制造业自动化技术系列讲座

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1、制造业自动化必须了解的几个术语 6810人阅读 | 0条评论 发布于：2008-2-14 18:03:00 -史博士制造业自动化技术系列讲座之一控制系统的第一代产生于1930年到1940年，主要代表是以基地式仪表为代表的机械控制技术。第二代产生于1950年，主要是电气控制技术为主的继电器控制技术和调节器为代表的模拟控制技术。目前所称的控制系统是第三代控制系统，诞生于二十世纪七十年代，主要技术代表是用于流程工业的集散控制系统（DCS）和用于离散工业的可编程控制器（PLC）。现在，自动化控制系统正在向第四代控制系统发展，第四代控制系统有两个趋势，一是系统的开放性，一是流程工业控制和离散控制的融合，

2、体现在DCS和PLC功能的融合。目前，PC-BASED控制系统、嵌入式控制系统、现场总线控制系统都希望能成为第四代控制系统的主流系统，但是，由于这些系统都有各自的缺点，因此，大家普遍认为第四代控制系统还是会由以目前第三代控制系统的特点，加上开放和融合性的特点组成的柔性控制系统-TCS。为了正确理解控制系统的意义，有一些关于控制的术语是必须要了解的,在这里介绍一下。I/O点：在讨论控制系统的时候，I/O点是最经常听到的一个术语。它是指输入/输出点，I代表INPUT，指输入，O代表OUTPUT，指输出。输入/输出都是针对控制系统而言，输入指从仪表进入控制系统的测量参数，输出指从控制系统输出到执行机

3、构的参量，一个参量叫做一个点。一个控制系统的规模有时按照它最大能够控制的I/O点的数量来定的。模拟量和开关量：在控制系统中，另一个常见的术语就是模拟量和开关量。不论输入还是输出，一个参数要么是模拟量，要么是开关量。模拟量指控制系统量的大小是一个在一定范围内变化的连续数值，比如温度，从0-100度，压力从0-10MPA，液位从1-5米，电动阀门的开度从0-100%，等等，这些量都是模拟量。而开关量指该物理量只有两种状态，如开关的导通和断开的状态，继电器的闭合和打开，电磁阀的通和断，等等。对控制系统来说，由于CPU是二进制的，数据的每位有“0”和“1”两种状态，因此，开关量只要用CPU内部的一位即

4、可表示，比如，用“0”表示开，用“1”表示关。而模拟量则根据精度，通常需要8位到16为才能表示一个模拟量。最常见的模拟量是12位的，即精度为2-12，最高精度约为万分之二点五。当然，在实际的控制系统中，模拟量的精度还要受模拟/数字转换器和仪表的精度限制，通常不可能达到这么高。控制回路：通常是针对模拟量的控制来说，一个控制器根据一个输入量，按照一定的规则和算法来决定一个输出量，这样，输入和输出就形成一个控制回路。控制回路有开环和闭环的区别。开环控制回路，指输出是根据一个参考量而定，输入和输出量没有直接的关系。而闭环回路则将控制回路的输出再反馈回来作为回路的输入，与该量的设定值或应该的输出值作比较

5、。闭环回路控制又叫反馈控制，是控制系统中最常见的控制方式。下面介绍几种常规的反馈控制的模式。二位控制：这是最简单的反馈控制，有时也叫开关控制。这种控制是当被测量达到最高值或最低值的时候，就给出一个开关的信号。虽然被测量可能是模拟量，但控制输出是开关的，所以叫两位控制。在工业现场，有许多温控器和液位开关控制是采用这种方式的。比例控制：控制器的输出值与被控参数的测量值和设定值或某个参考点的偏差是一个比例关系。比例控制比二位控制要平滑一些，消除了二位控制时会产生的被控量上下振荡的情形。比如，对一个反应罐的液位，如果设定的液位值是2700毫米，当液位降低时，进料管道上的阀门就要增加开度，而液位偏高时，

6、则要将开度减小。增加和减小的比例与液位和设定值的偏差大小成比例关系。积分控制：在积分控制中，被控变量的值的变化与控制系统输出控制到实际生效的时间有一个预先设定的关系。执行机构的输出是渐渐地达到设定的值的。这种控制方式的产生是由于实际的控制元件和执行机构从给出输出信号到使被控变量达到设定值往往需要一段时间。最常见的例子是温度控制，比如，假定我们知道到煤气阀门的开度到60%的时候，热水器的水温能够达到适宜洗澡的45度，但是，当你把阀门一下子拧到60%的位置时，水依然是凉的，你必须等一下，水温升到45度左右的时候，就会稳定。如果控制系统不用积分控制，而只用比例控制，那么当阀门输出为60%时，这是输入

7、的温度值可能依然只有20度，那么按照比例控制，既然偏差依然存在，则阀门的开度会继续加大，这样，当水温升到45度时，阀门的开度可能会达到了90%甚至更高，这时，虽然控制系统会通知阀门保持不动，但水温会继续升高，可能到了50甚至60度，这时，阀门的开度会减小，但在减小到60%之前，水温都会继续上升，当阀门开度减到60%时，水温依然可能70度，一直当阀门的开度变成20%时，水温才会变成45度，这时阀门运动会停止，但水温却会继续下降，直到变成凉水，如果这时是冬天，可能你的情形还要糟糕。这就是没有积分控制的温度控制器会发生的情况。如果你有小孩，当孩子第一次操作热水器的阀门的时候，发生的情形就很像这种情况

