自動化概念核心技術PPT

1、,電子與信息技術系 田鳳霞,A.1.1 課程任務,自動化高技能人才的職業(yè)屬性與需求 自動化概念及自動化技術核心 信號概念及其在自動化技術中的作用 自動控制形式及系統構建 自動化設備及控制裝置 控制策略 自動化技術應用領域 流程生產行業(yè)控制系統 學習自動化應用技術與技能的方法途徑,A.1.2 自動化技能人才的社會需求,自動化技術為二十世紀高新技術之一，普及、深入到各行業(yè)； “用信息化帶動制造業(yè)現代化，用高新技術改造制造業(yè)，以實現制造業(yè)跨越式發(fā)展” 。制造業(yè)生產技術與手段由“電氣化”時代全面邁進“自動化”時代 ； 自動化技術改革了傳統的的管理模式、生產模式、工藝過程、操作模式，需要自動化技術開發(fā)、

2、設計的工程技術人才，也需要具有自動化思想、掌握自動化技術知識與應用能力的高技能人才，從事自動化設備及系統安裝、調試、運行、管理、維護及檢修工作；,A.2.1 自動化技能人才的就業(yè)前景,具備自動控制的原理和方法、自動化單元技術和系統集成技術及其在各領域生產過程中的應用； 具有“控（制）管（理）結合，強（電）弱（電）并重，軟（件）硬（件）兼施”鮮明的特點，是理、工、文、管多學科交叉的寬口徑工科專業(yè) ； 就業(yè)領域：各類制造業(yè)（過程、離散）、自動化科技公司、工程公司、軌道交通、港口物流、城市公用與智能樓宇等。,A.2.2 自動化技能人才的職業(yè)屬性,自動化技術專業(yè)是以自動化設備、裝置、系統為操作對象或工

3、具。技術應用能力與職業(yè)技能體現在對具體設備、裝置及系統的安裝調試、運行管理、維護檢修活動之中； 職業(yè)活動主要涉及四個方面：1）應用與維護單體自動化設備、裝置；2）組織相關設備、環(huán)節(jié)，構建與維護系統完成自動控制；3）實施與維護系統各環(huán)節(jié)間的信號傳遞、協調工作；4）調整控制策略、優(yōu)化系統控制參數。,A.2.3 自動化技能人才的職業(yè)屬性,宏觀層面： 職業(yè)能力具有自動化核心思想，熟悉工業(yè)自動化技術、掌握自動化技術應用技能（主要針對工業(yè)生產設備、裝置、過程的運行狀態(tài)檢測、控制等）； 工作領域主要服務于工業(yè)企業(yè)，為工廠自動化、自動化工程、自動化技術行業(yè)提供一線的技能支持與服務；,A.2.3 自動化技能人才

4、的職業(yè)屬性,職業(yè)范圍在生產、實驗、試驗一線從事自動化設備及系統安裝、運行調試、管理、維護及檢修工作； 職業(yè)價值具體實施自動化技術規(guī)范、圖紙、方案，維護自動化設備與系統正常工作，保障生產企業(yè)高效運行。自動化技能人才的職業(yè)價值不是從事理論研究，也不是從事開發(fā)設計，主要是通過所掌握的職業(yè)技能把現有的技術規(guī)范、操作規(guī)程、施工圖紙和工程方案變?yōu)楝F實。,A.2.3 自動化技能人才的職業(yè)屬性,微觀層面： 工作對象面向工業(yè)企業(yè)加工設備、生產裝置、生產過程所用自動化設備及系統； 工作手段運用“系統”、“信號”、“控制”的自動化核心思想，以自動化技術知識為基礎進行分析、判斷，利用專業(yè)技能與職業(yè)能力實施技術服務；

5、工作地點工業(yè)企業(yè)生產支持部門、自動化工程施工場地； 工作崗位自動化設備及系統安裝、運行調試、管理、維護及檢修職位。,A.2.3 自動化技能人才的職業(yè)屬性,自動化技術專業(yè)是以自動化設備、裝置、系統為操作對象或工具。技術應用能力與職業(yè)技能體現在對具體設備、裝置及系統的安裝調試、運行管理、維護檢修活動之中； 職業(yè)活動主要涉及四個方面：1）應用與維護單體自動化設備、裝置；2）組織相關設備、環(huán)節(jié)，構建與維護系統完成自動控制；3）實施與維護系統各環(huán)節(jié)間的信號傳遞、協調工作；4）調整控制策略、優(yōu)化系統控制參數。,A.2.3 自動化技能人才的職業(yè)屬性,宏觀層面： 職業(yè)能力具有自動化核心思想，熟悉工業(yè)自動化技術

6、、掌握自動化技術應用技能（主要針對工業(yè)生產設備、裝置、過程的運行狀態(tài)檢測、控制等）； 工作領域主要服務于工業(yè)企業(yè)，為工廠自動化、自動化工程、自動化技術行業(yè)提供一線的技能支持與服務；,A.2.3 自動化技能人才的職業(yè)屬性,職業(yè)范圍在生產、實驗、試驗一線從事自動化設備及系統安裝、運行調試、管理、維護及檢修工作； 職業(yè)價值具體實施自動化技術規(guī)范、圖紙、方案，維護自動化設備與系統正常工作，保障生產企業(yè)高效運行。自動化技能人才的職業(yè)價值不是從事理論研究，也不是從事開發(fā)設計，主要是通過所掌握的職業(yè)技能把現有的技術規(guī)范、操作規(guī)程、施工圖紙和工程方案變?yōu)楝F實。,第一節(jié) 自動化及自動化技術,自動化實例 家居環(huán)境

