工业自动化论文.docx
《工业自动化论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工业自动化论文.docx（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
工业自动化论文
摘要……………………………………………………………………………3
前提………………………………………………………………4
一、工业自动化…………………………………………………5
二、工业自动化发展……………………………………………6
三、工业自动化仪器仪表
（1）PLC…………………………………………………………9
（2）工控行业仪器仪表发展……………………………………………………11
（3）数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展……………………12
（4）工业控制软件正向先进控制方向发展…………………………………13
四、工业自动化计算机应用产业发展特点…………………………14
五、工业自动化与工业信息化的关系………………………………18
六、自动化系统结构……………………………………………18
七、工业自动化系统组成………………………………………21
八、工业自动化系统产品种类…………………………………22
九、工业自动化市场分析………………………………………22
十、总结…………………………………………………………27
参考文献…………………………………………………………28
摘要
随着现代科学技术的迅猛发展，自动化仪表、计算机及控制技术的不断完善和发展，新工艺、新技术、新设备不断出现；各类生产工艺技术不断改进、提高，生产过程向连续化、大型化转变；对生产过程内在规律的深入研究，制造出了大量先进的自动化成套设备及装置。
例如集散控制系统（DCS）、可编程控制器（PLC）、现场总线（FB）等。
同时，生产过程控制由常规仪表控制向计算机全过程控制发展；控制规律由常规PID控制向先进控制（APC）、优化控制发展；生产过程自动化水平由局部自动化向综合自动化发展。
为了适应这些发展要求，各类生产过程工艺专业技术人员必须具有过程自动化及仪表的基本知识；在工艺设计与技术改造中，熟悉生产过程自动控制的主要内容及具体方案，并与自动化技术人员密切合作。
自动化工程技术人员不仅要完全掌握自动化仪表、计算机及自动控制技术等方面的基本知识，而且要熟悉生产工艺过程的特点和解决其控制难题，这样才能合理设计和维护生产过程自动化工程。
前提
工业自动化控制主要利用电子电气、机械、软件组合实现。
即是工业控制，或者是工厂自动化控制。
主要是指使用计算机技术，微电子技术，电气手段，使工厂的生产和制造过程更加自动化、效率化、精确化，并具有可控性及可视性。
工控技术的出现和推广带来了第三次工业革命，使工厂的生产速度和效率提高了300%以上。
20世纪80年代初，随着改革开放的春风，国外先进的工控技术进入中国大陆，比较广泛使用的工业控制产品有“PLC，变频器，触摸屏，伺服电机，工控机”等。
这些产品和技术大力推广了中国的制造业自动化进程，为中国现代化的建设作出了巨大的贡献。
一、工业自动化
工业自动化是机器设备或生产过程在不需要人工直接干预的情况下，按预期的目标实现测量、操纵等信息处理和过程控制的统称。
自动化技术就是探索和研究实现自动化过程的方法和技术。
它是涉及机械、微电子、计算机、机器视觉等技术领域的一门综合性技术。
工业革命是自动化技术的助产士。
正是由于工业革命的需要，自动化技术才冲破了卵壳，得到了蓬勃发展。
同时自动化技术也促进了工业的进步，如今自动化技术已经被广泛的应用于机械制造、电力、建筑、交通运输、信息技术等领域，成为提高劳动生产率的主要手段。
工业自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的综合性高技术，包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。
工业自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。
