自控设备开发及应项目计划书

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1、自控设备开发及应用一、工业自控设备开发的行业背景1、工业控制行业概述随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有 的变革，开始向网络化方向发展控制系统的结构从最初的CCS （计算机集中控制系统），到 第二代的DCS（分散控制系统），发展到现在流行的FCS （现场总线控制系统）。对诸如图像、 语音信号等大数据量、高速率传输的要求，又催生了当前在商业领域风靡的以太网与控制网 络的结合。这股工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、 无线技术等多种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发 展机遇。2、工业控制行业发展趋

2、势计算机及网络技术与控制系统的发展有着紧密的联系。最早在50年代中后期，计算机 就已经被应用到控制系统中。60年代初，出现了由计算机完全替代模拟控制的控制系统，被 称为直接数字控制（DirectDigitalControl, DDC）。70年代中期,随着微处理器的出现，计算 机控制系统进入一个新的快速发展的时期,1975年世界上第一套以微处理为基础的分散式计 算机控制系统问世，它以多台微处理器共同分散控制，并通过数据通信网络实现集中管理, 被称为集散控制系统（DistributedControlSystem, DCS）.进入80年代以后，人们利用微处理器和一些外围电路构成了数字式仪表以取代模拟

3、仪 表，这种DDC的控制方式提高了系统的控制精度和控制的灵活性，而且在多回路的巡回采 样及控制中具有传统模拟仪表无法比拟的性能价格比。80年代中后期，随着工业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多,单一的DDC控制系 统已经不能满足现场的生产控制要求和生产工作的管理要求，同时中小型计算机和微机的性 能价格比有了很大提高。于是，由中小型计算机和微机共同作用的分层控制系统得到大量应 用。进入90年代以后，由于计算机网络技术的迅猛发展，使得DCS系统得到进一步发展， 提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域DCS仍然占据着主导地位，但是DCS不具备开放性，布线复杂，费用较高，不同厂家产品的集

4、成存在很大困难.从八十年代后期开始，由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装 置等现场设备智能化，人们便开始寻求用一根通信电缆将具有统一的通信协议通信接口的现 场设备连接起来，在设备层传递的不再是I/O (420mA/24VDC)信号，而是数字信号，这 就是现场总线由于它解决了网络控制系统的自身可靠性和开放性问题，现场总线技术逐渐 成为了计算机控制系统的发展趋势从那时起，一些发达的工业国家和跨国工业公司都纷纷 推出自己的现场总线标准和相关产品，形成了群雄逐鹿之势.3、自动控制行业发展随着工业控制行业的发展，自动控制也随着这波科技潮迎来了属于自己的新时代。自 动控制是指在没有人直接

5、参与的情况下，利用外加的设备或装置,使机器、设备或生产过程的 某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行.自动控制是相对人工控制概念而言的.4、自动控制发展历程(1)、40年代一-60年代初：需求动力：市场竞争，资源利用，减轻劳动强度,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。(2)、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

6、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。(3)、70年代中期-至今：需求动力：市场环境的变化，使多品种、中小批量生产中普遍性问题愈发严重，要求自 动化技术向其广度和深度发展，使其各相关技术高度综合，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CIM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

7、散独立的单元自动化技术集成为一个优化的整体。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：数据获取、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工作模式自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）。随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，为适应宇航技术的发展，自动 控制理论跨入了一个新阶段-现代控制理论。主要研究具有高性能，高精度的多变量变参 数

8、的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法目前，自动控制理论还在 继续发展，正向以控制论,信息论，仿生学为基础的智能控制理论深入。二、工业控制中的常见控制器选择作为自动控制系统的控制主体，控制器的应用尤为重要，就目前在现代工业中，工控机和 PLC是常用的两种控制主体，两者在工业中都有着举足轻重的地位。工控机全称工业控制计算机，是专门为工业控制设计的计算机，用于对生产过程中使用 的机器设备、生产流程、数据参数等进行监测与控制。工控机经常会在环境比较恶劣的环境 下运行，对数据的安全性要求也更高,所以工控机通常会进行加固、防尘、防潮、防腐蚀、防 辐射等特殊设计。工控机对于扩展性的要求也

9、非常高，接口的设计需要满足特定的外部设备, 因此大多数情况下工控机需要单独定制才能满足需求.目前工控机的主要类别有：IPC （PC总线工业电脑）、PLC （可编程控制系统）、DCS （分散型控制系统）、FCS （现场总线系统）及CNC（数控系统）五种.1、IPC即基于PC总线的工业电脑。据2000年IPC统计目前PC机已占到通用计算机的95% 以上,因其价格低、质量高、产量大、软/硬件资源丰富，已被广大的技术人员所熟悉和认可, 这正是工业电脑热的基础其主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的各种板 卡组成，如CPU卡、I/O卡等。并采取全钢机壳、机卡压条过滤网，双正压风扇等设计及EMC

