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发表人：张涛

发表时间：2010/12/3 11:01:00

本栏论题：

自动化译文中文 [3830]

    附录A 中文译文
    自动化的介绍
    自动化是在没有人直接参与的情况下完成其工艺流程的一种技术。它是通过操作程序驱动控制系统来实现操作的。对完成一个工艺流程来讲，驱动系统本身和操作程序、控制系统，能源是必不可少的。尽管自动化被应用于广泛的领域，但它与工业生产自动化联系最紧密。自动化是贯穿生产的整个工艺流程的，早在1946年福特汽车公司的一名技术主管就将自动化与工业生产联系起来来描述自动转换器件和进料设备的种类，而这些器件和设备早已在福特工厂投入使用了。自动化技术的几乎所有的最新应用都是由计算机来控制的，而在1946年，这是不可能的。
    1 自动化系统的基本组成
    自动化系统由三个基本部分组成：（1）完成操作和程序的能源（2）操作程序，和（3）激活命令的控制系统。所有的自动化系统都以一种或另一种形式包含这三个基本组成部分。
    1.1自动化系统的能源
    自动化系统是用来完成某个工艺的，而对驱动生产和控制来讲，能源是必不可少的。电是最基本的能源。在许多自动化或非自动化生产中电能有许多优点，如下：
    1）电能被广泛应用，它是工业下部构造中很重要的一部分。
    2）电能可以被转化成其它非常规的能量形式：机械能，热能，光能，声能，液压能和气压能。
    3）强度低的电能能够完成诸如信号传播，信息处理，数据储存和通讯等功能。
    4）在电能的外部能源不容易得到的地方，电能能够被长期储存在电池组中以备用。
    非常规的能源包括化石燃料，太阳能，水和风。但是，在自动化系统中，他们的饿独特用途是很少的。在许多情况下，非常规能源用来驱动工艺流程本身，而电能用作自动化操作的控制，例如，铸造或者热处理，炉子是用化石燃料来加热的，而调整温度环和时间环的控制系统确是用电的。在其它情况下, 非常规能源的能量能够被转化成电能. 当太阳能作为自动化系统的能源时, 它大体上是用这种方式转化的.
    1.2 操作程序
    由自动化工艺流程操作的行为被定义为操作程序. 工业生产包括低,中或高生产, 在生产中, 每一部分或生产形式需要一个或多个步骤, 而这些步骤在一个工作环中操作. 一个新的作用在每个工作环中被完成.
    工作环的特殊操作步骤在一个工作环程序中是规定了的.在数字控制中，工作环程序被称作子程序. 其它操作控制的应用对于这种类型的程序有不同的名字.
    工作环程序. 在最简单的自动化操作中, 工作环基本上就一步, 这一步是以一明确的水准来支持一个单一的操作输入，例如, 维持熔炉炉温为一指定值在热处理环的持续时间.再这种情况下, 编程简单包括熔炉上的温度设置。程序员可通过改变程序来简单的改变温度设置. 这种简单程序的延伸也就是用多个操作输入来定义单步操作, 例如, 熔炉在温度和环境两个方面被控制.
    在更加复杂的系统中, 程序是一个由多个步骤反复执行的工作环. 生产运行中最重要的部分就属于这种. 一个典型的步骤次序是: (1) 将程序下载到生产机械, (2) 执行程序, (3) 将程序卸载 . 在每一步当中, 有一个或多个动作, 这些动作包含了一种或多种程序输入的变化, 例如, 熔炉温度设置要在温度系统, 液体流动系统阀门的开关和电机的启动停止中调节坐标值. 程序输入与程序变量不同, 程序变量是系统的输出; 例如, 熔炉的温度真值, 坐标轴上的真值, 管道中液体的真实流速, 和电机的转速.
    很多生产操作都是由很多步骤组成, 有的比我们转述的例子还要复杂. 这些操作例子包括自动螺旋机械, 金属压片操作, 朔料成型和刚体铸件. 这些生产工艺的每一种都使用好几十年了. 这些操作比较早的形式是工作环有硬件控制, 诸如限位开关, 计时器, 凸轮,和机电中继设备. 事实上, 硬件和他们的排列起到操作说明作用. 尽管这些元件能够充分实现他们的顺序功能, 但他们有如下缺点: (1) 他们常常要花费大量时间来设计制造,而只能使生产机械适用于一批生产; (2) 在操作中很难做微小变化并且很费时; (3) 操作是实体的形式,他与计算机数据程序和通讯是不相容的.
