工厂自动化控制作业指导书范本1

工厂自动化控制作业指导书TOC\o"1-2"\h\u12828第1章自动化控制基础 4220021.1自动控制系统的概念 4320291.2自动控制系统的组成与分类 499281.2.1自动控制系统的组成 417141.2.2自动控制系统的分类 4248001.3控制系统的功能指标 529318第2章常用传感器与执行器 5294922.1传感器的工作原理与分类 5198972.2常用传感器及其应用 5287182.3执行器的分类与工作原理 6234702.4常用执行器及其应用 69664第3章控制器及其算法 6210633.1控制器的基本概念 6233433.2PID控制算法 7186733.3模糊控制算法 726653.4神经网络控制算法 731031第4章可编程逻辑控制器（PLC） 7227494.1PLC的组成与工作原理 793884.1.1PLC的基本组成 7297354.1.2PLC的工作原理 7213604.2PLC编程语言与编程方法 8228034.2.1PLC编程语言 8306254.2.2PLC编程方法 8327074.3PLC的故障诊断与维护 895794.3.1PLC故障诊断 8322534.3.2PLC维护 8196134.4PLC在自动化控制系统中的应用 930953第5章工业通信网络 920315.1工业通信网络的基本概念 9188925.1.1工业通信网络的定义 9305525.1.2工业通信网络的特点 955025.2常用工业通信协议 915675.2.1Modbus协议 10216785.2.2Profibus协议 10170525.2.3CAN协议 10315395.3现场总线技术 10237355.3.1基金会现场总线（FoundationFieldbus） 1079335.3.2HART协议 10188575.4工业以太网技术 10172435.4.1EtherCAT协议 10160195.4.2PROFINET协议 10214305.4.3OPCUA协议 11217第6章人机界面与监控组态软件 11289226.1人机界面的作用与分类 11170096.2常见人机界面产品及其应用 1138866.3监控组态软件的功能与特点 12126726.4常用监控组态软件及其应用 123358第7章电机控制与运动控制 12240557.1电机控制基础 12322567.1.1电机控制概述 12279267.1.2电机类型及特点 13239227.1.3电机控制器件 1346007.2交流电机控制技术 13266987.2.1交流电机启动控制 13152567.2.2交流电机调速技术 13268967.2.3交流电机制动控制 13112517.3直流电机控制技术 13320257.3.1直流电机启动控制 1323477.3.2直流电机调速技术 13162797.3.3直流电机制动控制 13166047.4运动控制系统的组成与设计 13292177.4.1运动控制系统的组成 1458917.4.2运动控制系统的设计 14139497.4.3运动控制系统的实现 1417695第8章工业 14193788.1工业的分类与结构 14295718.1.1直角坐标型 1442638.1.2圆柱坐标型 14260838.1.3球坐标型 14248078.1.4关节臂型 14157818.1.5并联型 14174638.2工业的控制系统 1419318.2.1控制系统原理 14287058.2.2硬件配置 14142378.2.3软件设计 14211588.3工业的编程与操作 1434598.3.1编程方法 14224518.3.2编程语言 15278338.3.3操作技巧 15263868.4工业的应用与维护 15202818.4.1应用领域 15181438.4.2应用案例 15283008.4.3日常维护 15119938.4.4故障排除 1524169第9章自动化控制系统设计 15314909.1自动化控制系统设计的原则与步骤 15279799.1.1设计原则 1582949.1.2设计步骤 156709.2系统数学模型的建立 15238199.2.1建立数学模型的意义 