7、：洗衣機、空調、電梯、自動門、紅外防盜、火災報警與消防聯動； 工農業(yè)領域： 自動化生產線與生產流程、數控中心、機械手、機器人；自動化農業(yè)生產機械、自動灌溉系統、自動化種植大棚等； 交通物流領域：公路與軌道交通控制、自動化分揀、水電氣控制等； 航空與國防領域：火炮與導彈控制、衛(wèi)星與飛船控制等； ,1.1.1 自動化,什么是自動化？自動化是如何實現的？自動化技術包含哪些內容？。 1946年、美國、D.S.Harder在一個生產過程中，機器之間的零件轉移不用人去搬運自動化-(Automation) 。 早期：機械的動作代替人力操作 ，以自動地完成特定的作業(yè)； 擴展：用機器(包括計算機)不僅代替人的體

8、力勞動、感覺器官，而且還代替或輔助腦力勞動，以自動地完成特定的作業(yè)。,1.1.1 自動化,通過檢測，利用反饋獲取偏差去調節(jié)系統運行狀態(tài)并保持運行穩(wěn)定。 偏差控制（反饋控制、閉環(huán)控制）,圖1-1 室內空氣溫度調節(jié)系統,1.1.1 自動化,嚴格按照設定程序一步一步、按部就班的自動完成全過程。 程序控制（開環(huán)控制） 多參數檢測、邏輯與模糊判斷“智能化”,圖1-2 全自動洗衣機（洗衣機、控制板）,1.1.1 自動化,制造業(yè)自動化的豐富內涵： 形式方面：代替人的體力勞動，代替或輔助人的腦力勞動，人機及整個系統的協調、管理、控制和優(yōu)化； 范圍方面，自動化不僅涉及到具體生產制造過程，而是涉及產品生命周期全過

9、程； 功能方面，自動化的功能目標不僅對生產過程實施控制，也對整個生產運行實施監(jiān)測與管理，實現“管理-監(jiān)測-控制”一體化。,1.1.2 自動化技術,自動化技術可理解為是“為了自動地完成特定作業(yè)而實施的包括自動化裝備、方法、手段、規(guī)則及相關信息資料的總和”。 自動化的研究內容主要有自動控制和信息處理兩個方面，包括理論、方法、硬件和軟件等，從應用觀點來看，研究內容有過程自動化、機械制造自動化、管理自動化、家庭自動化等。,1.1.3 工業(yè)自動化技術,工業(yè)主體制造業(yè) 工業(yè)自動化主體工廠自動化在無人直接參與的情況下，通過自動化裝置及系統構建對生產設備及生產過程實施的控制與管理。 工廠自動化類型連續(xù)生產過程

10、自動化和斷續(xù)生產過程自動化。 連續(xù)生產過程自動化過程自動化，主要指石油、化工、冶金等連續(xù)物料的生產過程自動化。處理對象物態(tài)是流體、粉體，主要涉及溫度、壓力、流量、物位、成份量等變量； 斷續(xù)生產過程自動化工業(yè)電氣自動化，主要指機械制造過程中的離散物品加工、裝配、包裝、輸送、儲藏等機械作業(yè)自動化。處理對象物態(tài)是固體，主要涉及位置、形狀、尺寸、姿勢與角度等問題。,1.1.3 工業(yè)自動化技術,工業(yè)自動化技術 是一種運用自動控制理論、電磁技術、信息技術、數理知識及其它相關技術，應用自動化設備及系統構建，通過電路邏輯、軟件程序有目的的對工業(yè)生產裝備及工藝過程實現檢測、控制、優(yōu)化、調度、管理和決策，達到增加

11、產量、提高質量、降低消耗、確保安全等的綜合性技術。,小結,自動化利用自動化設備、裝置與系統代替人或幫助人自動地完成某個任務或實現某個過程 自動化技術“為了自動地完成特定作業(yè)而實施的包括自動化裝備、方法、手段、規(guī)則及相關的信息資料的總和” 工業(yè)自動化技術運用自動控制理論、電磁技術、信息技術、數理知識及其它相關技術，應用自動化設備，通過系統構建、電路邏輯、軟件程序有目的的對工業(yè)生產裝備及工藝過程實現檢測、控制、優(yōu)化、調度、管理和決策的綜合性技術。,第二節(jié) 自動化技術的發(fā)展,以蒸汽機為代表的“機械化”強調以大規(guī)模的機械裝置代替人工體力勞動； 以電動設備為代表的“電氣化”強調普遍應用電力來驅動生產機械

