工业自动化
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什么是工业自动化
工业自动化是指将多台设备(或多个工序)组合成有机的联合体，用各种控制装置和执行机构进行控制，协调各台设备(或各工序)的动作，校正误差，检验质量，使生产全过程按照人们的要求自动实现，并尽量减少人为的操作与干预。
工业自动化的内容
从生产过程的三大环节、八个主要过程看，目前工业自动化的主要内容如下：
(1)设计过程
在采用CAD(计算机辅助设计)技术之前，机械(或材料加工)工业的设计人员约占技术人员的10％～15％，设计工作50％～60％的工作量是制图与其他一些重复性劳动，且设计多凭经验设计，工作量大，周期长，设计图纸修改不便，设计的安全系数通常较大。随着计算机技术的广泛采用，设计过程中可应用计算机辅助进行产品设计、性能分析、模拟试验等，进一步的发展是将CAD技术与CAE(计算机辅助工程)技术和CAM(计算机辅助制造)技术等结合起来，实现CAD／CAE／CAM一体化，从而大大缩短了设计过程，提高了设计的准确性与可靠性，设计方案与图样的修改和保存也非常便利，设计过程的发展趋势是设计自动化。
(2)生产准备过程
该过程包括：根据公司企业销售和市场信息部门提出的产品订货订单，考虑生产纲领、本厂设备及库存情况；编制材料、刀具、元器件、专用设备等需用，采购、外协加工委托计划；必要时，甚至包括专用生产基地厂房的建设等任务。在这些工作中相应地采用各种自动化技术与手段可提高效益，减少差错。
(3)工艺准备过程
该过程包括：根据设计图样、技术装备水平及产品批量等因素，选择加工设备；确定加工工艺及技术要求；设计零件制造、产品装配的工艺过程，编制材料明细表；确定工装模具、量具等的设计制造，准备外协加工件的验收方法及手段。在这些工作中，有些已经实现了相当程度的自动化，如工艺过程模拟及自动设计方面。
(4)加工过程
自动化的加工过程包括：从大批量生产中采用的各种高效专用机床、组合机床、自动化生产线，到多品种、小批量生产中采用的数控机床、组合机床，直至近年来采用的成组技术和柔性加工系统。各种类型的调节器、控制器，特别是计算机、微型机的大量应用，加快了加工过程自动化速度。
(5)检验过程
在自动化单机、自动线等的工作过程中，出于保证产品质量、提高精度和为操作者提供安全保护等目的，往往需要进行自动测试。各种传感器的出现，使原材料、毛坯、零部件等的性能、外形尺寸、特征，加工和装配的工位状况，设备工作状况，材料、零件的传送情况，产品性能等的检测都成为可能。各种各样的放大器、转换器、传送器显示记录装置促进了自动检测技术的发展，使得机械及材料加工工业的检测技术，由过去的离线、被动、单参数、接触式逐步转向使用计算机的在线、主动、多参数、非接触式快速检测。
(6)装备过程
装配作业自动化包括零件供给、装配作业、装配成品、运送等方面的自动化。从装配作业来看，方向是研制高生产率的数控装配机、自动装配线、装配机器人；从整个生产过程来看，是如何将装配作业与CAN、零件后处理和自动化立体仓库相连接。
(7)辅助生产过程
该过程包括毛坯、原材料、工件、刀具、工夹具、废料等的处理、搬运、抓取、中间存贮、检修等，由于该过程的时间占生产时间的95％以上，费用占30％—40％，因此研制各种自动化物流装置得到世界各国普遍重视。各种悬挂输送、自动小车输送、高架立体仓库、机械手和工业机器人已广泛应用于各个领域。
(8)生产管理过程
生产管理包括车间或工厂的各种原材料、工具、存货的管理，生产调度，中长期规划，生产作业计划，产品订货与销售，市场预测与分析，财务管理，工资计算，人事管理等。生产管理自动化就是利用计算机技术按照订货或任务要求，通过各个管理子系统及时、准确地处理大量数据，对器件、设备、人力、技术资料进行组织、协调，保证在规定的时间、人力和消耗限额(包括能源、资金、器材等)内完成生产任务。
综上所述，工业生产过程自动化所研究的内容主要有两个方面：对上述各个过程，实现不同程度自动化时的各种方法和手段；对上述几个过程或全部过程按照一定的目标和要求(如技术上先进、经济上合理、具体所要求的生产率)联系起来，组成不同规模的自动线、自动化车间或自动化工厂。
