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工业自动化教学课件

工业自动化概述工业自动化是指在工业生产过程中，利用控制系统和信息技术实现的机械化、电气化和智能化，使生产过程能够自动完成而无需人工直接干预。它是现代工业的核心支柱，现今全球制造业对自动化的依赖度已达85%，成为提高生产效率、产品质量和企业竞争力的关键因素。从历史发展来看，工业自动化经历了从简单机械控制到复杂电子系统，再到如今的智能互联系统的演变历程。随着智能制造概念的兴起，工业自动化已成为实现智能制造的基础设施和核心技术支撑。

工业自动化的发展阶段1机械化阶段(19世纪)蒸汽机和机械装置替代人力，实现简单的机械自动化。这一阶段主要依靠机械传动和物理连接，人工操作和监督仍占主导地位。2电气化阶段(20世纪初)电气设备和电动机的广泛应用，使得工业生产线更加高效。引入电气控制柜、继电器和开关，实现基础电气控制。3PLC时代(1970年代)可编程逻辑控制器(PLC)广泛应用，实现灵活的程序控制。ERP系统起步，但与生产系统集成度低，信息孤岛现象明显。4数字化全自动(2000年后)MES系统与ERP深度集成，实现全流程数字化管理。工业机器人广泛应用，自动化程度显著提升。5智能工厂(2020年后)AI、物联网与大数据融合，实现智能决策与预测性维护。数字孪生技术应用，ERP与MES系统实现无缝集成。

工业自动化的基本原理控制论与反馈原理工业自动化的理论基础源于控制论，由美国数学家维纳(NorbertWiener)于1948年提出。核心思想是通过信息反馈来调节系统行为，使其稳定在期望状态。反馈原理是自动化系统的核心机制，通过测量输出与期望值的偏差，并据此调整输入，从而实现系统的自动调节。这一原理广泛应用于温度控制、速度调节等工业场景。管理层控制层现场设备层开环与闭环系统开环系统：无反馈机制，输出不影响控制过程，结构简单但精度较低。

工业自动化的核心组成传感器系统感知现场参数，将物理量转换为电信号。包括温度、压力、位置、速度等各类传感器。作为自动化系统的眼睛，负责数据采集，为控制决策提供依据。控制器系统系统的大脑，处理来自传感器的信息，执行预设程序逻辑，并发出控制指令。主要包括PLC、DCS、工控机等，根据工艺要求和规模进行选择。执行器系统系统的手臂，接收控制指令并执行具体动作。包括各类电机、气动执行器、液压系统等。TD机器人在工业自动化产线应用占比已超60%，成为主流执行设备。

PLC可编程逻辑控制器基础PLC定义与市场规模PLC(ProgrammableLogicController)是一种专门为工业环境设计的数字运算操作电子系统，使用可编程存储器存储执行逻辑运算、顺序控制、计时、计数和算术操作等指令。2023年全球PLC市场规模约150亿美金，年增长率达8.5%。中国市场占全球份额约27%，是增长最快的区域。主流品牌与特点西门子(Siemens)：德国品牌，市场份额最大，S7系列在欧洲和中国广泛应用三菱(Mitsubishi)：日本品牌，在亚洲市场占有率高，FX系列性价比高欧姆龙(OMRON)：日本品牌，CJ/CP系列在精密控制领域有优势罗克韦尔(Allen-Bradley)：美国品牌，在北美市场占主导地位电气控制与逻辑编程基础PLC基本工作原理是扫描周期式运行：输入采样：读取所有输入状态程序执行：按程序顺序处理指令输出刷新：更新所有输出状态内部处理：通讯、诊断等后台任务

PLC硬件结构与工作原理CPU单元PLC的核心，负责程序存储与执行，内部集成微处理器、存储器和通信接口。主要指标包括：指令集、扫描周期、内存容量和通信能力等。不同品牌CPU架构各异，但功能类似。输入/输出单元输入单元：接收现场开关量(24VDC、220VAC)或模拟量信号(4-20mA、0-10V)，转换为CPU可处理的数字信号。输出单元：将CPU的控制指令转换为驱动外部设备的信号，包括继电器输出、晶体管输出和模拟量输出等类型。电源及外围接口电源模块：提供PLC内部工作电源，通常为24VDC。通信接口：RS-232/485、以太网、PROFIBUS等，用于与其他设备通信。扩展接口：用于连接扩展模块，增加I/O点数或特殊功能。

PLC编程方法与语言梯形图(LAD)最常用的PLC编程语言，源于继电器控制电路图，直观易懂。特点：图形化表示，左右电源线，中间为控制逻辑适合开关量控制和简单顺序控制电气工程师易于理解和维护占用PLC编程市场约65%的份额功能块图(FBD)基于逻辑门和功能块的图形化编程语言。特点：信号流向从左到右，类似电子电路图适合连续过程控制和复杂运算模块化程度高，便于功能复用在过程工业应用广泛，市场份额约20%结构化文本(ST)类似高级编程语言的文本式编程方法。特点：语法类似Pascal或C语言，支持复杂算法适合数学计算