工业自动化系统作业指导书

工业自动化系统作业指导书

第1章绪论.......................................................................3

1.1工业自动化系统概述......................................................3

1.2工业自动化系统发展历程与趋势............................................3

1.3工业自动化系统的主要技术领域............................................4

第2章自动化设备与传感器........................................................5

2.1常用自动化设备...........................................................5

2.1.1PLC（可编程逻辑控制器）...............................................5

2.1.2工业PC...............................................................5

2.1.3交流伺服系统..........................................................5

2.1.4变频器................................................................5

2.2传感器及其应用..........................................................5

2.2.1传感器概述............................................................5

2.2.2常见传感器类型.........................................................5

2.2.3传感器应用.............................................................6

2.3执行器及其应用...........................................................6

2.3.1执行器概述.............................................................6

2.3.2常见执行器类型.........................................................6

2.3.3执行器应用.............................................................6

第3章自动控制理论基础..........................................................6

3.1自动控制系统的基本概念...................................................6

3.2控制系统的数学模型......................................................7

3.3控制系统的功能指标......................................................7

第4章PLC编程与应用.............................................................7

4.1PLC概述.................................................................7

4.2PLC的编程语言...........................................................7

4.3PLC的编程与调试.........................................................7

第5章工业通信网络..............................................................7

5.1工业通信网络概述........................................................7

5.1.1工业通信网络为组成.....................................................7

5.1.2工业通信网络的特点.....................................................8

5.1.3工业通信网络的发展趋势................................................8

5.2常用工业通信协议.........................................................8

5.2.1Modbus..................................................................8

5.2.2Profibus...............................................................8

5.2.3CAN.....................................................................8

5.2.4DeviceNet..............................................................9

