工業自動化技術

工業自動化就是工業生產中的各種參數為控制目的，實現各種過程控制，在整個工業生產中，儘量減少人力的操作，而能充分利用動物以外的能源與各種資訊來進行生產工作，即稱為工業自動化生產，而使工業能進行自動生產之過程稱為工業自動化。下面是工業自動化技術的介紹，一起來看看。

工業自動化是指將多台設備(或多個工序)組合成有機的聯合體，用各種控制裝置和執行機構進行控制，協調各台設備(或各工序)的動作，校正誤差，檢驗質量，使生產全過程按照人們的要求自動實現，並儘量減少人為的操作與干預。

定義概述

工業自動化是機器設備或生產過程在不需要人工直接干預的情況下，按預期的目標實現測量、操縱等信息處理和過程控制的統稱。自動化技術就是探索和研究實現自動化過程的方法和技術。它是涉及機械、微電子、計算機、機器視覺等技術領域的一門綜合性技術。工業革命是自動化技術的助產士。正是由於工業革命的需要，自動化技術才衝破了卵殼，得到了蓬勃發展。同時自動化技術也促進了工業的進步，如今自動化技術已經被廣泛的應用於機械製造、電力、建築、交通運輸、信息技術等領域，成為提高勞動生產率的主要手段。

工業自動化是德國得以啟動工業4.0的重要前提之一，主要是在機械製造和電氣工程領域。目前在德國和國際製造業中廣泛採用的“嵌入式系統”，正是將機械或電氣部件完全嵌入到受控器件內部，是一種特定應用設計的專用計算機系統。數據顯示，這種“嵌入式系統”每年獲得的市場效益高達200億歐元，而這個數字到2020年將提升至400億歐元。

工業自動化的內容

從生產過程的三大環節、八個主要過程看，目前工業自動化的主要內容如下：

(1)設計過程

在採用CAD(計算機輔助設計)技術之前，機械(或材料加工)工業的設計人員約佔技術人員的10%～15%，設計工作50%～60%的工作量是製圖與其他一些重複性勞動，且設計多憑經驗設計，工作量大，週期長，設計圖紙修改不便，設計的安全係數通常較大。隨着計算機技術的廣泛採用，設計過程中可應用計算機輔助進行產品設計、性能分析、模擬試驗等，進一步的發展是將CAD技術與CAE(計算機輔助工程)技術和CAM(計算機輔助製造)技術等結合起來，實現CAD/CAE/CAM一體化，從而大大縮短了設計過程，提高了設計的準確性與可靠性，設計方案與圖樣的修改和保存也非常便利，設計過程的發展趨勢是設計自動化。

(2)生產準備過程

該過程包括：根據公司企業銷售和市場信息部門提出的產品訂貨訂單，考慮生產綱領、本廠設備及庫存情況;編制材料、刀具、元器件、專用設備等需用，採購、外協加工委託計劃;必要時，甚至包括專用生產基地廠房的建設等任務。在這些工作中相應地採用各種自動化技術與手段可提高效益，減少差錯。

(3)工藝準備過程

該過程包括：根據設計圖樣、技術裝備水平及產品批量等因素，選擇加工設備;確定加工工藝及技術要求;設計零件製造、產品裝配的工藝過程，編制材料明細表;確定工裝模具、量具等的設計製造，準備外協加工件的驗收方法及手段。在這些工作中，有些已經實現了相當程度的自動化，如工藝過程模擬及自動設計方面。

(4)加工過程

自動化的加工過程包括：從大批量生產中採用的各種高效專用機牀、組合機牀、自動化生產線，到多品種、小批量生產中採用的數控機牀、組合機牀，直至近年來採用的成組技術和柔性加工系統。各種類型的調節器、控制器，特別是計算機、微型機的大量應用，加快了加工過程自動化速度。

(5)檢驗過程

在自動化單機、自動線等的工作過程中，出於保證產品質量、提高精度和為操作者提供安全保護等目的，往往需要進行自動測試。各種傳感器的出現，使原材料、毛坯、零部件等的性能、外形尺寸、特徵，加工和裝配的工位狀況，設備工作狀況，材料、零件的傳送情況，產品性能等的檢測都成為可能。各種各樣的放大器、轉換器、傳送器顯示記錄裝置促進了自動檢測技術的發展，使得機械及材料加工工業的檢測技術，由過去的離線、被動、單參數、接觸式逐步轉向使用計算機的在線、主動、多參數、非接觸式快速檢測。

