《储能材料与器件智能制造技术》课件-项目三 自动控制与传感技术

《储能材料与器件智能制造技术》1.自动控制系统在智能制造领域，自动控制系统是实现设备自主运行、精准调控的核心基础。它通过整合功能元部件，按预设逻辑或实时反馈调整被控对象状态，确保输出量稳定。本文从系统构成、元部件分类及控制原理分类，解析自动控制系统核心知识。一、自动控制系统的整体构成：被控对象与控制器的协同架构自动控制系统由结构、功能各异的元部件组成，核心架构含被控对象与控制器两部分，通过信号传递与动作执行形成控制链路，完成“检测-比较-调整-执行”功能。被控对象是调控目标，决定系统设计方向；控制器是“决策与执行中枢”，由多类元件组成。如家用空调温控系统，被控对象是室内空气环境（被控量为温度），控制器含温度传感器、微处理器、继电器等，实现温度自动控制。这种“被控对象+控制器”架构是共性框架，差异体现在元部件选型、参数设计及信号处理逻辑。且控制器元部件功能具共通性，如各类系统都需测量元件获取被控量、比较元件算偏差、执行元件作用于被控对象，为标准化设计与跨领域应用提供便利。二、自动控制系统的元部件功能分类：六大核心元件的角色与作用按功能，元部件分被控对象、测量元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正元件，各承担特定角色。（一）被控对象：控制系统的调控目标被控对象指被控制的机器、设备等，输出的需控制物理量为被控量，目标值为给定值。其特性影响控制难度与元部件选型，如工业中化工反应釜（被控量为温度、压力）、智能家居中热水器（被控量为水温）。不同被控对象“惯性”“延迟”不同，如大型车间温度控制延迟明显，小型电机转速控制响应快，设计时需先分析其动态特性。二、自动控制系统的元部件功能分类：六大核心元件的角色与作用（二）测量元件：被控量的“感知器官”核心功能是实时检测被控量实际值，并转为控制器可识别的电信号，非电量需转换。常见元件有温度测量的热电偶、压力测量的压电传感器等。如恒温箱用铂电阻检测温度，其电阻随温度变化转电压信号。测量元件精度决定控制精度，工业级系统常用高精度元件。（三）比较元件：偏差计算的“决策起点”作用是比较被控量实际值与给定值，算偏差信号，逻辑多为“偏差=给定值-实际值”。常见类型有电气类的差动放大器、机械类的齿轮差动机构。如数控机床进给系统，用差动放大器比较目标与实际位移，偏差信号调电机转速。其响应速度与精度影响系统反应灵敏度。二、自动控制系统的元部件功能分类：六大核心元件的角色与作用（四）放大元件：偏差信号的“动力放大器”偏差信号微弱，需放大元件放大到足够幅值与功率以驱动执行元件，要求“不失真放大”。常见元件有电子放大电路、液压放大器等。如工业阀门控制系统，5-10mV偏差信号经功率放大器放大至220V，驱动阀门电机。放大倍数与带宽需适配执行元件。（五）执行元件：控制指令的“最终执行者”直接作用于被控对象，按放大后的信号输出动作或能量，调整被控对象状态。类型需匹配被控对象，如旋转运动选电机、直线运动选气缸。常见元件有电气类的伺服电机、液压类的液压缸等。如恒温箱温度低时，放大信号驱动加热管发热；温度高时，加热管断电或风扇启动。其动作精度与响应速度决定被控量调整效果。二、自动控制系统的元部件功能分类：六大核心元件的角色与作用（六）校正元件：系统性能的“优化调节器”用于调整系统结构或参数，改善动态与稳态性能，如解决响应慢、超调大等问题。常以串联或反馈方式接入，常见元件有无源校正网络、数字校正模块等。如机床伺服系统用RC校正电路消除超调。其设计需结合系统动态特性。三、自动控制系统的控制原理分类：开环系统与闭环系统的差异按是否用被控量反馈调整，分开环与闭环控制系统，差异显著。