第1章工业控制装备概述

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PPT：第1.0章工业控制装备概述1.pptx
PPT：第1.1章工业控制装备概述2(1).pptx
辅导书参考：S7-1200 PLC编程及应用第3版，主要用于补充PLC、DCS、通信和综合自动化概念。

1. 本章脉络

工业控制装备概述
├─ 工业控制系统类型
│  ├─ 顺序控制：离散量控制
│  └─ 过程控制：连续量控制
├─ 自动控制系统结构
│  ├─ 开环控制
│  └─ 闭环控制/反馈控制
├─ 控制器作用
├─ 控制器类型和发展
│  ├─ 继电器
│  ├─ 调节仪表
│  ├─ PLC
│  ├─ 单片机
│  ├─ 工控机
│  ├─ DCS
│  └─ 现场总线控制系统
└─ 智能制造综合自动化架构
   ├─ BPS
   ├─ MES
   └─ PCS

2. 工业控制系统类型

2.1 顺序控制

顺序控制主要处理离散量，也就是开关量状态，如按钮是否按下、电磁阀是否打开、电机是否启动、限位开关是否动作等。

顺序控制又可分为两类：

类型	含义	典型例子	控制特点
时间顺序控制	按时间先后执行动作	交通灯控制	重点是定时、延时、周期切换
逻辑顺序控制	按条件变化执行动作	液体混合装置、电梯控制	重点是输入条件、互锁、步序切换

交通灯例子

PPT中的交通灯是典型时间顺序控制。南北、东西方向红绿黄灯按固定时间运行，例如绿灯、黄灯、红灯按预定时间循环。核心考点不是交通灯本身，而是：

能把一个实际流程拆成若干状态；
能写出每个状态的输出；
能写出状态之间的转换条件；
能用定时器实现状态保持时间。

液体混合装置例子

液体混合装置是典型逻辑顺序控制，流程大致为：

按下启动按钮
→ A阀打开
→ 液位到达SL2
→ A阀关闭，B阀打开
→ 液位到达SL1
→ B阀关闭，搅拌电机启动
→ 搅拌1分钟
→ 停止搅拌，混合液阀C打开
→ SL3由通变断后延时20秒
→ C阀关闭

这个例子要会转化为：输入点、输出点、动作顺序、转换条件、定时条件。

2.2 过程控制

过程控制主要处理连续量，如温度、压力、流量、液位、浓度等。控制目标通常是让被控量稳定在设定值，或按照给定规律变化。

典型应用：石油、化工、制药、造纸、钢铁、热工过程、反应釜控制等。

过程控制常采用闭环反馈控制，常见控制规律是PID。

3. 自动控制系统结构

3.1 开环控制

开环控制没有反馈环节，控制器只根据设定或预定程序输出控制信号，不检测实际输出是否达到目标。

设定 → 控制器 → 执行器 → 被控对象 → 输出

特点：结构简单、成本低，但抗扰动能力差。交通灯按固定时间切换就是典型开环控制。

3.2 闭环控制

闭环控制又称反馈控制，会检测实际输出，并与设定值比较形成偏差，再由控制器根据偏差调节输出。

设定值SP → 比较器 → 偏差e → 控制器 → 执行器 → 被控对象 → 输出PV
                                      ↑                         ↓
                                      └──── 测量变送 ←──────────┘

名词	解释
设定值SP	希望系统达到的目标值
过程值PV	传感器测得的实际值
偏差e	设定值与实际值之差，常写为 (e=SP-PV)
控制器	根据偏差计算控制量的装置
执行器	接收控制信号并作用于对象，如阀门、电机、加热器
测量变送	把温度、压力、液位等物理量变成标准电信号

闭环控制的核心优点是能自动纠偏，适合受扰动明显的工业过程。

4. 控制器作用

控制器的作用可以概括为三步：

接收输入信号：来自按钮、传感器、变送器、通信网络等；
内部运算：执行逻辑判断、顺序控制、PID运算、数据处理等；
输出控制信号：驱动接触器、电磁阀、变频器、调节阀、报警装置等。

可以把控制器理解为工业系统的“大脑”。

5. 工业控制装备种类

5.1 继电器控制系统

继电器控制系统通过低压电器的硬接线实现控制逻辑。

优点：结构直观、价格低、简单任务容易实现；
缺点：接线复杂、触点磨损、可靠性受限、修改工艺时必须改线。

5.2 单片机控制系统

单片机是嵌入式微型计算机，适合小型设备、智能仪表、家用电器、机器人局部控制等。

开发流程一般为：

确定控制任务 → 方案设计 → 硬件设计与调试 → 软件设计与调试 → 系统联调

硬件设计常包括时钟、复位、电源、存储器、I/O接口、A/D、D/A、驱动电路和人机面板。

5.3 PLC控制系统

PLC是面向工业环境设计的控制器，本质上可以理解为“强化工业可靠性、输入输出和编程环境的专用控制计算机”。

PPT中给出的PLC结构：

部分	作用
CPU模块	微处理器和存储器，是PLC的大脑和心脏
I/O模块	输入开关量/模拟量，输出控制执行器
电源	给PLC系统供电
编程器/软件	编写程序、下载程序、监视PLC状态