5.2.5EtherCAT...............................................................9

5.3工业以太网及其应用.......................................................9

第6章电气控制系统设计..........................................................9

6.1电气控制系统设计基础.....................................................9

6.1.1设计原则...............................................................9

6.1.2设计步骤..............................................................10

6.1.3控制系统硬件设计......................................................10

6.2电气控制系统的保护与制动...............................................10

6.2.1保护设计..............................................................10

6.2.2制动设计..............................................................10

6.3电气控制系统的抗干扰设计...............................................10

6.3.1抗干扰措施...........................................................10

6.3.2抗干扰元件选择.......................................................11

6.3.3抗干扰测试与优化......................................................11

第7章技术应用..................................................................11

7.1工业概述................................................................11

7.1.1定义与分类...........................................................11

7.1.2发展历程..............................................................11

7.1.3应用领域..............................................................11

7.2工业的结构与原理........................................................11

7.2.1结构组成.............................................................11

7.2.2工作原理.............................................................12

7.3工业编程与控制.........................................................12

7.3.1编程方式.............................................................12

7.3.2控制系统.............................................................12

7.3.3控制策略.............................................................12

7.3.4通信与协同............................................................12

第8章自动化生产线设计.........................................................12

8.1自动化生产线概述.......................................................12

8.2自动化生产线布局设计....................................................12

8.2.1布局设计原则..........................................................12

8.2.2布局设计步骤..........................................................13

8.3自动化生产线设备选型与调试.............................................13

8.3.1设备选型原则..........................................................13

8.3.2设备选型步骤..........................................................13

8.3.3设备调试..............................................................13

