1.1.2 离散制造业控制系统与流程工业控制系统

1.离散制造业控制系统

1）离散制造过程的主要控制技术——运动控制

运动控制（Motion Control）通常是指在复杂条件下将预定的控制方案、规划指令等转变成期望的机械运动，对机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制，以及对转矩和力的控制。

可将运动控制器看作控制电动机运行方式的专用控制器。例如，电动机由行程开关控制交流接触器而实现电动机拖动物体在上限位、下限位之间来回运行，或者用时间继电器控制电动机按照一定时间、规律正反转。运动控制在机器人和数控机床领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂。

按照使用动力源的不同，运动控制主要可以分为以电动机作为动力源的电气运动控制、以气体和流体作为动力源的气液控制等。其中，电动机在现代化生产和生活中起着十分重要的作用，因此电气运动控制的应用最为广泛。

电气运动控制是由电机拖动发展而来的，电力拖动或电气传动是以电动机为对象的控制系统的统称。运动控制系统多种多样，但从基本结构上看，一个典型的现代运动控制系统的硬件主要由上位机、运动控制器、功率驱动装置、电动机、执行器和传感器反馈检测装置等组成。

在离散制造业，主要的运动控制器分为专用与通用两类。其中，机床、纺织机械、橡塑机械、印刷机械和包装机械行业主要使用专用型的运动控制器。而在生产流水线、组装线及其他一些工厂自动化领域，主要使用通用型的运动控制器，其中，最典型的产品就是可编程控制器。传统的可编程控制器厂商也开发了相应的运动控制模块，从而可以在一个可编程控制器上集成逻辑顺序控制、运动控制及少量过程控制回路。

2）离散制造过程的主要控制装备

（1）继电器-接触器控制系统。

生产机械的运动需要电动机的拖动，即电动机是拖动生产机械的主体。但对电动机的启动、调速、正反转、制动等控制需要控制系统来实现。用继电器、接触器、按钮、行程开关等电器元件，按一定的接线方式组成的机电传动（电力拖动）控制系统就称作继电器-接触器控制系统。该系统结构简单，价格便宜，能满足一般生产工艺要求。

继电器-接触器控制系统属于典型的分立元件模拟式控制方式。在大量单体设备控制，特别是手动控制中被广泛使用。即使使用了PLC等计算机控制代替了由继电器-接触器控制系统构成的逻辑控制方式，也要使用大量电器元件作为其外围辅助电路或构成手动控制。

（2）专用数控系统。

在离散制造业，数控机床是核心加工装备，被称为工业母机。而数控系统（Numerical Control System，NC）及相关的自动化产品主要是与数控机床配套使用的。数控机床大大提高了零件加工的精度、速度和效率。这种数控机床是国家工业现代化的重要表征和物质基础之一。

目前，在数控技术研究应用领域主要有两大阵营：一个是以日本发那科（FANUC）和德国西门子为代表的专业数控系统厂商；另一个是以山崎马扎克（MAZAK）和德玛吉（DMG）为代表的自主开发数控系统的大型数控机床制造商。

数控系统是配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统，根据计算机存储器中存储的控制程序执行部分或全部数值控制功能，利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现对一台或多台机械设备的动作控制。

一个典型的闭环数控系统通常由控制系统、伺服驱动系统和测量系统三大部分组成。控制系统的主要部件包括总线、CPU、电源、存储器、操作面板、显示屏、位控单元、数据输入/输出接口和通信接口等。控制系统能按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统；测量系统检测机械的直线和回转运动的位置和速度，并反馈到控制系统和伺服驱动系统，来修正控制指令；伺服驱动系统对来自控制系统的控制指令和来自测量系统的反馈信息进行比较和控制调节，控制伺服电机，由伺服电机驱动机械按要求运动。

（3）通用型控制系统。

离散制造业除了设备加工，还存在大量的设备组装任务，如汽车组装线、家用电器组装线等。对于这类生产线的自动化控制系统，以PLC为代表的通用型运动控制器占据了垄断地位。生产线工业控制系统普遍采用PLC与组态软件构成上位机、下位机结构的分布式系统。根据生产流程，生产线上可以配置多个现场PLC站，还可以配置触摸屏人机界面。在中控室配置上位机监控系统，实现对全厂的监控与管理。上位机还能与工厂的MES及ERP组成大型综合自动化系统。