8、。微分控制：微分控制通常与比例和积分控制同时使用，由于积分控制有一个滞后，微分控制可以让控制对偏差的反应提前，以免控制系统的反应过于迟钝。微分控制与比例和积分控制同时使用，可以使被控状态更迅速地达到稳定状态，而又不会出现上文出现的振荡现象。PID控制：在实际的控制系统中，根据实际变量的情况，上述三种控制方式有时只有一种，有时是两种，有时三种同时采用。比例控制用P表示，积分控制用I表示，微分控制用D表示，根据采用的方式，分别称为P控制，PI控制，PID控制。其中，PID控制是控制系统最常见的控制模式。延时控制：通常应用在开关量控制的场合，当一个开关状态变化时（比如由“开”变“关”时），控制器的输

9、出动作要延时一段时间才会给出。比如，在生产线常用的接近开关，当工件就位时，接近开关给出信号，下一个滚筒由于和接近开关安装的位置有一段距离，所以通常要延迟几秒才开始滚动。连锁控制：也是常用于开关控制的场合，比如有三个开关，A、B和C，C开关必须在A和B同时打开的时候，才能够打开；或者当A打开时，C必须打开；这种关系就是连锁控制。在工业现场中，尤其是在涉及安全控制的场合，连锁控制方式是很常见的。比如反应釜中的放散阀，当压力达到一定值时，压力开关的信号发生变化，则放散阀门必须立刻打开。电动控制：指控制系统的输出是通过电气量或电子信号来进行的，所控制的对象是电动执行元件,比如继电器、步进开关、电磁阀、

10、伺服驱动器和变频器等等，绝大部分的自动控制多多少少都会有电动控制元件。液压控制：在机器与设备的操作中，许多控制是用液压控制机构来进行的。在连续速度控制的场合，液压控制通常比较方便和便宜，当能量转换效率较高的时候，液压控制往往和电动控制中的伺服控制同时使用。这时，就形成了效率和精度较高的电液执行机构。气动控制：有三种情形用到气动执行机构，一，运动的线路上有标准的单向气动阀门组合来完成控制逻辑功能；二，在气体管道中采用一些没有移动部件的元件，这些元件是依靠流过的气体的特性而进行开关动作的；三，运动的逻辑控制系统，采用模块化的内置隔膜、绕线或套筒式。这三种气动元件都是采用压缩空气作为传输信号或执行机

11、制的动力。在工厂中，由于压缩空气容易获得，干净、无污染，又安全，控制的功能和设计都十分简单，因此，现在许多生产线上采用气动工具。以上是一些在讨论控制系统时常见的术语。对于非自动化专业毕业的技术人员，想搞自动化的话，这些术语的意义是有必要弄清楚的。可编程控制器PLC 2895人阅读 | 1条评论 发布于：2008-2-23 16:18:00 -史博士制造业自动化技术系列讲座之二 PLC是自动控制技术的核心产品。据PLC的全球市场的领导者AB公司（现被ROCKWELL收购）的定义，“PLC是一种固态控制系统，有一个用户可编程的内存，其中的指令可以用来实现特定的功能，如I/O控制逻辑，延时，计数，算

12、法和数据处理。” 可编程控制器最早是用来代替硬接线的继电器板的，由于这些继电器板体积庞大而且接线复杂，每次控制方案改变都要重新接线，早期的PLC用逻辑关系来代替这些接线。后来，PLC的功能被大大扩充了。过去，PLC适用于离散过程控制，如开关、顺序动作执行等场所，但随着PLC的功能越来越强大，现在的PLC也开始进入过程自动化领域，已经具有复杂数据运算、PID控制以及与企业商业系统的通讯功能。 PLC的基本硬件配置通常由CPU模块、电源模块、I/O模块和通讯模块组成，这些模块通常有一个外壳，并且都插在一块底板上，也有采用模块之间的接口，而不用底板，模块的安装都在一个标准的DIN导轨上。对于规模较小

13、的微型和小型PLC来说，以上模块没有单独的外壳，电源、CPU和I/O板以线路板的形式被装在同一个外壳之内。 除了以上的基本硬件配置外，PLC还包括人机界面、监控计算机、编程器（现在一般用普通的笔记本电脑代替），以及I/O扩展模块和一些特殊模块。 PLC通常根据CPU所带的I/O点数的规模分为微型PLC、小型PLC、中型PLC、大型PLC、PC插卡式PLC以及PC兼容的PLC。各种规模分类标准如下：表1.1：典型PLC分类 PLC种类 外观 典型I/O点数范围典型应用 微型PLC 固定I/O，砖块式 513点 分布式系统，监控系统 PC插卡式PLCISA或PCI总线卡式129点 机器控制，监控系

14、统 PC兼容控制器模块式，大或小机架129点 机器控制，监控系统 根据最新的IEC61131-3的PLC的标准，PLC的编程方式通常分为文本方式和图形方式；文本方式有指令集和结构文本两种方式，图形方式为梯形图和功能块图方式。 图2.1梯形图的概念 PLC的最基本和常用的编程方式是梯形图方式。梯形图是一种程序，对设备的动作指令逻辑以一种类似在一个梯形（相当于线圈的母线）上的线圈来表示。在一个梯子上的线圈数通常是有限的，而每个线圈的动作的数量也是有限的。在图2.1中，示出了一个梯形图，有N个线圈，每个线圈有三个功能动作。PLC在由最上面的线圈1开始解释和执行该梯形图，先执行功能1，然后移到线圈2，

15、执行线圈2的功能1，然后移到线圈3、4、，。直到线圈N，执行完线圈N的功能1后，返回到线圈1，执行功能2，这样，当N个线圈上的三个动作执行完毕后，这个梯形图的任务就算完成了。 新的PLC还有结构功能图（SFC）和流程图组态功能（FLOW-CHARTBLOCK），但通常使用较少。 PLC通常都具备安全关机功能，指在掉电或故障时，整个PLC的关机是按照一定的安全顺序进行停机的，保证PLC不会发生损坏。 通常，PLC在操作时，内部的运行程序有五个步骤组成：1)执行自检程序；2）写I/O；3）处理逻辑程序；4）读I/O；5）处理通讯程序。见图2.2。 图2.2PLC的程序操作步骤 每次PLC一上电，它