（一）开环控制系统：无反馈的“单向控制”核心特征：被控量不反馈，控制仅由给定值决定，结构简单，含给定、放大、执行元件与被控对象，逻辑为“给定值→控制信号→执行→被控对象”。案例：自动售货机。用户选商品后，系统按预设程序驱动出货电机，不检测商品是否出货，卡货需人工干预。优点：结构简、成本低、响应快，适用于特性稳定、干扰少、精度要求低的场景。缺点：抗干扰弱、精度低，遇干扰或特性变化无法修正。还应用于自动门、洗衣机等。三、自动控制系统的控制原理分类：开环系统与闭环系统的差异（二）闭环控制系统：有反馈的“双向调节”核心：引入反馈，检测被控量与给定值比较算偏差，调整控制信号，结构完整，含各类元件，形成“给定值→比较→偏差→放大→执行→被控对象→测量→比较”闭环。案例：恒温箱控制系统。铂电阻测温度传微处理器，与设定值比较，温度低则驱动加热管，高则停加热或开风扇，加RC校正电路防波动，温度稳定在±0.5℃误差内。优点：精度高、抗干扰强、稳定性好，能修正偏差。如箱门打开温度降，系统快速调整恢复。缺点：结构繁、成本高、存稳定风险，参数不当易震荡，需校正元件优化。应用于工业机床、汽车巡航系统等。自动控制系统靠六大元件协同与不同控制原理，实现对被控对象的自主调控。设计需依被控对象特性、精度需求等选元部件与策略，开环适简单场景，闭环适复杂高精度场景。随智能控制技术发展，自动控制系统正与AI、大数据融合，向“自适应、自优化”演进。深入理解其构成与分类，为学习智能控制算法及推动技术应用奠定基础。四、结语：自动控制系统是智能控制技术的基石《储能材料与器件智能制造技术》2.传感器技术在智能制造领域，自动控制系统是实现设备自主运行、精准调控的核心基础。它通过整合功能元部件，按预设逻辑或实时反馈调整被控对象状态，确保输出量稳定。本文从系统构成、元部件分类及控制原理分类，解析自动控制系统核心知识。一、自动控制系统的整体构成：被控对象与控制器的协同架构自动控制系统由结构、功能各异的元部件组成，核心架构含被控对象与控制器两部分，通过信号传递与动作执行形成控制链路，完成“检测-比较-调整-执行”功能。被控对象是调控目标，决定系统设计方向；控制器是“决策与执行中枢”，由多类元件组成。如家用空调温控系统，被控对象是室内空气环境（被控量为温度），控制器含温度传感器、微处理器、继电器等，实现温度自动控制。这种“被控对象+控制器”架构是共性框架，差异体现在元部件选型、参数设计及信号处理逻辑。一、自动控制系统的整体构成：被控对象与控制器的协同架构且控制器元部件功能具共通性，如各类系统都需测量元件获取被控量、比较元件算偏差、执行元件作用于被控对象，为标准化设计与跨领域应用提供便利。二、自动控制系统的元部件功能分类：六大核心元件的角色与作用按功能，元部件分被控对象、测量元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正元件，各承担特定角色。（一）被控对象：控制系统的调控目标被控对象指被控制的机器、设备等，输出的需控制物理量为被控量，目标值为给定值。其特性影响控制难度与元部件选型，如工业中化工反应釜（被控量为温度、压力）、智能家居中热水器（被控量为水温）。不同被控对象“惯性”“延迟”不同，如大型车间温度控制延迟明显，小型电机转速控制响应快，设计时需先分析其动态特性。二、自动控制系统的元部件功能分类：六大核心元件的角色与作用（二）测量元件：被控量的“感知器官”核心功能是实时检测被控量实际值，并转为控制器可识别的电信号，非电量需转换。常见元件有温度测量的热电偶、压力测量的压电传感器等。如恒温箱用铂电阻检测温度，其电阻随温度变化转电压信号。测量元件精度决定控制精度，工业级系统常用高精度元件。