(6)裝備過程

裝配作業自動化包括零件供給、裝配作業、裝配成品、運送等方面的自動化。從裝配作業來看，方向是研製高生產率的數控裝配機、自動裝配線、裝配機器人;從整個生產過程來看，是如何將裝配作業與CAN、零件後處理和自動化立體倉庫相連接。

(7)輔助生產過程

該過程包括毛坯、原材料、工件、刀具、工夾具、廢料等的處理、搬運、抓取、中間存貯、檢修等，由於該過程的時間佔生產時間的95%以上，費用佔30%—40%，因此研製各種自動化物流裝置得到世界各國普遍重視。各種懸掛輸送、自動小車輸送、高架立體倉庫、機械手和工業機器人已廣泛應用於各個領域。

(8)生產管理過程

生產管理包括車間或工廠的各種原材料、工具、存貨的管理，生產調度，中長期規劃，生產作業計劃，產品訂貨與銷售，市場預測與分析，財務管理，工資計算，人事管理等。生產管理自動化就是利用計算機技術按照訂貨或任務要求，通過各個管理子系統及時、準確地處理大量數據，對器件、設備、人力、技術資料進行組織、協調，保證在規定的時間、人力和消耗限額(包括能源、資金、器材等)內完成生產任務。

綜上所述，工業生產過程自動化所研究的內容主要有兩個方面：對上述各個過程，實現不同程度自動化時的各種方法和手段;對上述幾個過程或全部過程按照一定的目標和要求(如技術上先進、經濟上合理、具體所要求的生產率)聯繫起來，組成不同規模的自動線、自動化車間或自動化工廠。

從另一種角度看，生產過程所進行的生產活動，實際上由物質流和信息流兩個主要部分組成。物質流是指物質的流動和處理，包括原材料、毛坯、工夾具、模具、半成品、成品、廢料、能源的流動、處理(加工)、變換。信息流指信息(包括加工指令、數據、反映生產過程各種狀態的資料等)的流動和處理。

實現物質流動和處理的自動化必須有相應的自動化設備，如自動化單機、生產線、裝配線以及各種物料搬運系統;實現信息的流動和處理的自動化，則必須適時檢測、收集信息，然後利用計算機進行自動處理。

工業自動化的發展

20世紀50年代以前，是人工控制階段。當時的生產規模較小，測控儀表是安裝在生產設備現場的氣動測量儀表，功能簡單。操作人員只能通過對生產現場的巡視，瞭解生產過程，並在現場直接把被控對象的參數調整在預定值上。這時的儀表信號不能傳送給別的儀表或系統，儀表處於封閉狀態，無法與外界溝通信息。這一階段的控制系統稱為氣動信號控制系統。

20世紀50年代為模擬控制階段。隨着生產規模的擴大，整個生產過程需要對生產現場的多個點進行測控，自動控制成為必然，於是出現了現場儀表與集中控制室。生產現場出現了氣動、電動單元組合式儀表，將測量得到的0.02～0.1MPa氣壓信號、4～20mA直流電流信號、1～5V的直流電壓信號等模擬信號傳送到集中控制室。操作人員可以坐在控制室觀察生產流程各處的狀況。但是，模擬信號的傳遞比較困難，信號變化緩慢，抗干擾能力也較差，很難滿足生產過程對速度和精度的需要。

20世紀60年代～70年代中期，工業控制系統開始進入集中式數字控制階段。它的發展經歷了直接數字控制、集中型計算機控制和分層計算機控制。由於模擬信號的諸多不足，在這一階段人們考慮用數字信號代替模擬信號，而且計算機也逐步進入工業控制系統。

直接數字控制(DDC)技術主要是由一台數字計算機替代一組模擬控制器，首先通過模數轉換器，實時採集生產過程被控參數的信息，計算機按照控制算法運算後，其結果通過數模轉換器去控制執行器，構成一個閉環控制迴路。