12、工作； 以計算機、網絡為代表的“信息化”強調大規(guī)模的使用計算機、網絡等現代技術工具高效地獲取、處理、分析和利用信息； 而以自動化設備及系統為代表的“自動化”強調生產運行、管理方式的“自動”。 自動化設備/自動化理論/自動化系統,1.2.1 自動化設備發(fā)展,自動化設備(裝置)是實現自動化的工具。 自然界動力代替人力畜力 。 古代中國的指南車以及近代歐洲出現的鐘表和風磨控制裝置 第一次工業(yè)革命-自動調節(jié)裝置對付工業(yè)生產控制 1788年英國機械師J.瓦特將離心式調速器(又稱飛球調速器)，調節(jié)穩(wěn)定蒸汽機轉速 俄國人用浮子式閥門水位調節(jié)器調節(jié)穩(wěn)定的蒸汽鍋爐水位,1.2.1 自動化設備發(fā)展,圖1-3 瓦特

13、蒸汽機轉速控制系統,1.2.1 自動化設備發(fā)展,電的發(fā)明、磁的應用開始了電氣化時代電動設備、電磁機構代替體力勞動，解放手腳； 1868年法國人發(fā)明了反饋調節(jié)器（叫伺服機構） 自動調節(jié)器或裝置代替大腦的部份工作，使一些物理量保持在設定值附近，繼電裝置實現邏輯控制；自力式（液壓、氣壓）調節(jié)裝置自動檢測、調節(jié)穩(wěn)定工藝參數。 自動化設備的第一次改革與創(chuàng)新微電子技術檢測裝置、控制裝置、執(zhí)行裝置、顯示裝置等功能自動化儀表，以及電子組裝控制裝置、繼電聯鎖裝置,1.2.1 自動化設備發(fā)展,計算機、數字與存儲器技術自動化設備第二次飛躍 多參數、自診斷、可編程等數字化設備（可編程序控制器（PLC）、智能化儀表、數

14、控生產裝置，機器人、自動機械手成為工業(yè)生產中重要的勞動者。 信息技術自動化設備向數字化、網絡化、人工智能化方向發(fā)展，DCS系統控制裝置、FCS網絡控制裝置、集成制造系統（CIMS）等。 機械裝置繼電裝置氣動與電動儀表可編程儀表與設備網絡型儀表與設備網絡系統裝置。 隨著傳感技術、信息處理技術與人工智能研究與應用的進一步深入，自動化設備將有更新的發(fā)展及更為有效的應用。,1.2.2 自動化系統發(fā)展,“系統”由若干相互依存和相互作用的子系統為達到某些特定目的組成的完整綜合體。 若系統的構建目標為實現自動化功能任務，這樣的系統就是自動化系統。 典型自動控制系統，它是為了實現各種控制任務，將被控制對象和控

15、制裝置按照一定的方式連接起來所構成的一個有機的總體。,1.2.2 自動化系統發(fā)展,早期的自動化系統功能目標單一，生產設備間不存在關聯或關聯不強，主要是解決單一設備、單一過程、單一參數的檢測與控制問題，被稱為單機自動化。,圖1-3 瓦特蒸汽機轉速控制系統,1.2.2 自動化系統發(fā)展,二戰(zhàn)期間及后期任務主要局限于生產過程監(jiān)測與控制，主要功能局限于穩(wěn)定系統，實現定值控制，系統規(guī)模通常被限定在一個工段或一個車間，被稱之為局部自動化。 系統控制裝置一般都可以分裝兩個機柜：一個機柜（儀表屏）裝各種PID調節(jié)器、顯示記錄儀表如圖1-4所示的儀表控制系統；另一個機柜則裝許多繼電器和接觸器，作起動、停止、聯鎖和

16、保護之用。因而在結構上顯得相當復雜,控制速度和控制精度都有一定的局限性，可靠性也不是很理想的,1.2.2 自動化系統發(fā)展,圖1-4 鍋爐控制系統與儀表控制屏,1.2.3 自動化系統發(fā)展,現代控制理論系統性能擴展到自適應、最優(yōu)化等先進控制策略綜合自動化 功能：不局限于面向生產過程的控制，更是向管理自動化發(fā)展； 系統規(guī)模：不局限于單個車間，可能包括整個企業(yè)甚至整個制造集團。 50年代末出現了計算機控制的化工廠，60年代末出現了大型自動化生產線，70年代產生了專用機床組成的無人工廠，80年代初出現了柔性制造系統組成的無人工廠 。,1.2.2 自動化系統發(fā)展,現代控制理論使復雜的控制問題容易解決 傳感

17、檢測技術能獲取以前難以得到的信息 計算機技術使復雜信息處理更為簡單迅速 網絡技術促進了信息的傳遞與豐富 自動化系統構建進入網絡時代，在網絡實現整個生產過程各環(huán)節(jié)的信息互通互聯，面向生產過程的網絡體系形成 分散型控制系統（DCS）以及現場總線型控制系統（FCS）。,1.2.2 自動化系統發(fā)展,（a）DCS網絡結構 （b）FCS網絡結構 圖1-6 DCS控制系統及FCS控制系統,1.2.2 自動化系統發(fā)展,計算機集成制造系統（CIMS）生產綜合自動化與組織管理自動化相結合 設想利用計算機不僅實現單元生產柔性自動化，并把制造過程（產品設計、生產計劃與控制、生產過程等）集成為一個統一的系統 通過多層次