无论高速大批量制造企业还是追求灵活、柔性和定制化企业，都必须依靠自动化技术的应用。
自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程起着明显的提升作用：
（1）提高生产过程的安全性；
（2）提高生产效率；
（3）提高产品质量；
（4）减少生产过程的原材料、能源损耗。
据国际权威咨询机构统计，对自动化系统投入和企业效益方面提升产出比约1：
4至1：
6之间。
特别在资金密集型企业中，自动化系统占设备总投资10%以下，起到“四两拨千金”的作用。
传统的工业自动化系统即机电一体化系统主要是对设备和生产过程的控制，即由机械本体、动力部分、测试传感部分、执行机构、驱动部分、控制及信号处理单元、接口等硬件元素，在软件程序和电子电路逻辑的有目的的信息流引导下，相互协调、有机融合和集成，形成物质和能量的有序规则运动，从而组成工业自动化系统或产品。
在工业自动化领域，传统的控制系统经历了继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统和集散式控制系统DCS的发展历程。
随着控制技术、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交互沟通的领域正迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理各个层次。
工业控制机系统一般是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制的自动化技术工具（包括自动测量仪表、控制装置）的总称。
今天，对自动化最简单的理解也转变为：
用广义的机器（包括计算机）来部分代替或完全取代或超越人的体力。
二、工业自动化发展
（1）第一阶段
40年代--60年代初
需求动力：
市场竞争，资源利用，减轻劳动强度，提高产品质量，适应批量生产需要。
主要特点：
此阶段主要为单机自动化阶段，主要特点是：
各种单机自动化加工设备出现，并不断扩大应用和向
纵深方向发展。
典型成果和产品：
硬件数控系统的数控技术。
（2）第二阶段
60年代中--70年代初期
需求动力：
市场竞争加剧，要求产品更新快，产品质量高，并适应大中批量生产需要和减轻劳动强度。
主要特点：
此阶段主要以自动生产线为标志，其主要特点是：
在单机自动化的基础上，各种组合机床、组合生产线出现，同时软件数控系统出现并用于机床，CAD、CAM等软件开始用于实际工程的设计和制造中，此阶段硬件加工设备适合于大中批量的生产和加工。
典型成果和产品：
用于钻、镗、铣等加工的自动生产线。
（3）第三阶段
70年代中期--至今
需求动力：
市场环境的变化，使多品种、中小批量生产中普遍性问题愈发严重，要求自动化技术向其广度和深度发展，使其各相关技术高度综合，发挥整体最佳效能。
主要特点：
自70年代初期美国学者首次提出CIM概念至今，自动化领域已发生了巨大变化，其主要特点是：
CIM已作为一种哲理、一种方法
逐步为人们所接受；CIM也是一种实现集成的相应技术，把分散独立的单元自动化技术集成为一个优化的整体。
所谓哲理，就是企业应根据需求来分析并克服现存的“瓶颈”，从而实现不断提高实力、竞争力的思想策略；而作为实现集成的相应技术，一般认为是：
数据获取、分配、共享；网络和通信；车间层设备控制器；计算机硬、软件的规范、标准等。
同时，并行工程作为一种经营哲理和工作模式自80年代末期开始应用和活跃于自动化技术领域，并将进一步促进单元自动化技术的集成。
典型成果和产品：
CIMS工厂，柔性制造系统（FMS）。
（4）未来趋势
1.紧随政策，走向信息化、绿色能源新领域
我国工业自动化未来几年发展重点和发展方向首先应当看齐“信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走出科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少新型工业化道路。
”一方面政府出台企业跨区域、跨所有制重组的政策，以破除长期以来工业体制性障碍，通过产业政策的干预，继续调整产业结构、实现产业升级，从而化解内外风险。