16121519.2.2建立数学模型的方法 1692919.3控制器的设计与参数整定 1635749.3.1控制器设计原则 1649139.3.2常用控制器设计方法 16114529.3.3参数整定方法 16216489.4系统仿真与优化 16284539.4.1系统仿真 16232709.4.2优化方法 16205069.4.3仿真与优化软件 1617995第10章自动化控制系统的实施与维护 17940410.1系统实施前的准备工作 171613410.1.1完成系统设计：保证所有自动化控制系统的设计图纸、技术参数和功能要求均已审查无误。 17953810.1.2设备材料验收：对采购的设备、材料进行验收，保证其质量符合国家标准和系统要求。 17446510.1.3人员培训：组织相关技术人员进行系统操作、维护及故障处理的培训，保证人员熟练掌握相关技能。 173012410.1.4现场施工准备：明确施工方案，办理施工手续，做好现场施工前的各项准备工作。 173234110.2系统的安装与调试 173001910.2.1设备安装：按照设计图纸和技术要求进行设备安装，保证设备安装位置、接线及布局合理。 17279610.2.2传感器安装：校验传感器精度，保证传感器安装稳固，便于信号采集。 17486910.2.3电气接线：按照电气图纸进行接线，保证接线正确、可靠，避免电气故障。 171386410.2.4系统调试：对系统进行调试，包括硬件调试和软件调试，保证系统各部件工作正常，满足设计要求。 17573310.3系统的运行与维护 172583810.3.1运行监控：实时监控系统运行状态，保证系统稳定运行，发觉异常及时处理。 17179610.3.2定期检查：对系统设备、传感器、电气线路等进行定期检查，及时发觉问题并进行维修或更换。 17957010.3.3预防性维护：根据设备运行情况制定预防性维护计划，降低设备故障率。 172952510.3.4备品备件管理：合理储备关键设备和部件的备品备件，保证系统出现故障时能及时维修。 171062810.4故障分析与处理方法 18545310.4.1故障诊断：通过系统自检、故障报警等信息，对故障进行定位，分析故障原因。 18707410.4.2故障排除：针对不同故障原因，采取相应的方法进行排除，如调整设备参数、更换故障部件等。 181726210.4.3应急处理：在故障处理过程中，如遇紧急情况，应立即采取措施，保证系统安全。 182878910.4.4故障记录与分析：详细记录故障现象、原因和处理过程，为预防类似故障提供参考。 18第1章自动化控制基础1.1自动控制系统的概念自动控制系统是指采用一定的控制策略，利用控制器对被控对象进行自动调节，使被控量满足预定的控制要求的技术系统。自动控制系统广泛应用于工业生产、航空航天、交通运输、环境保护等领域，对于提高生产效率、保障产品质量、降低劳动强度具有重要意义。1.2自动控制系统的组成与分类1.2.1自动控制系统的组成自动控制系统主要由以下五个部分组成：（1）被控对象：指需要控制的物理量或过程。（2）控制器：根据预定的控制策略，对被控对象进行自动调节的设备。（3）执行器：将控制器的输出信号转换为被控对象的控制动作。（4）反馈元件：将被控对象的实际输出信号反馈至控制器，以实现闭环控制。（5）比较元件：将设定值与反馈信号进行比较，产生误差信号。1.2.2自动控制系统的分类根据不同的分类标准，自动控制系统可分为以下几类：（1）开环控制系统：无反馈环节，控制器的输出信号不依赖于被控对象的实际输出。（2）闭环控制系统：具有反馈环节，控制器的输出信号依赖于被控对象的实际输出。（3）线性控制系统：系统输出与输入之间存在线性关系。（4）非线性控制系统：系统输出与输入之间存在非线性关系。（5）定值控制系统：控制目标是使被控量稳定在某一设定值。（6）随动控制系统：控制目标是使被控量跟随某一给定信号变化。1.3控制系统的功能指标评价控制系统的功能指标主要有以下几个：（1）稳定性：系统在受到外部扰动或初始条件变化后，能否迅速恢复到设定值附近。（2）快速性：系统响应速度的快慢，即从初始状态到达设定值所需的时间。（3）准确性：系统输出与设定值之间的偏差大小。