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 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 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发展历史续 当时PLC的基本设计思想是：1、控制器硬件是 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的、通用的，因而不需要每次另行设计；2、根据实际应用对象，将控制内容作成软件写入控制器的程序存储器内。写入时采用了最便于表示顺序控制程序的形式；3、控制器和被控对象连接方便。随着半导体技术尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到七十年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出组件和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的“PLC”已不再是仅有逻辑（Logic）判断功能了，同时具有数据处理、PID调节和数据通讯功能。三、PLC发展历史续 工作过程外部信号入输入缓冲区用户程序输出缓冲区到输出模块三、PLC发展历史续 可编程序控制器硬件的基本构成中央处理器（CentralProcessorUnit简称CPU）：它是可编程序控制器的心脏部分。CPU由微处理器（Microproce-ssor）存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据、变量的数据储器构成。电源（PowerSupply）：给中央处理器提供必需的工作电源。输入组件（Inputs）：输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。输出组件（Outputs）：输出组件接收CPU的控制信号，并把它转换成电压或电流等现场执行机构所能接收的信号后，传送控制命令给现场设备的执行器。三、PLC发展历史续输入输出（简称I/O）是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼睛”和“视觉”。输入信号包括按扭开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电偶、热电阻、位置检测开关和编码器等。输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电机启动等直流和交流设备。编程器（Programmer）：在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制逻辑程序编制和加载，不能对系统操作。编程器也可用于控制程序的调试和控制系统故障时作为检查故障的有效工具。三、PLC发展历史续 可编程序控制器规模分类类型I/O点数存储器容量微型PLC64点以下1-2KB（字节）小型PLC64-128点2-4KB（字节）中型PLC128-512点4-16KB（字节）大型PLC512-8192点16-64KB（字节）超大型PLC大于8192点64-128KB（字节）可编程序控制器的规模划分并无严格的界限，目前微、小型的机器也具有以前中、大型机的功能。三、PLC发展历史续可编程序控制器型号表（国内）序号可编程序控制器型号备注（生产厂）1ACMY-S256上海香岛2UNICONS-40M上海台岛3MPC-10、MPC-20自动化研究所4TS-300、TS-400自动化仪表研究所5ZHS-PC01、ZHS-PC02机床研究所6SPC-2、CF-40MR起重电器7DTK-S84自动化仪表厂8PC-700、PC-900调节器厂9TCM-400大华10BM-PZC电子仪表11NK-40南洋电器13PC-80骊山电子三、PLC发展历史续可编程序控制器型号表（国外）序号可编程序控制器型号备注1S5、S7-200、300、400系列西门子SIEMENS2Quantum、Micro、Premium、Compact、Momentum、984MODICON3MicroLogix1000、1200、1500、ALLENBRADLLEY（AB）SLC500、PLC-5、ControlLogixVersaMaxNano/Micro微型、90-30、GE90-70、VersaMax5F、K、A系列三菱（MITSUBISHI）SYSMACC、CPM1、CQM1、CQH1等系列欧姆龙（OMRON）TI、PM系列TXAXINSTUMENTSSR、SU、SG系列KOYO四、现状---各系列PLC规模划分SchneiderABSiemensGE小型系统：MicroMicrologixS7-200VersaMAX中小型系统：MomentumSLC500S7-30090-30中型系统：MomentumPLC-5S7-40090-70中大型系统：QunentumControlLogixS7-400PAC现状---ABPLC控制系统概貌一现状---ABPLC控制系统概貌二现状---分布式系统类型 对象分散、联系不多，宜用多CPU分散系统。