仪器仪表与自动化作业指导书

仪器仪表与自动化作业指导书TOC\o"1-2"\h\u8095第1章仪器仪表概述 382681.1仪器仪表的定义与分类 3213211.2仪器仪表的发展历程 3150951.3仪器仪表在自动化领域的作用 425330第2章自动化基础知识 4274232.1自动化基本概念 4150182.2自动化系统的组成与分类 467882.3自动控制原理简介 515222第3章测量与传感器技术 5213263.1测量基本概念 5100323.2常用传感器及其应用 6304563.3传感器信号处理与接口技术 63145第4章显示与执行器技术 7188274.1显示器件及其应用 7144844.1.1液晶显示屏（LCD） 7234774.1.2发光二极管（LED） 7132004.1.3有机发光二极管（OLED） 7293054.1.4等离子显示屏（PDP） 79604.1.5电致发光显示屏（EL） 7167864.2执行器概述 7246014.2.1电动执行器 7137594.2.2气动执行器 8137114.2.3液动执行器 8139634.3常用执行器及其控制 8271994.3.1电动执行器及其控制 8172424.3.2气动执行器及其控制 8212044.3.3液动执行器及其控制 8117034.3.4伺服执行器及其控制 813326第5章控制器及其应用 88235.1控制器基本原理 8147495.1.1开环控制 829385.1.2闭环控制 9216725.2PLC及其应用 989615.2.1PLC的基本结构 9183615.2.2PLC的应用 9168915.3PAC及其应用 948395.3.1PAC的基本特点 9138805.3.2PAC的应用 919063第6章通信与网络技术 1045686.1通信基本概念 10295086.1.1通信系统模型 1072996.1.2信号与信道 1070896.1.3通信方式 10171776.2现场总线技术 10238006.2.1现场总线概述 1087756.2.2典型现场总线 1041056.2.3现场总线应用 10272356.3工业以太网技术 1167536.3.1工业以太网概述 1139606.3.2工业以太网关键技术 1167716.3.3工业以太网应用 113694第7章数据处理与分析 11145027.1数据处理基本方法 1163197.1.1数据清洗 11186767.1.2数据预处理 11168257.1.3数据集成 1227187.2数据分析与处理软件 12262377.2.1Excel 12324257.2.2SPSS 1211497.2.3MATLAB 12212307.2.4Python 1299847.3数据可视化技术 1238507.3.1统计图表 127357.3.2地图 13228987.3.3散点图 13239877.3.4热力图 1377927.3.5交互式可视化 13873第8章自动化控制系统设计 13286398.1自动化控制系统设计原则 13259948.1.1实用性原则 13276058.1.2可靠性原则 1365878.1.3先进性原则 13106628.1.4经济性原则 13228478.1.5安全性原则 13265878.2控制系统硬件设计 13290548.2.1控制器选型 14192278.2.2传感器和执行器选型 14219908.2.3通信网络设计 14156328.2.4电源设计 14178188.3控制系统软件设计 14132708.3.1控制算法设计 14194008.3.2人机界面设计 14116338.3.3数据处理与分析 14224418.3.4系统诊断与保护 14185218.3.5系统组态与编程 1420846第9章系统集成与调试 14269259.1系统集成基本概念 15316599.2系统集成方法与步骤 1579249.2.1方法 15115169.2.2步骤 15170679.3系统调试与优化 1630679.3.1系统调试 16296709.3.2系统优化 161985第10章仪器仪表与自动化发展趋势 162554910.1仪器仪表技术发展趋势 162291410.2自动化技术发展趋势 171043710.3智能化与网络化技术在自动化领域的应用前景 17第1章仪器仪表概述1.1仪器仪表的定义与分类仪器仪表是指用于测量、检验、监测、显示和控制各种物理量、化学量及生产过程的设备。