第9章工业自动化系统的维护与故障处理..........................................14

9.1工业自动化系统维护策略..................................................14

9.1.1定期维护..............................................................14

9.1.2预防性维护............................................................14

9.1.3状态监测与故障预测....................................................14

9.1.4技术更新与升级........................................................14

9.2常见故障诊断方法........................................................14

9.2.1人工巡检..............................................................14

9.2.2仪器检测..............................................................14

9.2.3软件诊断..............................................................14

9.2.4故障树分析............................................................15

9.3故障处理流程与案例分析..................................................15

9.3.1故障处理流程..........................................................15

9.3.2案例分析..............................................................15

第10章工业自动化系统项目实施与管理...........................................15

10.1项目实施流程...........................................................15

10.1.1项目立项.............................................................15

10.1.2项目策划.............................................................15

10.1.3设备选型与采购.......................................................15

10.1.4系统设计与开发.......................................................16

10.1.5系统实施与调试.......................................................16

10.1.6培训与交付...........................................................16

10.2项目管理与团队协作.....................................................16

10.2.1项目进度管理.........................................................16

10.2.2资源管理.............................................................16

10.2.3质量管理.............................................................16

10.2.4风险管理.............................................................16

10.2.5团队协作.............................................................16

10.3项目验收与评价体系.....................................................16

10.3.1项目验收标准.........................................................16

10.3.2项目验收流程.........................................................1G

10.3.3项目评价.............................................................16

10.3.4评价体系.............................................................16

第1章绪论

1.1工业自动化系统概述

工业自动化系统是现代工业生产中不可或缺的关键技术之一，涉及机械、电

子、计算机、控制理论等多个学科领域。它通过采用先进的自动化装备、控制策

略和信息系统，实现对生产过程的自动检测、调节、控制和优化，从而提高生产

效率、降低生产成本、保证产品质量、改善劳动条件和保证生产安全。工业自动

化系统已成为推动工业转型升级和实现制造强国战略的重要手段。