（4）平稳性：系统在稳态运行时，输出量的波动幅度。（5）抗扰性：系统抵抗外部扰动的能力。（6）鲁棒性：系统在参数变化或模型不确定性下的功能表现。第2章常用传感器与执行器2.1传感器的工作原理与分类传感器作为自动化控制系统中的重要组成部分，其主要功能是将各种被测物理量转换成电信号，便于控制系统进行处理。传感器的工作原理依据其转换物理量的类型而不同，一般可分为以下几类：（1）物理传感器：利用物理效应将被测物理量转换为电信号，如光电效应、磁电效应、热电效应等。（2）化学传感器：通过化学反应将被测物质的化学性质转换为电信号。（3）生物传感器：基于生物材料或生物体的特定生物反应，将被测物质转换为电信号。传感器分类如下：（1）按被测物理量分类：温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器等。（2）按工作原理分类：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、电磁式传感器等。2.2常用传感器及其应用在实际工厂自动化控制系统中，常用传感器包括以下几种：（1）温度传感器：如热电偶、热电阻、集成温度传感器等，应用于各种工业生产过程中的温度控制。（2）压力传感器：如压电式传感器、应变式传感器等，应用于液压、气动控制系统中的压力检测。（3）流量传感器：如电磁流量计、涡街流量计等，应用于液体、气体流量的测量与控制。（4）位移传感器：如电位计式位移传感器、电感式位移传感器等，应用于机械设备的位移、位置检测。2.3执行器的分类与工作原理执行器是自动化控制系统的另一重要组成部分，其作用是根据控制信号对被控对象进行操作。执行器的分类如下：（1）电动执行器：利用电动机驱动，如交流电动机、直流电动机、步进电动机等。（2）气动执行器：利用压缩空气驱动，如气缸、气马达等。（3）液压执行器：利用液体压力驱动，如液压缸、液压马达等。执行器的工作原理是根据控制信号，通过驱动装置实现被控对象的运动或状态改变。2.4常用执行器及其应用在实际工厂自动化控制系统中，常用执行器包括以下几种：（1）电动执行器：应用于各种自动化生产线、等场合，实现运动控制、位置控制等功能。（2）气动执行器：广泛应用于工业自动化领域的夹紧、推送、拉拔等动作，具有响应快、成本低等优点。（3）液压执行器：在重载、高速、高精度等场合具有明显优势，如金属加工、汽车制造等行业。（4）智能执行器：集成了传感器、控制器等部件，可实现复杂控制策略，应用于高精度定位、自适应控制等领域。第3章控制器及其算法3.1控制器的基本概念控制器是工厂自动化系统中的核心组成部分，主要负责对生产过程进行实时监控与调节，保证系统输出符合预定的功能指标。控制器根据给定的控制策略，对被控对象进行控制，以减小或消除实际输出与期望输出之间的误差。本节将介绍控制器的基本概念，包括控制器的分类、功能指标及选型原则。3.2PID控制算法PID（Proportional,Integral,Derivative）控制算法是应用最广泛的一种控制策略，具有结构简单、参数易于调整等优点。PID控制器根据控制对象的实际输出与期望输出之间的误差，按照比例、积分、微分三个环节进行调节，实现对被控对象的控制。本节将详细阐述PID控制算法的原理、参数调整方法及其在工厂自动化系统中的应用。3.3模糊控制算法模糊控制算法是基于模糊逻辑的一种控制方法，适用于处理难以建立精确数学模型的复杂系统。模糊控制器的核心是模糊推理机，通过将实际输出与期望输出的误差进行模糊化处理，利用模糊规则进行推理，最终得到控制量。本节将介绍模糊控制算法的基本原理、模糊控制器的设计方法以及在工厂自动化系统中的应用实例。3.4神经网络控制算法神经网络控制算法是基于人工神经网络理论的一种控制方法，具有较强的自适应能力、学习能力和容错能力。神经网络控制器通过训练和学习，可以实现对被控对象的建模和控制。本节将重点讨论神经网络控制算法的原理、神经网络控制器的设计方法及其在工厂自动化系统中的应用前景。第4章可编程逻辑控制器（PLC）4.1PLC的组成与工作原理4.1.1PLC的基本组成可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）是一种广泛应用于自动化控制领域的数字运算控制器。