按照其功能特点和应用领域，仪器仪表可分为以下几类：（1）传感器：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。（2）测量仪器：用于对被测量进行定量描述的仪器，如电压表、电流表、功率表等。（3）控制器：根据设定值和实际值之间的偏差，自动调节控制对象的仪器，如调节器、控制器等。（4）执行器：按照控制信号的要求，完成某种动作的装置，如电动调节阀、电磁阀等。（5）监控系统：对生产过程、设备运行状态等进行实时监测、报警和记录的设备。1.2仪器仪表的发展历程仪器仪表的发展可分为以下几个阶段：（1）原始阶段：人们利用简单的工具进行测量，如尺、秤等。（2）机械仪表阶段：机械制造技术的发展，出现了各种机械式测量仪表，如压力表、温度表等。（3）电子仪表阶段：20世纪40年代，电子技术的迅速发展，使得电子仪表逐渐取代了机械仪表，如电子电压表、电子计数器等。（4）智能化仪表阶段：20世纪70年代以来，计算机技术、通信技术及微电子技术的不断发展，使得仪器仪表向智能化、网络化、集成化方向发展。1.3仪器仪表在自动化领域的作用仪器仪表在自动化领域具有重要作用，主要体现在以下几个方面：（1）实时监测：通过仪器仪表对生产过程中的各种参数进行实时监测，为生产操作提供依据。（2）自动控制：利用仪器仪表对生产过程进行自动控制，提高生产效率和产品质量。（3）故障诊断：通过仪器仪表对设备运行状态进行监测，发觉异常情况，及时进行故障诊断和排除。（4）数据记录与分析：仪器仪表可对生产过程中的数据进行记录，为生产管理和优化提供数据支持。（5）节能降耗：通过仪器仪表对生产过程进行优化控制，降低能源消耗，提高资源利用率。第2章自动化基础知识2.1自动化基本概念自动化技术是指利用一定的自动化装置及方法，对生产过程、科学研究、管理等领域进行控制、测量、监视和优化的一种技术。它涉及多个学科，如机械、电子、计算机、控制理论等。自动化的核心目标是提高生产效率、降低劳动强度、减少人为失误、保证产品质量及安全。2.2自动化系统的组成与分类自动化系统主要由以下几部分组成：（1）被控对象：指需要实现自动控制的设备、工艺或生产线。（2）控制器：根据给定指令，对被控对象进行控制，使其按照预定规律运行。（3）执行器：将控制器的输出信号转换为作用于被控对象的实际动作。（4）传感器与变送器：将被控对象的实际运行状态转换为电信号，传递给控制器。（5）通信与监控：实现各部件之间的信息传递与实时监控。根据不同的分类标准，自动化系统可分为以下几类：（1）按控制方式分类：开环控制、闭环控制、复合控制等。（2）按控制参数分类：连续控制、离散控制、混合控制等。（3）按应用领域分类：工业自动化、农业自动化、交通自动化、国防自动化等。2.3自动控制原理简介自动控制原理是自动化技术的基础，主要包括以下内容：（1）控制系统的数学模型：建立被控对象的数学模型，为控制器设计提供依据。（2）控制系统的功能指标：评价控制系统功能的标准，如稳定性、快速性、准确性等。（3）控制器设计方法：根据被控对象的数学模型和功能指标，设计合适的控制器。（4）控制系统仿真与优化：通过计算机仿真，验证控制器设计的有效性，并进行优化。（5）控制系统实现：将控制器设计应用于实际自动化系统，实现预定的控制目标。自动控制原理的研究与发展，为自动化技术的应用提供了理论支持，为各行业的高效、稳定、安全运行奠定了基础。