由於當時的計算機技術尚不發達，價格昂貴，人們又試圖用一台計算機取代控制室的幾乎所有的儀表盤，實現過程監視、數據收集、數據處理、數據存儲和報警等過程控制的全部功能，並能實現生產調度和工廠管理的部分功能，這就是集中型計算機控制系統。它雖然在信息的綜合、改變控制方案、實現最優控制以及改善人機接口等方面取得了重大進展，但也暴露了“集中”帶來的'不足：脆弱性問題，一旦計算機出現某種故障，就會造成所用的控制迴路癱瘓、生產停產的嚴重局面，這種危險集中的系統結構很難被生產過程接受;計算機負荷問題，生產規模越來越大，測控點越來越多，計算機不堪重負;開發問題，由於控制水平的不斷提高，新的要求不斷提出，使得軟件也越來越複雜.越來越龐大，造成開發週期和費用不斷增加。

集中型計算機控制系統的缺陷促使控制系統向功能分散化方向發展，於是出現了過程現場控制與集中顯示操作分離開來的分層計算機控制系統。各個控制迴路的模擬儀表調節器互相獨立並由計算機來實現，當某一回路出現故障時，不致影響其他迴路的正常工作，提高了系統的可靠性，同時現場控制計算機的信號也送入上一級計算機，由它顯示過程參數，並根據對象的數學模型進行最優化處理，計算最優操作條件，最後以最優工藝參數傳給下層計算機作為設定值。實際上，這時的工業控制系統已經具有了集散式控制系統的初步概念。

20世紀70年代中期，工業控制系統進入集散型控制系統(DCS)階段。集散型控制系統是一個集中與分散相結合的系統，它吸收了分散儀表控制系統和集中式計算機控制系統的優點，將當時的微處理器、計算機數字通信等技術應用到工業控制領域。從總體邏輯結構上講，集散型控制系統是一個分支型結構，它分為過程控制級、控制管理級和生產管理級，充分體現了管理的集中性和控制的分散性，它把控制功能分散到若干台控制站，在監控操作站進行集中監視操作。

集散型控制系統由集中管理部分、分散控制監測部分和通信部分組成。集中管理部分又可分為工程師站、操作站和管理計算機。工程師站主要用於組態和維護，操作站則用於監視和操作，管理計算機用於全系統的信息管理和優化控制。分散控制監測部分按功能可分為控制站、監測站和現場控制站，它們用於控制和監測。通信部分連接系統的各個部分，完成數據、指令及其他信息的傳遞。系統軟件是由實時多任務操作系統、數據庫管理系統、數據通信軟件、組態軟件和各種應用軟件組合而成。

集散型控制系統具有通用性強，系統組態靈活，控制功能完善，數據處理方便，顯示操作集中，人機界面友好，安裝簡單、規範，調試方便和運行安全可靠等特點。它的控制範圍更寬，控制功能得到加強，能夠適應工業生產過程的各種需要，設備與信息的共享程度也進一步提高，促進了生產自動化水平和管理水平提高。DCS與前三個階段相比，發生了質的變化，可以説是一場革命。

但在集散型控制系統中仍有許多不足。信息化問題，CIMS的發展要求對企業經營決策、經營管理、生產調度、過程優化、故障診斷及過程控制的信息進行綜合處理，迅速滿足市場的需要，而集散型控制系統僅能從過程控制站得到現場儀表傳來的被測參數值，以及向它發出的調節信號，無法對現場儀表進行診斷，影響了系統信息的完整性;數字化問題，在集散型控制系統中仍然有模擬測量儀表，因而它是一種模擬數字混合系統;互換性與互操作問題，在DCS系統形成的過程中，由於受計算機系統早期存在的系統封閉這一缺陷的影響，各廠家的產品自成系統，軟硬件產品不能互換，而且通信協議也各不相同，不同廠家的設備不能互連在一起，難以實現互換與互操作，組成大範圍信息共享的網絡系統存在很多困難，這也是集散型控制系統的最大不足。

