【行业】工业自动化

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本文结合行业动态的实战经验，系统梳理了关键技术点，供大家参考学习。

　　工业自动化

　　一门综合性技术

　　工业自动化是以自动控制、仪器仪表和计算机技术为基础，通过机器设备自主完成检测、控制及优化的综合性技术体系，包含工业自动化软件、硬件及系统三大部分。其发展阶段分为半自动化（部分人工操作）和全自动化（完全无人干预），核心目标是提升生产效率与产品质量。技术涵盖机械、微电子、计算机及机器视觉等领域，广泛应用于机械制造、电力系统、建筑工程、汽车及电子等行业。

　　[1-2]

　　该技术发展历经三个阶段：20世纪40-60年代为单机数控机床主导的初级阶段；60-70年代出现组合机床自动生产线及CAD/CAM技术应用；70年代中期后形成集成化系统，涌现计算机集成制造（CIM）和柔性制造系统（FMS）。德国通过嵌入式系统推动工业4.0发展，相关市场规模在2020年达到400亿欧元。现代工业自动化系统整合工业以太网、可编程逻辑控制器（PLC）及工业互联网平台，实现设备互联与智能决策，并在离散制造、流程工业等领域构建"感知-决策-执行"的闭环控制体系。

　　[8-10]

　　工业自动化

　　Industrial Automation

　　包    括

　　工业自动化

　　目    的

　　提高质量、降低消耗

　　作    用

　　提高生产效率

　　设备技术及制作

　　仓库自动化

　　工业自动化

　　40年代--60年代初

　　需求动力：市场竞争，

　　，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机床。

　　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。

　　70年代中期--现代

　　工业自动化

　　需求动力：

　　的变化，使多品种、中小批量生产中

　　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

　　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

　　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

　　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：

　　、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

　　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）。

　　设备技术及制作

　　的发展，人民

　　的提高，电能的需要也在不断地增加，发电设备也相应增多，

　　和运行方式也越来越复杂，人们对

　　的要求也越来越高。为了保证用户的

　　，必须对电网进行管理和控制。

　　电力系统运行

　　管理和调度的任务很复杂，但简单说来，就是：

　　①、尽量维持

　　的正常运行，安全是电力系统的头等大事，系统一旦发生事故，其危害是难以估计的，因此，努力维持电力系统的正常运行是首要任务；

　　工业自动化

　　②、为用户提供高质量的电能，反映电能质量的三个参数就是电压、频率和波形。这三个参数必须在规定范围内，才能保证电能的质量。稳定电压的关键是调节系统中无功功率的平衡，频率的变化，是整个系统