第3章测量与传感器技术3.1测量基本概念测量是指用特定的方法，以确定量值的过程。在仪器仪表与自动化领域，测量技术起着的作用。测量的基本概念包括以下几点：（1）测量单位：测量单位是量度标准，用于表示被测量的大小。国际单位制（SI）是国际上通用的测量单位体系。（2）测量误差：测量误差是指测量结果与真实值之间的差异。误差分为系统误差、随机误差和偶然误差。（3）测量精度：测量精度是指测量结果与真实值接近的程度。提高测量精度是测量技术的重要任务。（4）测量方法：测量方法包括直接测量、间接测量、比较测量和计算测量等。（5）测量范围：测量范围是指测量设备能够测量的最大值和最小值。3.2常用传感器及其应用传感器是将非电量（如温度、压力、湿度等）转换为电量（如电压、电流等）的装置。常用的传感器有以下几种：（1）热电阻传感器：利用金属导体的电阻随温度变化的特性，实现温度测量。（2）热电偶传感器：利用两种不同金属导体的热电势差随温度变化的特性，实现温度测量。（3）压力传感器：利用弹性元件的变形与压力成正比的原理，实现压力测量。（4）湿度传感器：通过检测环境湿度对传感器元件的影响，实现湿度测量。（5）流量传感器：利用流体流动过程中产生的物理效应（如电磁效应、超声波等），实现流量测量。传感器在自动化领域具有广泛的应用，如过程控制、智能制造、环境监测等。3.3传感器信号处理与接口技术传感器输出的信号通常需要经过处理和转换，才能满足后续电路或系统的需求。传感器信号处理与接口技术主要包括以下几点：（1）信号放大：为了提高传感器输出信号的幅值，便于后续处理，常需要对信号进行放大。（2）滤波处理：为了抑制传感器信号中的噪声和干扰，需要对信号进行滤波处理。（3）线性化处理：对非线性传感器输出信号进行数学变换，使其呈线性关系，便于后续处理。（4）数字转换：将模拟传感器信号转换为数字信号，便于数字电路或计算机处理。（5）接口技术：传感器与后续电路或系统之间的连接技术，包括模拟接口、数字接口、串行接口等。传感器信号处理与接口技术在保证测量精度、提高系统稳定性和可靠性方面具有重要意义。在实际应用中，应根据具体需求选择合适的信号处理与接口技术。第4章显示与执行器技术4.1显示器件及其应用4.1.1液晶显示屏（LCD）液晶显示屏是一种利用液晶材料在电压作用下改变光学性质实现显示的器件。其具有低功耗、轻便、显示内容丰富等特点，广泛应用于工业控制、医疗设备、消费电子等领域。4.1.2发光二极管（LED）发光二极管是一种半导体器件，通过电致发光原理实现显示。LED显示器件具有高亮度、低功耗、长寿命等优点，适用于各种指示、显示和照明场合。4.1.3有机发光二极管（OLED）有机发光二极管是一种基于有机半导体材料的发光器件。其具有自发光、高对比度、广视角、快速响应等特点，广泛应用于手机、电视、虚拟现实设备等领域。4.1.4等离子显示屏（PDP）等离子显示屏采用等离子体技术实现显示，具有高亮度、高对比度、广视角等优点。但存在功耗较高、体积较大等问题，主要应用于大尺寸电视和公共显示领域。4.1.5电致发光显示屏（EL）电致发光显示屏利用电场激发发光材料发光，具有轻薄、广视角、低功耗等特点。但在亮度和寿命方面相对较低，适用于特殊场合的显示需求。4.2执行器概述执行器是将电信号转换为机械动作的装置，广泛应用于自动化控制系统中。根据工作原理和用途，执行器可分为以下几类：4.2.1电动执行器电动执行器采用电动机作为动力源，通过减速装置将高速旋转转换为低速高扭矩的机械动作，实现各种阀门、挡板、闸门等设备的控制。4.2.2气动执行器气动执行器利用压缩空气作为动力源，通过气动元件实现机械动作。具有结构简单、响应快速、无污染等优点，适用于各种工业场合。4.2.3液动执行器液动执行器采用液压油作为动力源，通过液压元件实现机械动作。具有输出力大、运行平稳、易于实现复杂动作等优点，适用于重型机械和大型设备。