PLC主要由处理单元（CPU）、存储器、输入/输出接口（I/O）、通信接口、电源模块及编程设备等组成。4.1.2PLC的工作原理PLC工作原理主要包括：输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。在输入采样阶段，PLC对输入信号进行采样，将模拟量信号转换为数字量信号；在用户程序执行阶段，CPU根据用户程序对输入信号进行处理，并输出信号；在输出刷新阶段，PLC将数字量输出信号转换为模拟量信号，驱动执行器完成相应操作。4.2PLC编程语言与编程方法4.2.1PLC编程语言PLC编程语言主要包括以下几种：（1）梯形图（LD）：类似于电气原理图，易于理解和掌握，是应用最广泛的PLC编程语言。（2）指令列表（IL）：采用指令的文本形式编写程序，便于计算机处理。（3）功能块图（FBD）：以功能块为基本单位，通过图形化方式表示程序结构，便于模块化编程。（4）顺序功能图（SFC）：采用流程图方式表示程序，适用于顺序控制。（5）结构化文本（ST）：采用高级编程语言风格，适用于复杂算法的实现。4.2.2PLC编程方法PLC编程方法主要包括以下几种：（1）逻辑编程：根据控制系统的逻辑关系，采用梯形图、指令列表等编程语言编写程序。（2）模块化编程：将程序划分为多个功能模块，便于调试和维护。（3）结构化编程：采用层次化、模块化的方法，提高程序的可读性和可维护性。4.3PLC的故障诊断与维护4.3.1PLC故障诊断PLC故障诊断主要包括以下方面：（1）输入/输出故障：检查输入/输出模块、传感器、执行器等设备是否正常工作。（2）电源故障：检查电源模块、电缆、插头等是否正常。（3）CPU故障：检查CPU模块、内存、通信接口等是否正常。（4）程序故障：检查程序是否正确，排除逻辑错误。4.3.2PLC维护为保证PLC系统的稳定运行，应定期进行以下维护：（1）清理设备：定期清理PLC及其周边设备，保证设备散热良好。（2）检查电缆：检查输入/输出电缆、通信电缆等是否破损，连接是否牢固。（3）更换备件：定期更换易损件，如继电器、传感器等。（4）备份程序：定期备份程序和重要数据，防止意外丢失。4.4PLC在自动化控制系统中的应用PLC在自动化控制系统中的应用广泛，主要包括以下领域：（1）过程控制：如化工、石油、电力等行业，实现对生产过程的自动控制。（2）顺序控制：如电梯、自动化生产线等，实现设备按预定顺序运行。（3）运动控制：如数控机床、等，实现精确的运动控制。（4）数据处理：如数据采集、监测、报警等，实现信息的实时处理和传输。第5章工业通信网络5.1工业通信网络的基本概念工业通信网络是工厂自动化控制系统的重要组成部分，主要负责实现各种设备、控制器、传感器及执行器之间的信息交换与数据传输。本章主要介绍工业通信网络的基本概念、常用工业通信协议、现场总线技术以及工业以太网技术。5.1.1工业通信网络的定义工业通信网络是指在工业生产过程中，为实现各类设备、控制器、传感器和执行器之间的信息交换与数据传输，采用特定的通信协议和传输介质组成的网络系统。5.1.2工业通信网络的特点（1）实时性：工业通信网络需满足实时性要求，保证数据在规定时间内完成传输。（2）可靠性：工业通信网络需具有高可靠性，以保证生产过程的稳定运行。（3）可扩展性：工业通信网络应具备良好的可扩展性，便于后期系统升级和扩展。（4）兼容性：工业通信网络应支持多种通信协议和设备，实现不同厂商设备的互联互通。5.2常用工业通信协议工业通信协议是工业通信网络中的核心部分，负责规定数据的传输格式、传输速率、同步方式等。以下为几种常用工业通信协议：5.2.1Modbus协议Modbus协议是一种串行通信协议，广泛应用于工业领域。它采用主从通信模式，支持多种传输介质，如串行线、以太网等。5.2.2Profibus协议Profibus协议是一种现场总线通信协议，具有高速、实时、可靠等特点。它适用于工厂自动化领域，支持多种传输介质，如双绞线、光缆等。5.2.3CAN协议控制器局域网络（ControllerAreaNetwork，CAN）协议是一种高可靠性的通信协议，广泛应用于汽车和工业领域。它具有短帧结构、非破坏性仲裁、多主通信等特点。