电气自动化专业介绍及发展

1、第一章 电气自动化专业介绍及发展1 电气自动化的专业介绍 自动化专业主要研究的是自动控制的原理和方法，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”鲜明的特点，是理、工、文、管多学科交叉的宽口径工科专业。伴随着我国 的电 力电子技术、微电子技术的飞速发展 ，电气自动化的概念已经走出了工厂 ，并在交通、 农业、建 筑、办公场所等方面得到了广泛的应用，电气自动

2、化技术作为从电气工程技术发展出来的并与电子与信息技术紧密结合起来的一门电气工程应用技术学科 ， 历经了近一个 世纪的发展 ， 电气自动化技术已走过了从无到有、从发展到成熟的过程。而我国电气自动化的研究工作可以追溯到上世纪的五十年代 ，可以说研究的时间不短 ， 但是它依旧焕发着 生气与活力。2 电气自动化的发展平台开放式发展OPC （OLE for Process Control ） 技术的出现 ,IEC61131 的颁布,以及 Microsoft 的Windows 平台的广泛应用 ， 使得未来的电气技术的结合 ，计算机日益发挥着不可替代的作 用。1.2.1 IEC61131 标准使得编程接口标

3、准化目前 ，世界上有 200 多家 PLC 厂商 ，近 400 种 PLC 产品 ，不同产品的编程语言和表达方 式 各不相同 ，IEC61131 使得各控制系统厂商的产品的编程接口标准化。 IEC61131 同时定义 了它们 的语法和语义。 这就意味着不会有其他的非标准的方言。 IEC61131 已成为了一个国 际化的标准 ， 正被各大控制系统厂商广泛采纳。结构化的编程方式使得程序更易管理，也提高了代码的使用效率 ， 缩短了程序编程的周期。Windows 正成为事实上的工控标准平台微软的技术如 Win dows NT Win dows CE 和 In ternet Explore 已经正在成为

4、工业控制 的标准平台、语言和规范。 PC 和网络技术已经在商业和企业管理中得到普及。在工业自动 化领 域,基于 PC 的人机界面已经成为主流 ，基于 PC 的控制系统以其灵活性和易于集成的特点正在被更多的用户所采纳。在控制层采用 Win dows 作为操作系统平台的好处就是其易于 使用和维护以及与办公平台简单的集成。123 现场总线和分布式控制系统的应用现场总线（ Profibus 、FF 、In terbus 等）是一种串行的连接智能设备和自动化系统的数 字式、 双向传输的分支结构的通讯总线。它通过一根串行电缆将位于中央控制室内的工业 计算机、监视 / 控制软件和 PLC 的 CPU 与位于

5、现场的远程 I/O 站、变频器、智能仪表、马 达启动器、低压断路 器等连接起来 ，并将这些现场设备的大量信息采集到中央控制器上来。 分布式控制意味着 PLC I/O 模块和现场设备通过总线连接起来 ，将输入 /输出模块转换成 现场检测器和执行器。IT 技术与电气工业自动化PC 客户机 /服务器体系结构、以太网和 In ternet 技术引发了电气自动化的一次又一 次革命。 正是市场的需求驱动着自动化和 IT 平台的融合 ，电子商务的普及将加速着这一过 程。信息技术对 工业世界的渗透来自于两个独立的方向： 一是从管理层纵向的渗透。企业的业务数据处理系统要对当前生产过程的数据进行实时的存取；另一方

6、面 ，信息技术横向扩展到自动化的设备、机器和系统中。信息技术已渗透到产品所有的层面 ，不仅包括传感 器和执行器 , 而且包括控制器和仪表。 Internet/lntranet技术和多媒体技术在自动化领域有着广泛的应用前景。企业的管理层利用标准的浏览器可以存取企业的财务、人事等管理 数据 , 也可以对当前生产过程的动态画面进行监控 ， 在第一时间了解最全面和准确的生产 信息。虚拟现实技术和视频处理技术的应用 ，将对未来的自动化产品 ，如人机界面和设备维 护系 统的设计产生直接的影响。信息技术革命的原动力是微电子和微处理器的发展。随着 微电子和微 处理器技术应用的增加，原本定义明确的设备界线，如P