PLC控制系统开发流程：

需求分析 → 制定电气控制方案 → 确定I/O点数和类型 → 选择PLC机型
→ 选择输入输出设备及扩展模块 → 分配I/O地址 → 设计电气图纸
→ 硬件组态和程序设计 → 系统调试

5.4 调节仪表

调节仪表主要用于过程控制领域，实现PID运算。传统调节器通过模拟电路实现PID，数字式调节器通过微处理器实现PID，并具备通信、自诊断等功能。

常见标准信号：

DDZ-II：0~10 mA；
DDZ-III：4~20 mA。

5.5 工控机 IPC

工控机是面向工业现场的计算机，具有抗干扰、抗振动、长期运行、可扩展I/O、看门狗复位等特点。

优点是开放性强、兼容PC软件；缺点是价格较高，现场可靠性和实时性通常不如PLC/DCS专用控制器。

5.6 DCS 集散控制系统

DCS，即 Distributed Control System，中文为集散控制系统。

核心思想：分散控制，集中管理。多个控制站分别完成局部控制任务，操作员站和工程师站集中监控和管理。

DCS适合流程工业的大规模连续控制，如石化、化工、电力等。

5.7 FCS 现场总线控制系统

现场总线是连接现场智能设备与自动化控制设备的双向、串行、数字、多节点通信网络。

项目	DCS传统接线	FCS现场总线
接线方式	每个设备单独接线	多个设备共享总线
现场设备	可以是不智能设备	通常需要智能设备
优点	可靠直观	接线少、维护方便、开放互联
缺点	线缆多、维护量大	成本较高、抗干扰要求高

5.8 SIS 安全仪表系统

SIS，即 Safety Instrumented System，用于危险状态下的安全联锁和保护。它不是为了提高产量，而是为了保护人员、设备和环境。

SIS在安全保护层“洋葱模型”中属于预防保护层，常与DCS配合，但功能上应保持相对独立。

6. 智能制造综合自动化架构

PPT中给出综合自动化系统三层架构：BPS、MES、PCS。

层级	中文理解	主要作用	典型内容
BPS	经营计划系统	企业经营与计划优化	ERP、供应链、人力、财务、销售、工艺设计
MES	制造执行系统	连接上层经营计划和下层控制过程	生产调度、质量管理、物料跟踪、设备管理、故障诊断
PCS	过程控制系统	基础自动化控制	PLC、DCS、传感器、执行器、PID、实时监控

工业控制装备主要位于PCS层，也向MES上传过程数据。

7. 公式与控制规律

7.1 反馈偏差

公式本身：

[ e(t)=SP(t)-PV(t) ]

符号	含义	单位	备注
(e(t))	偏差	与被控量相同	控制器的主要输入
(SP(t))	设定值	与被控量相同	人为或上位系统给定
(PV(t))	过程值/测量值	与被控量相同	由传感器测得

适用条件：闭环反馈控制系统。

物理/工程意义：偏差表示“目标和实际差多少”。偏差越大，控制器通常输出越强的调节动作。

常见变形：有些系统也采用 (e(t)=PV(t)-SP(t))，关键是控制器正反作用方向要一致。

7.2 PID控制规律

公式本身：

[ u(t)=K_p e(t)+K_i\int_0^t e(\tau)d\tau+K_d\frac{de(t)}{dt} ]

符号	含义	说明
(u(t))	控制器输出	输出给执行器的控制量
(K_p)	比例系数	反映当前误差
(K_i)	积分系数	消除长期静差
(K_d)	微分系数	预测误差变化趋势
(e(t))	偏差	设定值与过程值之差

适用条件：线性或近似线性、连续过程控制；工业实际中常用于温度、压力、液位、流量等回路。

物理/工程意义：P看现在，I看过去，D看趋势。

常见变形：

[ u(t)=K_p\left[e(t)+\frac{1}{T_i}\int_0^t e(\tau)d\tau+T_d\frac{de(t)}{dt}\right] ]

其中 (T_i) 为积分时间，(T_d) 为微分时间。

8. 图表索引

图表	来源位置	作用
交通灯时序图	第1.0章PPT约第5-6页	理解时间顺序控制
液体混合装置流程图	第1.0章PPT约第7页	理解逻辑顺序控制
开环/闭环控制框图	第1.0章PPT约第13-14页	理解反馈结构
PLC结构图	第1.0章PPT约第29页	理解CPU、I/O、电源、编程器关系
BPS-MES-PCS综合自动化架构	第1.1章PPT约第2-4页	理解智能制造分层
DCS、SIS、FCS案例图	第1.0/1.1章PPT后半部分	认识不同工业控制装备应用场景

9. 易错点

顺序控制不一定只按时间，也可能按传感器条件切换。
过程控制强调连续量和反馈，顺序控制强调离散状态和逻辑。
开环控制不是“没有控制器”，而是没有反馈修正。
PLC不是普通单片机，它强化了工业可靠性、I/O接口和编程体系。
DCS不是单个控制器，而是分布式控制系统。
SIS不是DCS的普通控制回路，而是独立安全保护系统。
MES不是现场控制器，而是生产执行和管理系统。