5.3现场总线技术现场总线技术是工业通信网络的重要组成部分，主要负责实现现场设备与控制设备之间的数据传输。以下为几种常见的现场总线技术：5.3.1基金会现场总线（FoundationFieldbus）基金会现场总线是一种开放、数字化的通信协议，适用于过程控制领域。它支持多主通信，具有高实时性和高可靠性。5.3.2HART协议HART（HighwayAddressableRemoteTransducer）协议是一种用于智能仪表的通信协议，具有高速、实时、可靠等特点。它采用模拟信号和数字信号混合传输的方式，实现了在现有模拟系统的基础上进行数字化升级。5.4工业以太网技术工业以太网技术是近年来逐渐在工业通信网络领域得到广泛应用的一种技术，它具有高速、高带宽、低成本等优点。5.4.1EtherCAT协议EtherCAT（EthernetforControlAutomationTechnology）协议是一种高速、实时、以太网通信协议，具有纳秒级同步功能。它适用于运动控制、过程控制等领域。5.4.2PROFINET协议PROFINET协议是一种支持实时通信的工业以太网协议，适用于工厂自动化领域。它具有高实时性、高可靠性、易扩展性等特点。5.4.3OPCUA协议OPCUA（OpenPlatformCommunicationsUnifiedArchitecture）协议是一种跨平台的、面向服务的通信协议，支持多种传输协议和数据格式。它为工业自动化领域提供了一种统一的通信框架。第6章人机界面与监控组态软件6.1人机界面的作用与分类人机界面（HumanMachineInterface，HMI）是工厂自动化控制系统的重要组成部分，它为操作人员与自动化设备之间的交互提供了平台。人机界面的作用主要包括：数据采集与显示、过程监控、操作指令发送、报警处理等。人机界面可分为以下几类：（1）按钮式人机界面：通过物理按钮实现操作指令的发送。（2）触摸式人机界面：通过触摸屏实现操作指令的发送。（3）图形化人机界面：以图形、文字、动画等形式展示设备运行状态，便于操作人员监控。（4）语音式人机界面：通过语音识别与合成技术实现人机交互。6.2常见人机界面产品及其应用常见的人机界面产品有：（1）西门子SIMATICHMI：广泛应用于工业自动化领域，具有强大的数据处理和显示功能。（2）施耐德ModiconHMI：适用于各种工业场合，具有良好的兼容性和扩展性。（3）ABRockwellHMI：广泛应用于过程控制和离散制造领域，支持多种通讯协议。（4）BeijerElectronicsX2系列：具有紧凑型设计，适用于空间受限的场合。这些人机界面产品在工厂自动化控制系统中，广泛应用于生产线监控、设备管理、参数设置等场景。6.3监控组态软件的功能与特点监控组态软件（SupervisoryControlandDataAcquisition，SCADA）是用于监控和控制工业过程的软件系统。其主要功能包括：（1）数据采集与处理：实时采集设备数据，进行数据处理和分析。（2）过程监控：以图形化方式显示设备运行状态，便于操作人员实时了解生产情况。（3）报警与事件处理：对设备异常情况进行报警，记录并分析事件。（4）历史数据存储与分析：存储历史数据，提供数据查询、趋势分析等功能。监控组态软件的特点：（1）模块化设计：便于根据实际需求进行功能扩展。（2）开放性：支持多种硬件设备和通讯协议。（3）易用性：界面友好，操作简便。（4）可靠性：具有高稳定性和安全性，保证生产过程的正常运行。6.4常用监控组态软件及其应用常用的监控组态软件有：（1）WonderwareInTouch：广泛应用于各种工业领域，具有强大的数据处理和图形显示功能。（2）RockwellRSView：与ABRockwell硬件产品具有良好的兼容性，适用于过程控制和离散制造领域。（3）SchneiderElectricVijeoCitect：适用于大型、复杂的工业过程监控，具有高可靠性。（4）SiemensWinCC：与SIMATICHMI产品紧密集成，广泛应用于工业自动化领域。这些监控组态软件在工厂自动化控制系统中，广泛应用于生产线监控、能源管理、设备维护等场景。