18、網絡實現信息綜合應用，實現企業(yè)管理、生產組織、生產過程控制一體化，同時引入人工智能，構建自動識別、評估、決策能力，對整個系統的運行加以優(yōu)化。 管-監(jiān)-控”一體化自動化系統,1.2.2 自動化系統發(fā)展,1.2.3 自動化的發(fā)展特性,實踐性發(fā)展和社會重大需求聯系。離心調速器與蒸汽機的蒸汽閥門連接穩(wěn)定轉速不穩(wěn)定研究穩(wěn)定性系統穩(wěn)定性判據控制理論的研究。 時代性最先進技術作自動化技術主要內容。初期，反饋理論為基礎的自動調節(jié)原理，用于工業(yè)控制；二戰(zhàn)期間解決軍事設施控制；二戰(zhàn)后解決迅速發(fā)展的工業(yè)控制問題，再后來主要為解空間技術問題。 系統性從“系統”的角度來分析、研究和實現各種目標。自動控制理論從初期到現在

19、的整個發(fā)展過程都是基于最基本反饋概念的閉環(huán)控制系統來研究的。 交叉性涉及信息與網絡技術、電氣技術、數學及生產設備相關的機械、工藝領域知識，需要與更多學科交叉、融合。,第三節(jié) 自動化技術核心,自動化最基本的功能目標或任務 用自動化設備、裝置與系統構建代替或幫助人，使生產設備、工藝過程按預定模式、狀態(tài)運行，自動地完成特定的任務。 用自動化設備及構建的系統來約束、限定生產設備、工藝過程的運行模式、狀態(tài)參數，或者說實施控制。,1.3.1 自動化本質自動控制,“控制”就是掌握住對象不使任意活動或超出范圍；或使其在控制者的管理、影響下活動。 “自動控制”是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置及

20、系統構建，使生產機器、設備或工藝過程的運行狀態(tài)或參數自動地按照預定的規(guī)律運行。 自動化與自動控制概念自動化的本質是自動控制,1.3.1 自動化本質自動控制,自動控制VS手動控制,眼睛變送器,大腦控制器,手操作閥門自動閥門,1.3.1 自動化本質自動控制,不同的控制形式對應著不同的系統構建模式，產生不同的控制效果。,閉環(huán)控制 反饋控制 偏差控制,圖1-9 電機驅動皮帶輪轉速控制,不同的控制策略產生不同的控制效果。 全自動化洗衣機，多種洗衣模式對應于多種控制策略。,開環(huán)控制,1.3.1 自動化本質自動控制,控制論：“控制”的最基本問題是如何對系統施加控制作用使其表現出預定的行為。 自動控制涉及兩個

21、基本內容： 采用何種手段（途徑）對生產裝置、生產過程施加控制作用， 控制者的意愿是如何表達的。 這分別對應著控制形式（硬件系統構建）與控制策略（軟件系統構建）。,1.3.2 自動化思想觀系統分析,系統（System）是指由相互關聯、相互制約、相互影響、具有某種功能的部分組成的有機整體。 系統以外的部分稱為系統環(huán)境，系統環(huán)境對系統的作用稱為系統的輸入，系統對系統環(huán)境的作用稱為系統的輸出。 傳統的自動化系統即機電一體化系統由機電本體、動力部分、檢測傳感部分、執(zhí)行機構、驅動部分、控制及信號處理單元等硬件元素，在軟件程序和電路邏輯的目的信息流引導下，相互協調、有機融合和集成，形成物質和能量的有序規(guī)則運

22、動，從而組成工業(yè)自動化系統。,1.3.3 自動化信息載體信號,控制論：為了“改善”某個或某些受控對象的功能或性能，需要獲得并使用信息，以這種信息為基礎而選出的、施于該對象上的作用，就叫作控制。 控制的基礎是信息，一切信息傳遞都是為了控制，而任何控制又都依賴于信息來實現。,圖1-10 電加熱爐溫度控制系統,1.3.3 自動化信息載體信號,構建自動化系統的各組成環(huán)節(jié)，實現協調動作、必須依靠相互間的信息傳遞與聯絡。 信息獲取與轉換、傳遞、各種操作與控制指令的表達與傳遞、應用等均依賴于信號； 信號是實現系統環(huán)節(jié)間信息傳遞與聯絡的載體。是實現自動化的信息載體。,1.3 自動化技術核心,工業(yè)自動化技能人才

23、的技術核心是實施“系統”分析、“信號”關聯、“控制”措施，保障、維護“環(huán)節(jié)”與“系統”的協調運行。其中，“信號”在自動化技術中具有重要的作用。 “反饋”是實現自動控制的最典型、最重要的技術手段，也是一種基本結構形式。,2.1.1 信息,從圖中你能感悟出什么？,自然事物圖例,為什么會有如此感覺呢？,圖像傳遞出某種？,第一節(jié) 信息與信息技術,通過電話你了解到什么？,電波？ 聲音？,語言表達的意思？,信息！,信息論創(chuàng)始人（美國,C.仙農,19162001）: 客觀世界的三大要素是物質、能量和信息。體現了信息在現代社會中的重要作用. 1. 信息客觀存在的一切事物通過載體所發(fā)生的消息、情報、指令、數據、