現場總線控制系統是20世紀80年代中後期隨着控制、計算機、通信以及模塊化集成等技術發展出現的工業控制系統，代表工業自動化控制發展的最新階段。現場總線的概念是1982年首先在歐洲提出的。隨後，北美與南美也都投入巨大的人力、物力開展研究工作。到現在為止，比較流行的現場總線已有40多種。現場總線控制系統的全分佈、全數字、全開放特性解決了集散型控制系統中存在的不足。在此值得一提的是作為從DCS向FCS過渡過程中出現的HART(Highway Addressable Remote Transducer)協議，它在現有模擬信號傳輸線上加載一個數字信號，使模擬信號與數字信號雙向通信同時進行，互不干擾。從長遠的發展來看，作為過渡產品的HART不會有很大的作為。

現場總線控制系統把集散型控制系統中的集中與分散相結合的概念變成了新型的全分佈式測控系統。作為工廠數字通信網絡的基礎，現場總線控制系統溝通了生產過程現場控制設備之間及其與更高控制管理層之間的聯繫：它向下深入到現場的每一台儀表、執行機構，把控制功能徹底下放到現場，依靠現場智能設備本身便可實現基本控制功能;向上連接到生產管理、企業經營的方方面面，為企業提供全面的解決方案。目前，現場總線將原來主要用於過程控制的工業控制自動化推廣到製造自動化、樓宇自動化等領域，成為新的現場智能設備互連通信網絡。

在現場總線控制系統中，4～20mA模擬信號儀表將被符合現場總線標準的雙向通信全數字智能儀表所代替，實現傳輸信號數字化，使模擬和數字混合控制系統最終轉變為全數字控制系統。

現場總線控制系統的開放性解決了數字系統的兼容性問題，協議的完全開放導致不同生產商的產品之間可以互換和互操作。它不但給生產商和用户帶來極大的方便，而且突破了集散型控制系統中由專用網絡的封閉系統所造成的缺陷，把封閉、專用的解決方案變成了公開、標準化的解決方案。

從上面的簡單回顧中，可以看到控制的效果、控制的花費和最終的收益一直是工業控制系統發展的衡量標準。從人工控制系統到集中式控制系統、從集中式控制系統到集散型控制系統，再到現在的現場總線控制系統，都是在逐步實現更好的控制、更小的花費和更大的收益。如果仔細分析一下工業控制系統發展的整個過程，不難看出它的發展具有以下特點：

(1)計算機技術在工業控制系統中起到越來越重要的作用

在集中式數字控制階段以前，計算機並沒有真正進入控制過程，計算機安裝在專用的機房中，與過程裝置之間沒有任何物理上的連接，只是用來“離線”計算控制器的設定值和執行器的位置值，即使後來在計算機中能夠加入一些管理信息，但計算機體積大，速度慢，價格昂貴而且不可靠，不能直接參與過程控制，充其量不過是一個離線數據分析的工具。

從集中式數字控制開始，計算機開始進入過程控制。在計算機上設計了專門的接口，與現場裝置直接連接，計算機配上變送器、執行器和信號連接裝置就完全可以實現過程的檢測、監視以及對過程的控制了。最初，計算機只用於關鍵現場裝置的單迴路控制，在直接數字控制階段，一台計算機替代一組模擬控制器;到了集中型計算機控制階段，一台計算機已經滿足小型工業控制系統的全面需要。分層計算機控制系統是適應較大規模的工業控制需要，將計算機分層、模塊化的思想引入工業控制系統;到集散型計算機控制階段，模塊化、對象化的概念已經深入工業控制系統，集散型控制系統的工程師站、操作站和管理工作站都是具有自主特點的功能模塊。組態軟件的出現，更為工業控制系統的總體設計提供了方便。現場總線控制系統的出現是與計算機網絡技術的發展密不可分的。實際上，現場總線控制就是計算機網絡技術在工業控制領域的最新應用，所以又稱現場總線是工業控制的底層網絡。另外，如果分析一下每一種現場總線的技術資料，就不難發現它們都是在國際標準組織的開放系統互操作網絡模型基礎上加上一些特殊的規定形成自己的標準。圖1顯示了工業控制系統發展的這一特點。