10. 考前补充：容易被问到的比较题

10.1 控制器类型横向比较

控制器	主要对象	优点	局限	常见考法
继电器控制	简单顺序控制	直观、成本低	接线复杂，修改困难，可靠性受触点影响	与PLC比较
单片机	小型嵌入式控制	成本低、体积小、灵活	需要自行设计外围电路和抗干扰措施	为什么PLC不是普通单片机
PLC	工业顺序控制，也可做过程控制	抗干扰强、I/O完善、编程维护方便	大规模连续过程和冗余能力不如DCS	定义、组成、应用领域
调节仪表	单回路过程控制	简单、便宜、整定方便	不适合复杂逻辑和集中管理	PID、4~20mA输出
工控机	监控、数据处理、复杂算法	开放性强、计算能力强	工业可靠性需额外设计	与PLC/DCS分工
DCS	大规模连续过程	分散控制、集中管理、冗余好	成本高，工程组态复杂	核心思想和组成
现场总线控制系统	智能现场设备互联	接线少、诊断强、信息丰富	依赖协议和智能仪表	与传统I/O比较

10.2 开环、闭环、复合控制判断

只按预定程序动作，不测输出反馈：开环，如固定周期交通灯。
测量输出并与设定值比较，按偏差修正：闭环，如液位、温度PID控制。
既有顺序逻辑又有反馈调节：工程上很常见，例如反应釜先按顺序进料，再对温度闭环控制。

10.3 智能制造三层架构常考关键词

BPS：经营计划层，回答“企业要生产什么、资源如何计划”
MES：制造执行层，回答“车间如何调度、质量/设备/物流如何管理”
PCS：过程控制层，回答“现场设备如何实时控制”

记忆方法：BPS偏经营计划，MES偏生产执行，PCS偏现场控制。PLC、DCS、仪表、现场总线主要落在PCS层，向上给MES提供生产数据。

11. 本章预测题与答案

题1：简述顺序控制和过程控制的区别。

答案：顺序控制主要处理离散量，如按钮、限位、电磁阀、电机启停等，控制重点是动作顺序和逻辑条件；过程控制主要处理连续量，如温度、压力、流量、液位等，控制重点是使过程变量稳定在设定值附近，通常采用闭环反馈和PID调节。

题2：什么是开环控制？举例说明。

答案：开环控制是不检测实际输出、不根据反馈修正控制量的控制方式。其结构为设定值经控制器、执行器作用于被控对象后得到输出。交通灯按固定时间切换是典型开环控制，因为它不根据车流量实时反馈改变灯时。

题3：什么是闭环控制？为什么工业过程控制多采用闭环？

答案：闭环控制通过测量变送环节获得实际输出，与设定值比较形成偏差，再由控制器根据偏差调节执行器。工业过程常受负载、环境、原料等扰动影响，闭环能自动纠偏，所以过程控制多采用闭环反馈控制。

题4：控制器在工业控制系统中的作用是什么？

答案：控制器接收传感器、按钮或上位系统输入信号，按照控制规律进行逻辑运算、顺序控制或PID运算，再输出控制信号驱动执行机构，使生产过程按预定程序或参数运行。

题5：PLC控制系统开发的一般流程是什么？

答案：需求分析、制定电气控制方案、确定I/O点数及类型、选择PLC机型、选择输入输出设备与扩展模块、分配I/O地址、设计电气图纸、完成硬件组态和程序设计、进行系统调试。

题6：DCS的核心思想是什么？

答案：DCS的核心思想是分散控制、集中管理。现场控制任务由多个控制站分散完成，操作、监控、工程组态等由操作站和工程师站集中完成，适合大规模连续过程控制。

题7：说明BPS、MES、PCS三层之间的关系。

答案：BPS位于上层，负责企业经营和生产计划优化；MES位于中间，负责生产执行、调度、质量、设备和数据管理，是BPS与PCS之间的信息桥梁；PCS位于底层，负责PLC、DCS、传感器、执行器等基础自动化控制。

题8：SIS和DCS有什么区别？

答案：DCS主要完成正常生产过程的监控和调节，目标是稳定生产；SIS主要完成安全联锁和事故保护，目标是在人身、设备、环境面临危险时使系统进入安全状态。SIS通常要求更高安全等级和相对独立性。

题9：解释PID中P、I、D三部分的工程意义。

答案：比例P反映当前偏差，偏差越大输出越大；积分I累积过去偏差，用于消除稳态误差；微分D反映偏差变化趋势，用于提前抑制快速变化，提高响应的预见性。

题10：现场总线控制系统的优缺点是什么？

答案：优点是接线量少、维护方便、开放互联、便于现场设备智能化；缺点是需要智能现场设备，成本较高，对通信协议、抗干扰和网络可靠性要求高。

第01章_工业控制装备概述

第1章 工业控制装备概述