工业自动化现状及其发展

工业自动化现状及其发展西安开轩自动化有限责任公司薛周利一、自动化基本概念目的：共享体会、统一概念、在大范围之内界定本次讨论范围。对自动化的理解：无处不在，由浅入深举例。人用手去拿桌上的东西航天飞机上天

总结：完整的自动化控制系统应包括：反映控制目的的设定；确定控制方法的控制器；执行控制程序的执行器；获取控制效果的检测机构；还有控制对象和辅助材料。一、自动化基本概念续自动化行业相关产品分类

设定：操作台和现场控制箱、触摸屏、计算机和组态软件控制器：控制方式、方法及载体（PLC、DCS等）执行器：继电器、接触器、电机、阀、变频、软器等

检测机构：各类仪表

控制对象：各行业工业过程（控制语言抽象时重点，做自动化作行业意义所在）一、自动化基本概念续重点讲解内容：组态软件、控制方法、PLC、自动化系统规划、设计等，具体安排如下：我重点讲解内容：

控制方法和PLC发展历史、现状和展望二、控制方法—自动化控制技术反馈控制技术自动控制理论有时也叫反馈控制理论偏差、控制质量、正反馈、负反馈超调、一阶系统、多阶系统、模型、稳定前馈控制大滞后系统辨识及仿真技术系统数学模型数学在控制理论研究中的作用二、控制方法—自动化控制技术续预测控制广义预测控制---预估几步结果、按算法求出控制作用，举例下棋、依赖预估准确性PID控制系统鲁棒性指标，解决建模不太准确问题实施简单、适用于大多工业过程应用选择：PI、PID、参数选择发展：变参数PID，自适应PID、智能PID二、控制方法—自动化控制技术续模糊控制模糊数学理论---光头概念洗衣机控制现代控制理论（多变量控制系统）多变量系统矩阵理论多个水龙头控制二、控制方法—自动化控制技术续自适应控制模型参数变化概念---导弹控制控制算法特点非线性控制理论结构、参数都变的系统控制理论处于正在研究之中三、PLC发展历史二十世纪四十年代，计算机技术发展起来后，科学计算，在工业领域应用（二十世纪六十年代的事）。解决：干扰、接口方便、编程简单问题国内八十年代初开始使用，进口设备带的，国内改造的，二汽83年开始使用三、PLC发展历史续可编程序控制器是六十年代末在美国首先出现的，当时叫PLC（ProgrammableLogicController），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能，由此日本称它为顺序控制器（SequenceController)。提出PLC概念的是美国通用汽车公司。当时，根据汽车制造业生产线的需要，希望用电子化的新型控制器替代继电器控制盘，以减少汽车改型时，重新设计制造继电器控制盘的成本和时间。

三、、PLC发发展展历历史史续当时时PLC的的基基本本设设计计思思想想是是：：1、、控控制制器器硬硬件件是是标标准准的的、、通通用用的的，，因因而而不不需需要要每每次次另另行行设设计计；；2、、根根据据实实际际应应用用对对象象，，将将控控制制内内容容作作成成软软件件写写入入控控制制器器的的程程序序存存储储器器内内。。写写入入时时采采用用了了最最便便于于表表示示顺顺序序控控制制程程序序的的形形式式；；3、、控控制制器器和和被被控控对对象象连连接接方方便便。。随随着着半半导导体体技技术术尤尤其其是是微微处处理理器器和和微微型型计计算算机机技技术术的的发发展展，，到到七七十十年年代代中中期期以以后后，，PLC已已广广泛泛地地使使用用微微处处理理器器作作为为中中央央处处理理器器，，输输入入输输出出组组件件和和外外围围电电路路也也都都采采用用了了中中、、大大规规模模甚甚至至超超大大规规模模的的集集成成电电路路，，这这时时的的““PLC””已已不不再再是是仅仅有有逻逻辑辑（（Logic））判判断断功功能能了了，，同同时时具具有有数数据据处处理理、、PID调调节节和和数数据据通通讯功功能能。。