# 第1章工业控制装备概述

# 资料来源

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)+\frac1}{T_i}\int_0(t e(\tau)d\tau+T_d\frac{de(t))\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1章 工业控制装备概述