工业自动化企业在提升传统企业生产效能方面也应当做为一个重点发展方向。
此外，资源节约、发展循环经济、低碳经济与绿色经济，加快建设资源节约型、显著提高资源利用效率的国策是我国进入“节能降耗”重要历史阶段的特征。
面对这种形势，工业自动化企业必须应用自动化技术科学来保证产品能源消耗减少的优势。
在“节能减排”的产品与技术上采取措施，为“节能降耗”领域做出更大的贡献。
2.在技术推动方面强调自主创新，自助研发
中国的工业自动化企业应当努力走自主创新的“高端自动化”之路。
我国的国产高端自动化产品奇缺、市场竞争力不强、国产高端成套专用控制系统或优化系统几乎为零，在数字化、智能化、集成化等方面，与国外先进产品存在较大差距，“中间强，两端弱”的现象十分严重。
国产控制系统进入我国重大工程的关键装备、核心装备、主体装备十分困难，绝大部分被国外控制系统所垄断。
产品性能存在较大差距，进入国家的重大工程十分困难。
这些都表明我国工业自动化系统自主创新能力相对低下，自主知识产权比较匮乏。
“自主创新”之路创新是企业获得持续发展的灵魂，是企业发展战略的核心。
通过“自主创新”，寻求新的高端发展机遇，不断进行技术、战略、人力资源管理等诸多方面的创新。
要想改变这种局势，走自助研发创新之路，需要从以下方面推进工业自动化高端技术产业化：
（1）构建高端工业自动化软硬件平台
（2）构建高端工业自动化信息集成平台
（3）发展特种高端工业自动化技术——智能产品
（4）提高和扩大综合自动化系统的应用深度和广度
此外，在技术研发同时，还要注意理论探究和运用，比如具有符号和连续动力学系统的控制下一代系统将把逻辑运算和连续量、萃智理论在控制理论与技术中的推广应用等。
3.树立品牌，形成行业“产业链”
著名品牌比普通品牌能够拥有更高的品牌溢价、知名度和忠诚度，在经济上能够较长时间内获取比普通品牌更高更稳定的收益。
换而言之世界品牌在全球利益分配中占有更有利的地位。
面对中国经济总量和世界性品牌缺少的持续性落差，中国渴望有国际品牌。
品牌经济必然会成为重化工之外另一个重要元素。
另外，产业链是产业层次的表达，产业关联性越强，资源的配置效率也越高；产业链越长，表明加工可以达到的深度越深。
因此，重大企业带动相关中、小企业，与自己发展大局有关。
随着社会的不断进步和发展，工业自动化是现代先进工业科学的核心技术，不断的去研究和探讨我国工业自动化的发展和战略方向，对我国工业化的发展有着极其深远的现工业控制自动化技术对于传统产业的改造﹑企业素质的提高和国家国力的提高是非常有效的途径。
随着一系列工业自动化控制技术产业化专项的实施，基于信息化带来工业化的思想，将会使工业自动化技术得到更深入的发展，这对加快推动我国自动化产业结构优化升级有重大意义。
工业自动化仪器仪表
（1）PLC（可编程序控制器）
1.1PLC—可编程序控制器的英文为ProgrammableLogicController，1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求①编程简单，可在现场修改和调试程序；②维护方便，采用插入式模块结构；③可靠性高于继电器控制系统；④体积小于继电器控制装置；⑤数据可直接送入管理计算机；⑥成本可与继电器控制系统竞争；⑦可直接用115V交流电压输入；⑧输出量为115V、2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等；⑨通用性强，易于扩展；⑩用户程序存储器容量至少4kB。
为了实现通用汽车提出的要求，第一台适合其要求的PLC（可编程序控制器）于1969年在美国成功制造出来，自从第一台出现之后，随之，日本、德国、法国也相继开始了PLC的研发，并得到了迅猛的发展，现在主要生产PLC的厂家分别是：
德国西门子、AEG，日本的三菱、美国AB，GE法国的TE公司等。
我国的PLC研制、生产和应用也发展很快，尤其在应用方面更为突出。
在20世纪70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。