16、就立即开始运行一系列的自检程序，确认各部件可以正常工作，在自检时，如果发现异常，它将自动关机，以防损坏。当所有的自检程序通过后，就执行步骤2，同时，启动看门狗定时器以防系统失败，看门狗定时器监视CPU送出的信号，只要能够收到该信号，表示系统正常，一旦收不到该信号，则PLC就知道有问题发生，PLC执行什么动作取决于编程时对它的规定。 步骤2指将输出缓冲器的I/O数据输出到I/O模块中去。这些数据是经过处理的，因此其会将I/O点设置在一个合适的状态，PLC在试图读取I/O之前总是先执行这个指令，以确保它开始于一个正确的状态。 步骤3的逻辑解析指对梯形图的解析。PLC从逻辑图的最上端的线圈开始先执行

17、第一个功能，然后到第2个线圈的第一个功能，当所有的线圈的第一个功能解析完后，又回到第一个线圈开始解析第二个功能，这样依次，直到梯形图中所有的线圈的所有功能都解析完。 步骤4：一旦所有的梯形图程序解析完毕，就开始执行步骤4，即读取I/O模块的信号。这时，送到I/O模块和来自I/O模块的信息都会被检验两次，以确认在这一时刻的解释无误。这一步完成后，PLC就进入步骤5，这一步检查所有的外部通讯接口，比如计算机、人机界面、或任何形式的外部连接设备，此时，PLC也可以检测到外部来的输入信号。 到此，PLC执行完了一次扫描，图2.2的每个步骤都执行一遍就称为一次扫描。从第二次扫描开始，只要不是刚开机，步骤

18、1就可以不执行。因此，只要看门狗给出系统正常的信号，后面的扫描只执行步骤2到5。有时，步骤5也可以不执行或者多个周期才执行一次，这样，PLC的运行速度会快一些。 PLC比较擅长的领域是机器工具，机器人，自动装配系统，物流系统，柔性制造单元和大量的其它的系统。近年来，随着PLC的CPU处理能力的提高，早已不局限于开关的的控制，也具备常规的PID控制的功能，PLC开始进入原来只有DCS才能进行的以模拟控制为主的连续流程领域。集散控制系统DCS 2152人阅读 | 0条评论 发布于：2008-3-7 16:57:00-史博士制造业自动化技术系列讲座之三 DCS，英文为Distributed Cont

19、rol System，直译应该是分布式控制系统，我国的习惯叫法是集散控制系统，诞生于1975年。这种叫法是相对于集中式控制系统而言的，在60年代，当计算机刚刚诞生时，有人试图用计算机对整个工厂设备进行控制，这时的控制系统称为集中式控制系统,由于这种系统一旦失败就有可能威胁到整个系统，因此，后来将设计修改为分散型的机构，即一个系统包括多个计算机，每个计算机系统只包含8个或稍多一些的回路控制器，这种系统被称为分布式控制系统。第一套DCS是美国HONEYWELL公司制造出来的，当时叫TDC2000系统，一推出市场就十分受欢迎，当时主要应用在石油和石化工业，后来在所有的连续流程的制造业都获得了广泛的应

20、用。 在采用DCS之前，工厂如果要了解设备和生产过程的现状，只能采用盘装常规仪表控制系统，所有的二次仪表（用来显示的）和控制仪表都安装在一排一排的机柜上，上面大多数是指针式或数字式的显示仪表，或者各类的XY记录仪，一排一排的红黄蓝各种颜色的用于报警指示灯，各种大大小小的按钮、旋钮以及手操器的指示面板和操作手柄。 在石油、化工、钢铁、电力等行业，DCS之所以能够垄断二十年之久，它的主要优势是与常规仪表控制相比，具有可靠、可组态编程、具有流程图画面，并具有数据记录、存储、报表打印等功能，完全切合了工厂的实际应用和需求。 DCS通常适用于规模较大的控制系统，由三级系统构成，分别是现场控制站、操作站和

21、工程师站。最底层是现场控制站，通常由放在一个大型机柜内的模块组成，每个机柜内的模块与PLC的结构类似，有CPU模块、电源模块、通讯模块和I/O模块和存储模件，这些模件均插在一个通讯底板上，一个CPU往往可以带多个底板。通常，CPU、通讯、电源模块具有冗余热备份功能，平时一个是主模块，一个是从模块，当主模块故障时，从模块自动充当主模块的功能，数据从原来的主模块自动无扰动地切换到从模块中来。坏了的主模块可以带电拔掉，换上好的模块再插回原处，该模块又自动工作在从模块的状态。冗余热备是DCS的主要特点。另外，I/O模块通常比实际的I/O点要多配一些，防止一旦增加要重新采购，或者底板的插槽不够。除了冗余

22、功能外，DCS的CPU模块内部通常有许多固化的程序，包括PID、各类函数发生器、阀门控制和电机控制等功能。 尽管DCS的分布式控制的原意是将控制器分布在工厂的各处，但由于种种原因，实际的DCS的安装并非如此。除了远程工作站外，通常整个DCS系统都是集中在一个控制室内，将所有的仪表和执行机构的电线电缆全部汇集到这里，只不过它的控制站的设计是按装置分开的。 现场控制站的上面一层是操作站，负责DCS的人机界面功能。通常，操作站通过内部总线与控制站进行通讯。操作站也可以冗余备份。操作站内部运行有DCS的组态软件，该软件的通常有组态编程和运行两种状态。在组态编程时，该软件是一种填空式的组态方式，用户不必