1.2工业自动化系统发展历程与趋势

自20世纪50年代以来，工业自动化系统经历了从简单到复杂、从低级到高

级的发展过程。从最初的单一设备自动化，发展到现在的集成自动化、智能化和

网络化。其主要发展历程可概括为以下几个阶段：

(1)单一设备自动化阶段：主要采用机械和电气控制系统，实现对单个设

备的自动化控制。

(2)过程自动化阶段：以集散控制系统(DCS)为代表，实现对整个生产过

程的自动化控制。

（3）制造自动化阶段：以可编程逻辑控制器（PLC）和技术为核心，实现生

产制造过程的自动化。

（4）集成自动化阶段：通过计算机集成制造系统（CIMS）等技术，实现企

业内部各种自动化系统的集成。

（5）智能化和网络化阶段：以工业互联网、大数据、云计算、人工智能等

技术为支撑，实现工业自动化系统的智能化和网络化。

未来工业自动化系统的发展趋势主要包括以下几个方面：

（1）工业互联网的广泛应用，实现设备、工厂、企业之间的无缝连接和信

息共享。

（2）智能制造技术的深度融合，提高生产过程的智能化水平。

（3）工业大数据的挖掘与分析，为生产决策提供有力支持八

（4）绿色制造和可持续发展理念的贯彻，实现生产过程的环境友好和资源

高效利用。

1.3工业自动化系统的主要技术领域

工业自动化系统的主要技术领域包括：

（1）传感器技术：用于自动检测生产过程中的各种物理量和化学量，为控

制系统提供实时、准确的信息。

（2）执行器技术：根据控制信号，实现对生产过程的调节和控制。

（3）控制技术：包括经典控制理论和现代控制理论，实现对生产过程的稳

定、精确和高效控制。

（4）计算机技术；应用于自动化装备和控制系统中的硬件和软件，实现对

生产过程的监控和管理。

（5）网络通信技术：实现设备、控制系统、企业信息系统之间的数据传输

和协同工作。

（6）技术：应用于生产过程的各个环节，提高生产效率和产品质量。

（7）人工智能技术：应用于生产过程的优化、故障诊断、智能决策等方面,

提高工业自动化系统的智能化水平。

（8）系统集成技术：通过对各类自动化系统和设备的集成，实现企业内部

生产过程的优化和管理。

第2章自动化设备与传感器

2.1常用自动化设备

2.1.1PLC（可编程逻辑控制器）

PLC是工业自动化控制系统中的核心设备，通过用户编程实现对生产过程的

控制。它具有可靠性高、灵活性强、扩展性好等特点，广泛应用于各类自动化生

产线。

2.1.2工业PC

工业PC作为人机界面和数据处理的中心，负责监控系统运行状态，进行数

据处理和存储。它具有较强的计算能力和丰富的接口，能满足各种工业应用场景

的需求。

2.1.3交流伺服系统

交流伺服系统是一种高功能的电机驱动系统，具有响应速度快、精度高、控

制简单等优点，广泛应用于自动化设备中的运动控制。

2.1.4变频器

变频器是调节交流电机转速的电子设备，通过改变电机供电频率和电压，实

现对电机转速的精确控制。它在节能和调节设备运行速度方面具有重要意义。

2.2传感器及其应用

2.2.1传感器概述

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息、，并能将感受到的信息按一

定规律变换成为电信号或其他形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、

显示、记录和控制等要求。

2.2.2常见传感器类型

（1）位移传感器：用丁测量物体的位移、速度等参数，如电位器式位移传

感器、电感式位移传感器等。

（2）压力传感器：用于测量液体、气体或蒸汽的压力，如压电式压力传感

器、应变片式压力传感器等。

（3）温度传感器：用于测量环境或设备温度，如热电阻、热电偶等。

（4）流量传感器：用于测量流体介质的流量，如电磁流量计、涡街流量计

等。

2.2.3传感器应用

传感器在工业自动化系统中具有广泛的应用，如：

（1）生产过程监控：通过传感器实时监测生产过程中的关键参数，为控制

系统提供依据。

（2）故障诊断：利用传感器检测设备运行状态，发觉异常情况，及时进行

故障诊断和预警。

（3）自动调节：通过传感器反馈信号，实现设备的自动调节，保证生产过

程的稳定性和产品质量。

2.3执行器及其应用

2.3.1执行器概述

执行器是自动化系统中的执行机构，负责将控制信号转换为机械动作，实现

生产过程的自动控制。

2.3.2常见执行器类型

（1）电动执行器：如电动调节阀、电动蝶阀等，具有控制精度高、响应速

度快等优点。

（2）气动执行器：如气动调节阀、气动蝶阀等，具有结构简单、动作迅速、

维护方便等特点。

（3）液压执行器：如液压缸、液压马达等，具有输出力矩大、运动平稳等

优点。

2.3.3执行器应用

执行器在工业自动化系统中的应用主要包括：

（1）流程控制：通过执行器调节阀门、泵等设备，实现生产过程的连续性

和稳定性。

（2）运动控制：利用执行器驱动机械装置，实现定位、搬运、装配等助作。

（3）安全保护：执行器在紧急情况下迅速采取措施，保证设备和人员安全。

第3章自动控制理论基础

3.1自动控制系统的基本概念

本节主要介绍自动控制系统的定义、分类及其基本构成。阐述自动控制系统

在工业生产中的重要作用，以及开环控制系统与闭环控制系统的区别和联系。

3.2控制系统的数学模型

本节从数学角度本自动控制系统进行分析，介绍线性微分方程、传递函数、

状态空间等数学模型，以及如何建立控制系统的数学模型。

3.3控制系统的功能指标

本节介绍评价自动控制系统功能的指标，包括稳态功能指标和动态功能指

标。详细讲解稳态误差、调整时间、超调量等功能指标的计算方法及其在实际应

用中的意义。

第4章PLC编程与应用

4.1PLC概述

本节介绍PLC（可编程逻辑控制器）的基本概念、发展历程、结构组成及其

在工业自动化系统中的应用c

4.2PLC的编程语言

本节详细讲解PLC的编程语言，包括指令表、梯形图、功能块图、顺序功能

图和结构化文本等，并对各类编程语言的特点和应用进行阐述。

