第1章 工業(yè)控制系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)概述

1.1 工業(yè)生產(chǎn)中的工業(yè)控制系統(tǒng)

1.1.1 工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)分類及其對(duì)應(yīng)的工業(yè)控制系統(tǒng)

工業(yè)生產(chǎn)是創(chuàng)造社會(huì)財(cái)富、滿足人們生產(chǎn)生活物質(zhì)需求的主要方式。由于產(chǎn)品種類千差萬(wàn)別，因此，工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)及相關(guān)的企業(yè)眾多。為了提高產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量，減少人工勞動(dòng)，不同行業(yè)都在使用自動(dòng)化系統(tǒng)解決其生產(chǎn)運(yùn)行自動(dòng)化問(wèn)題。由于不同行業(yè)的生產(chǎn)加工方式有不同的特點(diǎn)，因此工業(yè)控制系統(tǒng)也有鮮明的行業(yè)特性。以如圖1.1所示的化工生產(chǎn)過(guò)程與汽車生產(chǎn)線為例，讀者可以看到其中有明顯不同。而這種生產(chǎn)特點(diǎn)的不同，對(duì)于控制系統(tǒng)執(zhí)行器的影響表現(xiàn)在：在化工廠這樣的流程工業(yè)中，大量使用的執(zhí)行器是如圖1.2（a）所示的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥；而在汽車生產(chǎn)線等離散制造業(yè)，大量使用的執(zhí)行器是如圖1.2（b）所示的變頻器與變頻電機(jī)和如圖1.2（c）所示的伺服控制器與伺服電機(jī)。

由于不同行業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)不同，其對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的要求自然也有所不同，有時(shí)甚至差別很大。顯然，面對(duì)不同行業(yè)的不同生產(chǎn)特點(diǎn)和控制要求，不能只有一種工業(yè)控制系統(tǒng)解決方案。從工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展來(lái)看，各類工業(yè)控制系統(tǒng)在產(chǎn)生之初都依附一定的行業(yè)，從而產(chǎn)生了面向行業(yè)的各類工業(yè)控制系統(tǒng)解決方案。以制造業(yè)為例，根據(jù)制造業(yè)加工生產(chǎn)的特點(diǎn)，主要可以分為離散制造業(yè)、流程制造工業(yè)和兼具連續(xù)與離散特點(diǎn)的間歇過(guò)程（如制藥、食品、飲料、精細(xì)化工等）。通常，工業(yè)界把離散制造業(yè)控制系統(tǒng)稱作工廠自動(dòng)化（Factory Automation，F(xiàn)A）系統(tǒng)，把流程制造工業(yè)控制系統(tǒng)稱作工業(yè)自動(dòng)化或過(guò)程/流程自動(dòng)化（Process Automation，PA）系統(tǒng)。工廠自動(dòng)化的典型結(jié)構(gòu)是將各種加工自動(dòng)化設(shè)備和柔性生產(chǎn)線連接起來(lái)，配合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）系統(tǒng)，在中央計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一管理下協(xié)同工作，使整個(gè)工廠生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化。而工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)是指對(duì)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分散控制、集中管理和調(diào)度，在保證被控變量在設(shè)定值附近的前提下，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定、優(yōu)化、安全和綠色運(yùn)行，為企業(yè)創(chuàng)造最大的效益。

工業(yè)控制領(lǐng)域的制造商眾多，像西門(mén)子、ABB、施耐德等大型自動(dòng)化公司，其業(yè)務(wù)一般覆蓋工廠自動(dòng)化和工業(yè)自動(dòng)化；而三菱電機(jī)、發(fā)那科、羅克韋爾自動(dòng)化、匯川等公司，其業(yè)務(wù)主要是工廠自動(dòng)化；艾默生過(guò)程管理、霍尼韋爾、橫河電機(jī)、浙大中控等公司的主要業(yè)務(wù)是工業(yè)自動(dòng)化。市場(chǎng)上數(shù)量眾多的中小型自動(dòng)化公司（如倍福、研華、臺(tái)達(dá)、亞控科技等），其產(chǎn)品主要面向特定行業(yè)或生產(chǎn)某類自動(dòng)化軟硬件設(shè)備。

