工业自动化概述

1LiXiangjianCTEC真诚地为用户设想工业自动化概述李相建广利核系统工程有限公司2007.08.202真诚地为用户设想CTECLiXiangjian目录1.自动化的重要性2.自动化应用举例3.典型工厂与控制3.1开环与闭环控制3.2连续过程3.3离散过程3.3混合过程4.控制的层次5.控制系统的结构6.普通仪表与P&ID图6.1开关量检测仪表6.2模拟量检测仪表6.3P&ID3LiXiangjianCTEC真诚地为用户设想1.自动控制的重要性4真诚地为用户设想CTECLiXiangjian自动控制应用过程工业纸张,食品,药金属生产和处理,玻璃,水泥石油和天然气,精炼、化工制造业柔性生产线,仓储楼宇控制供电、供热、通风,空气质量(HVAC)门禁,防火,停车场,....交通地铁,城铁、铁路、民航、公交汽车、轮船、飞机、火箭、卫星...仓库,港口行李、邮包包装、识别能源的产生水,煤,气,油,风,太阳能,核能源的分配电，水能源的输送电,气,油瓶装线,汽车生产线…5真诚地为用户设想CTECLiXiangjian工厂的信号量工厂的运行没有数据的自动处理不可想象信息流:5kbit/s.人的处理能力:需要25bit/s如果没有自动控制,则要200工程师电力配电网二～三倍于常规电站核电站10，000点，包括8‘000开关量和模拟量测量点2‘000输出点1‘000微控制器和逻辑控制器今天的火电站（300MW、600MW机组）100个测量和执行点模拟仪表和模拟控制一个中央控制器用于数据监视.25年前的电站100’000-10’000’000点6真诚地为用户设想CTECLiXiangjian对自动控制系统的基本技术要求信息流的过程处理：控制系统的基本功能--采集数据、处理数据确保安全和可用：控制系统本身的运行应该是安全而可靠的减少人力成本：控制系统的结果应该能减低对人的依赖要求在国外降低人力成本是推动自动化的重要力量而在国内更看重控制系统对生产品质、优化生产过程的作用7真诚地为用户设想CTECLiXiangjian自动控制可发挥的作用能源,材料和工作量的降低•质量改进,减少次品,控制污染增加可用性和安全性••软件配置和升级•在线修改和编程•冗余和设备生命期成本控制减少维护成本•可以加快对市场的响应速度•与管理系统（MES、ERP）相连缩短生产制造周期-人机界面HMI(Human-MachineInterface)-需要采集大量的“过程变量”并计算减少人力成本过程优化•简化统一的人机界面•需要数据处理、显示、数据库、专家系统-商业过程、数据挖掘-设备管理工具8真诚地为用户设想CTECLiXiangjian全球主要的自动控制系统供应商公司总部主要的合并ABBCH-SEBrownBoveri,ASEA,CE,Alfa-Laval,Elsag-BaileyAlstomFRAlsthom,GEC,CEGELEC,ABBPower,..YokogawaJPEmersonUSFisherRosemountGeneralElectricUSHitachiJPHoneywellUSRockwellAutomationUSAllenBradley,Rockwell,..SchneiderElectricFRTélémécanique,Square-D,...InvensysUKFoxboro,Siebe,BTR,Triconex,…SiemensDEPlessey,Landis&Gyr,Stäfa,Cerberus,..AnsaldoIT10真诚地为用户设想CTECLiXiangjian产品制造的生命周期(例:机车)维护服务的开始回收服务的结束调试实施设备的制造空调刹车控制l设备的设计刹车刹车替换制造组装客户服务整体车厢的设计在组装开始前完成11真诚地为用户设想CTECLiXiangjian国际上自动化行业三种不同的商业模式提供控制设备(控制和命令)提供工程服务(设计和试车)提供基础技术(机械、电子)工程总承包商:根据项目需要组织、集成不同设备供应商的设备.