工业自动化教程1简介

1工业自动化简介

制造业涉及使用原材料或零部件来制造将出售给客户的货物或产品。利用原材料制造产品，可以使用人工操作的手工工具，也可以使用同样由人工操作的电机、泵和钻孔机等机器。在使用机器之前，人们使用工具手工制造物品/产品，生产一件物品需要花费大量的时间和精力。随着制造业的发展，手工工具被人工操作的机器所取代，从而使生产速度更快，耗费的人力更少。如今，人类在制造业中操作机器的参与正在减少，或被工业自动化所取代。

学完本章后，你应该能够理解什么是工业自动化，并识别现有的各种工业自动化类型。您还将能够描述工业自动化的基本水平，并确定工业自动化在工业中的好处。最后，您将能够识别工业自动化在社会中的弊端。

在本章中，我们将讨论以下主题：

• 介绍工业自动化
• 探讨工业自动化的类型
• 了解工业自动化的级别
• 了解工业自动化的优缺点

1.1 工业自动化

工业自动化是指利用计算机、机器人和其他控制设备来操作制造或加工厂使用的机器和设备，几乎不需要人工干预。

在工厂中，通过一系列有序的操作，将部件组装成产品，或将材料经过精加工，生产出适合消费的最终产品（即生产线或装配线）。这通常包括需要操作才能获得成品的机器和工具。在工业自动化之前，物品（如杯子、勺子、壶等）都是由工匠手工制作的，制作一件物品可能需要数小时或数天。

18世纪出现了一种新的发展，即不再用手工制造物品，而是发明了可以用机器生产物品的工艺。这些机器/工具由人类操作。因此，我们可以将通过这种工艺生产的物品称为"人机制造"。与手工制造相比，这种工艺大大缩短了生产时间，降低了成本。制造业的进一步转变是在19世纪引入了装配线/生产线，这进一步缩短了生产时间，降低了成本，因为不同的工人可以在生产或装配线的不同部分操作不同的机器，从而实现了大规模生产。如今，许多工厂的生产线上的机器/工具都由设备和控制系统自动操作。灌装、封盖和冲压等重复性工作现已实现自动化。

工厂装配线上的工人用眼睛看，用耳朵听，用大脑思考，用手在装配线上移动物品或执行规定动作。有了工业自动化，通常由工人完成的活动/操作就可以由一个控制系统来代替，在这个控制系统中，传感器完成眼睛和耳朵的工作，控制器完成大脑的工作，而执行器则完成双手的工作。因此，我们将在本书后续章节中详细介绍的传感器、控制器和执行器可以取代工厂装配线上的工人。在某些生产流程中，一条需要100名员工的装配线最终只需要一两个人通过工业自动化来完成。随着人工智能（AI）的引入，甚至可以像人类一样思考的机器正在被开发出来，以处理我们以前甚至无法想象由机器来处理的人类操作。

工业自动化也可以定义为通过使用个人电脑（PC）、可编程逻辑控制器（PLC）、传感器、执行器和其他控制设备来控制工业中的机械和设备，从而最大限度地减少人类在制造或生产过程中的参与。如前所述，个人电脑、可编程逻辑控制器和其他形式的控制器取代了人的决策；传感器取代了人的眼睛和耳朵，而执行器则取代了人的双手。个人电脑、可编程逻辑控制器和其他形式的控制器中都写有程序（一组指令），使其能够根据传感器的状态做出决策。执行器利用这些决策的结果来执行工人本应执行的操作。

下图是使用库卡工业机器人实现工业自动化的一个示例。通常由人类完成的工作正由机器人（编程机器）执行：

除制造业外，运输业也是工业自动化的另一个应用领域，其中自动驾驶车辆被用于私人和商业目的--商用喷气式飞机的自动驾驶控制可使喷气式飞机在没有人类驾驶员的情况下飞行。仓库、建筑和其他行业也受益于工业自动化。

综上所述，您已经了解到工业自动化涉及使用自动操作机器的设备，只需很少的人工参与，这极大地改善了制造业和其他行业。本节所学到的知识将帮助你理解下一节将介绍的各种自动化形式。