数据交换MSG指令 对象分散、联系较多，宜用单CPU分布系统。扩展本地/远程I/O 对象分散、种类较多，宜用灵活组网结构。ControlNet、MB+、Genius、DeviceNet以及智能采集模块等组成系统。 根据系统规模选用相应系列PLC，初投资规模：Schneider>AB>Siemens>GE>其它，但可靠性及使用方便性则同样有以上关系。现状---PLC系统结构（一） 单CPU简单系统一个CPU，I/O点较少（不足100个左右），一排机架就够，不需I/O扩展。注意一排最多可带I/O模块数以及核对电源等容量，有条件的话，对新配置，通过在编程软件实际配一下来核对。 单CPU较多点数系统一个CPU，I/O点较多（100-300个左右），一排机架不够了，需进行本地I/O扩展。GE(IC200ERM002/IC200CBL600、IC200ETM001/ERM001)，本地扩展具有方便、便宜的特点，但与扩展机架间最大距离较小。现状---PLC系统结构（二） 单CPU较多点数且分散的系统一个CPU，I/O点较多（100-300个左右），位置较为分散，需要采用PLC远程扩展方式，GE(IC693BEM331/IC200GBI001、IC697BEM731/IC200GBI001)，远程扩展具有方便、有一定成本的特点，但最大距离较远。 双CPU热备系统可靠性要求高的场合，热备和冗余的概念、区别，热备中浮主/固定主概念、可带电热插拔的概念（GEVersamaxI/O就可以）。Rx7i的双机热备系统Genius协议支持冗余Switch共可支持10个以太网远程I/O站以太网远程I/O站扩展机架，每个远程I/O站可带7个扩展机架光纤、双绞线内置双口交换机工业以太网Rx7i双机热备系统－Genius总线I/O站Rx7i双机热备系统－以太网总线I/O站Rx7i双机热备系统特点 CPU、电源、机架、总线均为热备冗余 切换时间为毫秒级 完全无扰动切换 2.1G冗余同步总线速率 每个扫描周期同步两次 同步总线支持冗余热备支持冗余以太网支持冗余以太网共可支持28个Genius远程I/O站光纤同步总线，可支持冗余光纤同步总线，可支持冗余90-30的双机热备系统Genius协议支持冗余Switch共可支持10个以太网远程I/O站以太网远程I/O站扩展机架，每个远程I/O站可带7个扩展机架光纤、双绞线Genius同步总线可支持冗余内置双口交换机工业以太网90-30双机热备系统－Genius总线I/O站90-30双机热备系统－以太网总线I/O站90-30双机热备系统特点 CPU、电源、机架、总线均为热备冗余 切换时间为毫秒级 完全无扰动切换 同步总线支持冗余热备支持冗余以太网支持冗余以太网共可支持28个Genius远程I/O站90-70的双机热备系统Genius协议支持冗余Switch共可支持10个以太网远程I/O站以太网远程I/O站扩展机架，每个远程I/O站可带7个扩展机架光纤、双绞线内置双口交换机工业以太网90-70双机热备系统－Genius总线I/O站90-70双机热备系统－以太网总线I/O站90-70双机热备系统特点 CPU、电源、机架、总线均为热备冗余 切换时间为毫秒级 完全无扰动切换 2.1G同步总线 每个扫描周期同步两次 同步总线冗余热备支持冗余以太网支持冗余以太网共可支持28个Genius远程I/O站同步总线，可支持冗余同步总线，可支持冗余现状---PLC系统结构（三） GE三重化安全表决系统三个CPU，其他部分也多重冗余，安全等级是目前国际上公布控制系统最高的之一。多用在航天、化工厂安全停车、消防报警控制、气体灭火等系统热备冗余系统与多重化系统高可靠性 热备CPU,电源和通迅模块1M 消除主要的共同模式的单点失效 控制系统正常切换时间….. 适用于“SafetyIntegrityLevel”(SIL)0-1场合高安全高可靠 多重CPU,通讯模块,I/O模块.安全表决系统3M 失效安全/容错方式 典型应用包括:人类生命保护环境保护设备保护. 取得“SafetyIntegrityLevel”(SIL)1-3认证热备冗余系统多重化系统LOADFieldDevicePLCAPLCBPLCCGMR系统构成输入子系统输出子系统通讯总线CPU控制器-Bumpless-Moreavailablebutnotmorereliable.(ThanaSinglePLCandI/OSystem)Ethernet系统网络结构图实配：三重化开关量输入96路*3点；三重化模拟量输入32路*3点；64路T型继电器输出PWR711CPM790BEM731BEM731CMM711CMM742BEM731HMIDCSPLCAPLCBRS485Genius总线CGenius总线APWR711CPM790BEM731BEM731CMM742BEM731DI1Genius总线B3选2表决输入PLCCBBD024BBD024BBD024DI2DI3BBD024BBD024LOADAI1ALG240ALG240ALG240~AI2~AI3~DO为T型接法DI三重化输入*3套DO三重化输出*2套OVAI三重化输入*4套现状---通信网络选择 RS-232-------连通简单，上位机不需要接口板卡，投资小，但距离和速度受限制。 