7、LC控制设备和控制系统变的模糊了。 相对应的软件结构、通讯能力及易于使用和统一的组态环境变得重要了。 软件的重要性在不断提 高。采用统一的系统开发平台统一的系统开发平台应当可以支持一个自动化项目周期中的设计、 实施和测试、调试 和开机、 运行及维护等各个阶段和环节。这样可以大大降低从设计到完成的时间和费用。统一的系统开发平台还应满足用户另一个重要需求即开发平台独立于最终的运行平台。根 据项目的特点和最终用 户的需求决定将统一的运行代码下载到硬件PLC 基于 Windows NT的软件 PLC 嵌入式 NT 系统还是基于 Windows CE 的控制系统中。在这方面 ,基于 PC 的自 动化 产

8、品满足了以上要求通用的网络结构通用的网络结构对于一个成功的自动化系统来说非常重要。整个企业的网络结构应保 证现场控制设备、计算机监督系统、企业管理系统之间的数据通讯畅通无阻。企业管理层可通过Internet/lntranet 对现场设备进行实时监督。在进行系统网络规划时, 无论选择与现场设备通讯的现场总线还是与上级计算机或办公系统通讯的以太网 ，所选择的网络产 品必须能够保证从办公自动化环境到控制级直至元件级的整个系统范围内的通讯。而且 ， 在整个网络中贯穿着集成的网络配置和编程、集成的数据管理以及集成的通讯等功能 ， 即 所谓的全集成自动化技术。1.2.7 标准化的程序接口成功的自动化系统的

9、另一个重要因素在于标准化的程序接口。基于 Microsoft 的标准 和技术, 如 Windows2OO0 OPC ActiveX 和 Windows CE, 减少了工程时间和费用 ,方便了自 动化 系统和办公系统的数据交换与共享。在与企业的MES 系统、 ERP 系统连接时，基于 PC平台的自动化解决方案意义非同寻常。使用 WindowsNT/2000 作为操作系统 ， 使用 TCP/IP 作为办公环境的通讯标准 ,PC 可以在自动控制和管理平台之间建立一种最好的接口。标准 化的程 序接口还保证了不同厂家的软硬件产品的数据交换，不需担心它们之间的通讯问题。工业自动化的发展趋势工业自动化的发展

10、趋势应该是分布式、开放化和信息化。分布式的结构是一种能确保 网络中每个智能的模块能够独立的工作的网络， 达到系统危险分散的概念 ；开放化则是系统结构具有与外界的借口 ， 实现系统与外界网络的连接 ；信息化则是使系统信息能够进行 综合 处理能力 ， 与网络技术结合实现网络自动化和管控一体化。60 年前的旧中国，工业是极为落后的。不仅产品产量低，而且工业部门残缺不全， 只有采矿业、纺织业和简单的加工业 , 许多工业产品不能自己生产，完全依赖进口。如今，经过60年的建设，工业行业发生根本性变化。中国已拥有 39个工业大类、 191个中类、 525 个小类, 联合国产业分类中所列的全部工业门类都有。一

11、个行业比较齐全的工业体系已经形成 ,轻重工业结构在反复调整中逐步得到改善 ，机电、高新技术产品在我国出口贸易中的 主导地位日益明显。60 年沧桑巨变，犹如一部科幻大片。今日之中国，繁荣昌盛、生机勃勃；今日中国之人民，意气风发、豪情满怀。中华民族以顽强不屈的精神傲立于世界民族之林回望新中国成立以来的历史，展现的是亿万人民战天斗地，求发展、求变革、求振兴的生动画卷。60年执着不懈地艰苦奋斗，我们走过风云变幻、跌宕起伏的峥嵘岁月，走过了发达国家200-300年的历程，使今天的中国站在了实现千年强国之梦的新起点上。在工业化的进程中，形形色色的自动化产品扮演着不可或缺的角色。本文特选PLC机器人、变频器