三、、PLC发发展展历历史史续工作作过过程程外部部信信号号入入输输入入缓缓冲冲区区用户户程程序序输出出缓缓冲冲区区到到输输出出模模块块三、、PLC发发展展历历史史续可编编程程序序控控制制器器硬硬件件的的基基本本构构成成中中央央处处理理器器（（CentralProcessorUnit简简称称CPU））：：它它是是可可编编程程序序控控制制器器的的心心脏脏部部分分。。CPU由由微微处处理理器器（（Microproce-ssor））存存储储实实际际控控制制逻逻辑辑的的程程序序存存储储器器和和存存储储数数据据、、变变量量的的数数据据储储器器构构成成。。电电源源（（PowerSupply））：：给给中中央央处处理理器器提提供供必必需需的的工工作作电电源源。。输输入入组组件件（（Inputs））：：输输入入组组件件的的功功能能是是将将操操作作开开关关和和现现场场信信号号送送给给中中央央处处理理器器。。现现场场信信号号可可能能是是开开关关量量、、模模拟拟量量或或针针对对某某一一特特定定目目的的使使用用的的特特殊殊变变量量。。输输出出组组件件（（Outputs））：：输输出出组组件件接接收收CPU的的控控制制信信号号，，并并把把它它转转换换成成电电压压或或电电流流等等现现场场执执行行机机构构所所能能接接收收的的信信号号后后，，传传送控控制制命命令令给给现现场场设设备备的的执执行行器器。。三、、PLC发发展展历历史史续输入入输输出出（（简简称称I/O））是是可可编编程程序序控控制制器器的的““手手””和和““脚脚””或或者者叫叫作作系系统统的的““眼眼睛睛””和和““视视觉觉””。。输输入入信信号号包包括括按按扭扭开开关关、、限限位位开开关关、、接接近近开开关关、、光光电电传传感感器器、、热热电电偶偶、、热热电电阻阻、、位位置置检检测测开开关关和和编编码码器器等等。。输输出出信信号号包包括括继继电电器器、、指指示示灯灯、、显显示示器器、、电电机机启启动动等等直直流流和和交交流流设设备备。。编编程程器器（（Programmer））：：在在正正常常情情况况下下，，编编程程器器用用于于系系统统初初始始状状态态的的配配置置，，控控制制逻逻辑辑程程序序编编制制和和加加载载，，不不能能对对系系统统操操作作。。编编程程器器也也可可用用于于控控制制程程序序的的调调试试和和控控制制系系统统故故障障时时作作为为检检查查故故障的的有有效效工工具具。。三、、PLC发发展展历历史史续可编编程程序序控控制制器器规规模模分分类类类型型I/O点数数存存储储器器容容量量微型型PLC64点以以下下1-2KB（字字节节））小型型PLC64-128点2-4KB（字字节节））中型型PLC128-512点4-16KB（字字节节））大型型PLC512-8192点16-64KB（字字节节））超大大型型PLC大于于8192点64-128KB（字字节节））可编编程程序序控控制制器器的的规规模模划划分分并并无无严严格格的的界界限限，，目目前前微微、、小小型的的机机器器也也具具有有以以前前中中、、大大型型机机的的功功能能。。三、、PLC发发展展历历史史续可编编程程序序控控制制器器型型号号表表（（国国内内））序号号可可编编程程序序控控制制器器型型号号备备注注（（生生产产厂厂））1ACMY-S256上海香香岛2UNICONS-40M上海台台岛3MPC-10、MPC-20自动化化研究究所4TS-300、TS-400自动化化仪表表研究究所5ZHS-PC01、ZHS-PC02机床研研究所所6SPC-2、CF-40MR起重电电器7DTK-S84自动化化仪表表厂8PC-700、PC-900调节器器厂9TCM-400大华10BM-PZC电子仪仪表11NK-40南洋电电器13PC-80骊山电电子三、PLC发发展历历史续可编程程序控控制器器型号号表（（国外外）序号可可编程程序控控制器器型号号备备注注1S5、S7-200、300、400系列西西门门子SIEMENS2Quantum、Micro、Premium、Compact、Momentum、、984MODICON3MicroLogix1000、1200、1500、ALLENBRADLLEY（AB）SLC500、PLC-5、ControlLogixVersaMaxNano/Micro微型、、90-30、GE90-70、VersaMax5F、K、A系列三三菱（（MITSUBISHI）SYSMACC、CPM1、CQM1、CQH1等系列列欧欧姆姆龙（（OMRON）TI、PM系列TXAXINSTUMENTSSR、SU、SG系列KOYO四、现现状---各系系列PLC规模模划分分SchneiderABSiemensGE小型系系统：：MicroMicrologixS7-200VersaMAX中小型型系统统：MomentumSLC500S7-30090-30中型系系统：：MomentumPLC-5S7-40090-70中大型型系统统：QunentumControlLogixS7-400PAC现状---ABPLC控控制系系统概概貌一一控制系统最大I/OI/O形式通信形式存储区MicroLogix100010/16/25/32固定I/ODeviceNet/DH-485/RS-2321K字MicroLogix120088固定I/O+6个本地I/O模块DeviceNet/DH-485/RS-232/MB从6K字MicroLogix1500156固定I/O+8个本地I/O模块DeviceNet/DH-485/RS-232/MB从7.65K字SLC84-960-4096*固定I/O+2个本地I/O模块*30个本地I/O模块*ControlNetI/O*DeviceNetI/O*通用远程I/ODeviceNet/DH+/RS-232/DH-485/Ethernet/通用远程I/O1-64K字现状---ABPLC控控制系系统概概貌二二控制系统最大I/OI/O形式通信形式存储区PLC-5512-3072*处理器冗余本地I/O*扩展本地I/O模块*ControlNetI/O*DeviceNetI/O*通用远程I/ODeviceNet/DH+/RS-232/Ethernet/通用远程I/O64-100K字ControlLogix12800*本地I/O模块*ControlNetI/O*DeviceNetI/O*通用远程I/ODeviceNet/DH+/RS-232/Ethernet/通用远程I/O160K-2M现状---分布式式系统统类型型对象分分散、、联系系不多多，宜宜用多多CPU分分散系系统。。数据据交换换MSG指指令对象分分散、、联系系较多多，宜宜用单单CPU分分布系系统。。扩展展本地地/远远程I/O对象分分散、、种类类较多多，宜宜用灵灵活组组网结结构。。ControlNet、MB+、Genius、、DeviceNet以以及智智能采采集模模块等等组成成系统统。根据系系统规规模选选用相相应系系列PLC，初初投资资规模模：Schneider>AB>Siemens>GE>其其它，，但可可靠性性及使使用方方便性性则同同样有有以上上关系系。现状---PLC系统统结构构（一一）单CPU简简单系系统一个CPU，I/O点较较少（（不足足100个个左右右），，一排排机架架就够够，不不需I/O扩扩展。。注意意一排排最多多可带带I/O模模块块数以以及核核对电电源等等容量量，有有条件件的话话，对对新配配置，，通过过在编编程软软件实实际配配一下下来核核对。。单CPU较较多点点数系系统一个CPU，I/O点较较多（（100-300个个左右右），，一排排机架架不够够了，，需进进行本本地I/O扩扩展。。GE(IC200ERM002/IC200CBL600、IC200ETM001/ERM001)，本本地扩扩展具具有方方便、、便宜宜的特特点，，但与与扩展展机架架间最最大距距离较较小。。现状---PLC系统统结构构（二二）单CPU较较多点点数且且分散散的系系统一个CPU，I/O点较较多（（100-300个左左右）），位位置较较为分分散，，需要要采用用PLC远远程扩扩展方方式，，GE(IC693BEM331/IC200GBI001、、IC697BEM731/IC200GBI001)，，远程程扩展展具有有方便便、有有一定定成本本的特特点，，但最最大距距离较较远。。