系统结构，硬件组成，软件结构以 及I/O通道，用户界面诸多方面都有其特殊性。 专用控制器—— 温度调节器、速度调节器等。