12、、伺服与传动、工控机以及自动化仪表等几个非常具有代表性的自动化产品见证着新中国工业领域不凡成就。PLC我国开始研制PLC产品是上世纪70年代中期。由于PLC应用不断深入，国内又掀起研 制 PLC的高潮，虽然仍是小型 PLC批量亦不大，但其功能、质量和可靠性比70年代的产品有明显的提高。为尽快提升我国 PLC的技术水平，引进PLC的先进生产技术，中外合资 或外商独资 企业在国内开始批量生产 PLC西门子公司率先在大连建立 PLC生产企业；欧 姆龙公司在上海生 产的PLC远销海内外。PLC崛起于70年代，首先在汽车流水线上大量应用。80年代PLC走向成熟，全面采用 电子 处理器技术，得到大量推广应

13、用，年销售始终以高于20%勺增长率上升，奠定了其在工业控制中不可动摇的地位。90年代，随着工控编程语言IEC61131-3的正式颁布，PLC开始了 它的第三个发展时期。国内开始研制PLC产品是上世纪70年代中期，当时上海、北京、西安、广州和长春等地的不少科研单位、大专院校和工厂，总计20多家单位都在研制和生产 PLC （绝大多数都是小型PLQO特别值得一提的是国家科委和原机械工业部在仪器仪表重点课题攻关专项中组织了“六五”、“七五”、“八五”的可编程序控制器子项攻关，由部属北京机械工业自动 化研究所负责， 先后研制开发了 MPC-10 MPC-20 MPC-8 型PLG为了尽快提升我国PLC的

14、技术水平，引进PLC的先进生产技术，中外合资或外商独资企业在国内开始批量生产 PLC西门子公司首先在大连开办 PLC生产企业；欧姆龙公司在 上海生产的 PLC远销海内外；中日合资后又成独资的江苏无锡光洋电子有限公司的PLC已有小、中、大系列产品。中外合资、引进技术，使国产PLC上了一个新的台阶。中国加入WTC后，越来越多跨国企业把制造基地转移至中国。制造业的控制主要以离散控制为主，PLC是该领域控制系统的首选，制造企业为提高劳动生产率和产品质量，必 然会大量采 用PLC从而为PLC的应用提供广阔的市场应用前景。我国工业企业的自动化程度普遍偏低，PLC产品的应用空间还很大。例如机械行业，80%人

15、上的设备仍使用传统的继电器和接触器控制。可以说，PLC在我国工业中的应用潜力壮大PLC市场还远没有得到充分发挥，大部分小型企业尚未完全应用自动化系统和产品。在未来愈见激 烈的市场竞争中，这部分企业势必需要应用自动化系统以提升自身实力，这将是 的一块良好培养基。目前，中国PLC市场的95姬上被国外品牌占领。然而，国内已有具有较强实力的公司开始拓展PLC业务，并在中国PLC市场有了一定响应。工业机器人从最初的机械手，到现在的服务机器人，机器人在提高产品质量、发展绿色制造、服务人民生活等方面发挥着越来越重要的作用，解放了人类，使得生产效率大大提高。上世纪70年代初期，我国科技人员从外文杂志上敏锐地捕

16、捉到国外机器人研究的信息，开始自发地研究机器人。80年代中期，我国机器人的研发单位大大小小已有200多家，然而，由于多半从事的是低 水平、重复性的研究，全国尚无一台机器人产品问世，直至1985年，我国机器人才迎来了“春天一一工业机器人被列入了国家“七五科技攻关计划研究重点，目标锁定在工业机器人基础技术、基础器件开发、搬运、喷涂和焊接机器人的开发研究等五个方面。1990年，工业喷漆机器人PJ-1如期完成，这是我国第一台喷漆机器人。而我国 6000米无缆水下机器 人试验应用成功，标志着我国水下机器人技术已达到世界先进水平。从90年代初期起，在国家“ 863计划支持下，我国工业机器人又在实践中迈进一

17、大 步， 具有自主知识产权的点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等7种工业机器人产品相继问世，还实施了 100多项机器人应用工程、建立了 20余个机器人产业化基地。90年代中后期，我国开始研究服务机器人。仿人机器人走出实验室，我国成为继日本之后投入实际展示应用的第二个国家目前，我国的服务机器人主要有吸尘器机器人，教育、娱乐、保安机器人，智能轮椅机器人，智能穿戴机器人，智能玩具机器人，同时还有一批为服务机器人提供核心控制器、传感器和驱动器功能部件的企业。如今，在国际竞争中，我国工业机器人的优势日益凸显。伺服与运动控制伺服系统是个年轻的产业，上个世纪 60? 70年代是直流伺服电动机诞生和