    自动化系统中现在使用的控制器是以数字计算机为基础的. 取代了凸轮,计时器,中继设备和其他硬件的计算机控制程序可存储于磁带,磁盘,光盘,计算机内存和其他现代的存储技术. 事实上, 实现上述生产操作的所有新的设备都被设计成某种类型的计算机控制来实现各自的工艺. 数字计算机控制可以改进, 就像增加最初没有预见的功能.这种控制的变化对于先前硬件元件来讲是很难的.
    工作环可能一部分工作由人完成, 其余的由自动化系统去完成. 一个普通的例子就是程序员下载和卸载子程序来实现切割操作. 程序员在下载完子程序后, 还有触发启动按纽才能实现切割操作.
    随时调整特性. 以前的自动化工作环有两大特征 (1) 步骤数量及次序 (2) 在每一步中步骤输入的变化. 每一工作环步骤相同,并且相互之间没有输入变化. 命令程序在每一个工作环重复执行。事实上，许多自动化生产操作都要根据输入的变化随时调整程序。很多情况都是输入变化是规则的，并且有相应的子程序来处理这些变化。情况包括：
    （1）程序员作用。尽管指令程序可以自动执行，但为实现某功能，程序员可以人工输入数据。例如，在自动雕刻中，程序员就必须人为输入数据来确定雕刻性质。一旦性质确定了，系统可自动完成雕刻。
    （2）计算机处理不同的部分或样式。即自动化系统要对不同部分或样式的工作环进行编程。例如，在生产汽车的最后一个装配车间里，工人机器人要在车体上进行一系列的点焊操作。这些车间通常要在相同的自动化装配线上设计成制造不同的车体式样，比如两门和四门轿车。当一个轿车进入焊接生产时，要先用感应器辨别他的式样，然后机器人再执行相应的操作。
    （3）启动工作单元的变化。在许多生产操作中启动工作单元是不一致的。生产沙体铸件就是一个很好的例子。生铸维数的变化有时必须用额外的机械来测定确切数值。额外机械的切入是有子程序来完成的。在所有这些例子当中，规则的工作环能提供规则的变化。对于感应器或程序员输入可由相应的子程序来完成。其它情况下工作环的变化全是不规则的。他们是不希望出现的。这些情况下，就要有相应程序来处理。
    1.3 控制系统
    自动化系统的控制部分执行命令程序。控制系统的程序执行实现了生产操作的确切功能。
    控制系统可以是开环，也可以是闭环。闭环控制系统也叫做反馈控制系统，他是将输出与输入相比较，并且由其差值来调整，使得输出与输入一致。一个闭环控制系统包括六个基本组成部分：（1）输入（2）程序（3）输出（4）反馈（5）控制器（6）执行器。输入常是固定的，表示输出的期望值。在室内温度控制系统中，设定值就是期望的恒温值。程序是被控制的操作或功能。尤其是输出被控制。目前，程序的作用通常是一个生产操作，输出的变化是某个程序的变化，也许是程序的紧急措施，就像温度、力、流速。感应器是用来测量输出的变化，将输出送至输入。在闭还控制系统中感应器实现的是反馈功能。控制器比较输出与输入，并且在程序中做相应的调整以减少彼此的差异。调整由一个或多个执行器来完成，执行器是机械的执行控制动作的一种硬件元气件，就像电动机、流量阀一样。大多数工业流程都要求多环，每个环对应一个受控的变量。
    与闭环控制系统相比较，开环控制系统没有反馈环。在开环中，执行器执行的操作是在没有测量输出，进而在输出的真值与输入的期望值没有比较的情况下进行的。在工艺变化时，控制器还是按照执行器的准确模式功能进行控制。开环系统的一大缺点就是执行器没有预期的作用。它的优点就是比闭环系统简单、价格便宜。开环系统通常应用于下列情况：（1）控制系统执行的动作简单，（2）执行功能非常可靠，（3）任何外界因素对执行器动作的影响都是很小的。如果这些条件不满足就应当选择闭环系统。
    考虑一下位置系统中开环和闭环的不同。位置系统一般是在生产中工作部分相对工具的定位。操作中，系统是直接移动工作台到预定的确切位置的。大多数位置系统至少有两个轴，每个轴都对应一个控制系统。
    步进电机每接收到控制器的一个脉冲就旋转一小部分。因为电机的轴与齿轮相连，齿轮驱动工作台，所以每一个脉冲都转化成工作台的一个小的连续的直线运动。发送到电机的脉冲数量与工作台移动的预定长度是相对应的。