23、编写任何程序语言，只需将有关功能按规则填写在组态画面的空格上即可，组态软件还有画图功能，可以在电脑上画出工厂的流程图。这种组态方式和作图功能也是DCS在八十年代到九十年代大受工厂欢迎的原因之一。在运行状态，组态软件可以有数据采集、数据处理、PID运算、逻辑连锁运算、画面显示，数据存储、报警、报表等功能。操作站通常采用功能键盘，将工厂的许多标准功能直接以一个功能键体现出来，便于操作。还有一部分功能键可以由用户自定义。与集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。 工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网

24、络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。另外，工程师站可以供工程师用来对PID控制回路的参数进行调节和设定或者运行优化软件时用。它可以具备操作站的功能，但不需要那么高的可靠性，通常可以用普通的计算机代替。只是软件是由DCS厂商提供的编程软件或优化软件。 控制站与操作站以及工程师站的连接是通过DCS的骨架系统网络进行连接的。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各

25、厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。 系统网络还必须非常可靠，为了保证无论在任何情况下，网络通信都不能中断，多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用

26、的节点数量大若干倍。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。 进入九十年代以后，计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。DCS虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是经过不断的发展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。主要体现在硬件种类的增加，控制性能的提高，和软件运算功能、控制算法、图形界面和通讯功能的提高方面。有人预计，随着计算机的功能提高和可

27、靠性的提高，DCS有可能又变成一个集中式的控制系统，即由一台功能强大的服务器式的电脑配以可靠的软件再加上冗余功能，就可以完成整个DCS系统的功能。也有人提出了刚好相反的发展方向，就是采用我在下一讲要介绍的现场总线仪表，所有的功能分散到全厂各处，上面仅仅保留一个人机界面而已。 总的说来，DCS在九十年代末期后，受到PLC、现场总线、以及PC-BASED控制系统的冲击比较大，表现在其年增长率只有6%左右，而同期，PLC却保持着12%的年复合增长率；但DCS在传统的流程工业领域中（化工、电力、石化等）仍然牢牢地占据着领先地位。SCADA系统 1992人阅读 | 2条评论 发布于：2008-3-16

28、16:35:00-史博士制造业自动化技术系列讲座之四SCADA的由来 SCADA系统，对于熟悉这个系统的人来说就是SCADA系统，对于不熟悉的人员来说，很难找英文原意给它一个确切的译名。 SCADA的原文是：Supervisory Control And Data Acquisition. ，直译是数据采集与监控系统。中文与它的意义比较接近的词是遥控遥测系统，过去有“三遥”（遥测、遥信、遥控）和“四遥”（前三遥加上遥调）的说法，这是首先在电力系统采用的叫法；遥测指远程模拟量输入采集，遥信指远程开关量输入采集，遥控指远程开关量控制、遥调指远程模拟量输出控制。 其实，SCADA在国外首先也是在电力

29、系统先使用的，指对远程设备的监控。我国电力系统的“远动”系统也是SCADA的一种。现在，SCADA系统已经在油田、水井、燃气、油气和供水管网、以及大型厂区和库区的监控中获得广泛的应用。SCADA的结构 SCADA系统的结构很简单，就是分为中心站和远程站。中心站通常设在控制中心，中心站通常有计算机、监视器、人机界面软件、控制软件和通讯模件组成，控制人员可以在中心站的操作站上观看远程的数据和图形信息，也可以向这些远程站发送指令。大多数情况下，对远程站的控制程序都设在远程站本地，而中心站只是监视数据。中心站具有类似DCS操作站的功能，可进行数据监视、数据记录、历史记录、报警、事件打印和定时打印、流程

30、图刷新等各类功能。此外，中心站的通讯模件负责与远程站的通讯和数据采集。 SCADA系统的远程站有一个专用的术语，叫RTU（Remote Terminal Unit），中文是远程终端单元。这个术语最早也是从电力系统上叫出来的。RTU的结构与PLC十分类似，通常在一个机柜内，有电源、通讯、CPU和各类I/O器件，CPU内部有固化软件可以进行数据采集和控制，并通过通讯模件与中心站进行通讯，可以进行程序的下载和上载。事实上，有许多PLC就直接被用来当作RTU使用。RTU与PLC的区别 RTU与PLC相比，在硬件结构上比较特别的是，它由于多数是在野外无人值守的地方工作，因此，机柜要适合全天候的气象条件，

31、比如防止日晒、雨淋、风沙等，对温度的要求要比普通PLC要高，有时要求在零下四十到零上八十摄氏度的温度下都能正常工作，有的地方（如盐湖、海边以及海岛上）还有防盐雾的要求。如果是安装在石油或天然气管道上的RTU，根据现场的环境还有可能要求防爆。 SCADA系统与PLC系统最重要的区别是它的通讯系统。由于SCADA主要是被用来进行远程监控的，因此，它的通讯系统就要适合远程的通讯。与DCS和PLC不同，这些系统可以完全根据系统自身的需要来进行通讯硬件的设计和施工布线，而SCADA系统由于牵涉到远程通信，其站与站间的通信距离通常是几十公里甚至几百公里，通常没有可能为了一个SCADA系统来铺设数百公里的电

32、缆或光缆，除了成本的不允许以外，如果是在城市区域，考虑到施工的难度，更加没有可能了。RTU的通讯方式 因此，SCADA的通讯系统通常有三种方式，一种是租用公用有线通讯线路；最简单的是租用专线或普通电话线，通过MODEM来进行拨号方式的远程通讯。这是比较早期使用的一种方式，由于拨号的速度较慢，通常适用于站数不多或数据传输速度要求不高的情况下。另外，如果租用专线，则月租费非常昂贵。但对于一些大型厂矿企业，有自建的通讯网络和线路，则采用这种方式是比较方便的。 SCADA的第二种通信方式是利用无线通讯，可以采用射频的电台或者微波扩频电台。射频电台可以实现一点对多点的通讯，但距离不能太远，在野外空旷的区