18、发展的时代，直流伺服系统在工业及相关领域获得了广泛的应用，伺服系统的位置控制也由开环控制发展成为闭环控制。80年代以来，随着科学技术的快速发展，大大推动了交流伺服驱动技术，使交流伺服系统性能日渐提高，与其相应的伺服传动装置也经历了模拟式、数模混合式和全数字化的发展。90年代开环伺服系统迅速被交流伺服所取代。应用到在中国工业自动化不断发展的推动下，我国伺服市场逐渐形成发展，伺服产品也逐渐发展。在国家交通、电力、新能源开发、汽车制造等各个领域，伺服在中国大好的形势下稳定中863计划、科技部中小型企业创新基金和国家“十五”攻关成果基础上，我国的伺服驱动装置的控制平台技术已经基本成熟，市场呈现快速多元

19、化发展，国内外众多品牌进入市场竞争。目前交流伺服技术已成为工业自动化的支撑性技术之一。变频器早在20世纪40年代在国外就已诞生了异步电动机的变频调速技术，不过那时的变频器是由直流电动机-同步发电机组成的变频机组，50年代在我国的胶片厂等易燃车间已经采 用了变频机 组实现交流调速。60年代在国际上才出现用电力电子器件组成的静止变频器，1963年，上海整流器厂就已研制出国内第一只可控硅，比当时的日本还要早一年。1965年，我国开始了研究可控硅变频器。直到 80年代，国内许多高等学校和研究院所积极开发GTR变频器，后期更进一步研制了 IGBT变频器，并将技术转让给企业生产，但由于没有自动化生产线而无

20、法生产出高可靠性的变频器。90年代中期，国外生产的变频器陆续进入中国市场，改革开放的不断深入也使国外的生产设备迅速涌入中国，国产变频器厂家纷纷崛起，国产的 WVF !用变频器才开始涌现。一个高压变频器的国产化时代在我们手中拉开帷幕。目前,国内大约已经有二十几家企业有能力生产高压变频器，国产品牌占市场的50沖上。最近十年，采用无速度传感器控制的矢量控制和直接转矩控制系统的高动态性能变频控制技术逐渐升温，是否具备无速度传感器控制技术成为高性能通用变频器和一般通用变频器的分水岭。然而在很长的一段时间里，虽然变频器已经在中国大地遍地开花，但其核心器件IGBT始终依赖进口，成为制约国产变频器发展的瓶颈。

21、近年来，多位在国外有丰富研制IGBT经验的专家回国办厂，使国内企业具备了IGBT和MOEFE的制造技术，完整的变频器产业链才开始形成。传感器随着世界进入信息化时代，自动化、信息化成为世界各国发展重要方向之一。传感 作为自动化和信息系统的前端器件，是制造业自动化和信息化的基础：现代传感器技术约了多 种学科的尖端成果、是国际上发展最迅速的高新技术之一；是传统产业技术改造和升级的“功效倍增器”，成为衡量一个国家科技发展的重要指标。我国传感器行业发展迅速，传感器市场近些年一直持续增长，势头良好，其中工业制造和汽车产品达到市场份额的三分之一。传感器给我国的迅速发展带来了无限商机， 西门子、霍尼韦尔、 凯

22、乐、横河等传感器大企业纷纷进入我国市场，这为我国工业设备制造商和汽车制造业等传感器最终消费者带来了很大便利，但也对国内传感器行业施加了很大压国内传感器产品存在的主要问题是：品种少，质量较差；制造工艺技术相对落后；生 产企业 不掌握先进的核心制造技术；高性能传感器的科研成果转化率较低。大力发展新型 传感器已在行 业内开展多年，但新型传感器的产业化速度慢仍困扰着众多传感器企业。产 品更新换代是行业持 续发展的源泉，传感器正向更多领域拓展，这些领域不断增长的需求， 要求新型传感器产品不断 的涌现。网络的应用， IT 业的迅速发展，对传感器新品提出更多 要求，适应于不同行业的传感器 的研发要跟上市场潮