10、(electromagneticcompatibility)技术以解决工业现场的电磁干扰、震动、灰尘、高低温等 问题。IPC有以下特点：可靠性：工业PC具有在粉尘、烟雾、高/低温、潮湿、震动、腐蚀和快速诊断和可维 护性，其MTTR(MeanTimetoRepair)般为5min, MTTF10万小时以上，而普通PC的MTTF 仅为1000015000小时。实时性，工业PC对工业生产过程进行实时在线检测与控制，对工作状况的变化给予快 速响应，及时进行采集和输出调节(看门狗功能这是普通PC所不具有的)，遇险自复位，保证 系统的正常运行。扩充性，工业PC由于采用底板+CPU卡结构，因而具有很强的输入

11、输出功能，最多可 扩充20个板卡，能与工业现场的各种外设、板卡如与道控制器、视频监控系统、车辆检测 仪等相连，以完成各种任务。兼容性，能同时利用ISA与PCI及PICMG资源，并支持各种操作系统，多种语言汇编， 多任务操作系统.2、可编程序控制器(PLC)PLC英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器。定 义是：一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的 存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通 过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程控制器

12、是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新 型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。随着微电子技术和计算机技 术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制，还具有了 数据处理、通信、网络等功能。由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、组装 维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域， 大大推进了机电一体化的进程。3、分散型控制系统（DCS）DCS英文全称Distributed Control System，中文全称为分布式控制系统.它是一种高性能、高质量、低成本、配置灵活的分散控制系统系

13、列产品，可以构成各种独立的控制系统、 分散控制系统DCS、监控和数据采集系统（SCADA）,能满足各种工业领域对过程控制和 信息管理的需求。系统的模块化设计、合理的软硬件功能配置和易于扩展的能力，能广泛用 于各种大、中、小型电站的分散型控制、发电厂自动化系统的改造以及钢铁、石化、造纸、 水泥等工业生产过程控制。4、现场总线系统（FCS）FCS英文全称Fieldbus Control System，中文全称为现场总线控制系统。它是全数字串行、双向通信系统。系统内测量和控制设备如探头、激励器和控制器可相互连接、监测和 控制。在工厂网络的分级中，它既作为过程控制（如PLC，LC等）和应用智能仪表（如

14、变频 器、阀门、条码阅读器等）的局部网，又具有在网络上分布控制应用的内嵌功能。由于其广 阔的应用前景，众多国外有实力的厂家竞相投入力量，进行产品开发。目前，国际上已知的 现场总线类型有四十余种，比较典型的现场总线有：FF, Profibus, LONworks,CAN,HART, CC-LINK 等。5、数控系统（CNC）CNC英文全称Computer numerical control,中文全称为计算机数字控制系统。它是采用微处理器或专用微机的数控系统，由事先存放在存储器里系统程序（软件） 来实现控制逻辑，实现部分或全部数控功能，并通过接口与外围设备进行联接，称为计算机数 控，简称CNC系统

15、。数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形 成的机电一体化产品；其技术范围覆盖很多领域：1 ）机械制造技术；2）信息处理、加工、传输技术；3）自动控制技术；4）伺服驱动技术;5）传感器技术;6）软件技术等。这其中，以可编程序控制器（PLC）应用最为广泛，它能够完成强电的逻辑控制盒运动 控制及PID运算，自身保护强，普遍适用于中、大型设备。但是其缺点便是价格不菲，从 而不适用于中小型设备的应用。三、新型控制器的开发与应用正式基于以上PLC的局限性，开发出全新的控制器便有了广泛的意义，它不仅可以促 进工业控制行业的发展，而且能够节省资源和实现利益最大化.在不断的实验和探索中，我

16、们发现单片机作为核心，可以研发出一款全新的控制器。它 不仅性能上能与PLC作为核心的控制器相媲美，而且具备价格低廉，使用效率高等特点。1、单片机发展趋势单片机是由单块芯片组成的微型计算机。由CPU、RAM、ROM、I/O 口、T/C等电路 集成在一块芯片上的微型控制器。单片机自从1976年被研究出来，飞速的发展。当时单片 机的编程语言是汇编。而近一些年来，单片机的发展仍未停息，从开始的4位、8位到后来 的16、32位。单片机的功能越来越强大，能够运用的范围也被极大的扩展了。比如媒体， 导航和家用电器等方面都有很多应用。单片机具有许多种类，但是也有共同的特点。首先，运行速度特别快，这可以算是单片 机的重要特点。单位是兆条指令每秒但是刚刚开始，单片机的运行速度不是很快，只有一 兆每秒的速度不过经过大规模集成技术的飞速