近年來(lái)，我國(guó)的自動(dòng)化公司（如匯川、浙江中控技術(shù)、和利時(shí)等）在技術(shù)實(shí)力、產(chǎn)品功能和性能等硬實(shí)力和產(chǎn)品品牌、服務(wù)水平等軟實(shí)力上發(fā)展很快，在不少關(guān)鍵行業(yè)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)替代，為確保我國(guó)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的安全發(fā)揮了重要作用。自中國(guó)共產(chǎn)黨第二十次全國(guó)代表大會(huì)以后，受到科技創(chuàng)新、科技強(qiáng)國(guó)政策的激勵(lì)，我國(guó)的自動(dòng)化領(lǐng)域科技人員更加重視自動(dòng)化產(chǎn)品的研發(fā)和國(guó)產(chǎn)替代。2023年3月，裝備我國(guó)自主研發(fā)的核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)——“和睦系統(tǒng)”的中廣核廣西防城港核電站3號(hào)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，標(biāo)志著我國(guó)在核級(jí)控制技術(shù)和裝備上的重大突破。

除了工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，還存在電力、燃?xì)獾裙苍O(shè)施；隧道、公路、橋梁、碼頭等交通基礎(chǔ)設(shè)施；郵電機(jī)房、電信基站等通信基礎(chǔ)設(shè)施；地鐵、汽車、火車、船舶等交通運(yùn)輸設(shè)施；倉(cāng)儲(chǔ)、物流設(shè)施；住宅、辦公樓、展覽館等建筑設(shè)施，這些設(shè)施的運(yùn)行與監(jiān)控都大量使用各類控制系統(tǒng)。這些被控對(duì)象通常具有測(cè)控點(diǎn)分散的特性，不少使用專有的控制設(shè)備。但從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的角度看，它們屬于本書(shū)重點(diǎn)介紹的監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)。

由于工業(yè)控制系統(tǒng)服務(wù)于具體生產(chǎn)，因此，要了解不同行業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)，才能理解這類生產(chǎn)特點(diǎn)對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的需求，從而了解與其對(duì)應(yīng)的工業(yè)控制系統(tǒng)。

1.離散制造業(yè)及其控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

典型的離散制造業(yè)主要從事單件/批量生產(chǎn)、適用于面向訂單的生產(chǎn)組織方式。其主要特點(diǎn)是原料或產(chǎn)品是離散的，即以個(gè)、件、批、包、捆等為單位，多以固態(tài)形式存在。代表行業(yè)是機(jī)械加工、電子元器件制造、汽車、服裝、家電、家具、煙草、五金、醫(yī)療設(shè)備、玩具、建材及物流等。

離散制造業(yè)的主要特點(diǎn)如下。

（1）離散制造業(yè)生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝路線和設(shè)備配置非常靈活，臨時(shí)插單現(xiàn)象多，零部件種類繁多。

（2）面向訂單的離散制造業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備布置不是按產(chǎn)品而是按照工藝進(jìn)行布置的。

（3）所用的原材料和外購(gòu)件具有確定的規(guī)格，最終產(chǎn)品是由固定個(gè)數(shù)的零件或部件組成的，從而形成明確、固定的數(shù)量關(guān)系。

（4）通過(guò)加工或裝配過(guò)程實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品增值，整個(gè)過(guò)程的不同階段會(huì)產(chǎn)生若干獨(dú)立、完整的部件、組件和產(chǎn)品。

（5）產(chǎn)品種類變化多，非標(biāo)產(chǎn)品多，要求設(shè)備和操作人員必須有足夠靈活的適應(yīng)能力。

（6）通常情況下，由于生產(chǎn)過(guò)程可分離，因此訂單的響應(yīng)周期較長(zhǎng)，輔助時(shí)間較多。

（7）物料從一個(gè)工作地到另一個(gè)工作地的轉(zhuǎn)移主要使用機(jī)器傳動(dòng)。

由于離散制造業(yè)的上述生產(chǎn)特點(diǎn)，因此其控制系統(tǒng)具有下述特征。

（1）檢測(cè)的參數(shù)多數(shù)為數(shù)字量信號(hào)（如啟動(dòng)、停止、位置、運(yùn)行、故障等參數(shù)），模擬量主要是電量信號(hào)（電壓、電流）和位移、速度、加速度等參數(shù)。執(zhí)行器多是變頻器及伺服機(jī)構(gòu)等?？刂品绞蕉啾憩F(xiàn)為邏輯與順序控制、運(yùn)動(dòng)控制。