23、流，并创造处新的需求。只有传感器 应用更广泛，产品不断更新，更好的适 应市场需求，才能获得新的增长点。电气工程及其自动化的触角伸向各行各业，小到一个开关的设计，大到宇航飞机的研 究，都 有它的身影。本专业生能够从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子 技术、信息处 理、试验技术、研制开发、经济管理以及电子与计算机技术应用等领域的工 作，是宽口径“复合 型”高级工程技术人才。想想不到半个世纪， 我们就经历了只包含几个晶体管的电路到相同空间几亿个晶体管 的时代， 工程师通过办公室桌面计算机就可以控制这一复杂性的想法根本不可能实现。而 PC 本身增加的 功能却极大促进了高级自动化， 现在多数

24、工程师都认为这是理所应当的。 设 计流程增强的自动 化不一定带来电子工业的革新，但却提升了设计师工作的抽象级别，使 他们做到最好。设计时间 可以花在更具创造性水平上创造附加值，而不是花在实现的复杂 性上。电子设计流程的复杂性令 人难以置信。随着国家经济建设的高速发展，持续不断地电力投资的市场需求，电力自动化市场的 前景是 十分喜人的！ 随之而来， 电气自动化行业的发展前景也是异常有诱惑力的。 在过去 发展的基础上， 我国电气自动化行业的发展和我国工业自动化行业的发展，同样是取得了 骄人的业绩的。但是， 在我国电气自动化行业里面，同样存在低端技术产品多，高端技术 产品少；普通产品生产多，尖 端产

25、品生产少；能耗高的产品多，能耗低的产品少；企业单 打独斗多，形成产业链的少；为国外 企业配套多，企业自主创新少同样，也存在着从“又快又好”向“又好又快”转型的问题。第二章主要课程课程介绍电工基础 ： 本课程是电类各专业共同的一门重要技术基础课。电能，由于它易于转换、易于控制，生产和使用都比其他形式的能量来得方便，因而得到咯极为广泛的应用。在现阶段，无论是 作为能源，还 是作为信号的载体，电能的地位都是其他形式的能量无法替代的。电能的应 用离不开各种形式的电路。实际电路种类繁多、功能各异，但它们都有着共同的基本规律。 本课程的主要任务就是要 使学生掌握电路的基本规律，学会分析电路的基本方法，为进

26、一 步学习后续课程及将来从事电类 专业的实际工作奠定基础。电气 CAD 本课程主要学习电气制图以及构成电气图基础的电气简图用图形符号、计算机绘制电气 图，使学 生掌握计算机绘制包括电路图、印制电路板图在内的电气图制图技能和相应的计 算机仿真技能。 培养和训练学生具有绘制电气图和阅读电气图能力，掌握电气制图与电气 图用图形符号的国家标 准，并据此能正确阅读。电气图和绘制电气图。高等数学：本课程主要学习函数、极限、连续的关系就延伸一元函数微分学及其应用和 医院函 数积分及其应用、无穷级数、常微分方程、多元函数微分学、多元函数积分学、线 性代数初步、 等这些非常适用于本专业，为本专业的学习打下基础。

27、模拟电子技术（ H）: 本课程包括集成运算放大器、半导体二极管及其基本电路、三极管放大电路基础、场效应管及其放大电路、差分放大器与多级放大器、滤波电路及放大电路 的频率响应、 反馈放大电路、功率放大电路、信号产生电路和直流稳压电源。数字电子技术：本课程主要研究各种逻辑门电路、集成器件的功能及其应用,. 逻辑门电路组合和时序电路的分析和设计、 集成芯片各脚功能 .555 定时器等 .随着计算机科学与技 术突飞猛 进地发展，用数字电路进行信号处理的优势也更加突出。为了充分发挥和利用数 字电路在信号处 理上的强大功能，我们可以先将模拟信号按比例转换成数字信号，然后送 到数字电路进行处理， 最后再将处

