自动化设备开发及应用项目规划书.docx

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1、自控设备开发及应用一、工业自控设备开发的行业背景1、工业控制行业概述伴随计算机技术、通信技术和控制技术的发展，老式的控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。控制系统的构造从最初的CCS（计算机集中控制系统）,到第二代於JDCS（分散控制系统），发展到目前流行的FCS（现场总线控制系统）。对诸如图像、语音信号等大数据量、高速率传播的规定，又催生了目前在商业领域风行时以太网与控制网络的结合。这股工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多原则工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。2、工业控制行业发展趋势计算机及网

2、络技术与控制系统的发展有着紧密的I联络。最早在50年代中后期，计算机就已经被应用到控制系统中。60年代初，出现了由计算机完全替代模拟控制的控制系统，被称为直接数字控制（DirectDigitaIControIjDDC）O70年代中期，伴随微处理器的出现，计算机控制系统进入一种新的迅速发展的时期，1975年世界上第一套以微处理为基础H勺分散式计算机控制系统问世，它以多台微处理器共同分散控制，并通过数据通信网络实现集中管理，被称为集散控制系统（DistributedControlSystem,DCS）o进入80年代后来，人们运用微处理器和某些外围电路构成了数字式仪表以取代模拟仪表，这种DDCH勺控

3、制方式提高了系统的控制精度和控制的灵活性，并且在多回路的巡回采样及控制中具有老式模拟仪表无法比拟H勺性能价格比。80年代中后期，伴随工业系统的日益复杂，控制回路的深入增多，单一的JDDC控制系统已经不能满足现场的生产控制规定和生产工作的管理规定，同步中小型计算机和微机的性能价格比有了很大提高。于是，由中小型计算机利微机共同作用的分层控制系统得到大量应用。进入90年代后来，由于计算机网络技术的迅猛发展，使得DCS系统得到深入发展，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域DCS仍然占据着主导地位，不过DCS不具有开放性，布线复杂，费用较高，不一样厂家产品的集成存在很大困难。从八十年代后期

4、开始，由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化,人们便开始寻求用一根通信电缆将具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接起来，在设备层传递口勺不再是I/O(420mA24VDC)信号，而是数字信号，这就是现场总线。由于它处理了网络控制系统的自身可靠性和开放性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的发展趋势。从那时起，某些发达的工业国家和跨国工业企业都纷纷推出自己的现场总线原则和有关产品，形成了群雄逐鹿之势。3、自动控制行业发展伴随工业控制行业的发展，自动控制也伴随这波科技潮迎来了属于自己的新时代。自动控制是指在没有人直接参与的状况下，运用外加In设备或装置，使

5、机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。4、自动控制发展历程(1)、40年代一60年代初:需求动力：市场竞争,资源运用，减轻劳动强度，提高产品质量，适应批量生产需要。重要特点：此阶段重要为单机自动化阶段，重要特点是:多种单机自动化加工设备出现，并不停扩大应用和向纵深方向发展。经典成果和产品：硬件数控系统H勺数控机床。、60年代中-70年代初期：需求动力：市场竞争加剧，规定产品更新快，产品质量高，并适应大中批量生产需要和减轻劳动强度。重要特点：此阶段重要以自动生产线为标志，其重要特点是:在单机自动化的基础上，多种组合机床、组合生产线出现

6、，同步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Fl勺生产和加工。经典成果和产品：用于钻、镣、铳等加工的自动生产线。(3)、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，规定自动化技术向其广度和深度发展，使其各有关技术高度综合，发挥整体最佳效能。重要特点:自70年代初期美国学者初次提出ClM概念至今，自动化领域已发生了巨大变化，其重要特点是:CIM已作为一种哲理、一种措施逐渐为人们所接受；CIM也是一种实现集成的对应技术，把分散独立的单元自动化技术集成为一种优化的整体。所谓哲理，就

7、是企业应根据需求来分析并克服现存的“瓶颈”，从而实现不停提高实力、竞争力的思想方略；而作为实现集成的对应技术，一般认为是:数据获取、分派、共享；网络和通信；车间层设备控制器；计算机硬、软件H勺规范、原则等。同步，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，并将深入增进单元自动化技术的集成。经典成果和产品：CIMSIF,柔性制造系统(FMS)。伴随现代应用数学新成果的推出和电子计算机时应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一种新阶段一一现代控制理论。重要研究具有高性能，高精度的多变量变参数的最优控制问题，重要采用的措施是以状态为基础的状态空间法。目前，

8、自动控制理论还在继续发展，正向以控制论，信息论，仿生学为基础的智能控制理论深入。二、工业控制中的常见控制器选择作为自动控制系统的控制主体，控制器Fl勺应用尤为重要，就目前在现代工业中，工控机和PLC是常用口勺两种控制主体，两者在工业中均有着举足轻重的地位。工控机全称工业控制计算机，是专门为工业控制设计的计算机，用于对生产过程中使用的机器设备、生产流程、数据参数等进行监测与控制。工控机常常会在环境比较恶劣的环境下运行，对数据的安全性规定也更高，因此工控机一般会进行加固、防尘、防潮、防腐蚀、防辐射等特殊设计。工控机对于扩展性的规定也非常高，接口的设计需要满足特定H勺外部设备，因此大多数状况下工控机