交钥匙工厂:用户只雇佣监理来监督工程总承包商的工程实施趋势:越来越多的工程总承包商开始通过运营工厂来完成收入同样，越来越多的设备供应商要根据设备的实际运行情况完成收入12LiXiangjianCTEC真诚地为用户设想2.自动化应用举例13真诚地为用户设想CTECLiXiangjianSwisselectricityinterconnectionnetwork14真诚地为用户设想CTECLiXiangjian电力传输网发电站调度SS地区控制中心地区控制中心PP变电站SSSSPPSSPPSYSYPP有大量的“点”(发电站、变压器、短路器、子站)地理上覆盖范围广.由于全国联网，发电站、变电站的运行对整个系统有较大影响，严重故障会引起网络崩溃国际控制中心国家控制中心SS变电站15真诚地为用户设想CTECLiXiangjian港口从装船计划到起重装船到仓库控制16真诚地为用户设想CTECLiXiangjian楼群控制17真诚地为用户设想CTECLiXiangjian交通管制火灾门禁供电、供热水通风、环境控制污染监视闭路摄像照明交通流量控制,....18真诚地为用户设想CTECLiXiangjian仓储极度依赖于控制系统控制系统要连接到：*供应链管理SCM,*订单*客户关系CRM*企业资源计划ERP19真诚地为用户设想CTECLiXiangjian发电原料供应一次过程(风、蒸汽)二次过程(电压/频率)能源发送(变电站)20真诚地为用户设想CTECLiXiangjian城市污水处理、垃圾焚烧原料供应燃烧过程净化排烟、环境控制副产品(蒸汽、热量)灰渣分解排灰处理21真诚地为用户设想CTECLiXiangjian过程工业冶金玻璃化工….过程工业=物料的转换水泥厂纸浆、造纸厂连续的物料流处理过程,一天24小时不间断22真诚地为用户设想CTECLiXiangjian水泥控制任务:燃烧、旋转和温度控制燃料供应,料仓,传送带,碾磨机,污染监控,质量检验,包装,...旋窑湿法水泥生产的核心:生料在旋窑中焚烧、碾磨成粉末.23真诚地为用户设想CTECLiXiangjian印刷机控制系统的任务:马达(印刷圆筒的同步)墨和水分的控制纸幅控制操作员的界面(指令和报警)对精度和可用性有非常高的要求.24真诚地为用户设想CTECLiXiangjian石油和天然气，石化上游:从地下、深海开采到炼油厂下游:从石油到化工产品特殊要求:极端易爆输送站特殊要求：高压、易燃易爆、易腐蚀.特殊要求:环境保护25真诚地为用户设想CTECLiXiangjian化工反应釜控制特点：产品按批次生产，反应釜经过清洗可以用于不同的产品生产。26真诚地为用户设想CTECLiXiangjian制药药品目录处方管理包装取样跟踪和追踪（Tracking&tracing）要符合国家法律要求典型的批次控制.27真诚地为用户设想CTECLiXiangjian自动化生产线大量的搬运、机器手、CNC设备,油漆车间,后勤.由生产管理系统相连接28真诚地为用户设想CTECLiXiangjian制造29真诚地为用户设想CTECLiXiangjian机器人一般2-3m的工作范围经常需要为新的加工任务重新编程嵌入式计算机控制，分层控制30真诚地为用户设想CTECLiXiangjian铁路机车显示单元机车控制单元DUTCUDUTCUVCU无线通讯一台机车有超过20台互联的计算机刹车信号牵引控制单元诊断能源优势:减少运行成本,快速诊断,更好的能源管理,自动列车控制（ATC）.VCU31真诚地为用户设想CTECLiXiangjian汽车传统的控制:车窗、座椅、收音机,..发动机控制(排气调校)新的紧急情况控制:ABS、EPS….增加安全？2001美国产汽车平均:电子产品占19%的价格,趋势:每年+10%.32真诚地为用户设想CTECLiXiangjian飞机“航空电子”:飞行控制(安全系统,自动驾驶)飞行管理飞行记录(黑盒子)诊断高可靠性Honeywell公司真正的核心竞争力所在33LiXiangjianCTEC真诚地为用户设想3.