工业自动化的 4 个基础

什么是工业自动化？

工业自动化是在生产环境中使用控制系统和精密设备。这包括机器人、各种传感器和计算机；执行以前手动完成的任务。

这些系统将在没有大量人为干预或监督的情况下运行，从而提高重复操作的质量和可重复性。

自动化平台共享许多关键要素，每个要素都有自己的成功标准。这是 4 个基本原理的总结，首先是最大的元素。

1.可编程逻辑控制器（PLC）

PLC 是一种数字处理器，通过不断监控来自传感器设备的输入线路来控制任何自动化设备，并提供对这些特定输入信号作出反应的动作命令。

PLC 可以处理多个 I/O 安排。它们可以承受一定范围的温度、电噪声、振动和冲击。将 PLC 集成到任何生产线或机械过程中是非常有益的。操作流程易于更改或复制，重要的态势信息和统计数据得到整理和沟通。

多年来，PLC 一直是机器控制的主要组成部分，但由于工业 4.0 和 IIOT（工业物联网），其复杂程度正在上升。

我们可以将 PLC 拆分为自己的基本元素，以便进行更详细的分析：

• 中央处理器 (CPU) 或嵌入式计算机：基于微处理器的计算机大脑，通常位于单个板上。它在读取和处理输入信号后执行控制程序，然后在输出通道上发出适用的响应命令。
• 输入/输出部分： I/O 模块充当机器接口和 CPU 之间的实时数据接口。它主要是一个数据传输系统，但也可以将一些初始数据转换成CPU（用于输入）或机器接口（用于输出）可以识别的信号。
• 编程设备：这通常是一个单独的设备，如 PC 或类似终端，使用人机界面软件 (HMI)。CPU 通过通信链路连接到该设备。能够通过接口对 PLC 进行重新编程使其非常灵活，并且无需为每个新的逻辑配置重新接线或添加额外的硬件。这些设备还可以同时控制多个复杂系统，使其具有成本效益。
• 网关接口：支持与其他基于处理器的设备通信，或用于远程故障排除。数据传输可能通过现场总线或基于 IP 的协议，例如：简单串行（RS-232 或 485）、ModBus、Profibus、以太网、Profinet、CanOpen 等。这些标准化协议中的大多数都是发明和实施的由特定制造商（Siemens、Alan Bradley、Omron、Beckhoff 等）提供，因此在安装时需要考虑。
• 电源： PLC 的所有元件都需要电源才能运行——任何远程 PLC 设备都需要单独的电源。连续运行或电力供应不足的地区可能需要不间断电源 (UPS)。

PLC 通常有两种形式——紧凑型和模块化。紧凑型 PLC 是包含所有必要设备的独立设备。模块化 PLC 从主模块开始，可以安装额外的扩展模块以实现更多功能、升级或更大的安装。

安装时要考虑当地环境对 PLC 的影响，如振动、冲击、灰尘和电磁干扰 (EMI)。

为进行最低限度的保护，PLC 被牢固地安装在密封等级为 IP21 的金属柜中。在外部或受污染的位置，建议使用更高 IP 等级的密封件，以防止灰尘和水损坏。

温度问题可以通过基本的冷却功能或完全温度控制的外壳来解决。金属外壳还可以屏蔽 EMI。如果其他 EM 传输源安装在同一面板中，则可能还需要在机柜内进行进一步的屏蔽。这可能包括逆变器、开关电源和变速驱动器。

2.输入/输出设备

输入设备：用于向信息处理系统 (IPS)，例如 PLC（通过其 I/O 系统）或其他控制机制提供数据和控制信号的设备。一个常用的名称是场传感器。示例包括：

• 人机交互设备——开关和按钮、键盘、触摸屏
• 传感设备——接近传感器、光电传感器、超声波传感器
• 机械启动开关——限位开关、真空开关、温度开关、液位开关、压力开关

输出设备：用于对 IPS 执行的数据处理结果采取行动的设备，将处理转换回受控制的自动化机器所需的动作。一个常用的名称是执行器。示例包括：

• 机械运动——气动或液压缸、电磁阀、电机启动器、控制继电器、泵、风扇
• 视觉或听觉反馈——喇叭和警报、烟囱灯
• 系统反馈——通过消息系统的电子警报

由于这些设备与受控的自动化操作处于同一位置，因此它将经历与自动化过程相同的环境，但也会受到过程本身的影响。温度可能非常高或非常低，可能存在振动和其他机械应力。

设备周围可能存在水、雾、油雾、紫外线、火花等污染物。仔细考虑操作条件，如果设备本身没有足够的保护，则需要额外的防御。

3. 安全自动化——安全装置

随着工厂变得更加自动化，保护在这些空间工作的人员至关重要。设备是必要的，以防止操作员、技术人员和维护专家在操作或排除机器故障时受到任何伤害。安全第一的政策是自动化领域的正确政策。

许多安全设备的设计目的是在检测到有人存在时尽快停止自动化设备。

门开关等机械装置安装在安全笼或屏幕的把手或铰链上，一旦安全笼打开，它们就会停止内部的过程。当已经需要一个可见的物理屏障来防止碎片飞来飞去时，通常会使用这些屏障，标记工作空间之间的行人区域。

光幕或激光扫描仪等光电传感器使用不可见的激光来检测机器附近的异物。这些在不需要物理屏障的生产线上非常有用，并且经常需要访问。

其他安全装置可能包括气体或火灾探测，带有声音警告或提取/抑制系统。

4. 机器人

工业自动化中使用的机器人是自动化机械的演变，旨在更接近地模仿人类操作员的灵活性。大多数工业机器人基于单臂，具有 6 轴运动：

轴 1 –旋转机器人（在机器人的底部）

轴 2 –机器人下臂的向前/向后伸展

轴 3 –升高/降低机器人的上臂

轴 4 –旋转机器人的上臂（手腕滚动）

Axis 5 –提升/降低机器人手臂的手腕

轴 6 –旋转机器人手臂的手腕

这些机械臂可以受更高级别系统的控制，但通常具有自己的控制包以进行独立操作。

机械臂是非常灵活的机器，可以在非常危险和恶劣的环境中替代和复制人类行为。

它们经常出现在焊接、喷漆、塑料和金属成型以及送料锤击机中。它们的灵活性意味着它们可以针对许多不同的任务进行编程，并根据容量需要在工厂中移动——有时新程序是唯一需要的更改。

机器人自动化的最新成员是协作机器人——一种设计用于与人类在同一空间内工作的机械臂。手臂通常有覆盖物或填充物，因此没有锋利的边缘。当它遇到任何其他物体时，它将有许多传感器来停止或反转运动，因为那个物体可能是一个人。

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