从另一种角度看，生产过程所进行的生产活动，实际上由物质流和信息流两个主要部分组成。物质流是指物质的流动和处理，包括原材料、毛坯、工夹具、模具、半成品、成品、废料、能源的流动、处理(加工)、变换。信息流指信息(包括加工指令、数据、反映生产过程各种状态的资料等)的流动和处理。
实现物质流动和处理的自动化必须有相应的自动化设备，如自动化单机、生产线、装配线以及各种物料搬运系统；实现信息的流动和处理的自动化，则必须适时检测、收集信息，然后利用计算机进行自动处理。
工业自动化的发展
20世纪50年代以前，是人工控制阶段。当时的生产规模较小，测控仪表是安装在生产设备现场的气动测量仪表，功能简单。操作人员只能通过对生产现场的巡视，了解生产过程，并在现场直接把被控对象的参数调整在预定值上。这时的仪表信号不能传送给别的仪表或系统，仪表处于封闭状态，无法与外界沟通信息。这一阶段的控制系统称为气动信号控制系统。
20世纪50年代为模拟控制阶段。随着生产规模的扩大，整个生产过程需要对生产现场的多个点进行测控，自动控制成为必然，于是出现了现场仪表与集中控制室。生产现场出现了气动、电动单元组合式仪表，将测量得到的0．02～0．1MPa气压信号、4～20mA直流电流信号、1～5V的直流电压信号等模拟信号传送到集中控制室。操作人员可以坐在控制室观察生产流程各处的状况。但是，模拟信号的传递比较困难，信号变化缓慢，抗干扰能力也较差，很难满足生产过程对速度和精度的需要。
20世纪60年代～70年代中期，工业控制系统开始进入集中式数字控制阶段。它的发展经历了直接数字控制、集中型计算机控制和分层计算机控制。由于模拟信号的诸多不足，在这一阶段人们考虑用数字信号代替模拟信号，而且计算机也逐步进入工业控制系统。
直接数字控制(DDC)技术主要是由一台数字计算机替代一组模拟控制器，首先通过模数转换器，实时采集生产过程被控参数的信息，计算机按照控制算法运算后，其结果通过数模转换器去控制执行器，构成一个闭环控制回路。
由于当时的计算机技术尚不发达，价格昂贵，人们又试图用一台计算机取代控制室的几乎所有的仪表盘，实现过程监视、数据收集、数据处理、数据存储和报警等过程控制的全部功能，并能实现生产调度和工厂管理的部分功能，这就是集中型计算机控制系统。它虽然在信息的综合、改变控制方案、实现最优控制以及改善人机接口等方面取得了重大进展，但也暴露了“集中”带来的不足：脆弱性问题，一旦计算机出现某种故障，就会造成所用的控制回路瘫痪、生产停产的严重局面，这种危险集中的系统结构很难被生产过程接受；计算机负荷问题，生产规模越来越大，测控点越来越多，计算机不堪重负；开发问题，由于控制水平的不断提高，新的要求不断提出，使得软件也越来越复杂．越来越庞大，造成开发周期和费用不断增加。
集中型计算机控制系统的缺陷促使控制系统向功能分散化方向发展，于是出现了过程现场控制与集中显示操作分离开来的分层计算机控制系统。各个控制回路的模拟仪表调节器互相独立并由计算机来实现，当某一回路出现故障时，不致影响其他回路的正常工作，提高了系统的可靠性，同时现场控制计算机的信号也送入上一级计算机，由它显示过程参数，并根据对象的数学模型进行最优化处理，计算最优操作条件，最后以最优工艺参数传给下层计算机作为设定值。实际上，这时的工业控制系统已经具有了集散式控制系统的初步概念。
20世纪70年代中期，工业控制系统进入集散型控制系统(DCS)阶段。集散型控制系统是一个集中与分散相结合的系统，它吸收了分散仪表控制系统和集中式计算机控制系统的优点，将当时的微处理器、计算机数字通信等技术应用到工业控制领域。从总体逻辑结构上讲，集散型控制系统是一个分支型结构，它分为过程控制级、控制管理级和生产管理级，充分体现了管理的集中性和控制的分散性，它把控制功能分散到若干台控制站，在监控操作站进行集中监视操作。
集散型控制系统由集中管理部分、分散控制监测部分和通信部分组成。集中管理部分又可分为工程师站、操作站和管理计算机。工程师站主要用于组态和维护，操作站则用于监视和操作，管理计算机用于全系统的信息管理和优化控制。分散控制监测部分按功能可分为控制站、监测站和现场控制站，它们用于控制和监测。通信部分连接系统的各个部分，完成数据、指令及其他信息的传递。系统软件是由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、组态软件和各种应用软件组合而成。