24、信號和所包括的一切可傳遞和交換的知識內容 2. 認識事物的關鍵事物的特征 各種特征將通過一定的物質形式傳遞； 通過不同特征區(qū)別不同事物； 3. 知識是一種特定的人類信息 有區(qū)別、有選擇，對自然、對社會、對思維的認識與掌握。,信息技術（IT）用于管理、處理信息所采用的各種技術的總和。 收集、識別、提取、存貯、傳遞、處理、檢索、檢測、分析、利用主要包括下列四大技術: 傳感技術-擴展人獲取信息的感覺器官功能。它包括信息識別、信息提取、信息檢測等技術。 通訊技術-實現信息快速、可靠、安全的轉移。 計算機技術-對信息的編碼、壓縮、加密以及再生（更深層次的決策信息 ） 控制技術-應用信息為人類生活、生產服

25、務的技術問題，主要包括控制技術、顯示技術。,2.1.2 信息技術,2.1.3 信息技術與自動化技術關系,從技術要素層次上看，四大技術相互包含、相互交叉、相互融合的。傳感、通信、計算機都離不開控制；傳感、計算機、控制也都離不開通信；傳感、通信、控制更是離不開計算機。 在自動化系統運行過程中，必須真實、準確、快速地獲取設備、過程的運行信息，對相關的信息進行判斷、運算、決策，并能準確地傳遞指令與控制信息，正確地執(zhí)行指令，施加控制作用，以使生產可靠地、穩(wěn)定地運行。 控制論:控制的基礎依據是信息，一切信息傳遞都為了控制，任何控制又都有賴于信息來實現。,從信息技術體系角度看，自動化技術包括信息獲取-傳遞-

26、決策-應用：控制與自動化技術的核心問題仍然是信息問題。 獲取設備、過程運行狀態(tài)傳感獲取信息； 匹配各環(huán)節(jié)間信號及傳遞信息傳遞； 控制策略與信號運算計算與處理信息； 指令與控制信號的輸出、執(zhí)行信息的應用 信息技術與自動化技術兩者關系： 自動化技術以基礎地位支撐信息技術。 信息技術發(fā)展推動自動化技術進步；,第二節(jié) 信號信息載體,2.2.1 信號 1、信號 C.仙農認為：對客觀事物的物理特征進行抽象后的最低級表達層次信號。 茫茫宇宙，存在無數的信號含義是？ 人為的/自然的；有效的/無效的；已知/末知； “信息”是傳遞與交換的具體內容（包括知識、意識），那么“信號”就是信息的一種表現形式。 信號（也稱

27、為訊號）是運載消息的工具，是消息的載體。 工程上，信號就是一種通過媒介傳遞的、含有某種信息的實際物理量。,2、信號的兩個要素 人類通過對光、聲、電信號進行信息傳遞-接收，表達-確認信息。 信號應有一種載體媒介。如“聲波”、“電脈沖”、“電磁波”、“光脈沖”等。 信號媒介的一種特性或多種特性組合應含有要反映的“信息”。 比如“聲波”、“電脈沖”、“電磁波”、“光脈沖”等能量的強弱、變化快慢及規(guī)律等應能反映要描述的信息，或者說信息被信號的能量強弱、變化快慢及變化規(guī)律等特征所表達。 另外，含有信息的“信號”必須要能被人類所接收、描述、應用才有實際意義。,2.2.2 信號的描述 1數學描述描述為一個或

28、若干個自變量的函數或序列的形式。,2波形描述按照函數隨自變量的變化關系，以曲線、圖形方式表示出來。,2.2.3 信號的種類 1.按信號的描述形式劃分 確定信號與隨機信號； 要點：給定的自變量是否對應唯一確定的信號取值。 對于確定信號，每一個信號值均有一個確定的信息，因此確定信號最簡單、最容易利用的信號， 時間連續(xù)信號與離散信號； 要點：自變量的定義域是否是整個連續(xù)區(qū)間。, 模擬與數字信號。要點：信號值域是否均連續(xù). 注：模擬信號有時間連續(xù)、時間離散之分，主要在于數值為無限個，連續(xù)變化。 注：數字信號在于數值為有限個，不連續(xù) 能量信號和功率信號；要點：信號能量是否有限。 實信號與復信號；要點：信

29、號取值是否為實數。,B.按信號的物理形式劃分 電信號（電壓、電流、脈沖、頻率等）：此種信號因傳輸、轉換、處理、使用方便而廣泛應用。 光信號（強度、脈沖、頻率等形式）：此種信號可通過光纖傳輸，容量大；抗電磁干擾能力強；信號轉換方便。是一種很具優(yōu)越性的信號。 電磁信號：此種信號無需敷設專門傳輸線路，在通訊行業(yè)廣泛應用。電磁信號容易受電磁干擾，需要考慮抗干擾及濾波問題。 氣信號（氣壓、氣脈沖等）：通常利用壓縮空氣的壓力信號來表示某種信息。氣信號具有“本安”特性、不存在電磁干擾等優(yōu)點，但氣信號的傳輸距離有限、滯后大、損失大等不足，在對安全要求很高具距離較近的場合使用。 注：氣信號在傳輸信息同時，也可同

