自动化系统 —— 核心功能概览

自动化系统在自动化金字塔中处于什么位置？

自动化系统位于自动化金字塔的控制层，负责处理来自传感器的信号并控制执行器。同时，它们会将数据沿金字塔向上传递至企业管理层。

自动化系统的结构是怎样的？

自动化系统通常安装在控制柜内，并采用 DIN 导轨进行安装。系统由一个中央单元 (1) 组成，该单元通过系统总线与各个连接模块 (2 至 8) 进行通信。

中央单元主要负责控制任务以及上层级的通信。所有连接模块的变量数据均可在中央单元中获取（例如模拟量输入端接入的传感器温度值）。此外，中央处理单元中通常还内置了 PLC（可编程逻辑控制器），以便能够执行诸如顺序控制等逻辑处理。

为什么自动化系统要处理模拟信号？

自动化系统主要用于控制和监测过程变量。为此，必须对温度、压力、流量、湿度等物理量进行测量。传感器通常内置了电子元件，并将测量值以 4 至 20 mA 的信号形式输出。因此，自动化系统的模拟量输入端至少必须具备评估电流信号的能力。

图中所示的连接模块 (3) 拥有 4 个通用输入通道，用于接收电流信号（4 至 20 mA），同时也适用于接入热电阻和热电偶。第二个模拟量输入模块 (4) 则可接入 8 个热电阻。

通常情况下，系统还必须记录诸如恒温器、压力开关和接近开关的状态等二进制（开关量）信号。为此，系统也必须配备相应的硬件模块 (6 + 7)。

为什么自动化系统同时配备模拟量输出和开关量输出？

自动化系统通常会对过程变量进行调节。例如，必须对加热、加湿设备，以及用于改变电机转速的变频器进行控制。执行机构通常通过电流信号（4 至 20 mA）进行驱动，这意味着接口模块必须提供模拟量输出通道 (5)。

此外，执行器也可通过二进制输出（如继电器输出 (8) 或逻辑电平输出 (6 + 7)）进行控制。

如何保持过程变量恒定？

在各项工艺步骤中，过程变量必须达到不同的设定要求（例如 120 °C、3 bar 或 270 l/h）。中央单元必须指定相应的设定值，而控制器则需通过控制加热器、压缩机和水泵等设备，确保系统内的变量得到精确调节。在许多系统中，控制器是通过 PLC 编程实现的，也就是所谓的‘软件控制器’。然而，此处展示的系统采用了独立的硬件控制器 (2)。这种设计理念具有两大优势：首先，即使 PLC 发生故障，控制器依然能够按照最后的设定值继续调节（从而提高工艺可靠性）；其次，实际值与设定值无需在采样周期内于 PLC 和控制器之间进行传输（从而缩短了总线通讯周期时间）。

什么是分布式自动化系统？

图示系统的架构为集中式。所有的传感器和执行器电缆都必须集中布线至系统的控制柜中。然而，试想一下，如果有一个子系统距离控制柜大约 50 米远。在这种情况下，尤其是模拟量传感器和执行器需要大量的布线。正因如此，在许多自动化系统中，可以将部分连接模块放置在远程子配电柜（或分站）中，并通过系统总线与主系统相连。这就将集中式自动化系统转变为了分布式（去中心化）系统，从而大大减少了布线的工作量。

为什么需要可视化，它是如何运作的？

高效的流程自动化离不开持续的系统监控，因此必须全面展示所有的过程变量。同时，系统还必须支持在可视化界面中进行参数修改，例如设定不同的目标值。

在示例系统中，可视化界面直接集成于 PLC 内部。凡是与中央单元局域网（LAN）接口处于同一网络内的终端设备，均可调用该可视化界面或访问 PLC 的 Web 服务器。这些终端设备可以是浏览器应用程序，也可以是 Web 面板。

此外，通常还需要在全球范围内的各类终端设备上实现远程可视化或控制。为此，可以通过 PC 或智能手机，经由云端应用来访问该系统。

自动化系统是如何编程的

自动化系统通常配备 PLC（可编程逻辑控制器），并使用 CFC（连续功能图）或 ST（结构化文本）等编程语言进行编程。PLC 负责将接收信号的接口模块与具有输出功能的接口模块关联起来，从而实现诸如顺序控制等功能。

实施一套完整的自动化解决方案通常非常繁琐。为了简化配置过程，示例系统专门提供了一款配置程序，可用于完成基础设置，例如将模拟量输入与传感器进行匹配，以及配置控制器模块的功能。随后，再通过 PLC 软件对项目进行扩展——此处通常会使用包含可视化界面的示例工程。这种操作流程能够大幅缩短自动化系统的搭建时间。

自动化技术还需实现哪些目标？

在许多应用场景中，必须能够追溯生产过程中温度、压力、湿度等过程变量的变化轨迹。因此，所有相关变量都必须被记录并可追溯，例如可以通过订单号进行关联。

示例系统会将记录下的测量值通过网络传输至服务器。同一网络内的所有 PC 均可通过浏览器应用程序访问该服务器，从而对数据进行分析（如下图所示）。

此外，自动化系统还必须能够通过接口与其他系统进行通信。因此，示例系统支持通过局域网（LAN）接口、PROFINET 或串行接口进行通信。