集散型控制系统具有通用性强，系统组态灵活，控制功能完善，数据处理方便，显示操作集中，人机界面友好，安装简单、规范，调试方便和运行安全可靠等特点。它的控制范围更宽，控制功能得到加强，能够适应工业生产过程的各种需要，设备与信息的共享程度也进一步提高，促进了生产自动化水平和管理水平提高。DCS与前三个阶段相比，发生了质的变化，可以说是一场革命。
但在集散型控制系统中仍有许多不足。信息化问题，CIMS的发展要求对企业经营决策、经营管理、生产调度、过程优化、故障诊断及过程控制的信息进行综合处理，迅速满足市场的需要，而集散型控制系统仅能从过程控制站得到现场仪表传来的被测参数值，以及向它发出的调节信号，无法对现场仪表进行诊断，影响了系统信息的完整性；数字化问题，在集散型控制系统中仍然有模拟测量仪表，因而它是一种模拟数字混合系统；互换性与互操作问题，在DCS系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，软硬件产品不能互换，而且通信协议也各不相同，不同厂家的设备不能互连在一起，难以实现互换与互操作，组成大范围信息共享的网络系统存在很多困难，这也是集散型控制系统的最大不足。
现场总线控制系统是20世纪80年代中后期随着控制、计算机、通信以及模块化集成等技术发展出现的工业控制系统，代表工业自动化控制发展的最新阶段。现场总线的概念是1982年首先在欧洲提出的。随后，北美与南美也都投入巨大的人力、物力开展研究工作。到现在为止，比较流行的现场总线已有40多种。现场总线控制系统的全分布、全数字、全开放特性解决了集散型控制系统中存在的不足。在此值得一提的是作为从DCS向FCS过渡过程中出现的HART(Highway Addressable Remote Transducer)协议，它在现有模拟信号传输线上加载一个数字信号，使模拟信号与数字信号双向通信同时进行，互不干扰。从长远的发展来看，作为过渡产品的HART不会有很大的作为。
现场总线控制系统把集散型控制系统中的集中与分散相结合的概念变成了新型的全分布式测控系统。作为工厂数字通信网络的基础，现场总线控制系统沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系：它向下深入到现场的每一台仪表、执行机构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能；向上连接到生产管理、企业经营的方方面面，为企业提供全面的解决方案。目前，现场总线将原来主要用于过程控制的工业控制自动化推广到制造自动化、楼宇自动化等领域，成为新的现场智能设备互连通信网络。
在现场总线控制系统中，4～20mA模拟信号仪表将被符合现场总线标准的双向通信全数字智能仪表所代替，实现传输信号数字化，使模拟和数字混合控制系统最终转变为全数字控制系统。
现场总线控制系统的开放性解决了数字系统的兼容性问题，协议的完全开放导致不同生产商的产品之间可以互换和互操作。它不但给生产商和用户带来极大的方便，而且突破了集散型控制系统中由专用网络的封闭系统所造成的缺陷，把封闭、专用的解决方案变成了公开、标准化的解决方案。
从上面的简单回顾中，可以看到控制的效果、控制的花费和最终的收益一直是工业控制系统发展的衡量标准。从人工控制系统到集中式控制系统、从集中式控制系统到集散型控制系统，再到现在的现场总线控制系统，都是在逐步实现更好的控制、更小的花费和更大的收益。如果仔细分析一下工业控制系统发展的整个过程，不难看出它的发展具有以下特点：
(1)计算机技术在工业控制系统中起到越来越重要的作用
在集中式数字控制阶段以前，计算机并没有真正进入控制过程，计算机安装在专用的机房中，与过程装置之间没有任何物理上的连接，只是用来“离线”计算控制器的设定值和执行器的位置值，即使后来在计算机中能够加入一些管理信息，但计算机体积大，速度慢，价格昂贵而且不可靠，不能直接参与过程控制，充其量不过是一个离线数据分析的工具。