    2高级的自动化功能
    除执行工作程序外，自动化系统可以执行高级的功能：特殊工作单元的不特殊功能。大体来讲，这些功能是关于机器的运作和安全的。高级自动化功能包括：（1）安全监测，（2）维修诊断和保养，（3）故障检测和修复。
    高级自动化功能通过命令程序中的子程序实现。在某种情况下，这些功能只提供信息，不包括任何动作。例如，报告预防、维护任务列表。报告类行为都是程序员或管理者操作，而非系统本身。在其他情况下，命令程序都是通过控制系统刺激方式执行的。工人进入自动化系统危险区发出声音报警的安全监测系统就是这种情况的一个简单例子。
    2.1 安全监测
    对生产操作最有意义的就是工人不在危险的工作环境中工作。存在危险性的工作有自动化系统完成，而不是工人完成。然而，工人仍须工作，但不是所有时间而是间歇性的。当然，自动化系统在有人的时候安全操作是非常重要的。因此，提供一个安全监测系统有两个理由：（1）保护工人（2）保护设备。安全监测手段而不是传统的安全措施，比如设备保护壳或紧急停止按纽。安全检测包括使用感应器来追踪系统操作和辨别系统状态。安全检测系统以某种适当方式对不安全情况作出回应。可能的回应有：
    停止自动化系统
    报警
    减缓操作速度
    采取正确动作恢复安全
    下一个反应是最复杂的。这种反应应用于一系列可能的不幸事故，不限定安全问题，故被称为故障检测和修复。
    下面列举了一些感应器及它们在安全检测方面的应用：
    光电感应器。塌实用来检测位置是否正确或是否有入侵者的。
    温度感应器
    烟温感应器，他是检测火灾的
    地面压力感应器，他是用来检测是否有人入内的
    用来检测系统及周边环境的机器视觉系统
    安全检测系统对危险状况的反映能力是有限的，因为危险状况是没有规律的，不可预见的。如果设计者对某一危险事先没有设置相应感应器，那么在这一危险发生时，安全检测系统是不会察觉到的。
    2.2 维修诊断和保养
    现代的自动化系统变得越来越复杂了，然而这就使维护和保养问题更加复杂了。下面是维修诊断和保养的三种模式：
    1 检测水平。在检测水平模式里，要检测子系统，记录感应器数值及系统正常状态下的输入。按要求来讲，诊断仔系统包括显示数值，解释系统目前状态及紧急警告。
    2 诊断失败。诊断失败模式以发生故障为依据。它是用来解释检测系统的当前值并分析记录进而辨别出故障原因。
    3 修复程序的建议。在第三种操作模式中，子系统提供修复的建议性程序来实现修复。发展建议程序的方法有时是将许多修理专家的判断集中在一起并使用人工智能技术译成计算机程序。
    检测水平在机器诊断中提供两个重要的功能：（1）提供当前故障诊断信息（2）提供将要发生故障时的数据。第一，当故障已经发生，它很难判定故障原因和采取那些修复程序。对于模拟故障它是很有意义的。计算机记录了这些变化，并进一步分析故障原因。这个诊断帮助自动恢复和更换合适的部分。
    2.3 故障检测和修复
    在任何一个自动化系统操作中都会有硬件故障。这些故障能够导致很大的损失。传统上，机械故障在修理诊断子程序的帮助下人工就可以修好。
    随着计算机控制生产的日益增加，使用计算机控制已成趋势，因为它不仅能够诊断鼓掌还能够自动采取措施来恢复正常操作。
    故障检测。像那个词所指示的那样，故障检测和修复由两步组成：（1）检测故障（2）修复故障。检测故障使用的是自动化系统的感应器来感应已经发生的故障，并输出信号，判断故障。故障检测子程序的设计必须先判别是否有故障。
    在分析已知的生产操作，故障可能是下列三种之一：（1）随机故障（2）有规律的故障（3）越轨。随机故障是生产在正常状况下发生的。这些故障发生在数字统计控制的生产状态，他能引起顺流的操作。有规律的故障是由一些确定的因素引起的，比如生料性质的变化或在设备上的移动。这些故障回引起产品质量下降。最后，第三种故障类型，它是机器的鼓掌或是人的事物引起的。机器鼓掌的例子包括剪刀轴断裂，液压爆炸，容器断裂和切削工具的饿突然故障。人事物的例子包括控制程序的错误，不适当的混合和不适当的生料替代。
