自动化 基础 知识

1,自动化基础知识 刘艳艳,2,主要内容,1、自 动 控 制 2、计 算 机 3、计 算 机 网 络 4、可编程控制器（plc),一、什么是自动化,1、自动化定义 自动化是指在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程。 研究内容： 自动化是一门涉及学科较多应用广泛的综合性科学技术。数学、物理学、力学、电子学、生物学等是该学科的重要基础 它的研究内容主要有自动控制和信息处理两个方面包括理论方法硬件和软件等。,2、什么是工业自动化技术 工业自动化技术是指综合运用控制理论、电子装备、仪器仪表、计算机和相关工艺技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、节省能耗、降低消耗、减少污染、确保安全等目的的一种综合性技术。,5,3、自动控制,概念 所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。 自动控制系统： 实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体。,4、自动控制技术的内容,自动控制技术包含了自动控制系统中所有元器件的构造原理和性能，以及控制对象或被控过程的特性等方面的知识；自动控制系统的分析与综合；控制用计算机(能作数字运算和逻辑运算的控制机)的构造原理和实现方法。,5、 自动控制技术的原理和方法,自动控制技术是自动化单元技术和集成技术及其在各类控制系统中的应用。它以自动控制理论为基础，以电子技术、电力电子技术、传感器技术、计算机技术、网络与通信技术为主要工具，面向工业生产过程自动控制及各行业、各部门的自动化。它具有“控(制)管(理)结合，强(电)弱(电)并重，软(件)硬(件)兼施”等鲜明的特点，,二、自动化系统分类,1、从应用角度分 a、过程自动化 石油炼制和化工等工业中流体或粉体的化学处理自动化。 一般采用由检测仪表调节器和计算器等组成的过程控制系统对加热炉蒸馏塔等设备或整个工厂进行最优控制。,b、机械制造自动化 这是机械化电气化与自动控制相结合的结果处理的对象是离散工件。 c、管理自动化 工厂或事业单位的人财物生产办公等业务管理自动化是以信息处理为核心的综合性技术涉及电子计算器通信系统与控制等学科。 d、其它：实验室自动化、家庭自动化、商业自动化,2、按测控形式分 a、SCADA（Supervisor Control And Data Acquisition）系统 监测控制和数据采集系统。它可以实时采集现场数据，对工业现场进行本地或远程的自动控制，对工艺流程进行全面、实时的监视，并为生产、调度和管理提供必要的数据。 SCADA系统的主要功能包括数据采集、本地和远程控制、多种通讯介质联接、易于重新配置及本地和远程诊断。,b、DCS（Distributed Control System）系统 DCS是一种分布式控制系统，在国内自控行业又称之为集散控制系统。 DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。,DCS系统的基本思想是：利用分散控制、集中操作、分而自制、综合协调的原则，将测控系统分为分散过程控制级、集中操作监控级和综合信息管理级，构成一分级分布式控制系统。 因此，DCS的主要特点归结为一句话就是：分散控制集中管理。,c、直接数字控制（DDC）系统 d、监督计算机控制（简称SCC）系统 e、现场总线控制系统（简称FCS）系统,三、自动化系统构成,1、SCADA系统 SCADA系统主要应用于水利、石油、供电等行业中，用于地理环境恶劣无人值守的环境下进行远程控制。它的主要结构包括远程控制单元RTU（Remote Terminal Unit）、通讯网络及中心站。,1) 远程终端RTU RTU 主要作用是进行数据采集及本地控制，进行本地控制时作为系统中一个独立的工作站，这时RTU可以独立的完成连锁控制、前馈控制、反馈控制、PID(比例、微分、积分）控制等工业上常用的控制调节功能；进行数据采集时作为一个远程数据通讯单元，完成或响应本站与中心站或其它站的通讯和遥控任务。,2) 系统的通讯网络 主要用于RTU与中心站通讯及与其它RTU通讯。通讯链路种类有无线、有线、微波、光纤。RTU可支持的通讯方式有中心站触发的通讯方式和RTU触发的通讯方式。,中心站触发的通讯方式包括： 轮询方式 由系统设置一个时间周期，每隔一个时间段系统进行一次查询，接收中心站所需要的现场数据。 广播方式 由中心站向所有RTU或某分组内的RTU下发命令。 控制命令下发方式 如下发开、关控制命令，修改报警及控制权限。 RTU触发的通讯方式： RTU可以在程序中根据现场情况设置条件，以便在非常情况下向中心站发送数据。,3）中心站 它可包含多个工作站和支持网络功能的设备，以完成不同的工作。它通过中心站软件管理系统数据库，每个工作站通过组态画面监测现场站点，下发控制命令进行控制，并完成工况图、统计曲线、报表等功能。,2、DCS系统 从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和管理级。 1）过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。 2）操作级包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。 3）管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS系统），它是DCS更高层次的应用。,DCS系统结构图,四、自动控制系统工作原理,1、系统工作原理 简易实验 1）现在作一个游戏，让张三和李四分别去拿放在一张桌子上的杯子，张三把自己的双眼蒙上，而李四却不用蒙上双眼。看看他们谁能顺利地拿到杯子？ 