4.3PLC的编程与调试

本节介绍PLC编程的基本步骤，包括硬件配置、软件编程、仿真测试和现场

调试。讲解编程过程中的注意事项，以及如何进行故障排查和系统优化，保证

PLC控制系统稳定可靠地运行。

第5章工业通信网络

5.1工业通信网络概述

工业通信网络是工业自动化系统中不可或缺的部分，它承担着各种设备、控

制系统及上位机之间的数据传输任务。本章主要介绍工业通信网络的组成、特点

及发展趋势。通过了解工业通信网络的基本概念，为后续章节的学习打下基础。

5.1.1工业通信网络的组成

工业通信网络主要由以下几个部分组成：

（1）通信介质：包括有线介质（如双绞线、同轴电缆、光纤等）和无线介

质（如无线电波、红外线等）。

（2）通信设备：包括网络接口卡、交换机、路由器、网关等。

（3）通信协议：用于规定数据传输的格式、速率、编码等。

（4）网络管理软件：用于监控和管理整个网络，保证网络的稳定运行。

5.1.2工业通信网络的特点

（1）实时性：工业通信网络需要满足实时性要求，以保证控制系统对生产

过程的快速响应。

（2）可靠性：工业通信网络具有较高的可靠性，以保证生产过程的连续稳

定运行。

（3）安全性：工业通信网络需要具备较高的安全性，以防止生产数据泄露。

（4）兼容性：工业通信网络应具备良好的兼容性，以满足不同厂商设备的

互操作性。

5.1.3工业通信网络的发展趋势

（1）工业以太网的广泛应用：工业以太网技术的发展，其在工业通信网络

中的应用越来越广泛。

（2）工业物联网的融合：工业物联网技术与工业通信网络的融合，将进一

步提高生产过程的智能化水平。

（3）5G技术在工业通信网络中的应用：5G技术的高速度、低时延、大连

接数等特点，将为工业通信网络带来更多可能性。

5.2常用工业通信协议

常用的工业通信协议有Modbus、Profibus>CAN、DeviceNet、EtherCAT等。

以下对这些协议进行简要介绍。

5.2.1Modbus

Modbus是一种串行通信协议，由Modicon公司于1979年推出。它采用主从

通信方式，具有简单、可靠、易于实现等特点。

5.2.2Profibus

Profibus是一种月于工厂自动化和过程自动化的现场总线标准，具有高速、

高可靠性、良好的兼容性等特点。

5.2.3CAN

控制器局域网络（ControllerAreaNetwork,CAN）是一种多主通信总线，

广泛应用于汽车、工业自动化等领域。

5.2.4DeviceNet

DeviceNct是一种基于CAN技术的工业网络，主要用于连接工业设备（如传

感器、执行器等）。

5.2.5EtherCAT

EtherCAT（EthernetforControlAutomationTechnology）是一种基于以

太网的实时通信技术，具有高速、低时延、高可靠性等特点。

5.3工业以太网及其应用

工业以太网是近年来在工业通信网络领域迅速发展的一种技术，具有以下优

点：

（1）高速度：工业以太网的数据传输速率较高，可满足实时性要求较高的

应用场景。

（2）低成本：采用以太网技术，可以降低系统成本°

（3）易于维护：工业以太网具有良好的兼容性和广泛的设备支持，便于维

护和扩展。

（4）高可靠性：工业以太网具有较高的抗干扰能力和故障恢复能力。

工业以太网在工业自动化系统中的应用主要包括以下几个方面：

（1）设备控制：通过工业以太网实现设备之诃的数据交换和控制指令传输。

（2）数据采集：利用工业以太网采集现场设备的数据，至上位机进行处理

和分析。

（3）远程监控：通过工业以太网实现远程监控，便于管理人员实时了解生

产状况。

（4）智能制造：工业以太网是实现智能制造的关键技术之一，有助于提高

生产过程的自动化和智能化水平。

第6章电气控制系统设计

6.1电气控制系统设计基础

6.1.1设计原则

电气控制系统设计应遵循可靠性、安全性、经济性和操作便利性原则。在设

计过程中，需充分考虑系统在实际运行环境中的功能要求，保证控制系统稳定、

高效运行。

6.1.2设计步骤

（1）明确控制对象及控制要求；

（2）选择合适的电气元件；

（3）绘制电气原理图；

（4）编制电气控制程序；

（5）进行系统调试及优化。

6.1.3控制系统硬件设计

（1）控制器选择；根据控制对象的复杂程度及控制要求，选择合适的控制

器；

（2）执行器选择：根据负载特性，选择合适的执行器；

（3）传感器选择：根据被测参数，选择合适的传感器；

（4）电气元件选型：根据控制系统的要求，选择合适的电气元件，如继电

器、接触器、开关等。

6.2电气控制系统的保护与制动

6.2.1保护设计

（1）过载保护：对电机等负载进行过载保护，防止设备损坏；

（2）短路保护：采用熔断器、断路器等设备，对短路电流进行保护；

（3）过电压保护：设置过电压保护装置，防止设备因电压过高而损坏；

（4）欠电压保护：设置欠电压保护装置，防止设备因电压过低而影响正常

运行。

6.2.2制动设计

（1）能耗制动：通过能耗电阻，将电机旋转惯量产生的能量转化为热能，

实现制动；

（2）反接制动：改变电机绕组的电源连接方式，使电机产生制动力矩；

（3）再生制动：利用电机在制动过程中产生的电能，将其回馈给电网或存

储起来。

6.3电气控制系统的抗干扰设计

6.3.1抗干扰措施

（1）合理布线：避免信号线与动力线、高压线等长距离平行布设，减少电

磁干扰；

（2）屏蔽：对敏感元件进行屏蔽，降低外界电磁干扰；

（3）滤波：在信号输入、输出端加入滤波电路，抑制高频干扰；

（4）接地：合理没计接地系统，降低干扰。

6.3.2抗干扰元件选择

（1）选用具有抗干扰功能的电气元件；

（2）选择合适的滤波器、磁环等抗干扰器件；

（3）选用抗干扰功能良好的传感器。

6.3.3抗干扰测试与优化

（1）进行抗干扰测试，验证抗干扰措施的有效性；

（2）根据测试结果，对系统进行优化，提高抗干扰功能；

（3）定期对系统进行维护，保证抗干扰功能稳定.