典型工厂与自动化34真诚地为用户设想CTECLiXiangjian工厂类型各行各业的工厂，生产产品各式各样，但在控制上都相似性.工厂的形态可分为几种基本类型，而控制系统的硬件和基本的软件都是相同或相近的差异的产生经常是由于观点不同、行业语言不通以及市场行销原因引起35真诚地为用户设想CTECLiXiangjian控制的任务测量—指令（命令）—控制Measure–Commmand–ControlDAS/KIT开环控制闭环控制36真诚地为用户设想CTECLiXiangjian开环控制和闭环控制output控制器+-plantstate显示控制变量(模拟量)设定值plant测量plantstate顺序on/offplant显示闭环控制----调节关键字:反馈,模拟变量,连续过程，“连续控制”开环控制----命令关键字:顺序/组合控制,开关变量，离散过程,“批量控制”,“制造业output偏差开关量%过程值测量clock37真诚地为用户设想CTECLiXiangjian控制系统中计算机的功能开环控制系统数据采集和预处理数据传送给操作员显示工厂运行的状态仿真和培训日志和历史记录（功能要求强大）过程优化计算闭环功能保护与联锁*调节（功能要求强大）过程驱动顺序控制联锁*:防止危险动作,例如要在交叉路口不能都是绿灯38真诚地为用户设想CTECLiXiangjian生产方式一----连续生产过程例如:锅炉燃烧控制,化学反应釜控制...控制系统的时间常数应该小于连续过程中昀快事件的时间常数连续生产过程通过一系列模拟量的连续状态变化表达模拟量有温度、压力、速度等等.连续变化应该是可逆的且变化过程是单调的:这是可以进行调节的前提条件.在输入、输出之间有固定的函数关系,可以用传递函数F来表示.传递函数F是一个微分方程.如果方程是线性的,则传递函数可进行拉普拉斯变换或Z变换对连续生产过程，控制系统的主要任务就是调节.F(p)=yxtime(1+Tp)(1+T1p+T2p2)模拟信号采集的采样定律：采样频率F=2F,ymaxFmax为模拟信号变化的昀高频率39真诚地为用户设想CTECLiXiangjian调节举例一:开关调节roomset-pointtemperatureprocessvaluethermometerheater开关调节只有两个状态:开或关上限下限0.000.200.400.600.801.001.20191725334149576573818997注意：加热和降温的时间特性不同controlvariableenergy注意：如果不是一个快速变化过程,为了减少接触器的磨损，滞后或死区的限制是必要的.40真诚地为用户设想CTECLiXiangjian调节举例二:模拟量PID调节原理设定值plant控制变量KiKpKddτddtPID比例因子Kp,产生的输出等于偏差乘以Kp.加大Kp值可减少偏差，但会带来不稳定性积分因子Ki可消除静差,但响应速度较慢微分因子Kd在偏差产生时可产生一个较大的输出值，加快系统的响应速度.偏差过程值积分因子微分因子比例因子测量41真诚地为用户设想CTECLiXiangjian连续过程的串级控制例:转轴控制位置速度扭矩I,U,fPIDsolliststellPIDsolliststellPIDsolliststellM∫dn串级控制可以让控制变量输出保持在一个确定的范围，防止过流或过速CurrentPosition速率42真诚地为用户设想CTECLiXiangjian串级回路和响应串级控制可将快速回路的变化降到较低的水平机械手的移动轨迹速度控制扭矩控制位置控制43真诚地为用户设想CTECLiXiangjian生产方式二----离散生产过程ec+¬d1236547abc+deinit离散型生产过程也是由经过定义的变量来表示，这些变量的值代表生