4.3常用执行器及其控制4.3.1电动执行器及其控制电动执行器包括开关型、调节型和智能型等类型。控制方式有手动控制、自动控制、远程控制等。主要应用于工业控制系统、建筑自动化、家居智能化等领域。4.3.2气动执行器及其控制气动执行器包括气缸、气马达、气阀等。控制方式有手动、电磁、气动逻辑等。广泛应用于轻工、化工、汽车制造等行业的自动化设备。4.3.3液动执行器及其控制液动执行器包括液压缸、液压马达、液压阀等。控制方式有手动、电动、液动等。主要应用于冶金、矿山、石油化工等行业的大型设备。4.3.4伺服执行器及其控制伺服执行器是一种高精度、高响应的执行器，采用伺服电机作为动力源。控制方式有模拟信号控制、数字信号控制等。广泛应用于、数控机床、精密定位装置等领域。第5章控制器及其应用5.1控制器基本原理控制器作为自动化系统中的核心部件，主要负责对生产过程进行监测、判断和调控。它通过对输入信号的采集、处理和输出信号的执行，实现对被控对象的控制。控制器基本原理包括开环控制和闭环控制两大类。5.1.1开环控制开环控制是指控制器的输出信号不依赖于被控对象的实际输出，仅根据输入信号和预设的控制策略进行控制。开环控制系统的优点是结构简单、成本低、易于实现，但缺点是抗干扰能力差，对模型的准确性要求较高。5.1.2闭环控制闭环控制是指控制器的输出信号与被控对象的实际输出形成反馈，根据反馈信号对控制策略进行调整。闭环控制系统的优点是具有较高的抗干扰能力和自适应能力，能更好地满足工业生产过程中的控制需求。5.2PLC及其应用PLC（可编程逻辑控制器）是一种广泛应用于自动化领域的数字运算控制器，其主要功能是对生产过程进行逻辑控制、定时控制、计数控制和数据处理等。5.2.1PLC的基本结构PLC主要由处理单元（CPU）、存储器、输入/输出接口、通信接口等组成。其中，CPU负责执行用户程序，存储器用于存储程序和数据，输入/输出接口负责与现场设备进行信号交换。5.2.2PLC的应用PLC在工业生产中具有广泛的应用，如：开关逻辑控制、运动控制、过程控制、数据处理等。PLC还可以与其他智能设备（如上位机、等）进行通信，实现自动化系统的集成。5.3PAC及其应用PAC（可编程自动化控制器）是一种集成了PLC、运动控制、人机界面等多种功能的控制器，具有较高的功能和灵活性。5.3.1PAC的基本特点PAC具有以下基本特点：（1）高功能：采用高功能CPU，满足高速、高精度的控制需求。（2）灵活性：支持多种编程语言，便于用户根据实际需求进行编程。（3）集成性：集成多种控制功能，简化系统结构，降低成本。（4）可扩展性：支持模块化设计，方便系统升级和功能扩展。5.3.2PAC的应用PAC在工业自动化领域具有广泛的应用，如：过程控制、运动控制、控制、数据采集与处理等。同时PAC还可以与其他智能设备（如上位机、PLC、工业等）进行集成，构建更为复杂的自动化系统。通过本章的学习，读者应掌握控制器的基本原理、PLC和PAC的结构及其应用。这将为后续的仪器仪表与自动化作业提供重要的理论支持。第6章通信与网络技术6.1通信基本概念通信是信息在时间与空间上的传递与交换，是现代仪器仪表与自动化系统中的关键技术。本章首先介绍通信的基本概念，为后续内容奠定基础。6.1.1通信系统模型通信系统主要由信源、发送设备、传输媒介、接收设备与信宿五部分组成。信源产生信息，经过发送设备编码、调制等处理后，通过传输媒介传输至接收设备，接收设备进行解调、解码等处理，最终将信息传递给信宿。6.1.2信号与信道信号是信息的载体，可分为模拟信号和数字信号。信道是信号传输的通道，包括有线信道和无线信道。信道的特性对通信系统的功能有重要影响。6.1.3通信方式根据信号传输的方向和时间关系，通信方式可分为单工、半双工和全双工。6.2现场总线技术现场总线技术是用于现场设备之间通信的一种数据通信技术，具有实时性、可靠性和开放性等特点。6.2.1现场总线概述现场总线是连接现场设备与控制系统的数据通信线路，主要负责现场设备之间的信息交换。