此后，在传统设备改造和新设备设计中，PLC的应用逐年增多，并取得显著的经济效益，PLC在我国的应用越来越广泛，对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。
目前，我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC，如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司，北京和利时和杭州和利时，浙大中控等。
1.2工控PC由于基于PC的控制器被证明可以像PLC一样，并且被操作和维护人员接受，所以，一个接一个的制造商至少在部分生产中正在采用PC控制方案。
基于PC的控制系统易于安装和使用，有高级的诊断功能，为系统集成商提供了更灵活的选择，从长远角度看，PC控制系统维护成本低。
由于PLC受PC控制的威胁最大，所以PLC供应商对PC的应用感到很不安。
事实上，他们现在也加入到了PC控制“浪潮”中。
近年来，工业PC在我国得到了异常迅速的发展。
从世界范围来看，工业PC主要包含两种类型：
IPC工控机以及它们的变形机，如AT96总线工控机等。
由于基础自动化和过程自动化对工业PC的运行稳定性、热插拔和冗余配置要求很高，现有的IPC已经不能完全满足要求，将逐渐退出该领域，取而代之的将是其他工控机，而IPC将占据管理自动化层。
国家于2001年设立了“以工业控制计算机为基础的开放式控制系统产业化”工业自动化重大专项，目标就是发展具有自主知识产权的PC-based控制系统，在3-5年内，占领30%（50%的国内市场，并实现产业化。
几年前，当“软PLC”出现时，业界曾认为工业PC将会取代PLC。
然而，时至今日工业PC并没有代替PLC，主要有两个原因：
一个是系统集成原因;另一个是软件操作系统WindowsNT的原因。
一个成功的PC-based控制系统要具备两点：
一是所有工作要由一个平台上的软件完成;二是向客户提供所需要的所有东西。
可以预见，工业PC与PLC的竞争将主要在高端应用上，其数据复杂且设备集成度高。
工业PC不可能与低价的微型PLC竞争，这也是PLC市场增长最快的一部分。
从发展趋势看，控制系统的将来很可能存在于工业PC和PLC之间，这些融合的迹象已经出现。
（2） 工控行业仪器仪表发展
工控行业仪器仪表发展工控仪表重点发展基于现场总线技术的主控系统装置及智能化仪表、特种和专用自动化仪表；全面扩大服务领域，推进仪器仪表系统的数字化、智能化、网络化，完成自动化仪表从模拟技术向数字技术的转变，5年内数字仪表比例达到60%以上；推进具有自主版权自动化软件的商品化。
2.1电工仪器仪表电工仪器仪表重点发展长寿命电能表、电子式电度表、特种专用电测仪表和电网计量自动管理系统。
2005年，中低档电工仪器仪表国内市场占有率要达到95%；到2010年，高中档电工仪器仪表国内市场占有率达到80%。
2.2科学测试仪器科学测试仪器重点发展过程分析仪器、环保监测仪器仪表、工业炉窑节能分析仪器以及围绕基础产业所需的汽车零部件动平衡、动力测试及整车性能检测仪、大地测量仪器、电子速测仪、测量型全球定位系统以及其他试验机、实验室仪器等新产品。
产品以技术含量较高的中档产品为主，到2005年在总产值中占50%～60%。
2.3环保仪器仪表环保仪器仪表重点发展大气环境、水环境的环保监测仪器仪表、取样系统和环境监测自动化控制系统产品，2005年技术水平达到20世纪90年代后期国际先进水平，国内市场占有率达到50%～60%，到2010年国内市场占有率达到70%以上。
2.4仪器仪表仪器仪表元器件“十五”及2010年前，尽快开发出一批适销对路、市场效果好的产品，品种占有率达到70%～80%，高档产品市场占有率达60%以上；通过科技攻关、新品开发，使产品质量水平达到国际20世纪90年代末水平，部分产品接近国外同类产品先进水平。
2.5 信息技术电测仪器信息技术电测仪器主要发展电测仪器软件化、智能化技术，总线式自动测试技术，综合自动化测试系统，新型元器件测量技术及测试仪器，在线测试技术，信息产业产品测试技术，多媒体测量技术以及相应测试仪器，用电监控管理技术等。