双CPU热热备系系统可靠性性要求求高的的场合合，热热备和和冗余余的概概念、、区别别，热热备中中浮主主/固固定主主概念念、可可带电电热插插拔的的概念念（GEVersamaxI/O就可可以））。Rx7i的的双机机热备备系统统Genius协协议支支持冗冗余Switch共可支支持10个个以太太网远远程I/O站以太网网远程程I/O站站扩展展机架架，每个远远程I/O站可可带7个扩扩展机机架光纤、、双绞绞线内置双双口交交换机机工业以以太网网Rx7i双双机热热备系系统－－Genius总线线I/O站站Rx7i双双机热热备系系统－－以太太网总总线I/O站Rx7i双双机热热备系系统特特点CPU、电电源、、机架架、总总线均均为热热备冗冗余切换时时间为为毫秒秒级完全无无扰动动切换换2.1G冗冗余同同步总总线速速率每个扫扫描周周期同同步两两次同步总总线支支持冗冗余热热备支持冗冗余以以太网网支持冗冗余以以太网网共可支支持28个个Genius远程程I/O站站光纤同同步总总线，，可支支持冗冗余光纤同同步总总线，，可支支持冗冗余GEFANUC授权分销商90-30的双双机热热备系系统Genius协协议支支持冗冗余Switch共可支支持10个个以太太网远远程I/O站以太网网远程程I/O站站扩展展机架架，每个远远程I/O站可可带7个扩扩展机机架光纤、、双绞绞线Genius同同步总总线可可支持持冗余余内置双双口交交换机机工业以以太网网90-30双机机热备备系统统－Genius总总线I/O站90-30双机机热备备系统统－以以太网网总线线I/O站站90-30双机机热备备系统统特点点CPU、电电源、、机架架、总总线均均为热热备冗冗余切换时时间为为毫秒秒级完全无无扰动动切换换同步总总线支支持冗冗余热热备支持冗冗余以以太网网支持冗冗余以以太网网共可支支持28个个Genius远程程I/O站站GEFANUC授权分销商90-70的双双机热热备系系统Genius协协议支支持冗冗余Switch共可支支持10个个以太太网远远程I/O站以太网网远程程I/O站站扩展展机架架，每个远远程I/O站可可带7个扩扩展机机架光纤、、双绞绞线内置双双口交交换机机工业以以太网网90-70双机机热备备系统统－Genius总总线I/O站90-70双机机热备备系统统－以以太网网总线线I/O站站90-70双机机热备备系统统特点点CPU、电电源、、机架架、总总线均均为热热备冗冗余切换时时间为为毫秒秒级完全无无扰动动切换换2.1G同同步总总线每个扫扫描周周期同同步两两次同步总总线冗冗余热热备支持冗冗余以以太网网支持冗冗余以以太网网共可支支持28个个Genius远程程I/O站站同步总总线，，可支支持冗冗余同步总总线，，可支支持冗冗余GEFANUC授权分销商现状---PLC系统统结构构（三三）GE三三重化化安全全表决决系统统三个CPU，其其他部部分也也多重重冗余余，安安全等等级是是目前前国际际上公公布控控制系系统最最高的的之一一。多多用在在航天天、化化工厂厂安全全停车车、消消防报报警控控制、、气体体灭火火等系系统热备冗冗余系系统与与多重重化系系统高可靠靠性热备CPU,电电源和和通迅迅模块块1M消除主主要的的共同同模式式的单单点失失效控制系系统正正常切切换时时间……..适用于于““SafetyIntegrityLevel””(SIL)0-1场场合高安全全高可可靠多重CPU,通通讯模模块,I/O模模块.安全全表决决系统统3M失效安安全/容容错错方式式典型应应用包包括:人类生生命保保护环境保保护设备保保护.