33、域，通常在20KM以内。如果在城市区域，因无线电管制的原因往往受到限制。而微波扩频电台则可以达到很远的距离（最远可以到六十公里甚至更远），但只能是点对点的通讯，通常是适用于将数个远程站采用本地网络（串口或以太网）连在一起，然后通过一个微波通讯模块与总站进行点对点的通讯。微波扩频可以不受无线电频率管制，但成本较高。这两种无线方式由于用户的自主性高，且一次投资后不须每月再缴纳月租费，因此，获得较广泛的应用，是目前为止SCADA系统采取的主要方式之一。 SCADA的第三种通讯方式是利用公共的无线移动网络。目前，GSM、CDMA的移动网络覆盖面越来越广，而且除了话音通信外，这些移动通讯运营商还大量提供

34、短信息、彩信服务，近期还推出了GPRS的无线联网服务。目前，相关的硬件也已经推出，用户只要采购一个卡件，通过串口、以太网口或USB口将RTU与该卡件相连，就可以通过GSM网络或CDMA网络来进行数据通讯。如果RTU传递的数据量不大的话，可以用短信的方式，每次才几分钱的成本，而且无须拨号，上位站通过一个服务器和同样的通讯卡件来接收信息，非常方便而且低廉。而且公共的无线通讯网络的可靠性也是非常高的。如果下面的RTU站有图象或视频信息，则可以通过GPRS的卡件，直接将信息上传到上位机的服务器中，实现高速信息传递。这种方式，将会是今后SCADA系统的主要的通讯方式。 除了上述三种方式外，SCADA系统

35、也有采用自己架设电缆或光缆的传输方式，这种情况通常用在距离不算太远的地方，通讯方式与PLC的方式类似；另外还有采用电力线传输，但应用较少。 SCADA的通讯网络有可能是多级网络，这样，在中心站和RTU之间还有一些中继站，这些中继站主要任务是对下辖各RTU和中心RTU的信息进行中继传输，但有时可能本地也有一些与RTU相似的监控任务或者有需要监控的设备。比如，在油田，中心站通常设在采油厂，各井口设有RTU，而中继站就可以设在计量站，计量站的中继RTU除了要将井口的RTU信号上传到中心站外，还要对本地的三相计量分离器进行控制。SCADA系统的应用 SCADA系统通过对远端的数据采集，可以了解到有关的

36、工艺实时数据，比如在油田，对于分析油井工艺情况，了解井口的参数以便于油井增产；对管网，可以了解远端的加压站、泵站或调压站，可以了解油气水的输送质量和安全隐患，而对电力SCADA，就对保障电力运行和设备的安全都有重要的保证作用。 除了在油田、油气水管网、输配电等传统能源工业外，SCADA系统还将越来越广泛地应用在城市供水、排水、燃气输配、城市轨道交通、城市道路安全交通、环保设施、物流系统以及林业监测和大型厂区和库区的监测系统中。现在工厂里很时兴的MES系统和EMS的能源和物料监测系统，都要用到SCADA的技术，才能在整个企业内部建立起来的一个全厂监控网络。 -史博士数控系统-制造业自动化技术系列

37、讲座之五 1828人阅读 | 3条评论 发布于：2008-4-2 16:49:00在离散制造业中，有一些在连续流程工业中较少使用的自动化技术。这些技术包括：数字控制技术(NC)和DNC，工业机器人、AGV等。从本篇开始，下面介绍几种常用的技术。这些技术在连续流程工业的设备中也有使用，只不过因为是在设备内部，因此通常不被人注意而已。数控技术与DNC的进展离散制造业中一个最基本的概念是数字控制技术（NC）。它指采用预先设计和写好的指令来控制机器、工具或其它制造设备的操作。数控机器必须有一个解码系统，来接收或翻译编程的指令。数控技术是20世纪50年代，在美国麻省理工学院诞生的。最早的数控设备采用打了

38、孔的纸带来存储数据，后来采用磁带，然后用计算机来进行数字控制，这是称为直接数字控制（DNC）。后来发展为在每台数控设备上采用微处理器或可编程控制器来进行控制，而程序可以在另外的机器上编号后下载到这些控制器中，这时的数控技术就是CNC技术。CNC解决了DNC的编程时停机问题，但它也产生了数据管理的问题，那就是，当你有多台同样的机器时，在电脑中编好的程序要下载到这些机器中，但这些机器通常没有通信联络。对这个问题的解决就导致了分布式数字控制技术的诞生。分布式数字控制技术，英文缩写也是DNC（而且，自从这种技术诞生后，DNC就很少再表示直接数字控制这个过时的技术了）。在DNC系统中，依然有一个主计算机

39、和下面的PLC或微处理控制器，DNC在主计算机与PLC之间建立了一个数据通讯方式，通过网络可以将程序直接下载到设备上的PLC控制器中，也可以实现多台数控设备的PLC之间的互动。NC一台数控设备通常由设备的机械部分、机器控制单元（MCU）、通信接口、和备件四个部分组成。通信接口是MCU与执行机构的接口，执行机构接收从MCU来的电信号，产生设备操作所需的机械动作。简单的数控机械是开环控制，就是MCU将指令传给执行机构后，对指令的执行情况不再进行反馈。而更多的复杂一些的数控机械都采用闭环控制，一个闭环的执行器可以接收指令，并将操作指令的执行情况反馈回给MCU，MCU可以根据执行情况予以校正。数控技术

40、原理是建立在空间坐标系的点的相对位置之间的关系。直角坐标和极坐标都有可能用到。以平面直角坐标系为例，通常，定义点的位置有两种模式，一种是绝对坐标模式，就是给出该点相对于坐标原点的坐标。另一种是增量位置模式，就是给出新的一点与上一点的相对变化。绝对模式通常比较容易给人总体的逻辑概念，但是需要将所有的图纸事先画好后，编程的工作才能相对简单一些。而增量模式适用于定位的工作，尤其是一些复杂线路和多轴系统，用绝对坐标表达可能很麻烦，而用增量模式可以使表达式很简单。通常，除了主坐标系外，还可以在其中再定义子坐标系。当程序既包含绝对坐标模式，又包含增量位置模式的时候，往往采用子坐标系可以使程序变得更加灵活。