    在故障检测中有两个主要的设计问题：（1）猜想所有可能发生的故障（2）应用不合适的感应器和翻译软件。解决第一个问题就是要对三种故障类型中每一种进行可能性估计。如果故障没有被猜到，那么故障检测子系统就不可能正确地发现和判断故障。故障修复。它是应用纠正操作使系统恢复正常操作的。设计故障修复系统关键是作出合适的策略和程序来纠正或补偿故障。大体来讲，修复策略和程序与故障是一一对应的关系。策略种类分为如下几种：
    1) 在现有的工作环尾做调整。当现在工作环是闭环的，修复程序作为程序分支，当执行完后在返回执行主程序。这种策略是最低的应对随机故障的动作
    2) 在现有工作环内做调整。这一策略比前一种要高级。在这种情况下，随时发现故障随时进行纠正和补偿。但，它必须与住程序同时进行。
    3)停止操作来纠错。在这种情况下，要求工作环必须暂停。假定系统没有人的参与自动修复故障。修复完，系统正常工作。
    4)停止操作，申请帮助。在这种情况下，鼓掌不能被自动修复切要求操作停止。发生这种情况是因为：（1）自动单元不能解决问题或（2）故障不属于先前故障列表中的。在任一种情况下，都需要人来修复系统故障。故障检测和修复需要人来修复系统故障。
    故障检测和修复需要一个中断系统。当感应器判别到故障时，目前执行程序要中断，切入到相应的修复子程序中。切换可能在工作环结尾或立即执行。修复程序执行完再切换到正常操作中去。
    3自动化水平
    自动化系统能够被应用到各种水平的生产操作。工业生产与自动化普遍联系着。尽管如此，生产机器由子系统所组成，子系统本身是自动化的。例如，本文我们所讨论的最重要的自动化技术之一就是数字控制。数字控制器是一个自动化系统。但，数字控制器本身由许多控制系统组成。任何一个数字控制器都至少有两个运动轴，而且某些已达到了5个。每个轴都像一个位置系统在操作。相似的，一个数字控制器通常是一个较大生产系统的一部分。例如，两个或三个生产工具执行来自计算机的命令。因而，自动化控制有五个水平如下：
    1) 元器件水平。它是自动化里最低的水平。包含发生器、传感器和其他硬件。这些元件连起来构成单独的控制环。例如，CNC机或工业棵机器人的饿反馈控制环。
    2) 机器水平。元器件类硬件装配成机器。比如CNC工具和模拟机，工业机器人，动力运送机，自动引导机。控制功能包含指令程序步骤的正确顺序及确保每一步是可执行的。
    3) 局部及系统水平。生产局部或系统是与物质控制系统，计算机和其他适合生产操作的机械相联系的机器或工作站。生产线就是这一水平。功能包括发送部分和机器负荷，机器间协调，物质控制系统和收集，估算检查数据。
    4) 工厂水平。这是最高的水平，由全体信息系统组成。它与所需的所有功能有关：销售与市场，会计，设计，开发，预计，和生产规划。
    大多数的技术属于水平2)。水平2)技术包括个体控制器，数字控制器和工业机器人。水平2)的自动化和控制问题是与机械操作和人类操作相关的。
    控制器，机器和原料控制设备连接在一起就构成了生产局部或生产线，他们组成水平3)。一个生产系统就是为上某目的将机器设备一体化。生产系统也包括人。某些高级的自动化生产系统是不需要人介入的生产系统。但大多数生产系统，工人要作为系统中很重要的一部分；例如，装配工人在装卸生产线就是很重要的饿一部分。因此，生产系统中的自动化程序是变化的。一些是高级自动化，另一些完全是人工，而其他则是介于前两者之间的饿各种档次了。一个工厂里的生产系统是一个产品整个生产系统中的一部分。定义一个生产系统如人，机器和程序，他们被集成到一块来实现整个公司的生产操作。生产系统是水平4)，然而生产系统也是水平3)。生产系统不仅包括工厂里的机器组和工作台，而且包括操作程序。这些程序包括生产控制，存货控制，原料需求计划，车间场地控制和质量控制。他们不仅存在与工厂水平而且存在于公司水平。

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