二、自动控制系统的元部件功能分类：六大核心元件的角色与作用（三）比较元件：偏差计算的“决策起点”作用是比较被控量实际值与给定值，算偏差信号，逻辑多为“偏差=给定值-实际值”。常见类型有电气类的差动放大器、机械类的齿轮差动机构。如数控机床进给系统，用差动放大器比较目标与实际位移，偏差信号调电机转速。其响应速度与精度影响系统反应灵敏度。（四）放大元件：偏差信号的“动力放大器”偏差信号微弱，需放大元件放大到足够幅值与功率以驱动执行元件，要求“不失真放大”。常见元件有电子放大电路、液压放大器等。如工业阀门控制系统，5-10mV偏差信号经功率放大器放大至220V，驱动阀门电机。放大倍数与带宽需适配执行元件。二、自动控制系统的元部件功能分类：六大核心元件的角色与作用（五）执行元件：控制指令的“最终执行者”直接作用于被控对象，按放大后的信号输出动作或能量，调整被控对象状态。类型需匹配被控对象，如旋转运动选电机、直线运动选气缸。常见元件有电气类的伺服电机、液压类的液压缸等。如恒温箱温度低时，放大信号驱动加热管发热；温度高时，加热管断电或风扇启动。其动作精度与响应速度决定被控量调整效果。二、自动控制系统的元部件功能分类：六大核心元件的角色与作用（六）校正元件：系统性能的“优化调节器”用于调整系统结构或参数，改善动态与稳态性能，如解决响应慢、超调大等问题。常以串联或反馈方式接入，常见元件有无源校正网络、数字校正模块等。如机床伺服系统用RC校正电路消除超调。其设计需结合系统动态特性。三、自动控制系统的控制原理分类：开环系统与闭环系统的差异按是否用被控量反馈调整，分开环与闭环控制系统，差异显著。（一）开环控制系统：无反馈的“单向控制”核心特征：被控量不反馈，控制仅由给定值决定，结构简单，含给定、放大、执行元件与被控对象，逻辑为“给定值→控制信号→执行→被控对象”。案例：自动售货机。用户选商品后，系统按预设程序驱动出货电机，不检测商品是否出货，卡货需人工干预。优点：结构简、成本低、响应快，适用于特性稳定、干扰少、精度要求低的场景。缺点：抗干扰弱、精度低，遇干扰或特性变化无法修正。还应用于自动门、洗衣机等。三、自动控制系统的控制原理分类：开环系统与闭环系统的差异（二）闭环控制系统：有反馈的“双向调节”核心：引入反馈，检测被控量与给定值比较算偏差，调整控制信号，结构完整，含各类元件，形成“给定值→比较→偏差→放大→执行→被控对象→测量→比较”闭环。案例：恒温箱控制系统。铂电阻测温度传微处理器，与设定值比较，温度低则驱动加热管，高则停加热或开风扇，加RC校正电路防波动，温度稳定在±0.5℃误差内。优点：精度高、抗干扰强、稳定性好，能修正偏差。如箱门打开温度降，系统快速调整恢复。缺点：结构繁、成本高、存稳定风险，参数不当易震荡，需校正元件优化。应用于工业机床、汽车巡航系统等。自动控制系统靠六大元件协同与不同控制原理，实现对被控对象的自主调控。设计需依被控对象特性、精度需求等选元部件与策略，开环适简单场景，闭环适复杂高精度场景。随智能控制技术发展，自动控制系统正与AI、大数据融合，向“自适应、自优化”演进。深入理解其构成与分类，为学习智能控制算法及推动技术应用奠定基础。四、结语：自动控制系统是智能控制技术的基石《储能材料与器件智能制造技术》3.可编程控制技术在工业4.0与中国智能制造战略驱动下，制造业正从传统自动化向深度智能化转型。可编程逻辑控制器（PLC）作为连接底层设备与上层系统的核心载体，凭借高可靠性、强适应性与灵活扩展性，成为智能制造不可或缺的“控制中枢”。可编程逻辑控制器（PLC）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。