41、在直角坐标系中，主坐标系的坐标轴通常用（X，Y，Z）来表示，而子坐标系的坐标轴用（U，V，W）来表示。根据美国电子工业协会（EIA）的RS-267A标准，数控机械的运动控制可以按轴的数量来区分，可以分为两轴、三轴、四轴、五轴系统。注意，这里的几轴是代表有联动关系的轴的数量，如果是没有关联的轴的数量，比如一台六个工作头的机器，每个工作头都有三个轴，则整个机器虽然有六个工作头共18个轴，但也只能称为3轴系统，这种叫做坐标集系统。两轴系统是最简单也是使用最广泛的数控系统，常见的车床和钻床（上下方向是手动的）就是两轴系统，控制程序只设计X和Y坐标。三轴系统的机械包括磨床、钻孔机械等是三轴联动机械的例子

42、，其编程涉及X、Y、Z坐标。四轴联动机械除了控制X、Y、Z三个方向外，机器的工作台还可以根据命令按一定的速率进行旋转运动；这里也要区分坐标集系统和数控的分别。五轴联动的机械由于机器的工作头可以按照可控的速率旋转，因而可以用来进行形状复杂的表面加工，也可以对表面进行垂直加工。这种机器的例子之一是采用倾斜头的外型轮廓磨床。数控机械通常G代码编程，可以手工编程，也可以用电脑编写程序。程序通常是由用“N”、“M”、“G”等开头，后面跟两位或三位数字的指令构成。编程时需要注意原点、设定点和程序准备工作。编程时，除了要注意保证能够生产出合适的产品外，还要注意减少工件在工作台上的所需要的整体时间，消除无用的

43、和不必要的工具和刀具的运动，并减少机器的准备时间。一个好的数控机械需要丰富的经验和技巧。数控技术虽然很好，但由于设备都比较昂贵，因此，在考虑是否应该考虑用数控加工设备来代替人工加工之前，通常要进行如下五个步骤的考虑：首先，要考虑为什么要进行从手工到数控设备的转变？通常的回答是提高精度、提高速度，保证产品的质量稳定性。不用数控设备，这些都无法得到保证。但是，即使用人工可以应付了产量和质量的问题，还有一个很重要的动机，就是，你的竞争对手已经全部采用了数控设备，而惟独你没有。那么，你就很难拿到客户的定单。第二个要考虑的问题就是，转变的目标是什么？通常的回答是提高整体的生产率，减少废品率，减少直接劳动

44、成本。第三，就要考虑可以采取的几种实施途径，比如是全部设备数控化，还是部分设备改为数控？有些设备改为数控可以大大提高效率，但有些设备很难实现数控，或者根本就不适合用数控的方式，所以要根据具体情况进行具体分析。第四，还要考虑是全部购买新的数控设备还是对老设备进行数控改造，每种方法的实施方案都要列出来。列出各种方案后，要对方案进行评估，对每一种方案要进行详细的实施成本和收益的比较。要考虑直接劳动成本，间接劳动成本，工具和夹具的成本，检测成本，维修成本，启动资本费用，间接成本，每种选择方案的风险，在对各种方案的上述因素通盘考虑之后，才能得出一个明显的结果。第五，还要考虑现有人员是否能够适应对数控机械

45、的转变，培训的可能性，对各种方案的态度是什么？等等。通常，不论企业的大小，在实施数控后，都会产生正反两方面的效果。正面的效果有：直接劳动成本的降低，工具和夹具的节省，耗材的降低，库存的降低，工具调整时间的减少，检测成本的降低，维修成本的降低，产品质量的一致性提高，关于产品制造工艺的永久保存，等等。负面的效果可能有：设备投资较大，旧设备的淘汰，编程成本提高，培训成本增加，人员的抵制心理，每个操作工时的耗材的增加，等等。CNCCNC是1970年诞生的，它用计算机完成了原来数控机械中的MCU的功能。它使数控机械不再需要用磁带来作为程序输入的载体。CNC分为三个部分，输入元件，控制元件，输出元件。输入

46、元件主要负责接收从操作员来的或是从机器通讯接口来的信号；控制元件负责机械的控制部分，包括NC程序的存储，算法和逻辑运算，以及输入和输出部分的通讯，输出部分将控制元件的指令输出到执行机构上，进行动作。所有的操作都是闭环控制的，因此整个动作都在连续的监控之下。CNC的好处首先是可以对程序进行编辑工作，因为很少人能够一次就写出满意的程序，即使是经验丰富的程序员也需要进行修改和改进，而且CNC还可以使工程师根据加工的情况来修改程序，改进加工质量；此外，CNC可以对工具和刀具的漂移进行补偿，并且可以加工出更光滑的弧线；还可以设定参数，使得只需一次编程，然后对其中的参数进行改动就可以对形状相似但不同的零件

47、进行加工；另外，还可以进行子程序和程序诊断。CNC的操作员界面目前大多采用两种方式，一种是采用显示屏加薄膜功能键，另一种是采用触摸屏。前者价格较便宜，但功能键一旦确定就不能更改，触摸屏可以根据不同的工艺在画面上任意设置不同的功能键，因此灵活性很好，但价格较贵。随着触摸屏的价格的下降，触摸屏人机界面将越来越广泛。DNC系统简介根据美国电子工业协会（EIA）的定义，DNC是一个按要求向各台机床分配数据，并将一组NC机床与存储零件程序和机床程序的公用存储器连接起来的系统。DNC属于自动化制造系统的一种模式，其最主要的的组成部分是过程计算机、大容量存储器（用于存储NC加工程序）、I/O接口、通信接口、

