什么是工业通信？
工业通信一词是指工业自动化技术中使用的设备之间的通信。用于控制机器和设备的数据和信息，主要在过程和生产自动化中进行传输和交换。因此，工业通信是自动化成功的基础。
联网采用标准化的工业网络，可以是有线网络，也可以是无线网络。数字化程度的不断提高表明，高性能通信系统正日益成为工业 4.0 或工业物联网 (IIoT) 等应用领域的中枢神经系统。
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什么是自动化？
DIN 19233 标准对自动化的定义如下"装备设备，使其完全或部分按预期工作，而无需人类参与。"
但这究竟意味着什么呢？让我们来看看生产设施。在自动化生产中，以前由人类完成的所有操作都由机器独立完成。这包括加工、控制、工具和工件的处理以及机械或电子质量监控。
自动化基本上可分为三种不同形式：单个工作程序自动化（程序自动化）、特定生产流程自动化（流程自动化）或整个生产流程自动化（系统自动化）。
实施自主生产流程需要技术设施。技术设备来自传感器/执行器、调节、控制、信息、通信、过程控制和/或机器人技术等领域。
自动化的优势
在这种情况下，自动化具有诸多优势。其中包括：
- 让人们从繁重、单调、艰苦、危险或有害的工作中解脱出来
- 提高生产率
- 提高产品质量
- 缩短生产时间
- 通过提高设备运行的资源效率，减少对环境的压力
- 更灵活的生产
- 提高准确性，避免错误
自动化金字塔
自动化金字塔代表了自动化生产的一般通信结构，并对工业生产的各个信息技术层面进行了分类。
在自动化生产中，每一级都承担着各自的任务，并由不同的系统组成，例如现场级的传感器。级别数量因自动化流程而异。可以省略单个级别，也可以将其组合在一起。
各个层级的单个系统和层级本身相互交换信息。一个层级内部的信息交流被称为横向交流；不同层级之间的交流被称为纵向交流。
| 数字 | 级别 | 使用的系统 | 典型任务 |
|---|---|---|---|
| 1 | 现场级别 | 传感器和执行器 | 收集生产数据/执行命令 |
| 2 | 控制级别 | 控制计算机 / SPS | 生产过程监管 |
| 3 | 公司层面 | ERP系统 | 粗放的生产规划和订单处理 |
现场层的传感器或执行器只与上一级控制层通信。控制层的可编程逻辑控制器 (PLC) 则与公司层的企业资源规划系统 (ERP) 交换数据。
在自动化金字塔中，级别越高，延迟越多，即发送器和接收器之间的数据传输延迟。与此同时，需要传输的数据量也在稳步增长。
| 级别 | 规划范围 | 数据量 | 延迟 |
|---|---|---|---|
| 公司层面 | 月至年 | Mbytes - Gbytes | 2-20 s |
| 控制级别 | 秒至小时 | 字节 - 千字节 | 0,2 s |
| 现场级别 | 毫秒 | 字节 | 0,002 s |
工业 4.0 和工业物联网对传统的自动化金字塔产生了影响，需要更多的互联性和灵活性。为此，必须对金字塔进行调整，使其大大扁平化。
建立自动化系统
在专门讨论自动化系统的设置之前，让我们先看一下作为每个自动化任务基础的输入输出模型。
物理变量由传感器记录，并作为输入信号传递给控制计算机（功能）。它对信号进行处理，并将输出信号传输给作为驱动元件的执行器。各个组件通过一个通信系统连接起来。
因此，自动化系统由传感器 (1)、执行器 (2)、控制计算机 (4) 和通信系统 (3) 组成。
自动化系统组件概览
传感器是一种测量探头，可捕捉模拟物理值（机械、化学、热、磁或光学值）并将其转化为模拟或数字电信号。
"简单"的传感器只能产生模拟信号，在与控制计算机通信之前，必须先通过空间隔离转换器（如 I/O 系统）将模拟信号转换为数字信号。
智能传感器，负责信号的完整准备和处理，并发出数字信号。这样，它们就能与控制计算机直接通信。
传感器可根据信号类型（模拟传感器、数字传感器）、测量原理（光学传感器、电容传感器等）、预期用途（自动化工程中的传感器、航空航天中的传感器等）和测量值（力传感器、温度传感器等）进行区分。
执行器的工作原理与传感器正好相反：执行器将来自控制计算机的电信号转换为物理变量。
执行器将电脉冲转换为压力、声音、温度、运动或其他物理变量
根据转换过程，执行器可分为机电执行器、电磁执行器、气动执行器、液压执行器和其他执行器。
控制计算机或可编程逻辑控制器 (PLC) 控制自动化系统中的流程或子流程。控制所需的传感器和执行器既可以直接连接到过程中的 PLC，也可以通过总线系统连接。在拥有多个子流程的大型工厂中，每个子流程都使用一个单独的 PLC，并相互联网。
为了协调资源，即哪台机器目前正在处理哪份订单，并且可能再次可用，PLC 与公司和操作管理层进行协调。
PLC 周期性工作，即在一个周期开始时读取所有输入值，然后执行保存的程序，并在周期结束时设置输出。循环往复，没有终点。
一个正常运行的自动化系统需要一个将传感器、执行器和 PLC 连接起来的通信网络。
工业通信网络由多个部分组成。部件的选择取决于预期用途和其他因素：
需要现场总线还是以太网作为传输技术？哪种网络拓扑结构适合我的应用？此外，以避免人身伤害，还必须考虑到使用传感器的员工的保护功能等方面。机器的不同运行模式，如正常运行、清洁和维修，也会对部件的选择产生影响。
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自动化技术中的控制和调节
在自动化技术中，控制和调节的概念至关重要。
说到控制或控制技术，其目的是根据指定的输入值影响技术系统的输出值。这里没有反馈，即行动过程不是独立的。
建筑物中的供暖控制系统是控制系统的一个例子。室外温度传感器根据室外温度打开房间内的暖气。不考虑外部影响，例如房间内打开的窗户。
说到调节或调控技术，其目的是在受到外部干扰（干扰变量）影响的情况下，保持技术系统中的物理变量（调节变量）恒定不变，或者尽可能精确地跟踪指定变量（引导变量）的时间进程。调节电路自成一体，即存在反馈。
汽车自动空调系统就是自动化技术调节的一个例子。尽管受到外部影响（如阳光），它仍能将车内温度始终保持在所需水平。