取得“SafetyIntegrityLevel”(SIL)1-3认证证热备冗冗余系系统多重化化系统统GMRSystemI/OGeniusGeniusGeniusGeniusHSB...PrimaryBackupI/OLoadLoadGeniusLOADFieldDeviceGeniusGeniusGeniusGeniusGeniusGeniusGeniusPLCAPLCBPLCCGMR系统构构成输入子子系统统输出子子系统统通讯总总线CPU控控制器器Ethernet系统网网络结结构图图实配：：三重重化开开关量量输入入96路*3点点；三三重化化模拟拟量输输入32路路*3点；；64路T型继继电器器输出出PWR711CPM790BEM731BEM731CMM711CMM742BEM731HMIDCSPLCAPLCBRS485Genius总总线线CGenius总总线线APWR711CPM790BEM731BEM731CMM711CMM742BEM731PWR711CPM790BEM731BEM731CMM742BEM731DI1Genius总总线线B3选2表决决输入入PLCCBBD024BBD024BBD024DI2DI3BBD024BBD024LOADAI1ALG240ALG240ALG240~AI2~AI3~DO为为T型型接法法DI三三重化化输入入*3套DO三三重化化输出出*2套套OVAI三三重化化输入入*4套套现状---通信网网络选选择RS-232-------连通通简单单，上上位机机不需需要接接口板板卡，，投资资小，，但距距离和和速度度受限限制。。DH-485-------易连连通，，上位位机需需要1747-PIC接接口转转换器器，投投资较较小，，但距距离和和速度度也受受限制制，比比RS-232要好好。DH+-----------易易连通通，上上位机机需要要1784-KTX接口口卡，，投资资较大大，但但距离离远和和速度度要快快（不不同速速度时时，最最大通通信距距离则则不同同，终终端电电阻选选配也也应不不同））。远程I/O网。。解决决远程程I/O扩扩展问问题，，组网网灵活活。ControlNet网网。解解决具具有ControlNet网网接口口控制制设备备之间间的连连接问问题，，组网网灵活活。DeviceNet网网。解决决象变频频器等智智能设备备接入控控制网的的问题，，组网灵灵活。EtherNet网。。连通简简单，上上位机不不需要接接口板卡卡，但是是，通信信距离受受限制，，除少数数CPU外，大大多需要要EtherNet网网通信模模块。现状---PLC配配置工作作单1、根据据控制原原理，计计算I/O，加加上特殊殊I/O点数并并统计总总点数，，估计系系统规模模，估算算内存总总需求。。*10、*25、*100。2、选择择处理器器3、*选选择I/O模块块（注意意总数，，MicroLogix1500〈〈=8块），西西北院武武都水厂厂设计错错误（9块）。。4、*选选配电源源模块（（注意功功率消耗耗，特别别是模拟拟量合继电器输输出模块块较多时时），山山西煤炭炭院两渡渡煤矿设设计错误。。5、最后后选择框框架和其其它设备备，注意意附件（（模块端端子、通通信、连连接电缆、接接头、卡卡件等））。现状---一点体会会模块电压压级别、、点数密密度（最最好一致致）、现现场信号号电压等等级和信信号传输输距离（（24VDC、、220VAC、4-20mA、0-10V）。。先解决重重点问题题，在规规划程序序结构（（包括数数据区划划分）、、编制程程序。例例如：通通信连通通、基本本指令试试验（模模拟量采采集需初初始化否否？PID运算算等）均均为重点点问题。。通电调试试应一步步一个脚脚印，避避免损坏坏控制元元件或现现场设备备。同时时应做好好调试纪纪录。PLC的的抗干扰扰问题：：现状---一点体会会两线/四四线之仪仪表、有有源无源源接点的的概念。。信号公共共点、基基准点的的概念，，对于复复杂系统统尤为重重要（晨晨曦网布布定型机机例子，，按钮、、接触器器返回、、接近开开关、光光电开关关、变频频器状态态、直流流传动装装置状态态及模拟拟量控制制问题））。Siemens6ES7-331-7KF02多功能能模块使使用，电电压、电电流（2/4线线混用））、热电电阻混用用有问题题。一定定要搞清清信号类类型。现状---一点体会会PLC干干扰源侵侵入方式式：1、、导线传传入；2、空间间感应和和辐射；；3、底底线传入入；抗干扰措措施：1、供电电电源：：u采用专用用交流稳稳压电源源；u采