1.1.2 離散制造業控制系統與流程工業控制系統

1.離散制造業控制系統

1）離散制造過程的主要控制技術——運動控制

運動控制（Motion Control）通常是指在復雜條件下將預定的控制方案、規劃指令等轉變成期望的機械運動，對機械運動實現精確的位置控制、速度控制、加速度控制，以及對轉矩和力的控制。

可將運動控制器看作控制電動機運行方式的專用控制器。例如，電動機由行程開關控制交流接觸器而實現電動機拖動物體在上限位、下限位之間來回運行，或者用時間繼電器控制電動機按照一定時間、規律正反轉。運動控制在機器人和數控機床領域內的應用要比在專用機器中的應用更復雜。

按照使用動力源的不同，運動控制主要可以分為以電動機作為動力源的電氣運動控制、以氣體和流體作為動力源的氣液控制等。其中，電動機在現代化生產和生活中起著十分重要的作用，因此電氣運動控制的應用最為廣泛。

電氣運動控制是由電機拖動發展而來的，電力拖動或電氣傳動是以電動機為對象的控制系統的統稱。運動控制系統多種多樣，但從基本結構上看，一個典型的現代運動控制系統的硬件主要由上位機、運動控制器、功率驅動裝置、電動機、執行器和傳感器反饋檢測裝置等組成。

在離散制造業，主要的運動控制器分為專用與通用兩類。其中，機床、紡織機械、橡塑機械、印刷機械和包裝機械行業主要使用專用型的運動控制器。而在生產流水線、組裝線及其他一些工廠自動化領域，主要使用通用型的運動控制器，其中，最典型的產品就是可編程控制器。傳統的可編程控制器廠商也開發了相應的運動控制模塊，從而可以在一個可編程控制器上集成邏輯順序控制、運動控制及少量過程控制回路。

2）離散制造過程的主要控制裝備

（1）繼電器-接觸器控制系統。

生產機械的運動需要電動機的拖動，即電動機是拖動生產機械的主體。但對電動機的啟動、調速、正反轉、制動等控制需要控制系統來實現。用繼電器、接觸器、按鈕、行程開關等電器元件，按一定的接線方式組成的機電傳動（電力拖動）控制系統就稱作繼電器-接觸器控制系統。該系統結構簡單，價格便宜，能滿足一般生產工藝要求。

繼電器-接觸器控制系統屬于典型的分立元件模擬式控制方式。在大量單體設備控制，特別是手動控制中被廣泛使用。即使使用了PLC等計算機控制代替了由繼電器-接觸器控制系統構成的邏輯控制方式，也要使用大量電器元件作為其外圍輔助電路或構成手動控制。

（2）專用數控系統。

在離散制造業，數控機床是核心加工裝備，被稱為工業母機。而數控系統（Numerical Control System，NC）及相關的自動化產品主要是與數控機床配套使用的。數控機床大大提高了零件加工的精度、速度和效率。這種數控機床是國家工業現代化的重要表征和物質基礎之一。

目前，在數控技術研究應用領域主要有兩大陣營：一個是以日本發那科（FANUC）和德國西門子為代表的專業數控系統廠商；另一個是以山崎馬扎克（MAZAK）和德瑪吉（DMG）為代表的自主開發數控系統的大型數控機床制造商。

數控系統是配有接口電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統，根據計算機存儲器中存儲的控制程序執行部分或全部數值控制功能，利用數字、文字和符號組成的數字指令來實現對一臺或多臺機械設備的動作控制。

一個典型的閉環數控系統通常由控制系統、伺服驅動系統和測量系統三大部分組成。控制系統的主要部件包括總線、CPU、電源、存儲器、操作面板、顯示屏、位控單元、數據輸入/輸出接口和通信接口等。控制系統能按加工工件程序進行插補運算，發出控制指令到伺服驅動系統；測量系統檢測機械的直線和回轉運動的位置和速度，并反饋到控制系統和伺服驅動系統，來修正控制指令；伺服驅動系統對來自控制系統的控制指令和來自測量系統的反饋信息進行比較和控制調節，控制伺服電機，由伺服電機驅動機械按要求運動。

（3）通用型控制系統。

離散制造業除了設備加工，還存在大量的設備組裝任務，如汽車組裝線、家用電器組裝線等。對于這類生產線的自動化控制系統，以PLC為代表的通用型運動控制器占據了壟斷地位。生產線工業控制系統普遍采用PLC與組態軟件構成上位機、下位機結構的分布式系統。根據生產流程，生產線上可以配置多個現場PLC站，還可以配置觸摸屏人機界面。在中控室配置上位機監控系統，實現對全廠的監控與管理。上位機還能與工廠的MES及ERP組成大型綜合自動化系統。