30、時傳輸能量。,2.3.1 信號拾取要求 設備、過程運行中應有一種或多種形式的性質或特征物理現象表現出來。 設備、過程運行中的性質、特征物理現象能被某種物質感知并能轉化為其它裝置接受與處理的信號。,第三節(jié) 信息拾取與傳感器,2.3.2 傳感器 要確知所得信息的真實性，對信號的形式、種類、強弱、特性關系等有著特定的要求，這就要依靠傳感器來感知信息并輸出相應的信號。 廣義地說，傳感器是指能感知某一物理量、化學量或生物量等信息，并能將其轉化為可加以利用的信號的裝置。 狹義地講，感受被測物理信息（也稱之為被測量）并按一定規(guī)律將其轉化為同種或別種性質的輸出信號的裝置。 由于電信號優(yōu)越性，傳感器的輸出信號一

31、般是電信號（如電流、電壓、電阻、電感、電容、電頻率等）,傳感器的示例,傳感器應滿足的條件 傳感器能感知設備、過程的操作與運行狀態(tài)信息并轉化為信號，需要滿足必要的條件： 傳感器中具有一種特殊材料（敏感元件），對所要檢測的物理信息具有很高的敏感性。 敏感元件獲得的信號與所表現的信息之間具有確定的關系，且能直接應用或再轉化應用。 也就是說傳感器本身具有將物理信息賦予到輸出信號特征量上的能力。 地位 傳感器是感知、獲取與檢測信息的關鍵，是實現自動化的首要環(huán)節(jié),2.3.3 傳感器分類 1.按被測量（傳感器的用途）分類 如壓力傳感器、溫度傳感器、位移傳感器、顏色傳感器等。相應傳感器一般按被測量命名，便于根

32、據被測對象選擇。 2.按工作原理分類 傳感器的工作原理主要是基于電磁原理和固體物理學理論。 主要分為電阻式、電感式、電容式、電渦流式、熱電式、壓電式、光電式（紅外、光纖等）、超聲式、同位素式、微波式等。有利于從原理方面進行分析、設計應用,3.按輸出信號類型分類 傳感器輸出信號可分為模擬式與數字式兩大類。 模擬式輸出模擬信號，具有直觀性，與數字設備相連需要引入模數轉換環(huán)節(jié)； 數字式一般將被測量轉換成脈沖、頻率或二進制數碼輸出，抗干擾能力強. 注：自動化儀表領域，常被稱為變送器；在一般電氣裝置領域，習慣稱為傳感器。 一般而言，傳感器廣義的，變送器是特指的。兩者之間存在著一定的區(qū)別。,第四節(jié) 信號轉

33、換放大與干擾消減,2.4.1 信號轉換與放大 1.信號轉換 傳感器的輸出信號形式取決于傳感器本身，為了傳輸的需要、為了接收設備對信號形式、種類及大小、變化特性需要等，信號在傳輸、使用中可能進行一次或多次的轉換。 比如電阻式傳感器，其信號形式為阻值，不便于傳輸，應考慮轉換為電壓信號； 模擬信號要與數字設備相連，要考慮模擬信號向數字信號的轉換； 數字信號要驅動模擬設備，則需轉換為模擬量; 電信號轉換為光信號通過光纖傳輸等。,2、信號放大 通常傳感器輸出信號很小，不宜傳輸、不便使用，有些器件、設備對信號有閾值要求，特別是對于數字設備及邏輯設備而言，存在高電平與低電平的定義，所以信號應符合標準，否則可

34、能造成邏輯上的錯誤。 信號傳遞、轉換或使用前、過程中需要進行適當的放大，放大后的信號應具有原信號的全部信息特征。,2.4.2 干擾與消減 根據信號的種類，對于信號的傳輸有不同技術要求與傳輸方式。 工程應用中的信號大多數為電信號，信號的傳輸則是以傳輸導線為主。,1信號管線的阻抗特性影響 電信號沿導線傳輸，電荷會受到導體的電阻作用，導線與導線、導線與器件間存在著電容，即存在著對能量的儲存，同時傳輸導線上也存在著感抗，對于信號的變化也會產生抑制作用； 氣壓信號沿管線傳輸時，也會受到管線的阻力作用，信號路線也存在著容量。 這些阻礙作用、容量儲存等因素將會導致信號能量的損失，信號數值降低；原始信號的變化

35、不及時得到反映，時間上造成滯后。,2周圍環(huán)境的電磁、靜電干擾 環(huán)境中存在的電磁場將在信號傳輸導線中產生電磁感應，導線中會出現感應電勢迭加在原始信號中，特別嚴重時會淹沒原始信號。 靜電感應也是一種干擾源，在傳輸導線各處，靜電感應強度不一，沿信號線各處靜電電位不等，同樣產生附加的電勢。 除此以外，電源波動、雷電、溫度、濕度的變化及接觸點等均可能在傳輸線上產生附加電勢。,3干擾的消減與濾除 干擾無處不在，信號中或多或少都存在擾動，需要去設法消減、濾除干擾，保證信息的真實性。 （1）在信號傳輸中，要考慮信號的電磁屏蔽、防雷防靜電、接地問題，以及導線的特性阻抗匹配等技術問題； （2）同時考慮對信號種類的