从集中式数字控制开始，计算机开始进入过程控制。在计算机上设计了专门的接口，与现场装置直接连接，计算机配上变送器、执行器和信号连接装置就完全可以实现过程的检测、监视以及对过程的控制了。最初，计算机只用于关键现场装置的单回路控制，在直接数字控制阶段，一台计算机替代一组模拟控制器；到了集中型计算机控制阶段，一台计算机已经满足小型工业控制系统的全面需要。分层计算机控制系统是适应较大规模的工业控制需要，将计算机分层、模块化的思想引入工业控制系统；到集散型计算机控制阶段，模块化、对象化的概念已经深入工业控制系统，集散型控制系统的工程师站、操作站和管理工作站都是具有自主特点的功能模块。组态软件的出现，更为工业控制系统的总体设计提供了方便。现场总线控制系统的出现是与计算机网络技术的发展密不可分的。实际上，现场总线控制就是计算机网络技术在工业控制领域的最新应用，所以又称现场总线是工业控制的底层网络。另外，如果分析一下每一种现场总线的技术资料，就不难发现它们都是在国际标准组织的开放系统互操作网络模型基础上加上一些特殊的规定形成自己的标准。图1显示了工业控制系统发展的这一特点。(2)信息的集成度越来越高
随着工业规模的扩大，人们对控制系统的信息要求不断提高，工业控制系统的信息集成程度也就越来越高。在人工控制阶段，谈不上信息的集成；模拟控制阶段，虽然出现了集中控制室，模拟信号的“先天”不足决定了系统的信息集成无法满足信息量、速度和精度等方面的要求；集中式数字控制阶段，信息的集成程度进一步提高，不但能把一组仪表的信息集成到一起，对于有些小系统甚至能把整个系统的测控信息集成到一起，为信息的综合、改变控制方案、实现最优控制提供了有效的途径，不过，这时的信息还只能是测控信息，与管理有关的信息很少；集散式控制系统实现了测控、管理信息的集成，但集成的程度仍然有限，没能实现通信的全数字化，影响了信息的交换；基于网络的现场总线控制系统为信息的进一步集成提供了有效的技术保证，现场总线作为纽带，将挂接在总线上的网络节点组成自动化系统，各现场智能设备分别作为一个网络节点，通过现场总线实现各节点之间、现场节点与过程控制管理层之间的信息传递与沟通，并实现各种复杂的综合自动化功能。
(3)控制功能越来越“接近”现场
这里所提及的“接近”主要是指系统内部层次上的接近，在此只以PID功能的逐步下放过程说明这一问题。图2说明了这一过程，在集中式数字控制阶段或者说直接数字控制阶段，PID控制功能是集成在控制计算机内；到了集散式数字控制系统。PID控制功能下放到分散的现场控制站；到了现场总线控制系统，PID控制功能则彻底分散到现场控制仪表中去了。(4)现场仪表的测控能力越来越强
现场仪表从最初的气动仪表，到后来的模拟仪表，到集散型控制系统中的数字模拟混合仪表，直到现场总线控制系统中的全数字智能仪表，不但取得了从模拟信号到数字信号的进步，现场仪表的性能也大大改善。图3是测控仪表能力示意图，图中对能力的描述在数值上并不精确，不过是一种示意性的表达。图中表明了现场仪表从实现单点、单控制回路的测控功能开始，逐步发展到按装置和过程来划分的多回路、多变量集中监控，一直到现场总线仪表智能化过程。现场总线仪表智能化是微处理器植入现场测控仪表的结果，设备具有数值计算和数字通信能力，一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，另一方面丰富了控制信息，并为实现其远程传送创造了条件；还可提供传统仪表所不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态，使现场总线控制系统成为分布式、可靠及信息完整的控管系统。
另外，工业控制系统还有操作人员越来越远离现场，系统的实时性和可靠性越来越强，精度越来越高。
工业自动化市场
工业自动化市场主要分为三大领域或技术：一是逻辑／分立技术主要用于制造工厂如汽车、包装、或材料运送；二是过程／批次／连续主要用于流体处理工厂如发电厂、化学或石油加工；三是运动(motion)一无处不在，尤其是机械加工。
其中，工业自动化的九个产品类别是：
1．主控制器-PLC、CNC、工业PC、DCS等；
2．驱动器／电机；
3．传感器-流量表、反馈、限位开关；
4．激励器-阀、泵、螺线管、加热器等；
5．通信-以太网、Fieldbus、DeviceNet等；
6．面板组件-启动器、熔丝等；
7．人机介面HMI／MMI；
8．软件-软逻辑、软CNC等；
9．企业软件-SCADA、MES、MRP等。