(2)信息的集成度越來越高

隨着工業規模的擴大，人們對控制系統的信息要求不斷提高，工業控制系統的信息集成程度也就越來越高。在人工控制階段，談不上信息的集成;模擬控制階段，雖然出現了集中控制室，模擬信號的“先天”不足決定了系統的信息集成無法滿足信息量、速度和精度等方面的要求;集中式數字控制階段，信息的集成程度進一步提高，不但能把一組儀表的信息集成到一起，對於有些小系統甚至能把整個系統的測控信息集成到一起，為信息的綜合、改變控制方案、實現最優控制提供了有效的途徑，不過，這時的信息還只能是測控信息，與管理有關的信息很少;集散式控制系統實現了測控、管理信息的集成，但集成的程度仍然有限，沒能實現通信的全數字化，影響了信息的交換;基於網絡的現場總線控制系統為信息的進一步集成提供了有效的技術保證，現場總線作為紐帶，將掛接在總線上的網絡節點組成自動化系統，各現場智能設備分別作為一個網絡節點，通過現場總線實現各節點之間、現場節點與過程控制管理層之間的信息傳遞與溝通，並實現各種複雜的綜合自動化功能。

(3)控制功能越來越“接近”現場

這裏所提及的“接近”主要是指系統內部層次上的接近，在此只以PID功能的逐步下放過程説明這一問題。圖2説明了這一過程，在集中式數字控制階段或者説直接數字控制階段，PID控制功能是集成在控制計算機內;到了集散式數字控制系統。PID控制功能下放到分散的現場控制站;到了現場總線控制系統，PID控制功能則徹底分散到現場控制儀表中去了。

(4)現場儀表的測控能力越來越強

現場儀表從最初的氣動儀表，到後來的模擬儀表，到集散型控制系統中的數字模擬混合儀表，直到現場總線控制系統中的全數字智能儀表，不但取得了從模擬信號到數字信號的進步，現場儀表的性能也大大改善。圖3是測控儀表能力示意圖，圖中對能力的描述在數值上並不精確，不過是一種示意性的表達。

圖中表明瞭現場儀表從實現單點、單控制迴路的測控功能開始，逐步發展到按裝置和過程來劃分的多回路、多變量集中監控，一直到現場總線儀表智能化過程。現場總線儀表智能化是微處理器植入現場測控儀表的結果，設備具有數值計算和數字通信能力，一方面提高了信號的測量、控制和傳輸精度，另一方面豐富了控制信息，併為實現其遠程傳送創造了條件;還可提供傳統儀表所不能提供的如閥門開關動作次數、故障診斷等信息，便於操作管理人員更好、更深入地瞭解生產現場和自控設備的運行狀態，使現場總線控制系統成為分佈式、可靠及信息完整的控管系統。

另外，工業控制系統還有操作人員越來越遠離現場，系統的實時性和可靠性越來越強，精度越來越高。

工業自動化市場

工業自動化市場主要分為三大領域或技術：一是邏輯/分立技術主要用於製造工廠如汽車、包裝、或材料運送;二是過程/批次/連續主要用於流體處理工廠如發電廠、化學或石油加工;三是運動(motion)一無處不在，尤其是機械加工。

其中，工業自動化的九個產品類別是：

1.主控制器-PLC、CNC、工業PC、DCS等;

2.驅動器/電機;

3.傳感器-流量表、反饋、限位開關;

4.激勵器-閥、泵、螺線管、加熱器等;

5.通信-以太網、Fieldbus、DeviceNet等;

6.面板組件-啟動器、熔絲等;

7.人機介面HMI/MMI;

8.軟件-軟邏輯、軟CNC等;

9.企業軟件-SCADA、MES、MRP等。

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摘要：隨着社會的進步，以及工業發展的需要，工業朝着自動化的方向發展是我們工業發展的必然趨勢。我國工業自動化雖然有了一定的發展基礎，但是與世界其他發達國家相比還存在着諸多問題。要使我國的工業自動化朝着高質量、高效益的可持續之路發展必須要對工業自動化的特點進行研究及其重要性進行研究。筆者根據前人的研究，首先從工業自動化的特點出發，分析了工業自動化的重要性和關鍵技術。同時，就工業自動化的發展趨勢進行了簡要分析。