（3）数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展
从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了51年的历程。
近10年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很快。
目前正朝着标准化开放体系结构的方向前进。
就结构形式而言，当今世界上的数控系统大致可分为4种类型：
1.传统数控系统;
2.“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统;
3.“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统;
4.SOFT型开放式数控系统。
我国数控系统的开发与生产，通过“七五”引进、消化、吸收，“八五”攻关和“九五”产业化，取得了很大的进展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发、生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业，也带动了机电控制与传动控制技术的发展。
同时，具有中国特色的经济型数控系统经过这些年来的发展，产品的性能和可塑性有了较大的提高，逐渐被用户认可。
国外数控系统技术发展的总体发展趋势是：
新一代数控系统向PC化和开放式体系结构方向发展;驱动装置向交流、数字化方向发展;增强通信功能，向网络化发展;数控系统在控制性能上向智能化发展。
进入21世纪，人类社会将逐步进入知识经济时代，知识将成为科技和生产发展的资本与动力，而机床工业，作为机器制造业、工业以至整个国民经济发展的装备部门，毫无疑问，其战略性重要地位、受重视程度，也将更加鲜明突出。
近年来，我国数控机床一直保持两位数增长。
2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元。
2002年产值达260亿元，产量居世界第4。
但与发达国家相比，我国机床数控化率还不高，目前生产产值数控化率还不到30%;消费值数控化率还不到50%，而发达国家大多在70%左右。
由于国产数控机床不能满足市场的需求，高档次的数控机床及配套部件只能靠进口，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。
智能化、开放性、网络化、信息化成为未来数控系统和数控机床发展的主要趋势：
向高速、高效、高精度、高可靠性方向发展;向模块化、智能化、柔性化、网络化和集成化方向发展;向PC-based化和开放性方向发展;出现新一代数控加工工艺与装备，机械加工向虚拟制造的方向发展;信息技术（IT）与机床的结合，机电一体化先进机床将得到发展;纳米技术将形成新发展潮流，并将有新的突破;节能环保机床将加速发展，占领广大市场。
（4）工业控制软件正向先进控制方向发展
自20世纪80年代初期诞生至今，工业控制软件已有20年的发展历史。
工业控制软件作为一种应用软件，是随着PC机的兴起而不断发展的。
工业控制软件主要包括人机界面软件（HMI），基于PC的控制软件以及生产管理软件等。
目前，我国已开发出一批具有自主知识产权的实时监控软件平台、先进控制软件、过程优化控制软件等成套应用软件，工程化、产品化有了一定突破，打破了国外同类应用软件的垄断格局。
通过在化工、石化、造纸等行业的数百个企业（装置）中应用，促进了企业的技术改造，提高了生产过程控制水平和产品质量，为企业创造了明显的经济效益。
2000年，“九五”国家科技攻关计划项目“大型骨干石化生产系统控制及计算机应用技术”通过了验收。
作为工控软件的一个重要组成部分，国内人机界面组态软件研制方面近几年取得了较大进展，软件和硬件相结合，为企业测、控、管一体化提供了比较完整的解决方案。
在此基础上，工业控制软件将从人机界面和基本策略组态向先进控制方向发展。
先进过程控制APC（AdvancedProcessControl）目前还没有严格而统一的定义。
一般将基于数学模型而又必须用计算机来实现的控制算法，统称为先进过程控制策略。
如：