9、需要单独定制才能满足需求。目前工控机的重要类别有：IPC（PC总线工业电脑）、PLC（可编程控制系统）、DCS（分散型控制系统）、FCS（现场总线系统）及CNC（数控系统）五种。1、IPC即基于PC总线的工业电脑。据2023年IPC记录目前PC机已占到通用计算机的95%以上，因其价格低、质量高、产量大、软/硬件资源丰富，已被广大的技术人员所熟悉和承认，这正是工业电脑热的基础。其重要的构成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的多种板卡构成，如CPU卡、I/O卡等。并采用全钢机壳、机卡压条过滤网，双正压风扇等设计及EMC（electromagneticcompatibility）技术以处理工业现场

10、的J电磁干扰、震动、灰尘、高/低温等问题。IPC有如下特点：可靠性：工业PC具有在粉尘、烟雾、高/低温、潮湿、震动、腐蚀和迅速诊断和可维护性，其MTTR（MeanTimetoRepair）一般为5min,MTTFlO万小时以上，而一般PC时MTTF仅为100oO15000小时。实时性，工业PC对工业生产过程进行实时在线检测与控制，对工作状况的!变化予以迅速响应，及时进行采集和输出调整（看门狗功能这是一般PC所不具有的），遇险自复位，保证系统的正常运行。扩充性，工业PC由于采用底板+CPU卡构造，因而具有很强Fl勺输入输出功能，最多可扩充20个板卡，能与工业现场的多种外设、板卡如与道控制器、视频

11、监控系统、车辆检测仪等相连，以完毕多种任务。兼容性，能同步运用ISA与PCI及PICMG资源，并支持多种操作系统，多种语言汇编，多任务操作系统。2、可编程序控制器（PLC）PLC英文全称PrOgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器。定义是：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、次序控制、定期、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多种类型的机械设备或生产过程。可编程控制器是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种合用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为老式继

12、电器的替代产品而出现的。伴随微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机H勺功能，不仅能实现逻辑控制，还具有了数据处理、通信、网络等功能。由于它可通过软件来变化控制过程，并且具有体积小、组装维护以便、编程简朴、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域,大大推进了机电一体化的进程。3、分散型控制系统（DCS）DCS英文全称DiStribUtedContrOISyStern,中文全称为分布式控制系统。它是一种高性能、高质量、低成本、配置灵活的分散控制系统系列产品，可以构成多种独立的!控制系统、分散控制系统DCS、监控和数据采集系统（SCADA）,能满足多种工

13、业领域对过程控制和信息管理及I需求。系统的模块化设计、合理的软硬件功能配置和易于扩展的能力，能广泛用于多种大、中、小型电站的分散型控制、发电厂自动化系统的改造以及钢铁、石化、造纸、水泥等工业生产过程控制。4、现场总线系统（FCS）FCS英文全称FieldbUSContrOlSyStem,中文全称为现场总线控制系统。它是全数字串行、双向通信系统。系统内测量和控制设备如探头、鼓励器和控制器可互相连接、监测和控制。在工厂网络的分级中，它既作为过程控制（如PLC,LC等）和应用智能仪表（如变频器、阀门、条码阅读器等）的局部网，又具有在网络上分布控制应用的内嵌功能。由于其广阔的应用前景，众多国外有实力的

14、厂家竞相投入力量，进行产品开发。目前，国际上已知的现场总线类型有四十余种，比较经典的现场总线有：FF,Profibus,LONworks,CAN,HART,Ce-LINK等。5、数控系统（CNC）CNC英文全称Computernumericalcontrol,中文全称为计算机数字控制系统。它是采用微处理器或专用微机时数控系统，由事先寄存在存储器里系统程序（软件）来实现控制逻辑，实现部分或所有数控功能，并通过接口与外围设备进行联接，称为计算机数控，简称CNC系统。数控机床是以数控系统为代表H勺新技术对老式机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品；其技术范围覆盖诸多领域：1）机械制造技术；2）信息处

15、理、加工、传播技术；3）自动控制技术；4）伺服驱动技术；5）传感器技术；6）软件技术等。这其中，以可编程序控制器（PLC）应用最为广泛，它可以完毕强电口勺逻辑控制盒运动控制及PID运算，自身保护强，普遍合用于中、大型设备。不过其缺陷便是价格不菲，从而不合用于中小型设备的应用。三、新型控制器的开发与应用正式基于以上PLC的局限性，开发出全新的控制器便有了广泛的意义，它不仅可以增进工业控制行业的发展，并且可以节省资源和实现利益最大化。在不停的试验和探索中，我们发现单片机作为关键，可以研发出一款全新的控制器。它不仅性能上能与PLC作为关键的控制器相媲美，并且具有价格低廉，使用效率高等特点。1、单片机

16、发展趋势单片机是由单块芯片构成的微型计算机。由CPU、RAM、ROM、I/O口、77C等电路集成在一块芯片上的微型控制器。单片机自从1976年被研究出来，飞速的发展。当时单片机的编程语言是汇编。而近某些年来，单片机的发展仍未停息，从开始的4位、8位到后来的16、32位。单片机的功能越来越强大，可以运用的I范围也被极大的扩展了。例如媒体，导航和家用电器等方面均有诸多应用。单片机具有许多种类，不过也有共同的特点。首先，运行速度尤其快，这可以算是单片机的重要特点。单位是兆条指令每秒。不过刚刚开始，单片机的运行速度不是很快，只有一兆每秒的I速度。不过通过大规模集成技术的飞速发展，单片机的运行速度变得越来越快，能有十兆每秒。更快的可以到达五十到一百兆每秒的速度。大大开阔了单片机的应用范围。单片机的另一种特点是它的集成度很高。这也是它的重要参数之一。集成度而，顾名