第7章技术应用

7.1工业概述

7.1.1定义与分类

工业是一种自动执行工作的设备，它能依靠自身的动力和控制能力，实现各

种工业任务。根据其结构形式和功能特点，工业可分为关节、直角坐标、圆柱坐

标、并联和SCARA等。

7.1.2发展历程

工业自20世纪60年代问世以来，经过不断的研发和改进，已逐渐应用于各

个领域。制造技术的不断提升，工业在精度、速度、负载能力等方面取得了显著

成果。

7.1.3应用领域

工业在汽车制造、电子电相、食品饮料、医药、物流等行业得到了广泛应用，

主要涉及焊接、装配、搬运、喷涂、检测等环节。

7.2工业的结构与原理

7.2.1结构组成

工业主要由执行机构、驱动系统、控制系统、传感器和辅助设备等部分组成。

其中，执行机构负责完成各种任务，驱动系统为提供动力，控制系统对整个进行

指挥和协调，传感器用于检测和反馈信息，辅助女备包括工具、夹具等。

7.2.2工作原理

工业通过控制系统接收指令，驱动执行机构完成相应动作。驱动系统将电能

转化为机械能，实现的运动。传感器实时检测的位置、速度等信息，反馈给控制

系统，保证按照预定轨迹进行作业。

7.3工业编程与控制

7.3.1编程方式

工业编程方式主要有示教编程和离线编程两种。示教编程是通过手动操作，

记录其运动轨迹和姿态，程序；离线编程则是在计算机上使用专门的软件进行编

程，运动程序。

7.3.2控制系统

工业控制系统主要包括硬件和软件两部分。硬件部分包括控制器、驱动器、

传感器等；软件部分主要包括运动控制算法、路经规划、任务调度等功能模块。

7.3.3控制策略

工业控制策略主要包括位置控制、速度控制、力控制等。根据不同的应用场

景，可以采用PID控制、模糊控制、神经网络控制等算法，实现精确、稳定的运

动控制。

7.3.4通信与协同

工业需与其他设备进行通信和协同作业。常用的通信协议有TCP/IP、

Modbus、Profibus等。通过集成控制系统，实现多台及自动化设备的协同作业,

提高生产效率。

第8章自动化生产线设计

8.1自动化生产线概述

自动化生产线是工业白动化系统的重要组成部分，其通过采用自动化设备和

控制系统，实现生产过程的连续性、高效性和稳定性。本章主要介绍自动化生产

线的基本概念、分类及其在工业生产中的应用。

8.2自动化生产线布局设计

8.2.1布局设计原则

自动化生产线布局设计应遵循以下原则：

（1）合理安排工艺流程，保证生产过程的连续性和高效性；

（2）充分利用空间，减少占地面积，降低没资成本；

（3）考虑生产安全，保证设备操作和维护的便捷性；

（4）适应生产需求变化，具有一定的灵活性和扩展性。

8.2.2布局设计步骤

（1）分析生产任务，明确生产目标；

（2）确定生产线的类型和规模；

（3）绘制工艺流程图，分析设备布局关系；

（4）设计初步布局方案，并进行优化；

（5）制定详细的设备布局图和施工图；

（6）审核布局设计方案，保证符合生产需求。

8.3自动化生产线设备选型与调试

8.3.1设备选型原则

自动化生产线设备选型应遵循以下原则：

（1）满足生产需求，保证生产效率和质量；

（2）技术先进，功能稳定，安全可靠；

（3）易于操作和维护，降低劳动强度；

（4）节能环保，减少能源消耗和排放；

（5）具有良好的兼容性和扩展性。

8.3.2设备选型步骤

（1）分析生产需求，明确设备功能；

（2）调研市场，了解各类设备的技术功能和价格；

（3）比选设备，制定初步设备选型方案；

（4）组织专家评审，确定最终设备选型；

（5）签订设备采购合同，保证设备质量。

8.3.3设备调试

设备调试是保证自动化生产线正常运行的关键环节，主要包括以下内容：

（1）设备安装：按照施工图纸进行设备安装，保证设备位置的准确性和稳

定性;

（2）电气接线：按照电气原理图进行设备电气接线，保证接线正确无误；

（3）软件编程：编写设备控制程序，实现设备自动化运行；

（4）调试运行：对设备进行空载、负载调试，检查设备运行状况；

（5）故障排除：针对调试过程中发觉的问题，及时进行故障排除；

（6）功能优化：根据生产实际，调整设备参数，提高生产效率。

通过以上步骤，完成自动化生产线的布局设计、设备选型和调试工作，为工

业生产提供稳定、高效的自动化解决方案。

第9章工业自动化系统的维护与故障处理

9.1工业自动化系统维护策略

9.1.1定期维护

工业自动化系统的定期维护是保证系统稳定运行的关键措施。应制定详细的

维护计划，包括设备检查、部件更换、功能测试等内容，并根据设备的具体运行

状况调整维护周期。

9.1.2预防性维护

基于设备运行数据和历史故障记录，开展预防性维护工作，针对易损件和关

键部件进行重点监控和提前更换，降低故障率。

9.1.3状态监测与故障预测

运用先进的监测技术，如振动分析、温度监测、油液分析等，熨时收集设备

状态数据，通过数据分析预测潜在的故障，提前采取措施。

9.1.4技术更新与升级

根据技术发展和企业需求，对自动化系统进行定期技术更新和升级，提高系

统功能和可靠性。

9.2常见故障诊断方法

9.2.1人工巡检

通过人工巡检，观察设备运行状况，发