關鍵詞：工業自動化;特點;技術

1.工業自動化技術的特點

工業自動化的特點是從其概念當中延生出來的，工業自動化是指沒有人的參與而自動的進行工業控制和進行工業生產，它能夠自動的調節工業的參數、技術指標、產品合格度等。隨着我國網絡技術和信息技術的不斷髮展，我國的企業管理可以在網上進行有關交易，同時通過我們的電子商務等新的方式來實現企業的信息化管理。而工業自動化技術是我們的過程控制、設備控制和高技術控制的三電一體。由此，我們可以看出，工業自動化可以説是我國微電子技術和電力電子技術的一個綜合性的高技術，這是工業自動化技術的一個重要特點。同時，從我們的控制角度來看，我們的工業自動化應該包括我們的檢測、控制、驅動等三個系統，這三個系統之間是相互聯繫的，三個系統之間需要最佳的配合，這就是我們的三電一體化技術，這也是工業自動化技術的一個重要特點。

2.工業自動化的重要性

隨着時代的進步，我們的工業已經進入了自動化的時代和信息化的時代。如果我們要利用我們的信息化就必須先解決我們工業自動化的問題，在我們的工業生產中利用各種自動化的工業生產設備來監控我們的工業生產以為我們的信息化提供準確的數據，使我們的生產設備能夠生產出最佳的產品。因此，工業自動化是我們準確利用工業信息化的重要前提。如果沒有工業自動化我們的現代化生產技術將不會達成。隨着我國工業化的進步，我國的信息化生產已經到來，如果我們連最基本的工業自動化就沒有實現，那我們的信息化生產更加不可能完成。同時，我們在發展工業自動化的時候也需要我們發展信息化，只有這樣我們國家的發展速度才會加快。現今，我國雖然基本實現了工業機械化，但是我國的工業自動化道路還任長道遠。

3.工業自動化的發展趨勢

3.1.智能化

從我們的工業化發展的具體趨勢來看，今後我們的工業自動化將會朝着自能化的方向發展。特別是我們的工業自動化儀表，表現更加突出。所謂智能化表現在其具有多種新功能。如一台智能化執行器，由於具有多種的自診斷功能，使維修預報成為可能。如當執行器調節閥的閥杆行程累計超過一定長度時，就會發出信號通知維修人員進行密封填料的換;又當閥門的動作過於頻繁時也可通知工作人員進行干預，以免發生事故;當用於具有蝕性介質時，如超過一定流量及工作時間時，也能發出信號，以便及時更換，因為絕不會發生腐蝕的材質是沒有的。在工業控制方面，過去控制的算法，只能由調節器或DCS來完成，如今一台智能化的變送器或者執行器，只要植入PID模塊，就可以與有關的現場儀表在一起，在現場實現自主調節;從而實現控制的徹底分散，從而減輕了DCS主機的負擔，使調節更加及時，並提高了整個系統的可靠性。

3.2.高精度化

由於人們對工業產品的要求越來越高，以及工業產品的質量要求也越來越高。今後，我們的工業自動化將會朝着高精度化的方向進行發展。特別是在近年國家通過相關的政策法規對精細度提出了相關要求，工業控制系統的高精度化越來越被提上了重要的日程。比如我們的變送器，由以前的0.75%提高到了現在的0.04%。我們的科氏質量流量計達到了高精度的0.05%，這都體現了工業自動化將會朝着高精度化方向發展。

3.3.工業無線化

工業無線技術能夠使我們實現真正的非接觸傳輸，特別是適合在惡劣的環境當中或者是在震動或者高速的監控當中，如果我們實現了工業無線化將會降低我們的安裝成本和降低運行成本。同時，還能夠使我們的設備方便升級，在移動的過程中不受相關限制。可以説工業無線技術是我們的工程進行測控的一個重要變革，它解決了我們傳統的成本高、法大規模部署傳感器進行監測的問題。使我們的工業生產達到了高產、安全、環保和低耗。現今我們的工業自動化將會朝着無線化方向進行發展，無線化將會是今後工業自動化的一個重要課題。

總之，如果我們加大力度發展我們的工業自動化技術，不但可以促進我們的工業信息化同時還可對我國的其他傳統企業帶來進一步技術改造，帶動我國企業全部實現工業化。因此，在以後我國的工業化進程中，我們要將發展工業自動化作為工業化發展的一個重要方面，及早的確定我國工業實現工業化和信息化的戰略方針。工業化主要包括機械化、電氣化、自動化。可以説我國的工業經過幾十年的發展，已經完成了機械化和電氣化的時代，但是與自動化還存在一定的距離，我們一定要以自動化來武裝我們的各項工業企業。