28、理结果根据需要转换为相应的模拟信号输出。自20 世纪 70 年代开始，这种用数字电路处理模拟信号的所谓“数字化”浪潮已经席卷了电子技术几乎所有的应用领域。6C 语言程序设计：是一种计算机程序设计语言。 它既有高级语言的特点， 又具有汇编语 言的特点。 它可以作为系统设计语言，编写工作系统应用程序，也可以作为应用程序设计 语言，编写不依赖 计算机硬件的应用程序。因此，它的应用范围广泛。电工材料： 本课程主要介绍了导电材料、 半导体材料、绝缘材料和其他电介质材料、磁性材料。这些材料均具有一定的电学或磁学性能。 具体的电工材料一般按用途分类。 例如铁氧体，若按磁导率分，用于磁路时是磁性材料；但按电阻

29、率分，用于电路时属 于半导体材 料。电机与电力拖动电机与电力拖动： 在工业自动化专业与电气工程及自动化专业中， 是一门十分重要的专业基础课或技术基础课，它在整个专业教学计划中起着承前启后的作用。本课程对直流电机、变压器、异步电机、同步电机和其他特殊电机侧重于从 应用的角度 讲述了其基本工作原理、基本结构、数学模型 （ 基本方程式、等值电路 ） 、 运行分析及各种工作特性。对交流电机的磁势考虑其重要性做了一些详细的介绍，对 同步电机侧 重于功角特性、起动和激磁调节的讲述。电气控制技术：随着科学技术的不断发展、生产工艺的不断改进，特别是计算机技术的 应用， 新型控制策略的出现，不断改变着电气控制技

30、术的面貌。在控制方法上，从手动控 制发展到自动 控制；在控制功能上，从简单控制发展到智能化控制；在操作上，从笨重发 展到信息化处理；在 控制原理上，从单一的有触头硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微 处理器或微计算机为中心的 网络化自动控制系统。 现代电气控制技术综合应用了计算机技 术、微电子技术、检测技术、自动控制技术、智能技术、通信技术、网络技术等先进的科 学技术 成果。测控电路与器件：自动检测技术：本课程作为信息科学的一个重要分支与计算机技术、 自动控制技术和通信技术等一起构成 了信息技术的完整科学。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获 取与信 息转换为中心， 传感器作

31、为信息获取与信息转换的重要手段， 是实现信息化的基础 技术之一。“没 有传感器就没有现代科学”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的 检测系统就像神经核感 官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为 人们认识自然、改造自然的有 力工具，广泛地应用于工业、农业、国防和科研等领域。交直流调速控制系统：本课程是以电动机为主要控制对象，研究直流电动机、交流电动 机组成的各类调速系统。系统属于快速响应系统。而过程控制是以生产过程中的一些物理 量如温度、 流量、压力等参数为被控参数，系统属于慢响应系统。过程控制及自动化仪表：本课程以控制系统为体系， 将过程参数检测变送、 显示记录及控制仪

32、表作为组成系统 的相应环节， 力求完整体现过程控制的整体内容。在参数检测方面，深入浅出地介绍 了检测原理及方法；依据 其代表性及发展趋势，介绍了目前生产中广泛应用的检测仪 表。在控制仪表方面，根据生产实际情况，介绍了模拟、数字控制器和电动、气动执 行器。在控制系统方面，着重介绍简单控制系统 和几种常用复杂控制系统的设计，以 及分布式控制系统 (DCS) 的硬件和软件体系构成与目前国内 常见的几种分布式控制系 统(DCS)。此外，还简要介绍了显示记录仪表。最后介绍了典型工业过 程的控制。每章后配有思考题与习题。单片机原理与应用技术： 本课程从计算机基础知识开始，介绍了MCS 51 系列单片机的硬件结构、指令系统、汇编语言程序设计、中断系统、定时计数器、串口以及存储器、输入输出接口的扩展、 A/ D转换器、 D/ A 转换器、键盘、显示器等的基本内容和应用实例。同时，增加了 C51、 I2C 总线等内容作为选修，以适应单片机新技术的发展。另外，在本书 附录 A 中给出了一个特别实用的实 验装置，同时列出了相应的实验内容；在附录B 中介绍了仿真软件 Proteus 的使用方法。 单片机原理