（2）通常情況下，工廠自動(dòng)化被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)比較小，屬于快速系統(tǒng)，其控制回路數(shù)據(jù)采集和控制周期通常小于1毫秒，因此，用于運(yùn)動(dòng)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)捻憫?yīng)時(shí)間為幾百微秒，使用的現(xiàn)場(chǎng)總線大多是高速總線，如EtherCAT和Powerlink等。

（3）在單元級(jí)設(shè)備大量使用數(shù)控機(jī)床，也廣泛使用各類運(yùn)動(dòng)控制器?？删幊炭刂破鳎≒LC）是使用最為廣泛的通用控制器。人機(jī)界面在生產(chǎn)線上也被大量使用，幫助工人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作與監(jiān)控。

（4）生產(chǎn)多在室內(nèi)進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)的電磁、粉塵、振動(dòng)等干擾較多。

2.流程工業(yè)及其控制系統(tǒng)特點(diǎn)

流程工業(yè)一般是指通過(guò)物理上的混合、分離、成型或化學(xué)反應(yīng)使原材料增值的行業(yè)，其重要特點(diǎn)是物料在生產(chǎn)過(guò)程中多是連續(xù)流動(dòng)的，常常通過(guò)管道進(jìn)行各工序之間的傳遞，介質(zhì)多為氣體、液體或氣液混合。流程工業(yè)具有工藝過(guò)程相對(duì)固定、產(chǎn)品規(guī)格較少、批量較大等特點(diǎn)。流程工業(yè)的典型行業(yè)有石油、化工、冶金、發(fā)電、造紙、建材等。

流程工業(yè)的主要特點(diǎn)如下。

（1）設(shè)備產(chǎn)能固定，計(jì)劃的制定相對(duì)簡(jiǎn)單，常以日產(chǎn)量的方式下達(dá)任務(wù)，計(jì)劃相對(duì)穩(wěn)定。

（2）對(duì)配方管理的要求很高，但不像離散制造業(yè)那樣有準(zhǔn)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(mén)用于生產(chǎn)有限的相似的產(chǎn)品，工具和設(shè)備是為專門(mén)的產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的，專業(yè)化特色較顯著。

（4）生產(chǎn)過(guò)程中常常出現(xiàn)聯(lián)產(chǎn)品、副產(chǎn)品、等級(jí)品。

（5）流程工業(yè)通常流程長(zhǎng)，生產(chǎn)單元和生產(chǎn)關(guān)聯(lián)度高。

（6）石油、化工等生產(chǎn)過(guò)程多具有高溫、高壓、易燃、易爆等特點(diǎn)。

由于流程工業(yè)具有上述生產(chǎn)特點(diǎn)，因此其控制系統(tǒng)具有下述特點(diǎn)。

（1）檢測(cè)的參數(shù)以溫度、壓力、液位、流量及分析參數(shù)等模擬量為主，以數(shù)字量為輔；執(zhí)行器以調(diào)節(jié)閥為主，以開(kāi)關(guān)閥為輔；控制方式主要采用定值控制，以克服擾動(dòng)為主要目的。

（2）通常情況下，流程工業(yè)被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)比較大，屬于慢變系統(tǒng)，其控制回路數(shù)據(jù)采集和控制周期通常為100～1000毫秒，因此，一般流程工業(yè)所用的現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)傳輸速率較低。

（3）生產(chǎn)多在室外進(jìn)行，對(duì)測(cè)控設(shè)備的防水、防爆、防雷等級(jí)的要求較高。

（4）為確保生產(chǎn)的連續(xù)性，要求自動(dòng)化程度高；當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中具有高溫、高壓等特點(diǎn)時(shí)，對(duì)于安全等級(jí)的要求較高。流程工業(yè)廣泛使用集散控制系統(tǒng)和各類安全儀表系統(tǒng)。