　　的平衡问题，波形是由发电机决定的；

　　③、保证电力系统运行的

　　电力系统是一个分布面广、设备量大、信息参数多的系统，发电厂发出电能供给用户，必须经几级变压器变压才能传输。各级电压通过

　　向用户供电，电压从低到高，再从高到低，以利于能量的传送。电压的变换，形成不同的电压级别，形成一个个不同电压级别的变电站，变电站之间是输电线，因而形成了复杂的

　　。电网调度正是按照电网的这种拓扑结构进行管理和调度的。

　　一般情况下，电网按电压级别设置

　　，电压级别越高，调度中心的级别也越高。整个系统是一个宝塔型的

　　可以简化网络的拓扑结构，使信息的传送变得更加合理，从而大大节省

　　，并提高了系统运行的稳定性。按中国的情况，

　　电力系统调度

　　分为国家调度中心，大区网局级调度

　　，省级调度控制中心，地区调度控制中心，

　　县级调度中心

　　和调度其下一层调度中心。

　　调度自动化

　　是一个总称，由于各级调度中心的任务不同，调度自动化系统的规模也不同，但无论哪一级调度自动化系统，都具有一种最基本的功能，就是

　　系统，又称

　　SCADA系统

　　功能（Supervisory Control And Data Acquisition）。

　　SCADA

　　主要包括以下一些功能：

　　；⑶监视控制； ⑷报警处理；⑸

　　及报告 ⑹

　　事件顺序记录

　　；⑺数据计算； ⑻具有

　　（远端终端单元）处理功能；⑼事件追忆功能。

　　自动发电控制

　　功能AGC：AGC系统主要要求达到对发电机发电多少不是由电厂

　　，而是由电厂上级的调度中心根据

　　的原则来进行控制。

　　经济调度控制

　　功能EDC（Economic Dispatch Control）：EDC的目的是控制电力系统中各发电机的出力分配，使

　　成本最小，EDC常包含在AGC中。

　　功能SA（Security Analyze）：SA功能是电网调度为了做到“防患于未然”而配备的功能。它通过计算机对当前电网

　　的分析，估计出可能出现的故障，预先采取措施，避免事故发生。如果

　　电网调度自动化系统

　　具有了SCADA+AGC/EDC+SA功能，就称为能量管理系统EMS（Energy Management System）。数字

　　光纤通信技术

　　的提高，使得电网调度自动化也进入了网络化，如今电网调度中的

　　计算机配置

　　大多采用了开发

　　分布式计算机系统

　　。随着中国国民经济的发展，中国也进入了大电网、大机组、

　　超高压输电

　　的时代。完全可以相信，随着中国新建电网自动化系统的发展，

　　自动化水平

　　会进一步地提高，达到世界先进水平。

　　柔性制造技术

　　（FMS）是对各种不同形状加工对象实现程序化

　　加工的各种技术的总和。柔性制造技术是

　　技术密集型

　　的技术群，凡是侧重于柔性，适应于多品种、中小批量（包括单件产品）的加工技术都属于柔性制造技术。

　　柔性可以表述为两个方面。第一方面是系统适应外部

　　的能力，可用系统满足新产品要求的程度来衡量；第二方面是系统适应内部变化的能力，可用在有干扰（如机器出现故障）情况下，这时系统的

　　与无干扰情况下的生产率

　　之比可以用来衡量柔性。“

　　柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”

　　自动化生产线

　　主要实现单一品种的

　　大批量生产

　　。其优点是生产率很高，由于设备是固定的，所以

　　设备利用率

　　也很高，单件产品的成本低。但价格相当昂贵，且只能加工一个或几个相类似的零件。如果想要获得其他品种的产品，则必须对其结构进行大调整，重新配置系统内各要素，其工作量和经费投入与构造一个新的生产线往往不相上下。刚性的大批量制造自动化生产线只适合生产少数几个品种的产品，难以应付多品种中小批量的生产。随着社会进步和生活水平的提高，市场更加需要具有特色、符合顾客个人要求样式和功能千差万别的产品。激烈的

　　迫使传统的大规模

　　发生改变，要求对传统的零部件

　　加以改进。传统的

　　不能满足市场对多品种小批量产品的需求，这就使系统的柔性对系统的生存越来越重要。随着批量生产时代正逐渐被适应

　　变化的生产所替换，一个制造自动化系统的生存能力和

　　在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内，生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。柔性已占有相当重要的位置。

　　当要求生产一系列不同类型的产品时，机器随产品变化而加工不同零件的难易程度。

　　●工艺柔性 一是

　　不变时自身适应产品或原材料变化的能力；二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。

　　一是产品更新或完全转向后，系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力；二是产品更新后，对老产品有用特性的

　　和兼容能力。

　　●维护柔性 采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。

　　生产能力柔性

　　当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。对于根据订货而组织生产的制造系统，这一点尤为重要。

　　●扩展柔性 当生产需要的时候，可以很容易地扩展

　　，增加模块，构成一个更大系统的能力。

　　●运行柔性 利用不同的机器、材料、

　　来生产一系列产品的能力和同样的产品，换用不同工序加工的能力。

　　柔性制造系统

　　是有一个由计算机集成管理和控制的、用于高效率地制造中小批量多品种零部件的自动化制造系统。它具有：

　　●多个标准的制造单元，具有自动上下料功能的

　　●一套物料存储

　　，可以在机床的

　　工位之间运送工件和刀具；FMS是一套可编程的制造系统，含有自动物料

　　，能在计算机的支持下实现

　　和物流集成，它

　　●可同时加工具有相似形体特征和加工工艺的多种零件；

　　●能自动更换刀具和工件；

　　●能方便地上网，容易于其它

　　物流路径。

　　FMS规模趋于小型化、低成本，演变成

　　柔性制造单元

　　FMC，它可能只有一台加工中心，但具有独立

　　能力。有的FMC具有自动传送和监控管理的功能，有的FMC还可以实现24小时无人运转。用于装备的FMS称为柔性装备系统（FAS）。

　　智能制造（Intelligent Manufacturing，

　　）是一种由

　　和人类专家共同组成的人机一体化

　　，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思。和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的

　　。它把制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。

　　谈起智能制造，首先应介绍日本在1990年4月所倡导的“

　　智能制造系统

　　欧洲共同体

　　、澳大利亚等参加了该项计划。该计划共计划投资10亿美元，对100个项目实施前期科研计划。

　　工业自动化

　　毫无疑问，智能化是制造自动化的发展方向。在制造过程的各个环节几乎都广泛应用人工智能技术。专家

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**【本文小结】**
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