第1章 工業控制系統與SCADA系統概述

1.1 工業生產中的工業控制系統

1.1.1 工業生產行業分類及其對應的工業控制系統

工業生產是創造社會財富、滿足人們生產生活物質需求的主要方式。由于產品種類千差萬別，因此，工業生產行業及相關的企業眾多。為了提高產品產量與質量，減少人工勞動，不同行業都在使用自動化系統解決其生產運行自動化問題。由于不同行業的生產加工方式有不同的特點，因此工業控制系統也有鮮明的行業特性。以如圖1.1所示的化工生產過程與汽車生產線為例，讀者可以看到其中有明顯不同。而這種生產特點的不同，對于控制系統執行器的影響表現在：在化工廠這樣的流程工業中，大量使用的執行器是如圖1.2（a）所示的氣動調節閥；而在汽車生產線等離散制造業，大量使用的執行器是如圖1.2（b）所示的變頻器與變頻電機和如圖1.2（c）所示的伺服控制器與伺服電機。

由于不同行業的生產特點不同，其對自動化系統的要求自然也有所不同，有時甚至差別很大。顯然，面對不同行業的不同生產特點和控制要求，不能只有一種工業控制系統解決方案。從工業控制系統的發展來看，各類工業控制系統在產生之初都依附一定的行業，從而產生了面向行業的各類工業控制系統解決方案。以制造業為例，根據制造業加工生產的特點，主要可以分為離散制造業、流程制造工業和兼具連續與離散特點的間歇過程（如制藥、食品、飲料、精細化工等）。通常，工業界把離散制造業控制系統稱作工廠自動化（Factory Automation，FA）系統，把流程制造工業控制系統稱作工業自動化或過程/流程自動化（Process Automation，PA）系統。工廠自動化的典型結構是將各種加工自動化設備和柔性生產線連接起來，配合計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）系統，在中央計算機的統一管理下協同工作，使整個工廠生產實現綜合自動化。而工業自動化系統是指對連續生產過程進行分散控制、集中管理和調度，在保證被控變量在設定值附近的前提下，實現生產過程的穩定、優化、安全和綠色運行，為企業創造最大的效益。

工業控制領域的制造商眾多，像西門子、ABB、施耐德等大型自動化公司，其業務一般覆蓋工廠自動化和工業自動化；而三菱電機、發那科、羅克韋爾自動化、匯川等公司，其業務主要是工廠自動化；艾默生過程管理、霍尼韋爾、橫河電機、浙大中控等公司的主要業務是工業自動化。市場上數量眾多的中小型自動化公司（如倍福、研華、臺達、亞控科技等），其產品主要面向特定行業或生產某類自動化軟硬件設備。

近年來，我國的自動化公司（如匯川、浙江中控技術、和利時等）在技術實力、產品功能和性能等硬實力和產品品牌、服務水平等軟實力上發展很快，在不少關鍵行業實現了自動化系統的國產替代，為確保我國關鍵基礎設施的安全發揮了重要作用。自中國共產黨第二十次全國代表大會以后，受到科技創新、科技強國政策的激勵，我國的自動化領域科技人員更加重視自動化產品的研發和國產替代。2023年3月，裝備我國自主研發的核電數字化儀控系統——“和睦系統”的中廣核廣西防城港核電站3號機組投產發電，標志著我國在核級控制技術和裝備上的重大突破。

除了工業生產系統，還存在電力、燃氣等公共設施；隧道、公路、橋梁、碼頭等交通基礎設施；郵電機房、電信基站等通信基礎設施；地鐵、汽車、火車、船舶等交通運輸設施；倉儲、物流設施；住宅、辦公樓、展覽館等建筑設施，這些設施的運行與監控都大量使用各類控制系統。這些被控對象通常具有測控點分散的特性，不少使用專有的控制設備。但從控制系統的結構和功能的角度看，它們屬于本書重點介紹的監督控制與數據采集（SCADA）系統。