（4）工业机器人。

在现代企业的组装线上，大量使用机械臂或机器人，其典型应用包括焊接、刷漆、组装、采集和放置（如包装、码垛和SMT）、产品检测和测试等。这些工作的完成都要求高效性、持久性、快速性和准确性。ABB、库卡（被中国美的公司收购）、发那科和安川四大厂家是目前全球主要的工业机器人制造商。

工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体，即机座和执行器，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行器产生相应的动作；控制系统按照输入的程序对驱动系统和执行器发出指令信号，并进行控制。

工业机器人控制系统的主要任务是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作时间等。要求具有编程简单、使用软件菜单操作、友好的人机交互界面、可在线操作提示和使用方便等特点。

2.流程工业控制系统

1）流程工业控制系统及其发展

一般认为，工业自动化的发展经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、分散型智能仪表控制系统、集散控制系统和现场总线控制系统的发展历程。控制方式分类：从控制设备的使用方式来看，可以分为仪表控制和计算机控制；从控制结构来看，可以分为集中式控制和分散性控制；从信号类型来看，可以分为模拟式控制和数字式控制。

（1）常规仪表控制系统。

从20世纪60年代开始，工业生产的规模不断扩大，对自动化技术与装置的要求也逐步提高，过程工业开始大量采用单元组合仪表。为了满足定型、灵活、多功能等要求，还出现了组装仪表，以适应比较复杂的模拟量控制和逻辑控制相结合的控制功能的需求。随着计算机的出现，计算机数据采集、直接数字控制（DDC）及计算机监控等各种计算机控制方式应运而生，但由于多种原因没能成为主流。此外，传统的模拟仪表逐步数字化、智能化和网络化。各种计算机化的可编程调节器取代了传统的模拟式仪表，不仅实现了分散控制，还以可编程的方式实现了各种简单和复杂的控制策略。可编程调节器还能与上位机计算机联网，实现了集中监控和管理，简化了控制室的规模，而且提高了自动化水平和管理水平，在集散控制系统（Distributed Control System，DCS）出现以前，曾在大型流程工业得到了广泛应用。

（2）集散控制与现场总线控制系统。

流程工业测控点多，对测控精度的要求较高，常规控制系统很难满足流程工业控制的要求。而计算机技术、通信技术和控制技术的发展，使得开发大型分布式计算机控制系统成为可能。在市场需求和技术的推动下，通过通信网络连接管理计算机和现场控制站的DCS在1975年诞生。DCS采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，自下而上可以分为若干级，如过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级等，满足了大规模工业生产过程对工业控制系统的需求，成为主流的流程工业控制系统。由于现场总线的发展，现场总线控制系统也被开发，并在大型流程工业得到应用。

2）流程工业控制系统的主要仪表与装置

流程工业大量使用DCS进行常规控制，使用安全仪表系统实现安全功能。常规控制系统的基本控制回路包括控制器、执行器、检测仪表和被控对象四部分。其中，控制器可以是控制仪表，也可以是PLC或DCS的现场控制站。执行器主要是气动调节阀和一些开关阀。检测仪表主要检测温度、压力、物位和流程等过程参数和一些成分参数。

3）流程工业控制系统的主要控制策略

在流程工业中，一些复杂过程往往具有不确定性（环境结构和参数的未知性、时变性、随机性、突变性）、非线性、变量间的关联性、信息的不完全和大纯滞后等特性，因此，流程工业的控制策略受到广泛研究，常用的控制策略可分为简单控制、复杂控制和先进控制（APC）。复杂控制有前馈控制、前馈-反馈控制、比值控制、均匀控制、串级控制、分程控制和解耦控制等。先进控制主要有预测控制和一些智能控制策略等。通常要根据被控过程的特点和控制要求合理选择控制策略，制定控制参数。