1.2 探索工业自动化的类型

工业自动化解决方案可分为以下四类：

• 固定自动化系统
• 可编程自动化系统
• 柔性自动化系统
• 集成自动化系统

1.2.1 固定自动化系统

在固定自动化系统中，必须对原材料执行的一系列操作是固定的。这类自动化系统用于执行固定和重复的操作，以实现高生产率。相关机器经过编程或配置，以生产特定设计的产品。一旦采用，就很难改变产品的设计或样式。当需要生产或组装相同款式的产品时，就会使用固定自动化系统。生产或制造过程中涉及的一系列操作都是根据产品设计或编程的。这类自动化系统的特点是生产率高、效率高、初始成本高，适用于制造单件成本低的大批量产品。

固定式自动化系统举例如下：

• 油漆和涂料自动化流程
• 自动装配机
• 面包生产线
• 轧钢机
• 造纸
• 汽车行业汽车装配线上的金属压制/冲压设备

1.2.2 可编程自动化系统

在可编程自动化系统中，相关机器可用于生产不同类型的产品。但是，这需要为每种新产品重新编程和转换，这需要时间来完成，并造成生产停机。

这种类型的自动化适用于在一定时间内生产相同或相似款式产品的生产。这通常被称为批量生产。为新产品设计或批量生产修改程序或重新配置操作顺序需要较长的设置时间。

可编程自动化系统举例如下：

• 工业机器人： 这是一种用于制造业的机器人（编程机器）。它由电源、控制器和可在三个或多个轴上移动的机械臂组成。它可以根据不同的任务进行编程和配置。

下图显示了一个机器人的设计，只需更改程序，它就能完成任何可编程的工作（在其限制和工作包络范围内）。

• 计算机数控 (CNC) 机床： 这是一种自动化机器，由字母数字组成的几何代码（G 代码）和杂项代码（M 代码）构成不同任务的基本程序指令。这类机器可以使用计算机或控制器自动进行钻孔、铣削或 3D 打印。

下图是一台数控机床（KVR-4020A）。它实际上可用于任何类型的应用，包括制造或生产、模具成型、重型和硬铣等：

1.2.3 柔性自动化系统

柔性自动化系统是可编程自动化系统的一种高级形式。它们也需要为每种新产品重新编程和转换，但这并不像可编程自动化系统那样需要时间来完成。因此，柔性自动化系统减少了可编程自动化系统的停机时间。柔性自动化系统可以生产的产品样式非常有限，因此可以非常快速地自动完成转换。柔性自动化系统允许不同种类的产品在生产线上流动，停机时间极短。

柔性自动化系统的例子如下：

• 自动导引车（AGV Automated guided vehicles）：AGV是一种没有车载驾驶员的车辆，主要用于在工厂或仓库中运输材料/货物。它们可以利用多种制导技术沿着预先确定的路径行驶，这样就可以很容易地改变路线，并根据可扩展的灵活物料处理解决方案的变化扩展系统的操作。AGV 可与工业机器人一起使用，为工厂或仓库提供极具成本效益的物料搬运解决方案。AGV 可以运输托盘、纸箱和使用工业机器人装载的产品，然后将它们送到生产设施或仓库的各个区域。

• 柔性装配系统 (FAS Flexible Assembly System )： 柔性装配系统是一种装配系统，它能以中小批量生产各种产品，并能快速转换和重新编程，以适应新的产品设计或款式。

1.2.4 集成自动化系统

集成自动化系统集成了各种机器和工具，如 CAD、机器人、起重机、传送带和其他自动化机器，在单一控制系统下工作，以执行生产流程的自动化系统。在这一系统中，不同的机器、数据和流程被整合在一起，并由单一控制系统进行控制。这样，整个生产车间就可以实现自动化，并由计算机控制，减少人工干预。

计算机集成制造（CIM computer integrated manufacturing）中使用了集成自动化系统，由计算机控制整个生产流程，几乎不需要人工干预。它还用于各种先进的过程自动化系统。集成自动化系统可为各种先进技术的实施提供空间，如自动物料搬运系统、射频识别（RFID Radio Frequency Identification）、条形码跟踪系统、制造执行系统（MES Manufacturing Execution System）、计算机辅助流程规划（CAPP Computer Aided Process Planning）、自动输送机和起重机等。