由于工業控制系統服務于具體生產，因此，要了解不同行業的生產特點，才能理解這類生產特點對自動化系統的需求，從而了解與其對應的工業控制系統。

1.離散制造業及其控制系統的特點

典型的離散制造業主要從事單件/批量生產、適用于面向訂單的生產組織方式。其主要特點是原料或產品是離散的，即以個、件、批、包、捆等為單位，多以固態形式存在。代表行業是機械加工、電子元器件制造、汽車、服裝、家電、家具、煙草、五金、醫療設備、玩具、建材及物流等。

離散制造業的主要特點如下。

（1）離散制造業生產周期較長，產品結構復雜，工藝路線和設備配置非常靈活，臨時插單現象多，零部件種類繁多。

（2）面向訂單的離散制造業的生產設備布置不是按產品而是按照工藝進行布置的。

（3）所用的原材料和外購件具有確定的規格，最終產品是由固定個數的零件或部件組成的，從而形成明確、固定的數量關系。

（4）通過加工或裝配過程實現產品增值，整個過程的不同階段會產生若干獨立、完整的部件、組件和產品。

（5）產品種類變化多，非標產品多，要求設備和操作人員必須有足夠靈活的適應能力。

（6）通常情況下，由于生產過程可分離，因此訂單的響應周期較長，輔助時間較多。

（7）物料從一個工作地到另一個工作地的轉移主要使用機器傳動。

由于離散制造業的上述生產特點，因此其控制系統具有下述特征。

（1）檢測的參數多數為數字量信號（如啟動、停止、位置、運行、故障等參數），模擬量主要是電量信號（電壓、電流）和位移、速度、加速度等參數。執行器多是變頻器及伺服機構等。控制方式多表現為邏輯與順序控制、運動控制。

（2）通常情況下，工廠自動化被控對象的時間常數比較小，屬于快速系統，其控制回路數據采集和控制周期通常小于1毫秒，因此，用于運動控制的現場總線的數據實時傳輸的響應時間為幾百微秒，使用的現場總線大多是高速總線，如EtherCAT和Powerlink等。

（3）在單元級設備大量使用數控機床，也廣泛使用各類運動控制器。可編程控制器（PLC）是使用最為廣泛的通用控制器。人機界面在生產線上也被大量使用，幫助工人進行現場操作與監控。

（4）生產多在室內進行，現場的電磁、粉塵、振動等干擾較多。

2.流程工業及其控制系統特點

流程工業一般是指通過物理上的混合、分離、成型或化學反應使原材料增值的行業，其重要特點是物料在生產過程中多是連續流動的，常常通過管道進行各工序之間的傳遞，介質多為氣體、液體或氣液混合。流程工業具有工藝過程相對固定、產品規格較少、批量較大等特點。流程工業的典型行業有石油、化工、冶金、發電、造紙、建材等。

流程工業的主要特點如下。

（1）設備產能固定，計劃的制定相對簡單，常以日產量的方式下達任務，計劃相對穩定。

（2）對配方管理的要求很高，但不像離散制造業那樣有準確的材料表（BOM）。

（3）工藝固定，按工藝路線安排工作中心。工作中心專門用于生產有限的相似的產品，工具和設備是為專門的產品而設計的，專業化特色較顯著。

（4）生產過程中常常出現聯產品、副產品、等級品。

（5）流程工業通常流程長，生產單元和生產關聯度高。

（6）石油、化工等生產過程多具有高溫、高壓、易燃、易爆等特點。

由于流程工業具有上述生產特點，因此其控制系統具有下述特點。

（1）檢測的參數以溫度、壓力、液位、流量及分析參數等模擬量為主，以數字量為輔；執行器以調節閥為主，以開關閥為輔；控制方式主要采用定值控制，以克服擾動為主要目的。

（2）通常情況下，流程工業被控對象的時間常數比較大，屬于慢變系統，其控制回路數據采集和控制周期通常為100～1000毫秒，因此，一般流程工業所用的現場總線的數據傳輸速率較低。

（3）生產多在室外進行，對測控設備的防水、防爆、防雷等級的要求較高。

（4）為確保生產的連續性，要求自動化程度高；當生產過程中具有高溫、高壓等特點時，對于安全等級的要求較高。流程工業廣泛使用集散控制系統和各類安全儀表系統。