36、選擇，不同類型的信號自身抗干擾的能力不同，因此選擇一種適合的、可行的信號類型進行傳輸。 （3）信號接收中一般可借助濾波去除干擾。 濾波的方法有多種，考慮信號的特征頻率、頻譜等特性，通過高通、低通、帶通與帶阻、采樣頻率等手段盡可能地去除干擾，獲得真實的信號。,第五節(jié) 信號制式與傳輸規(guī)則,一個信息源點（信息產生者）被傳遞到信息終點（消費者）獲得應用按系統圖示實施： 當信號從信源點裝載信息經過傳輸網絡傳遞到目的系統后，應能被準確的接收，并正確分離出其中的信息。需要發(fā)送方與接收方都能理解并共同遵守的信號傳輸標準、約定或規(guī)則。 在自動化領域中，要從信號中得出操作指令、數據信息，必須清楚指令、數據信息是以

37、什么格式、組織關系被賦予到信號的什么特征上的，也就是說必須首先找出操作指令、數據與信號特征間的關系信號制式或協議,2.5.1 信號制式 在現代信息傳遞網絡出現之前，信息主要是在兩個硬件間單向的、一對一交換，信息功能主要在于兩硬件間連接、控制。信息較單一、容量小、格式簡單，信息載體主要是模擬量或簡單脈沖量信號，信息傳輸依靠單回路結構即可實現，信息傳遞系統結構簡單。 信號制在這種簡單的信息傳輸系統中，采用的兩硬件間實現傳遞與接收、相互理解、共同遵守的信息傳遞規(guī)則。,功能： 主要是規(guī)定了建立、維持及斷開物理通道所需的機械的、電氣的、功能性的和規(guī)程性的特性。其作用是確保信號能在物理通道上傳輸； 約定了

38、信息的一種簡單表達形式，如用電流的大小來表示一個溫度信息的大小，或者控制作用的強弱。其作用是描述信息加載部位。 1、模擬信號制式 用于模擬量設備之間進行信息的傳遞。 電動類早期：0-10mA.DC與0-2V.DC信號標準， 現國際標準：4-20mA.DC與1-5V.DC。 氣動類：主要采用20-100KPa氣壓信號制式。,（2）脈沖（開關）信號制式 脈沖是指在很短時間內出現的電壓或電流信號。 脈沖具有較多的特征參數，加上脈沖信號通常具有突變性、短促性，可以承載更多的信息，除常規(guī)數據信息以外，還用于承載操作指令。在自動控制、數字技術、計算機、通訊及多種電器裝置等方面得到廣泛的應用。 脈沖承載信息

39、所用的特征主要集中于脈沖寬度、作用時刻（上升或下降）、脈沖高低電平（幅度）、脈沖周期、脈沖頻率、脈沖個數等。,在數字邏輯系統中，脈沖“高、低”電平表示數字“0、1”（圖2-16所示）、邏輯“真、假”等； 脈沖作用時刻可用于描述某種作用動作時刻并觸發(fā)該動作；脈沖寬度可用于描述并維持某種作用或動作的持續(xù)時間；脈沖頻率或個數可用于表示某種信息的程度或數據大??； 轉速測量中使用脈沖編碼器來表示轉速與轉向；在邏輯控制裝置中應用脈沖來實現各種邏輯運算等。定時器內使用秒脈沖來實現計數與定時（圖2-17所示）,2.5.2 通訊協議 現代傳輸是在復雜網絡結構實體（硬件、軟件）間多對多、雙向、數字化方式進行信息交

40、換，信息復雜、海量。需要一整套傳輸規(guī)則來約束、控制實體間的信息交換，保證信息傳遞與交換正常進行。 通訊協議、網絡協議：網絡系統中兩實體間相互理解、共同遵守的控制信息傳遞與交換的規(guī)則集合。網絡協議三要素：語義、語法和時序規(guī)則三部分。語義：規(guī)定通信雙方彼此“講什么”，即確定協議元素的類型，如規(guī)定通信雙方要發(fā)出什么控制信息，執(zhí)行的動作和返回的應答； 語法：規(guī)定通信雙方彼此“如何講”，即確定協議元素的格式，如數據和控制信息的格式； 時序：規(guī)定了信息交換的次序。,第三節(jié) 自動化系統分類,按系統的功能任務與系統構建差異，分為三類：自動檢測系統、自動控制系統、自動聯鎖保護系統。 3.3.1、自動檢測系統 以