DH-485-------易连通，上位机需要1747-PIC接口转换器，投资较小，但距离和速度也受限制，比RS-232要好。 DH+-----------易连通，上位机需要1784-KTX接口卡，投资较大，但距离远和速度要快（不同速度时，最大通信距离则不同，终端电阻选配也应不同）。 远程I/O网。解决远程I/O扩展问题，组网灵活。 ControlNet网。解决具有ControlNet网接口控制设备之间的连接问题，组网灵活。 DeviceNet网。解决象变频器等智能设备接入控制网的问题，组网灵活。 EtherNet网。连通简单，上位机不需要接口板卡，但是，通信距离受限制，除少数CPU外，大多需要EtherNet网通信模块。现状---PLC配置工作单 1、根据控制原理，计算I/O，加上特殊I/O点数并统计总点数，估计系统规模，估算内存总需求。*10、*25、*100。 2、选择处理器 3、*选择I/O模块（注意总数，MicroLogix1500〈=8块），西北院武都水厂设计错误（9块）。 4、*选配电源模块（注意功率消耗，特别是模拟量合继电器输出模块较多时），山西煤炭院两渡煤矿设计错误。 5、最后选择框架和其它设备，注意附件（模块端子、通信、连接电缆、接头、卡件等）。现状---一点体会 模块电压级别、点数密度（最好一致）、现场信号电压等级和信号传输距离（24VDC、220VAC、4-20mA、0-10V）。 先解决重点问题，在规划程序结构（包括数据区划分）、编制程序。例如：通信连通、基本指令试验（模拟量采集需初始化否？PID运算等）均为重点问题。 通电调试应一步一个脚印，避免损坏控制元件或现场设备。同时应做好调试纪录。 PLC的抗干扰问题：现状---一点体会 两线/四线之仪表、有源无源接点的概念。 信号公共点、基准点的概念，对于复杂系统尤为重要（晨曦网布定型机例子，按钮、接触器返回、接近开关、光电开关、变频器状态、直流传动装置状态及模拟量控制问题）。 Siemens6ES7-331-7KF02多功能模块使用，电压、电流（2/4线混用）、热电阻混用有问题。一定要搞清信号类型。现状---一点体会PLC干扰源侵入方式：1、导线传入；2、空间感应和辐射；3、底线传入；抗干扰措施：1、供电电源：u     采用专用交流稳压电源；u     采用稳定电源供电；u     采用隔离变压器；u     大截面双绞线接线；u     直流带保险供电；2、PLC外部连线：u     适配的I/O模块（24、220、晶体管、继电器）；u     中间隔离继电器；u     模拟量入出勇屏蔽电缆加信号隔离器；u     外电缆布线；现状---一点体会3、柜体：u     安装位置及屏蔽措施；u     单独接地；u     机架地(LG)、模块地（SG）不需接地；u     机房防静电地板；u     高档机型；华光Modicon4、在编制软件前，应首先熟悉所选用的PLC产品的软件说明书，待熟练后再编程。编程结束后先空调程序，待各个动作正常后，再在设备上调试。五、发展展望1、现场总线发展现状与趋势现场总线：是一种现场仪表用的双向数字通信协议，是新一代智能仪表的通信标准。就其本身来说，不仅仅是一个通讯协议，而是一个完整的控制系统框架，通常被称为现场总线控制系统。技术特点：u  全数字化；u  双向、多分之结构；u  开放式的互联网络；u  连接简单。所有现场设备直接通过一对传输线（现场总线）互连；u  系统自制性强，控制功能更加分散；u  复杂系统更加智能化发展展望现状：u     基金会现场总线（FF）；u     CAN总线(汽车)；u     LonWorks总线(ECHELON、Motorola)；u     PROFIBUS总线（Siemens）；u     HART总线(Rosemount)；发展：u     整合；Ethernet界入，带来的变化：重建；发展展望2、二十一世纪初----基于PC的自动化。即将开环、闭环控制、运动控制、视频系统、人机界面、所有的自动化任务在一个单一的平台上集成，这就是基于PC的自动化。向下（进入日常生活）、向外（进入农业、环保），向上（上位软件向管理、决策方向）发展。发展展望3、基础自动级硬件选择：PLC、DCS互相渗透，PLC加强回路控制功能，DCS加强逻辑控制功能，系统宜采用全PLC或全DCS系统，依据经验，PLC比DCS地1/4左右。过程自动级硬件选择：PC机。管理自动级硬件选择：PC机。系统软件选择：综合考虑。网络选择：视具体情况。谢谢！2006、12-Bumpless-Moreavailablebutnotmorereliable.(ThanaSinglePLCandI/OSystem)