在本节中，您在了解相关示例的同时，还了解了各种类型的工业自动化。这些知识将帮助你更好地理解下一节内容和本书将要涉及的其他主题。

1.3 工业自动化的级别

工业自动化是一个复杂的系统，由多个设备相互通信和工作，以提供所需的结果。描述工业自动化级别/层次的最简单方法是使用三级表示法，如图所示：

• 现场级
• 控制级
• 监管和生产层
  我们将在下一节中逐一介绍这些级别，并提供相关示例，以便于理解。

1.3.1 现场级

这是工业自动化层次结构中的最底层。它由工业自动化中使用的传感器和执行器等现场设备组成。传感器将物理特性转换为电信号（数字或模拟）。它们是输入设备，可称为自动化的眼睛和耳朵。传感器的例子包括接近传感器、温度传感器、压力传感器、液位传感器、流量传感器和限位开关。另一方面，执行器将电信号（数字或模拟输出信号）转换为物理特性，物理特性可以是运动形式。例如交流/直流电机、伺服电机、步进电机、泵、控制阀、螺线管、接触器和继电器。现场设备（传感器和执行器）的工作是将机器和过程数据传输到下一级（控制级），以便进行监控和分析。

这一层可以被称为工业自动化系统的 "眼睛 "和 "手臂（手）"。传感器就像眼睛，而执行器就像手臂。传感器将温度、压力、液位和流量等实时过程参数转换为电信号。从传感器收集到的数据会传输到控制器，以便进一步监控和分析。执行器通过控制器发出的信号控制过程参数。

1.3.2 控制级

这一级包括可编程逻辑控制器（PLC）或其他形式的控制器。PLC是现代工业自动化的大脑。它们用于在工业中执行控制功能。它们从不同种类的传感器获取数据，利用写入其中的程序做出决策，并输出控制信号，执行器将利用该信号执行所需的任务。可以对PLC进行编程，使其根据从传感器接收到的信号实现自动控制功能。

1.3.3 监控和生产级

这一级包括监控和数据采集 (SCADA Supervisory Control And Data Acquisition ) 和人机界面 (HMI Human Machine Interface)，用于监控各种参数和设定生产目标。

参考资料

• 软件测试精品书籍文档下载持续更新 https://github.com/china-testing/python-testing-examples 请点赞，谢谢！
• 本文涉及的python测试开发库 谢谢点赞！ https://github.com/china-testing/python_cn_resouce
• python精品书籍下载 https://github.com/china-testing/python_cn_resouce/blob/main/python_good_books.md
• Linux精品书籍下载 https://www.cnblogs.com/testing-/p/17438558.html

1.4 工业自动化的优缺点

毫无疑问，工业自动化已经改变了制造业和其他行业，使其能够更快、更好地完成工作。任何行业都需要工业自动化来保持竞争力。虽然自动化为制造业和其他行业带来了巨大的进步，但工业自动化也有一些负面影响，需要加以关注，以便做好准备并有能力克服这些影响。

工业自动化的优势

• 它缩短了从开始到完成一个过程所需的时间。
• 提高工人安全。自动化使工人免于暴露在工厂的危险环境中。
• 在工业自动化中使用机器人可提高产量。机器人可以全天候以恒定的速度工作。
• 工业自动化可降低运营成本。在运营中增加自动化机器意味着减少人力（即需要更少的员工来完成工作）。此外，由于机器人执行任务的准确性，材料浪费也会减少。
• 由于缩短了处理时间、降低了运营成本、提高了产量等原因，工业自动化可提供更快的投资回报率（ROI）。
• 在制造业中使用自动导引车（AGV）和其他自动化机械可减少人为失误造成的事故。
• 由于机器人/自动化系统需要的监督较少，因此工业自动化可以让管理人员更专注于其他方面的工作。
• 自动化系统/机器人在工作时不会分心、疲惫或厌烦，因此可以避免延误，并可望获得稳定的绩效。

工业自动化的缺点
通过工业自动化将人类从某些活动中解放出来是件好事，但这也威胁到了人类劳动力。

以下是工业自动化的一些缺点：

• 工业自动化需要较高的初始资本（即设计、制造、安装和调试自动化系统的成本较高）。
• 工业自动化会使工作岗位消失。由人类完成的工作可能会被自动化机器或机器人取代。然而，这并不一定是一个缺点，因为可以培训员工为机器/自动化系统提供服务，或从事其他领域的工作。
• 维护自动化系统和排除故障需要技术人员。

1.5 小结

通过本章的学习，你对工业自动化有了基本的了解，现在你已经完成了本书旅程的第一站。做得好！你现在应该能够解释工业自动化，描述工业自动化的不同类型，描述工业自动化的等级，以及描述工业自动化的优缺点。