41、獲取設備、過程的操作與運行狀態(tài)，并以指針、數字、數據表格或圖形及其它形式顯示出來為目的，同時配合參數警戒值設定，實現運行狀態(tài)的監(jiān)控與報警。 通過獲取并顯示出來的運行狀態(tài)，指導操作、控制、管理人員掌握設備、過程及生產運行狀態(tài)，通過分析、判斷、作出相關生產組織、調度、操作等決策。,隨著通訊技術、網絡技術的發(fā)展及應用深入，自動化檢測系統正向網絡化發(fā)展，通過有線、無線網絡構建網絡檢測、監(jiān)控系統。 如：廠級集中監(jiān)測系統（SIS）、環(huán)境監(jiān)測系統、樓宇監(jiān)測系統、危險源監(jiān)測系統、設備狀態(tài)監(jiān)測系統等。,圖3-13 廠級設備集中監(jiān)測系統（SIS）,分析自動檢測系統的任務過程，它主要涉及信息獲取、信號轉換與傳輸以及

42、信息處理三個過程。也就是說自動檢測系統的結構主體是：傳感檢測環(huán)節(jié)、信號轉換與傳輸環(huán)節(jié)、信息處理與顯示環(huán)節(jié)。 在系統中，傳遞的信息是現場運行狀態(tài)類數據信息，信號是單向傳遞的：由現場經傳輸轉換環(huán)節(jié)到監(jiān)控室或集中監(jiān)控點。,3.3.2、自動控制系統 1、按控制方式分類 分為兩類，一是開環(huán)控制系統，也可稱為自動操作系統，一是閉環(huán)控制系統，也可稱之為反饋控制系統。 1）自動操縱（操作）系統開環(huán)控制系統 自動操作系統的主要目的是實現在無人干預的情況下，操作裝置按預先設定的步驟、程序對設備或過程自動進行相關的操作。 比如，手動遙控操作航空器、全自動洗衣機、數控車床步進電機開環(huán)進給系統等以及基于時基工作的控制系

43、統，均屬于自動操作類系統,自動操縱（操作）系統存在的問題是“做”之后的效果怎樣？是否實現預定的目標？這類有關結果的問題不屬系統考慮的范疇。（操作效果不能送回自動修正操作方式）。 自動操作系統的任務過程，主要涉及操作指令的產生、操作指令的轉換與傳輸、操作指令的實施三個過程。也就是說自動操作系統主體結構是：指令產生環(huán)節(jié)(控制裝置)、指令轉換與傳輸環(huán)節(jié)、指令執(zhí)行環(huán)節(jié)。 在系統中，產生與傳遞的信息是操作指令信息，信號傳遞也是單向的：由集中控制室或控制裝置經傳輸轉換環(huán)節(jié)到現場。,2）反饋控制系統閉環(huán)控制系統 反饋控制系統的功能是自動檢測設備、過程的運行狀態(tài)，與設定狀態(tài)進行比較，根據其偏差情況，按一定的方

44、式或規(guī)律產生控制信號，自動調節(jié)設備、過程的運行狀態(tài)，克服干擾影響，最終達到設定運行狀態(tài)。自動操作系統的主要目的是實現在無人干預的情況下，操作裝置按預先設定的步驟、程序對設備或過程自動進行相關的操作。,反饋控制系統結合了“看”、“做”、同時還具有“想”比較、判斷、運算、決策能力。根據傳感檢測“看”的情況，進行比較、判斷、運算、決策“想”，調整執(zhí)行與操作行為“做”，使“做”的效果與設定目標一致。反饋控制系統有一關鍵環(huán)節(jié)：反饋，即根據控制結果傳感檢測送來的數據修正控制行為，也正因為反饋的引入，形成了閉環(huán)結構閉環(huán)控制系統。,分析反饋控制系統的任務過程：它涉及現場運行狀態(tài)信息的獲取與傳輸、對現場運行信息

45、的分析、判斷與決策并產生控制信號、控制信號的傳輸及執(zhí)行三大過程。也就是說反饋控制系統的主體結構為：現場生產運行信息獲取與傳輸環(huán)節(jié)傳感檢測、信息處理環(huán)節(jié)控制裝置與網絡、控制信息的傳輸與執(zhí)行環(huán)節(jié)驅動與執(zhí)行。 在系統中，存在兩類信息：一類是由現場傳遞到控制裝置的反映現場運行狀態(tài)的數據信息，另一類是由控制裝置產生的傳遞到現場需要被執(zhí)行的指令類信息。 從系統功能與結構比較，反饋控制系統通過控制裝置與網絡實現了自動檢測系統、自動操作系統的聯接。,2、按設定值特點分類 按設定值情況又可分為定值控制系統、程序控制系統、隨動控制系統等主要類型。 1）定值控制系統 設備、過程的運行狀態(tài)設定值為恒定不變的自動控制系統。,工藝過程：物料通過加熱爐內管道，吸收加熱爐爐膛熱量后，溫度升高到設定溫度后，由出口管送出。加熱爐爐膛熱量由燃料氣在爐膛內燃燒產生。 干擾因素：冷物料進料量變化，冷物料溫度、壓力變化，烯料氣流量、壓力變化， 控制過程：傳感檢測裝置感知熱料出口溫度，并轉化為電信號，與設定溫度對應的電信號比較，兩者不等時，控制器便會根據差值的大小與極性產生相應變化的控制信號，開大或關小控制閥，改變燃料氣量的大小，調節(jié)爐膛熱量（溫度），達到控制熱料出口溫