第7章电机控制与运动控制7.1电机控制基础7.1.1电机控制概述电机控制是工厂自动化控制的重要组成部分，涉及到电机的启动、停止、转向、速度调节等功能。本章主要介绍电机控制的基本原理、方法和相关技术。7.1.2电机类型及特点本节主要介绍常用的电机类型，包括交流电机、直流电机、步进电机和伺服电机等，并分析各自的特点和适用场合。7.1.3电机控制器件介绍常用的电机控制器件，如接触器、继电器、晶体管、集成电路等，并阐述其在电机控制中的应用。7.2交流电机控制技术7.2.1交流电机启动控制本节介绍交流电机的启动控制方法，包括直接启动、星角启动、自耦启动和软启动等，分析各种启动方法的优缺点。7.2.2交流电机调速技术介绍交流电机调速的常见方法，如变频调速、转子串电阻调速、电磁调速等，并分析各自的调速功能和应用场合。7.2.3交流电机制动控制阐述交流电机的制动原理，介绍常用的制动方法，如能耗制动、反接制动和回馈制动等。7.3直流电机控制技术7.3.1直流电机启动控制本节介绍直流电机的启动控制方法，包括直接启动、降压启动、电阻启动和自励启动等，分析各种启动方法的优缺点。7.3.2直流电机调速技术介绍直流电机调速的常见方法，如调节励磁电流调速、调节电枢电压调速、脉冲宽度调制（PWM）调速等，并分析各自的调速功能和应用场合。7.3.3直流电机制动控制阐述直流电机的制动原理，介绍常用的制动方法，如能耗制动、反接制动和回馈制动等。7.4运动控制系统的组成与设计7.4.1运动控制系统的组成本节介绍运动控制系统的基本组成，包括控制器、驱动器、电机和反馈装置等，并分析各部分的功能和相互关系。7.4.2运动控制系统的设计介绍运动控制系统设计的基本原则和方法，包括系统需求分析、控制器选型、驱动器选型、电机选型及反馈装置选型等。7.4.3运动控制系统的实现本节阐述运动控制系统的实现过程，包括硬件设计、软件设计、系统集成和调试等环节。同时介绍常见的运动控制算法及其在工程中的应用。第8章工业8.1工业的分类与结构本节主要介绍工业的分类及各类型的结构特点。工业按照关节类型可分为以下几类：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节臂型及并联型。各类具有不同的结构特点和运动范围，适用于不同的工业应用场景。8.1.1直角坐标型8.1.2圆柱坐标型8.1.3球坐标型8.1.4关节臂型8.1.5并联型8.2工业的控制系统本节主要阐述工业的控制系统原理、硬件配置及软件设计。控制系统是工业的核心部分，负责对的运动、速度、加速度等参数进行实时控制。8.2.1控制系统原理8.2.2硬件配置8.2.3软件设计8.3工业的编程与操作本节主要介绍工业的编程方法和操作技巧。通过掌握编程与操作，可以实现工业在生产过程中的自动化应用。8.3.1编程方法8.3.2编程语言8.3.3操作技巧8.4工业的应用与维护本节主要分析工业在不同领域的应用案例，并介绍其日常维护方法，以保证的稳定运行。8.4.1应用领域8.4.2应用案例8.4.3日常维护8.4.4故障排除通过对本章的学习，读者可以全面了解工业的分类、结构、控制系统、编程与操作以及应用与维护等方面的知识，为工厂自动化控制提供有力支持。第9章自动化控制系统设计9.1自动化控制系统设计的原则与步骤9.1.1设计原则在设计工厂自动化控制系统时，应遵循以下原则：（1）保证系统安全、稳定、可靠运行；（2）满足生产工艺要求，提高生产效率；（3）节能降耗，降低生产成本；（4）系统具有良好的可扩展性和可维护性；（5）符合国家和行业标准。9.1.2设计步骤（1）分析生产工艺，明确控制需求；（2）选择合适的控制系统硬件和软件；（3）建立系统数学模型；（4）设计控制器，并进行参数整定；（5）进行系统仿真与优化；（6）系统集成与调试；（7）系统运行与维护。9.2系统数学模型的建立9.2.1建立数学模型的意义数学模型是描述系统动态特性的抽象表示，建立准确的数学模型有利于分析系统功能、设计控制器和进行系统仿真。9.2.2建立数学模型的方法（1）机理建模：根据物理定律、化学定律等，推导出系统的数学表达式；（2）实验建模：通过实验数据，利用系统辨识方法建立数学模型；（3）仿真建模：根据系统结构和参数，利用仿真软件建立数学模型。9.3控制器的设计与参数整定9.3.1控制器