（4）工業機器人。

在現代企業的組裝線上，大量使用機械臂或機器人，其典型應用包括焊接、刷漆、組裝、采集和放置（如包裝、碼垛和SMT）、產品檢測和測試等。這些工作的完成都要求高效性、持久性、快速性和準確性。ABB、庫卡（被中國美的公司收購）、發那科和安川四大廠家是目前全球主要的工業機器人制造商。

工業機器人由主體、驅動系統和控制系統三個基本部分組成。主體，即機座和執行器，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構。驅動系統包括動力裝置和傳動機構，用以使執行器產生相應的動作；控制系統按照輸入的程序對驅動系統和執行器發出指令信號，并進行控制。

工業機器人控制系統的主要任務是控制工業機器人在工作空間中的運動位置、姿態和軌跡、操作順序及動作時間等。要求具有編程簡單、使用軟件菜單操作、友好的人機交互界面、可在線操作提示和使用方便等特點。

2.流程工業控制系統

1）流程工業控制系統及其發展

一般認為，工業自動化的發展經歷了基地式氣動儀表控制系統、電動單元組合式模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統、分散型智能儀表控制系統、集散控制系統和現場總線控制系統的發展歷程。控制方式分類：從控制設備的使用方式來看，可以分為儀表控制和計算機控制；從控制結構來看，可以分為集中式控制和分散性控制；從信號類型來看，可以分為模擬式控制和數字式控制。

（1）常規儀表控制系統。

從20世紀60年代開始，工業生產的規模不斷擴大，對自動化技術與裝置的要求也逐步提高，過程工業開始大量采用單元組合儀表。為了滿足定型、靈活、多功能等要求，還出現了組裝儀表，以適應比較復雜的模擬量控制和邏輯控制相結合的控制功能的需求。隨著計算機的出現，計算機數據采集、直接數字控制（DDC）及計算機監控等各種計算機控制方式應運而生，但由于多種原因沒能成為主流。此外，傳統的模擬儀表逐步數字化、智能化和網絡化。各種計算機化的可編程調節器取代了傳統的模擬式儀表，不僅實現了分散控制，還以可編程的方式實現了各種簡單和復雜的控制策略。可編程調節器還能與上位機計算機聯網，實現了集中監控和管理，簡化了控制室的規模，而且提高了自動化水平和管理水平，在集散控制系統（Distributed Control System，DCS）出現以前，曾在大型流程工業得到了廣泛應用。

（2）集散控制與現場總線控制系統。

流程工業測控點多，對測控精度的要求較高，常規控制系統很難滿足流程工業控制的要求。而計算機技術、通信技術和控制技術的發展，使得開發大型分布式計算機控制系統成為可能。在市場需求和技術的推動下，通過通信網絡連接管理計算機和現場控制站的DCS在1975年誕生。DCS采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協調的設計原則，自下而上可以分為若干級，如過程控制級、控制管理級、生產管理級和經營管理級等，滿足了大規模工業生產過程對工業控制系統的需求，成為主流的流程工業控制系統。由于現場總線的發展，現場總線控制系統也被開發，并在大型流程工業得到應用。

2）流程工業控制系統的主要儀表與裝置

流程工業大量使用DCS進行常規控制，使用安全儀表系統實現安全功能。常規控制系統的基本控制回路包括控制器、執行器、檢測儀表和被控對象四部分。其中，控制器可以是控制儀表，也可以是PLC或DCS的現場控制站。執行器主要是氣動調節閥和一些開關閥。檢測儀表主要檢測溫度、壓力、物位和流程等過程參數和一些成分參數。

3）流程工業控制系統的主要控制策略

在流程工業中，一些復雜過程往往具有不確定性（環境結構和參數的未知性、時變性、隨機性、突變性）、非線性、變量間的關聯性、信息的不完全和大純滯后等特性，因此，流程工業的控制策略受到廣泛研究，常用的控制策略可分為簡單控制、復雜控制和先進控制（APC）。復雜控制有前饋控制、前饋-反饋控制、比值控制、均勻控制、串級控制、分程控制和解耦控制等。先進控制主要有預測控制和一些智能控制策略等。通常要根據被控過程的特點和控制要求合理選擇控制策略，制定控制參數。