48、机床控制器和支撑软件等。与单台数控比，DNC增加了控制功能，改善了管理，更强调信息与控制功能的集成，一般可以控制10-60台机床，可大量介入人机交互，把车间内的各个数控机床通过调度和运转控制连接在一起，可以使用户掌握整个系统的加工状况，便于实现加工物件的传送，适应于大规模的机床加工过程中信息传递（信息流）的自动化。典型的DNC系统结构通过使用微机的多任务软件服务器，利用RS-232串行通信口连接机床的NC或CNC系统，达到构造DNC系统的目的。也有采用4-20mA电流环或者RS422以及RS485来进行通信的。典型的DNC系统的结构和其它系统的关系如图所示。 图DNC系统典型结构DNC系统在将

49、来很长一段时间将是加工业的基础，90%以上的企业都可以是它的使用者，由于CAD、CAM以及CNC/NC机床已具有相当的水平和规模 。工业机器人-制造业自动化技术系列讲座之六 1979人阅读 | 4条评论 发布于：2008-4-8 21:09:00 机器人的含义很广，有许多种不同的定义。根据美国机器人协会的定义，“机器人是一种可以再编程的多功能的操作机构，通过预先编程设定的动作用来移动物体、零件、工具或特别器件，以及完成各类不同的任务。” 请注意该定义中的“可再编程”和“多功能”这两个词，它们将机器人同大量的单一目的自动机械区分开来，可再编程意味着两件事：第一，机器人根据所编的程序工作，第二，程

50、序可以重写，因此机器人可以做许多种不同的工作。 机器人是基于数控技术和遥控技术才发展起来的，1959年第一台商业机器人诞生，1962年，第一个工业机器人在通用汽车公司投入使用，1973辛辛那提MILACRON公司的T-3机器人是第一台由计算机控制的机器人。二十世纪七十年代，由于通货膨胀导致的工资暴涨，包括机器人和工业自动化在内的制造技术首先在日本的汽车制造行业兴起，使日本得以用较低的成本生产出了更好的汽车。随后，为了制造业的生存，美国的制造商们也不得不考虑采取这项技术以提高生产率。到2000年，美国已经有超过十万个机器人在各类工厂工作。工业机器人原理 工业机器人主要有四个部分组成：控制器，机器

51、手臂，末端受动器，和动力部分。这四个部分，再加上从事工作任务的工具，叫做机器人工作单元。 机器人的控制器可以说是一个特殊用途的计算机，而且在可靠性方面进行了加固。机器人的输入输出器件包括教学站，显示终端，控制面板和永久存储器件。这些设备可以使人将程序写入到机器人中，并向机器人下达指令。 机器臂是人们较熟悉的机器人的一部分。它从事机器人的主要动作。根据他们的运动类型，机器手也分为矩形、柱形和球形的。 末端受动器有时简称机器手，是用来抓取工具和材料的。有抓取器、保持器和其它特殊工具。抓取器是最常见的机器手，有标准、真空、磁性、气压等几种，标准的通常是两个手指，像一个机械爪的形状。特殊的机器手通常不

52、是用来抓取的，而是完成一些特殊的任务，如切割、焊接、钻孔和打磨等。通常，末端受动器都是根据用途专门设计的，设计较好的末端受动器也可以从事多种任务。 机器人的动力源有三种，电力，液压和气动的。控制器是电动的，但机器手臂和机器手却常常气动或液压的。机器人要有相关的动力源进行驱动。 机器人的分类也比较复杂，可以根据机器手臂的运动几何来分，也可以根据动力源来分，也可根据应用场合或控制原理来粉，还有根据路径和智能程度来区分的。如果根据控制系统来分的话，可以分为伺服控制和非伺服控制两种，伺服就是闭环控制，采用伺服控制器和放大器来连续监测机器人工具的运动位置、方向、速度以保证工具沿着预定的方向运动，伺服系统

53、通常在路径控制要求比较严格的场合下使用，由于其反馈能力，可以完成十分复杂和更多种类的制造任务。 从应用场合来看，机器人可以从事焊接、码垛、堆叠、卸货、物料存取、钻孔、研磨、修边、喷漆、涂胶以及所有的非装配型工作，这些工作通常比较繁重，多采用液压和气动方式；另外，还有一些装配型的工作如焊接、压封、铆接，等等，这些工作负荷通常较小，采用电动方式较多。机器人编程与控制 到目前为止，机器人编程语言还没有一定的标准，各厂家用各自的语言。目前正在进行标准化，编程语言分为：关节控制语言、原始运动语言、结构语言、和基于任务的语言。前两种是低级语言，后两种是高级语言。通常，关节控制语言用于有旋臂的场合，针对旋转

54、轴来进行位置和运动控制，原始运动语言则按照一定地点形成的轨迹逐点运动，每个运动执行一个程序。 高级的机器人带有感觉系统，包括触觉、视觉等，通常是通过接触传感器，简单如限位开关，复杂的有人造皮肤等，非接触感觉有接近开关和光传感器，另外，还有视觉传感器，通常采用摄像技术和图象识别技术来给控制系统提供外界信号供控制用。 由于许多机器人是被设计在危险的场合从事危险的工作的，因此，它们自己常常处在危险之中，这时，机器人除了需要对外界传感来指挥自己的工作外，机器人还需要有能力感知外界的危险，以便在有危险的环境下停止工作。AGV技术-制造业自动化系列讲座之七 2168人阅读 | 1条评论 发布于：2008-