现场总线技术的出现，为自动化系统提供了开放、互联的通信平台。6.2.2典型现场总线目前常见的现场总线标准有Profibus、FoundationFieldbus、LonWorks等。这些现场总线具有不同的技术特点和应用领域。6.2.3现场总线应用现场总线技术在工业自动化领域得到了广泛应用，如过程控制系统、制造执行系统等。6.3工业以太网技术工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，具有高速、高可靠性和实时性等特点。6.3.1工业以太网概述工业以太网是基于IEEE802.3标准，针对工业环境进行优化设计的通信网络。它将以太网技术应用于工业自动化领域，实现了生产现场设备与控制系统的实时、高效通信。6.3.2工业以太网关键技术工业以太网的关键技术包括实时通信、网络冗余、网络管理与网络安全等。6.3.3工业以太网应用工业以太网技术在生产制造、过程控制、远程监控等领域得到了广泛应用，为工业4.0和智能制造提供了重要支撑。本章主要介绍了通信与网络技术在仪器仪表与自动化系统中的应用，包括通信基本概念、现场总线技术和工业以太网技术。这些技术为仪器仪表与自动化系统的高效、可靠运行提供了保障。第7章数据处理与分析7.1数据处理基本方法数据处理是仪器仪表与自动化作业中的环节，其目的在于将采集到的原始数据转换为有价值的信息。本节将介绍几种常用的数据处理基本方法。7.1.1数据清洗数据清洗是指对原始数据进行审核、纠正和补充的过程，主要包括以下几个方面：（1）缺失值处理：对缺失的数据进行填充或删除；（2）异常值处理：识别并处理数据中的异常值；（3）数据一致性处理：保证数据在各个维度上的一致性。7.1.2数据预处理数据预处理是指对原始数据进行加工处理，使其满足后续分析要求的过程，主要包括以下几个方面：（1）数据转换：将数据转换成统一的格式或单位；（2）数据归一化：将数据压缩到[0,1]区间内，降低数据量纲和数量级的影响；（3）特征工程：提取数据中的有用特征，降低数据维度。7.1.3数据集成数据集成是指将来自不同来源的数据进行整合，形成一个统一的数据集。数据集成主要包括以下方法：（1）数据合并：将两个或多个数据集按照一定规则合并为一个数据集；（2）数据融合：将多个数据集在特征级别上进行整合，形成新的数据集。7.2数据分析与处理软件在进行数据处理与分析时，选择合适的软件工具可以提高工作效率。以下为几种常用的数据分析与处理软件。7.2.1ExcelExcel是微软公司推出的一款电子表格软件，具有强大的数据处理和分析功能。它适用于小型数据处理和初步分析。7.2.2SPSSSPSS（StatisticalPackagefortheSocialSciences）是一款专业的统计分析软件，适用于各种统计分析任务。7.2.3MATLABMATLAB（MatrixLaboratory）是一款数值计算和工程仿真软件，其数据分析功能强大，适用于复杂数据处理和分析。7.2.4PythonPython是一种广泛应用于数据分析和机器学习的编程语言。其丰富的库和框架（如NumPy、Pandas、Scikitlearn等）使其在数据处理和分析领域具有较高的效率。7.3数据可视化技术数据可视化是将数据以图形、图像等形式展示出来，以便更直观地发觉数据中的规律和趋势。以下为几种常用的数据可视化技术。7.3.1统计图表统计图表是数据可视化的一种基本形式，包括条形图、饼图、折线图等。它们可以直观地展示数据的分布、比例和趋势。7.3.2地图地图是一种地理数据可视化方法，可以展示地理位置、分布和空间关系。7.3.3散点图散点图可以展示两个变量之间的关系，适用于发觉数据中的相关性。7.3.4热力图热力图通过颜色变化来表示数据在空间上的分布和变化，适用于展示大量数据的密集程度。7.3.5交互式可视化交互式可视化允许用户在可视化界面中与数据进行交互，以便更深入地摸索数据。