PLC控制器的性能特点工业现场电磁辐射、粉尘等干扰多，PLC针对性防护：高端型号（如西门子S7-1500）用光纤隔离技术阻断干扰，IP65外壳适配恶劣环境；软件支持故障自诊断与程序一键恢复，某汽车焊接车间因雷击程序异常，10分钟恢复，避免半天停工，是高可靠生产的“定心丸”。1）抗干扰能力强，稳定可靠；传统继电器控制接线错误率达8%，排查需1天；PLC靠模块化端子与标准化接口，错误率降至0.5%以下。面对多品种生产，某储能电池厂切换3种电芯规格，改软件参数2小时完成，传统控制拆改线路需8小时，大幅提升柔性制造能力。2）接线简洁，使用便捷；PLC可按需扩展，某光伏车间接高速计数模块控风扇转速，通MES传数据；同一三菱FX5UPLC，在机械厂控机床、食品厂控杀菌釜，换程序与少量模块即可，设备复用率升60%，降低跨行业转型成本，实现“一器多能”。3）功能强大，通用性高。PLC控制器的组成结构中央处理单元（CPU）：系统核心，负责指令执行和数据处理。存储器：保存系统程序、用户程序与工作数据，类型有RAM、EPROM、EEPROM等。I/O单元：与外部设备交换控制与状态信号，具备电隔离与滤波功能。电源模块：提供稳定的内部工作电压。编程器：用于程序编写、修改、监控，也可通过计算机接口替代。扩展接口：接入功能模块如高速计数、运动控制等，增强系统功能。PLC控制器的原理1、输入采样：读取各输入信号状态，存入I/O映像区。此阶段PLC按预设顺序，逐一读取传感器、按钮等外部设备的输入信号（如电机启停按钮状态、温度传感器数值），并将这些信号转化为数字量（0/1或具体数值），集中存入“I/O映像区”。需注意，一旦进入采样阶段，即便外部信号突发变化（如传感器临时检测到工件），映像区数据也不会同步更新，需等待下一个扫描周期，避免信号波动导致控制逻辑紊乱，为后续运算提供稳定数据支撑。PLC控制器的原理2、用户程序执行：按照梯形图顺序处理逻辑指令，更新系统状态。PLC以梯形图等程序的编写顺序为依据，从左至右、从上到下逐句执行逻辑指令。例如在储能电池焊接工序中，程序会判断“电芯到位信号为1”“急停信号为0”等条件是否满足，若符合则触发“启动焊接”的运算结果，并将结果更新至“输出映像区”，完成从“数据输入”到“决策输出”的核心转化，确保控制逻辑精准落地。PLC控制器的原理3、输出刷新：根据映像区状态更新输出锁存器，驱动设备执行操作。该阶段PLC将输出映像区的运算结果，一次性传递至输出锁存器，再由锁存器驱动电机、电磁阀等执行器动作（如启动焊接机、打开进料阀）。动作完成后，PLC立即返回输入采样阶段，开启下一轮循环（周期通常几十毫秒），形成“采集-运算-执行”的闭环，保障工业生产的连续性与实时性。PLC控制器在储能刀片电池生产中的具体应用场景1、电芯制造：控制涂布、卷绕等设备，实现精准操作。电芯制造阶段，PLC精准控核心设备：涂布工序中，通过模拟量模块采走带速度与涂层厚度信号，经PID调节控挤出泵转速，将厚度误差稳在±0.01mm内；卷绕工序搭配运动控制模块，同步多轴转速与张力，结合视觉纠偏，避免极片褶皱错位，降低短路风险。PLC控制器在储能刀片电池生产中的具体应用场景2、电芯分选：根据性能参数控制分类流程。电芯分选环节，PLC实现自动化分类：接收检测设备的容量、电压、内阻数据，按预设标准（如A类2100-2200mAh）比对，控制机械臂将电芯分拣至对应料盒，分选速度达1200个/小时，准确率99.9%，保障电芯一致性。PLC控制器在储能刀片电池生产中的具体应用场景3、电芯组装：控制自动堆叠、焊接，保障模组稳定性与一致性。电芯组装环节，PLC保障模组稳定：堆叠时借视觉传感器算位置偏差，控机械臂对齐误差≤0.1mm；焊接时采红外温度信号，PID调节激光焊机功率，将温度稳定在210-230℃，防过焊或虚焊，不良率从3%降至0.3%。