55、4-16 20:28:00AGV，又叫自动导引车，从早期的有轨导引车发展热来，最早出现与20世纪70年代。目前，在企业的物流系统和离散制造的装配系统中已经起着非常重要的作用。而且在今后，将成为工厂物流处理的主要设备。AGV的定义AGV的定义是：按照规定将物料从一个地点运输到另一个地点的无人驾驶的有计算机控制的运输工具。由于AGV可以通过电脑编程，可以方便地按不同的路线行走，将比通常的物流系统更加灵活，而且AGV的将大大节约在物料处理方面的人手，减少人工的误差，降低人力成本。AGC可以与现有的生产和仓库设备灵活配合，而且可以在一些恶劣和特种环境下工作，也可以处理危险品货物或贵重物品。AGV小车最

56、重要的特性是灵活性和兼容性，这些特点使它非常符合制造业发展的趋势。AGV的种类由于物料的多种多样，没有哪一种AGV的设计可以满足所有的要求。根据目前常见的情况，AGV小车可以六种类型：1）牵引车。是用途最广的一种AGV，主要用于量大和较重的货物，而且是从仓库到沿途多个地点且路径较长的情形。通常采用拖车形式。目前，有的牵引AGV可以拖动近25吨的货物。2）单载车。与牵引车相反，单载车没有拖车，自身可以载重，通常只是将货物从一点送到另一点，路径较短。每次运载一个货架，载重较小，适于空间较小且运动受限的情形，特别是仓库与送货点之间。3）货架车。货架车与其它的AGV都不同，因为它可以手动操作，适用于送

57、货点到物料处理地点。由于可以手动操作，在处理物料时比较灵活。4）叉车。叉车型的AGV，可以将货物升到高处或从高架上将货物取下，并沿导引路径行驶。5）轻载车。是单载车的小型车。通常用于货物重量在100公斤以下的货物，适用于电子厂内将电子元器件从库区运送到生产线上。6）装配线车。用于装配线上工件的沿途运送。最常见的是汽车装配线，用于将引擎、变速箱、车门、和其它相关的配件和总成送到装配线上合适的地点。AGV的导引原理AGV的导引方式是一门不断发展的技术。目前，大部分是采用光学加电脑导引技术。下一步的方式将是自行导引，这也是AGV的最高级的导引方式。AGV的转向方式有两种，一种是采用差速转向控制，目前

58、军用坦克就是采用这种方式。它是将一边的轮子的速度比另一边的速度快，这样产生了转向效果；车前方两测装有传感器，探测转向信号，车辆上的幅度探测器对根据两边的信号大小来决定转向幅度。另一种转向方式是方向盘转向方式，这种方式的车通常只有一个前轮，沿着铺设的导向条的路径前进。当探测到相位差时，车辆就产生转向动作来补偿这个差值。这种车通常用在装配线车、牵引车、单载车、货架车以及叉车和轻载车。而差速转向装置只能用在装配线车、单载车、叉车和轻载车上，不同用于牵引车和可以手动的车辆，如货架车。AGV系统管理在一个制造企业中，如果决定采用AGV作为自动物料存取的一种手段，就需要对该系统进行管理。通常，该管理系统包

59、括三个方面的关键内容：交通控制；车辆调度；和系统监测。下面对这三种管理予以说明。交通控制交通控制有三种方式：一种是分区控制，一种上前向传感控制，一种是混合控制。分区控制是最广泛使用的一种AGV交通控制方式，它将厂区内的导引路径分为不同的区域，在每个区域，同一时间只能有一辆AGV车。这种控制系统可以用于直线路径、曲线路径和复合路径。前向传感控制只能用于直线路径，每辆AGV车在前部装有一个传感器，探测与前车的距离，如果太近就减速，超过一定距离就开始行驶。这种方式可以使AGV车队的车与车之间的距离很短，将比分区控制的车辆密度大很多。有时，会将前面两种交通控制方式同时使用，这就是第三种交通控制方式-复

60、合控制。比如，在直线路径，采用前向传感控制，而在转弯或交叉处，采用分区控制。车辆调度由于AGV小车是无人驾驶的，因此必须有一个车辆调度系统。一共有五种方式：1、车载调度2、车外调度3、远程终点4、中央终点5、复合调度其中，最广泛应用的是车载调度。这种方式中，每辆车有一个控制面板，操作员可以用这个控制面板编程，确定每辆车停在路径的什么位置，由于在每个停止位车辆的动作可能不一样，控制面板也可以对车辆停下来之后的动作进行编程。因此，车载编程是比较灵活的调度方式。当从小车上向停止位置上卸货是自动进行的时候，用离车调度就比较有效。离车调度系统有简单也有复杂的。最简单的系统，只是一个的按钮，按下按钮代表到

61、另外一个位置，操作员只要在要停的按钮上按一下就可以了。复杂的系统可能有一个面板，操作员可以定义小车到了下一个点后，然后还可以去哪里。以上两种方式都是外围控制。现在的趋势有向中央控制的方向发展。设立一个终点站，所有的AGV从这里控制，操作员有一个全部的AGV车辆的位置图，并且可以指挥所有的车辆到预定地点。这时，因为是由操作员控制车辆的调度，因此称为手动中央控制。如果中央控制系统由计算机来进行，就叫做中央计算机控制，这是AGV系统的最高级的车辆调度方式。在这种方式中，AGV车按照计算机的程序沿导引路径行驶并做适当的停止，同时在停止时按照事先的编程完成预定的动作。一旦程序给定，就不需要人员的介入，操作员无需坐在显示器前观察车辆。这种方式今后将会越来越普及。上述几种方式也可以复合使用。AGV系统监控用AGV车辆作为主要物流系统的缺点之一是，如果一辆小车故障，可能整个系统就会有问题。因此，必须对AGV车辆进行严密监控。理想的监控系统应当向监控人员提供下列信息：系统内每辆车的实时位置，故障车辆或不动作的车辆位置，车辆的运动状况，车辆在每个站点的时间和站间路