自适应控制;预测控制;鲁棒控制;智能控制（专家系统、模糊控制、神经网络）等。
由于先进控制和优化软件可以创造巨大的经济效益，因此这些软件也身价倍增。
国际上已经有几十家公司，推出了上百种先进控制和优化软件产品，在世界范围内形成了一个强大的流程工业应用软件产业。
因此，开发我国具有自主知识产权的先进控制和优化软件，打破外国产品的垄断，替代进口，具有十分重要的意义。
在未来，工业控制软件将继续向标准化、网络化、智能化和开放性发展方向。
四、工业自动化计算机应用产业发展特点
计算机自动化技术、控制技术、网络技术和通信技术的迅猛发展，使得各种工业自动化手段的发展相互影响，工业自动化计算机应用产业呈现以下特点。
1.界限模糊
工业自动化计算机应用产业的系统、自动化、机电一体化、数控、cims等技术和学科之间逐渐渗透，界限越来越模糊，而在实际中也没有必要把它们分得很清楚，这是实际发展的需要，也是技术发展的必然。
2.技术融合
工业自动化一些fcs、ipc、nc/cnc与dcs、plc等计算机应用产业系统体系虽然设计初衷不一，各有特色，各有适宜的应用领域，也各有不适应的地方，但技术上都存在相互补充、相互促进、彼此共存的要素。
仅仅靠独立的学习已失去传统意义上，各种控制系统之间融合不可阻挡。
3.应用领域扩大
过去，工业自动化计算机应用产业主要应用于过程控制，如控制电、煤、化、油等连续化、流程化的生产过程；离散加工制造机械、电子、汽车等自动化生产过程；单机自动化，如数控机床、智能仪器仪表，机器人等产品机电一体化等。
目前，工业自动化计算机应用产业还逐渐应用于新的增长点，如公用工程、环保、楼宇与社区、道路与交通、农业与农村等。
4.工业自动化计算机应用产业发展趋势
（一）在计算机应用产业市场层面来说，主要表现为：
1.工业计算机应用产业市场规模急剧增长
即使受全球金融风暴袭击，中国工业计算机应用产业市场依然将保持较快增长。
据中国计算机应用产业行业协会工业计算机应用产业分会预计：
未来5年，预计中国工业计算机应用产业市场仍将保持15%以上的年平均增长速度。
未来的中国工业计算机应用产业市场，竞争虽然激烈，但格局会基本稳定，不论是传统ipc市场，还是新兴领域的嵌入式计算机应用产业，在构成工业计算机应用产业系统的数据采集板和功能方面，国内企业将与国外品牌同台竞争，外资品牌占有较大优势。
2.市场发展前景广阔
工业计算机应用产业产品和技术为其他各行业提供可靠的嵌入式和智能化基础平台。
随着信息化深入，国民经济许多行业的关键任务将越来越多地依靠工业计算机应用产业，以共性技术的低成本工业自动化升级改造传统行业做主流技术路线使中国的工业计算机应用产业受到越来越高的重视。
行业信息化需求增加，工业计算机应用产业的需求就大，其市场发展前景十分广阔。
3.长尾市场趋势
工业计算机应用产业在不同应用上，有不同的功能需求设计，需要设计符合其功能需求的产品。
因产品复杂度高，价格较低，毛利率较高，相较于商用计算机应用产业市场，仍处于蓝海市场。
因单品数量少而小型供应商多，呈现长尾市场特点。
（二）在企业、行业发展角度来看：
1.国内企业将对市场细分敏锐把握。
国产品牌规模的工业计算机应用产业企业，将会建立广泛的直销和服务网络，取得长足进步。
传统ipc市场是我国工业计算机应用产业技术的发源地，将会一直是工业计算机应用产业的主战场。
2.我国的工业计算机应用产业企业将由模仿向自主创新、由中国制造向中国创造的转变。
新一代epi，解决ipc工业计算机在多尘、潮湿、振动的环境下连接处易堵塞或氧化而接触不良使工业计算机应用产业失效的问题，具有开放性、散热性、抗振性、高稳定性、高可靠性等特点，而且加工工艺容易，成本低，将会得到广泛推广于国产数控装置。
未来几年，本土企业会对新兴行业应用敏感，对需求把握准确，率先发掘市场，推出自主创新的计算机应用产业技术。
（三）在技术层面上来说，主要有以下几点：
1.集中自动化趋向分布式自动化
传统的工业自动化计算机应用产业按照传统的软件技术，采用具有强大集中运算能力的中央控制器，以面向过程的程序为软件程序，需要做大量程序编制开发工作，还要编写现场设备与控制系统、管理层的通信程序。
com/dcom技术，提供了一种软件架构，
升级会员 