2）人打算拿桌子上的杯子时，首先要看一下杯子的位置与自己手的距离有多少，然后人的大脑会指挥自己的手做出动作，向减少这个距离的方向移动，同时不断的观察两者之间的距离还有多少，直到人的手碰到了杯子，大脑就命令手停止运动，杯子也就拿到了。这个过程可以用下边的图来表示。,由于没有了眼睛所以 图中的反馈就无法形 成人这个“机器”也就 工作不正常了,自动控制系统工作的关键就在于反馈系统的存在，正是有了反馈的存在，才使自动化成为可能。 反馈：反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。 反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。,1、自动化系统组成： 检测比较装置所起作用相当于人眼在上面例子中的作用，主要是获得反馈，并且计算我们要达到的目的与现在的实际情况之间的差值 控制器所起作用相当于大脑在上面例子中的作用，主要是用来决定应该怎样做 执行机构主要所起作用相当于人手在上面例子中的作用，完成控制器下达的决定 控制量也就是所要达到的目的，相当于手和杯子之间的距离。控制量是我们自动化机器所要达到的最终目的,2、自动化各构成部分的作用及实现 1）检测（测量）装置 检测（测量）装置主要是传感器。 传感器是一种能把物理量化学量生物量等转变成便于利用的电信号的器件。 输出的电信号有不同形式，如电压电流频率脉冲等，能满足信息传输处理记录显示控制的要求。,通常传感器由感应组件和转换组件组成。 感应组件(Sensing Element) 能直接感受被测量的的量; 转换组件(Transduction Element)则将感应组件输出量转换为适于传输和测量的电信号。,与人类五大感觉器官相比对应的传感器 眼睛（视觉）光传感器影像传感器等 耳朵（听觉）压力传感器电容麦克风等 皮肤（触觉）力学传感器温度传感器湿度传感器等 舌头（味觉）等离子传感器化学传感器等 鼻子（嗅觉）半导体气体传感器燃烧式气体传感器等,除了以上和五感相比拟的传感器外 还有红外线传感器、接近传感器 速度和加速度传感器、磁性传感器等,一般测量信号转换为电量类型(根据采集数据转换后接入控制器的种类划分）：,2）控制器 控制器（一般是RTU、PLC等设备）的主要作用是进行信号采集、数据转换、运算、处理、发送及本地控制。,由传感器测量的现场被测量被转换为与其成比例的标准电信号后输入到控制器，控制器将接收到的电流信号按相同的比例反算回被测量的现场实际值，同时将该数据应用到其他相关的计算、控制过程并按需要将数据传送至其他位置（如监控机）。,3）执行机构（执行器） 执行机构是按控制器输出的指令驱动现场设备运行状态发生变化，从而达到控制被控设备的目的的装置。 执行机构一般有电动执行机构和气动执行机构。电动执行机构是以电为动力源的仪表，气动执行机构是以压缩空气为动力源的仪表。,自动控制技术的应用,炼钢、化工、石油、电力、造纸、纺织、食品等工业 航空、航海、汽车、铁路运输和国防工业。 图书资料的管理、实验室技术。 导弹、人造地球卫星、原子能、空气动力等领域。,自动化技术广泛用于工业农业军事科学研究交通运输商业医疗服务和家庭等方面 采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动部分脑力劳动以及恶劣危险的工作环境中解放出来而且能扩展人的器官功能极大地提高劳动生产率增强人类认识世界和改造世界的能力。 因此自动化是工业农业国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。,33,计 算 机,概念 系统 用途 分类 发展,34,概 念 （Electronic Digital Computer ）,计算机是一种能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。 计算机由硬件和软件组成 计算机是完成信息处理的工具 计算机通过预先编好的存储程序来自动完成数据的加工处理 计算机的经济效益和社会效益是非常明显 它人类生产实践和科学技术发展的必然产物,35,硬件系统（Hardware） 组成计算机的任何机械的、电子的、磁性的部件 整个计算机的物质基础 基本功能：运行由预先设计好的指令编制的各种程序 计算机的主机(由运算器、控制器和存储器组成)、显示器、打印机、通讯设备等,系统组成,36,软件系统（Software） 计算机软件是指为了更好地发挥计算机硬件的效能和方便用户使用计算机而设计的各种程序和数据的总和。 系统软件（System Software ） 用于管理机器各种资源的程序及协调各装置工作的程序和为用户编制程序服务的程序 如操作系统、编译系统、诊断系统、数据库管理系统等 应用软件 （Application Software ） 与用户具体用途关系密切,应用针对性强的软件 单项业务处理系统,如学籍管理和师资管理、文件档案管理、财会统计报表管理等 功能较强的系统,如库存管理系统,综合情报检索系统,会计信息系统等,系 统,37,硬件系统与软件系统的关系 软硬件之间的界面不是固定不变的 软硬件在功能上具有等效性，软硬件能提供同样的逻辑运算能力 硬件实现成本高,但速度快 软件实现成本低,但速度慢,系 统,38,数值计算 科学计算，应用计算机处理科学研究和工程技术中所遇到的数学计算 如卫星运行轨迹,水坝应力,气象预报,油田布局,潮汐规律等等 信息处理 信息处理是对原始数据进行收集、整理、分类、选择、存储、制表、检索、输出等的加工过程 如自动阅卷、图书检索、财务管理、生产管理、医疗诊断、编辑排版、情报分析等等 实时控制 及时搜集检测数据,按最佳值对事物进程的调节控制 如工业生产的自动控制,用 途,39,辅助设计 利用计算机的制图功能,实现各种工程的设计工作 如桥梁设计、船舶设计、飞机设计、集成电路设计、计算机设计、服装设计