在这篇文章中，我们将看到工业自动化的概述，工业自动化的优缺点是什么，不同类型的自动化系统，不同级别的典型工业自动化应用等等。
大纲
介绍
自英国工业革命时期以来，人们一直在努力开发复杂的技术，以帮助人们完成不同的生产任务。
工业生产过程由一系列的机器组成，通过这些机器，原料的组合经过并转化成最终产品。在这里，术语“机器”可以是电机、钻机、传送带等，属于机电设备或化学机器，如烤箱、烘干机、化学燃烧系统等。
今天，工业自动化已经接管了工业生产过程，很难想象没有自动化系统的生产线。导致自动化系统在工业生产中实施的因素有:产品的高质量要求、产品可靠性的高期望值、大批量生产等。
什么是工业自动化?
工业自动化是借助数字化逻辑编程来操作机器和其他工业设备，并借助机械化设备减少人类对决策和手工命令过程的干预的过程。
上面的定义肯定不是一个简单的理解，但让我们试着通过一个小例子来理解什么是工业自动化。
理解工业自动化的例子
假设一个手工工业生产过程中，操作员正在观察烤箱的温度。假设任务是达到一个特定的温度，并保持这个温度大约30分钟。
因此，操作者必须首先通过控制阀门来调节进入烤箱的燃料量，将温度提高到所需的量。一旦达到了所需的温度，就必须通过不断调整阀门来保持，即在接下来的30分钟内根据温度增加或减少燃料。
现在，有了工业自动化，整个过程无需操作者的帮助就能完成。首先，在烤箱附近放置一个温度传感器，它将温度报告给电脑。
现在，有一个电动阀门，它也由电脑控制，供燃料到烤箱。根据传感器的温度读数，计算机将打开阀门，允许更多的燃料开始。一旦达到所需的温度，阀门就关闭。
但计算机可以根据温度读数打开或关闭阀门，甚至允许微量的燃料流动。计算机中的计时器将在30分钟后显示，计算机可以完全关闭系统。
上面的例子可能看起来很模糊，但它有助于理解一个典型的工业自动化系统是如何实现的。在上面的例子中，完全没有人为干预，整个任务完全由自动化系统完成。
工业自动化的动机
自动化这个词是由福特汽车公司的一位工程师创造的，他是工业自动化和制造流水线的先驱。一开始，工业生产过程是基于工人的眼睛、手和大脑，而不是现代的传感器、执行器和计算机。
最初，在生产过程中实现自动化的重点是用一台独立的机器代替人工。最初，这些独立的机器必须由一名人类主管来协调，以保证生产过程的顺利进行。
但是随着科技的发展模拟和数字控制系统，微处理器和plc(可编程逻辑控制器)和各种传感器，它已经变得非常容易同步几个独立的机器和过程，实现真正的工业自动化。
随着工业经济的崛起，工业自动化的经营策略也随着时间的推移而改变。如今，实现工业自动化的基本动机是:
- 增加产量
- 降低成本，特别是人力成本
- 提高产品质量
- 有效使用原材料
- 减少能源消耗
- 增加企业利润
在工业生产过程中使用自动化还有一些次要的动机，比如为操作人员提供一个安全的环境，减少环境污染等。
工业自动化过程的层次
描述工业自动化过程的层次有几种方法，但最简单的是下面典型的工业自动化应用程序的三个层次表示的层次三角形。
主管级别
主管级位于层次结构的顶端，通常由一台工业PC组成，它通常可以作为桌面PC、面板PC或机架式PC使用。这些电脑运行在标准的操作系统和特殊的软件上，通常由供应商提供工业过程控制。
该软件的主要目的是过程可视化和参数化。特殊的工业以太网用于通信，可以是千兆局域网或任何无线拓扑(WLAN)。
控制水平
控制级别是层次结构中的中层，所有与自动化相关的程序都在这一级别执行。为此目的，通常使用可编程逻辑控制器或plc，它们提供实时计算能力。
plc通常使用16位或32位微控制器实现，并运行在专有的操作系统上，以满足实时需求。plc还能够与多个I/O设备接口，并可以通过各种通信协议(如can)进行通信。
字段级别
像传感器和执行器这样的终端设备在这个层次中被归类为现场级。温度、光学、压力等传感器和电机、阀门、开关等执行器通过现场总线连接到PLC上，现场级设备和相应的PLC之间的通信通常是基于点对点的连接。
利用有线和无线网络进行通信，PLC还可以对各种部件进行诊断和参数化。
此外，一个工业自动化过程系统还需要两个主要系统。它们是:
- 工业电源
- 安全与保护
在层次结构的不同层次中，不同系统的功率需求可能会非常不同。例如，plc通常运行在24V直流，而重型电机运行在单相或三相交流。
因此，要实现无故障运行，需要一个范围广泛的合适的输入电源。此外，应该有安全的软件被用来控制plc，因为它可以很容易被修改或损坏。
考虑到上述所有层次及其相应的组成部分，一个典型的工业自动化系统将具有如下结构。
工业自动化系统的类型
既然我们已经看到了一些关于一个典型的工业自动化系统的布局，让我们继续讨论不同类型的工业自动化系统。工业自动化系统通常分为四类。
- 固定的自动化系统
- 可编程自动化系统
- 灵活的自动化系统
- 综合自动化系统
固定的自动化系统
在固定自动化系统中，生产设备是固定的，有一组固定的操作或任务，这些操作很少有任何变化。固定自动化系统通常用于连续流过程，如输送机和批量生产系统。
可编程自动化系统
在可编程自动化系统中，操作的顺序和机器的配置可以通过电子控制来改变。这个系统需要大量的时间和精力来重新编程的机器，通常用于批量生产过程。
灵活的自动化系统
一个灵活的自动化系统通常，总是由计算机控制，通常在产品变化频繁的地方实施。数控机床就是这个系统的典型例子。操作员给计算机的代码是特定工作所特有的，并基于该代码，机器获得生产所需的必要工具和设备。
综合自动化系统
综合自动化系统是一组独立的机器、过程和数据，在一个控制系统的指挥下同步工作，实现一个生产过程的自动化系统。计算机辅助设计(CAD)，计算机辅助制造(CAM)，计算机控制的工具和机器，机器人，起重机和输送机都通过复杂的调度和生产控制集成在一起。
工业自动化的优点和缺点
优势
- 由人工操作人员执行的繁琐的体力工作，可以很容易地取代。
- 操作者可以避免在极端温度、污染、有毒元素或放射性物质的危险生产环境中工作。
- 典型的人工操作人员很难完成的任务可以很容易地完成。这些任务包括搬运重物和大型物品，处理极小的物体等。
- 生产总是更快，产品的成本大大降低(与手工操作生产的相同产品相比)。
- 几个质量控制检查可以集成到生产过程中，以提供一致性和一致性。
- 该行业的经济可以得到显著的改善，这对生活水平有直接的影响。
缺点
- 失去工作。由于大部分工作都是由机器完成的，所以对体力劳动的要求就大大降低了。
- 所有想要完成的任务都不能用当前的技术实现自动化。例如，形状和尺寸不规则的产品最好留给人工组装。(这一趋势似乎正在随着先进的计算机和算法而改变)。
- 在某些生产过程中，如大批量生产、可重复和一致的产品，采用自动化是可行的。
- 实现自动化系统的初始成本非常高。
- 维护和服务总是需要一组熟练的人员。