例如，Tableau、PowerBI等工具提供了丰富的交互式可视化功能。第8章自动化控制系统设计8.1自动化控制系统设计原则8.1.1实用性原则自动化控制系统的设计应充分考虑实际生产需求，保证系统具备较高的实用性。在满足生产工艺要求的前提下，力求系统结构简单、操作方便、维护便捷。8.1.2可靠性原则系统设计应遵循可靠性原则，保证系统在各种工况下稳定运行。关键部件应采用高可靠性产品，冗余设计应合理，以提高系统整体的可靠性。8.1.3先进性原则在设计过程中，应充分了解和掌握国内外自动化控制领域的先进技术，积极采用先进、成熟的技术和产品，提高系统功能。8.1.4经济性原则在满足系统功能和功能要求的前提下，力求降低系统投资成本。合理选型，优化设计，降低能耗，提高经济效益。8.1.5安全性原则系统设计应充分考虑生产过程中的安全因素，保证人员安全和设备完好。对可能存在危险的环节进行风险评估，采取相应的防护措施。8.2控制系统硬件设计8.2.1控制器选型根据系统功能要求和控制对象的特点，选择合适的控制器。主要考虑控制器的功能、容量、通信接口、编程软件等因素。8.2.2传感器和执行器选型根据生产过程的需求，选择合适的传感器和执行器。传感器应具备较高的精度和稳定性，执行器应具有足够的输出力和响应速度。8.2.3通信网络设计合理规划通信网络，保证数据传输的实时性和可靠性。根据系统规模和距离，选择合适的通信协议和传输介质。8.2.4电源设计保证控制系统电源的稳定性和安全性。对电源进行冗余设计，防止因电源故障导致系统瘫痪。8.3控制系统软件设计8.3.1控制算法设计根据生产工艺要求，选择合适的控制算法。主要包括PID控制、模糊控制、自适应控制等。8.3.2人机界面设计设计直观、易操作的人机界面，方便操作人员进行系统监控和参数调整。界面设计应符合操作习惯，降低误操作风险。8.3.3数据处理与分析设计数据采集、存储、处理和分析功能，为生产过程提供实时、准确的数据支持。8.3.4系统诊断与保护设计系统故障诊断和保护功能，对故障进行实时监测、诊断和处理，保证系统安全稳定运行。8.3.5系统组态与编程采用组态软件进行系统配置和编程，简化系统开发过程，提高开发效率。同时方便后期的维护和升级。第9章系统集成与调试9.1系统集成基本概念系统集成是将各个分散的仪器仪表设备、控制单元、软件及其他相关组成部分有机地结合成一个整体，使之形成一个稳定、可靠、高效的自动化系统。它是仪器仪表与自动化工程中的关键环节，关系到整个系统功能的优劣。系统集成主要包括硬件集成和软件集成两部分，其中硬件集成关注设备之间的物理连接和功能配合，软件集成则关注控制系统程序、应用程序及数据处理等方面的协同工作。9.2系统集成方法与步骤9.2.1方法（1）分析需求：了解用户需求，明确系统集成目标，为后续集成工作提供依据。（2）设计方案：根据需求分析，设计系统集成的总体方案，包括硬件配置、软件架构、通信接口等。（3）硬件集成：按照设计方案，进行设备选型、安装、接线等，保证硬件设备之间的兼容性和稳定性。（4）软件集成：开发、配置和调试控制系统程序、应用程序等，实现各软件之间的协同工作。（5）系统测试：对集成后的系统进行功能、功能、稳定性等测试，保证系统满足设计要求。9.2.2步骤（1）准备工作：收集相关资料，了解系统需求，确定集成目标和范围。（2）设备选型：根据系统需求，选择合适的仪器仪表、控制器、通信设备等。（3）设备安装：按照设计方案，进行设备的物理安装，包括设备固定、接线等。（4）硬件调试：检查硬件设备之间的连接是否正确，排除硬件故障。（5）软件开发与配置：根据需求，开发控制系统程序、应用程序等，并进行配置。（6）软件调试：对开发的软件进行功能测试、功能测试，保证软件正常运行。（7）系统联调：将各个设备、软件进行联合调试，保证整个系统稳定运行。（8）系统测试：对整个系统进行全面的测试，包括功能测试、功能测试、稳定性测试等，保证系统满