PLC的发展趋势在智能制造浪潮下，PLC正朝着智能化、集成化、开放化和安全化方向大步迈进。智能化方面，PLC融入AI与大数据技术，实现智能决策。比如内置机器学习算法，通过分析设备历史数据，提前预测故障，减少停机时间；借大数据优化控制策略，像依据生产订单量动态调整设备运行参数，提升生产效率。集成化表现为多功能融合，将运动控制、视觉识别等功能集于一体，减少外部设备依赖，简化系统架构。例如在电池生产中，一台PLC就能完成电芯卷绕的运动控制与极片质量的视觉检测，提高系统可靠性与灵活性。开放化上，PLC打破品牌壁垒，支持跨平台兼容，无缝对接不同厂商设备与软件。同时，全面接入云平台，实现数据云端存储与分析，如将生产数据上传至云端，企业可远程监控、管理生产，及时调整策略。安全化也不容忽视，面对网络威胁，PLC强化安全防护，采用加密技术保障数据传输安全，运用权限管理防止非法操作，为工业生产筑牢安全防线。PLC是智能制造“底层基石”，尤其推动储能电池生产提质增效，未来将成“智能决策单元”，持续赋能制造业升级。《储能材料与器件智能制造技术》4.工业人机界面（HMI）在智能制造体系中，工业人机界面（HMI，Human-MachineInterface）是操作人员与工业设备、控制系统之间直接交互的“桥梁”。它通过可视化的界面、便捷的操作方式，将复杂的工业数据转化为直观的图形、文字信息，同时接收操作人员的指令并传递给控制系统（如PLC、DCS），实现“人-机-系统”的高效协同。随着工业4.0与智能制造的深入推进，HMI已从传统的“显示与操作工具”升级为“数据监控、故障诊断、生产调度”的综合管理终端，成为工业现场不可或缺的核心组件。本文将从定义、硬件组成、软件功能、与PLC的协同、典型应用及发展趋势等维度，全面解析工业人机界面。组成部分处理器：作为HMI的核心单元，其性能决定整机处理能力。常见处理器有8位、16位和32位等多种等级。显示单元：一般采用LCD或LED显示屏，支持不同尺寸与分辨率，满足各类工业应用场景。输入单元：常见形式包括薄膜键盘、触摸屏、物理按钮、鼠标等，用于输入参数或操作指令。通信接口：如RS232、RS485、USB等，用于与PLC等控制设备进行数据通信。数据存储单元：用于存储用户参数、历史记录、报警信息等，支持数据随时调用与查询。1、硬件部分2、软件部分监控程序：负责实时采集、处理设备运行数据（如温度、压力、速度等），并根据预设逻辑进行判断与响应。接口驱动与应用软件：实现HMI与多种品牌和型号设备之间的兼容通信，确保系统运行稳定。工作原理在实际运行中，传感器采集的物理量（如温度、压力、流量等）会被转换为电信号传输至控制系统（如PLC），PLC对其进行逻辑处理后，将处理结果发送至HMI。HMI内部处理器对这些数据进行分析，并在屏幕上以数字、图表等方式呈现，操作人员可直观看到设备状态。当人员通过HMI输入控制指令后，HMI会将该指令发送至控制系统，进而调整设备运行，实现对生产过程的精确控制。主要功能数据采集与显示：实时采集各类工艺参数，以图形、数字或曲线方式显示，辅助操作判断。远程监控与管理：支持通过网络连接实现远程查看与控制，提高生产响应效率。故障报警与诊断：设备发生异常时可自动报警，并显示故障位置及可能原因，辅助故障定位。历史数据查询与分析：存储设备运行记录，可进行趋势分析、工艺优化。用户权限管理：可设置多级操作权限，保障系统安全性和操作合规性。HMI在储能刀片电池生产中的应用1、模组测试工序实时监控：HMI可实时显示模组的电压、内阻、容量等关键性能参数，便于操作者精准掌握产品状态。2、电芯涂布工序HMI