1、控制理论与控制工程专题工业过程控制系统及应用* Industrial Process Contral System 2教学 内容工业控制网络技术工业控制系统工业控制组态软件工业控制数据交换标准* Industrial Process Contral System 3工业控制系统按照工业生产过程所使用的原材料和产成品的形态，可将工业生产分为三种典型的过程：连续过程（ Continuous Process）、离散过程（Discrete Process）和批量过程（ Batch Process）。工业控制系统概述连续过程： 指工业生产过程所使用的原材料及其产成品为不可以计数的流体，如液体、气体等。这
2、样的物料需要使用容器或管道进行输送，其计量也不可以计数，只能采用适当的计量单位，如立方米、千克等。 这类过程的输入、输出变量为时间连续和幅度连续的量，其生产方式也是连续不断的。生产过程一旦建立，就可以连续地将原材料加工为产成品，其过程的输入 /输出和排放遵循物质不灭和能量守恒定律。连续过程的变量一般是温度、压力、流量、质量及液位等。* Industrial Process Contral System 4工业控制系统工业控制系统概述石油炼制、化肥等生产过程都是连续过程。以连续过程为主要特征的生产行业被习惯性地称为流程工业。在国际上，过程控制（ Process Control）和过程自动化（ P
3、rocess Automation）指的一般都是连续过程。离散过程： 工业过程所使用的原材料和产成品都是 “ 固态 ” 的、按件计量的，其过程的输入、输出变量为时间离散和幅度离散的量，如产品的数量、位置、开关的状态等。例如，玩具的主要生产过程可以看成是一个离散过程。以离散过程为主要特征的生产行业被习惯性地称为制造业。面向制造业的自动化系统一般称为工厂自动化（ Factory Automation）。* Industrial Process Contral System 5工业控制系统工业控制系统概述批量过程： 是一种周期性重复的生产过程即利用同样的生产装置，在不同的时间段，根据不同的配方和生产
4、工艺生产出不同产品。这类过程的特点是连续过程和离散过程交替进行，配方的切换和生产工艺的改变是离散过程，而在确定了配方和生产工艺后的生产过程又是一个连续过程。一个完整的生产过程，一般都是连续过程和离散过程的混合体。例如，在啤酒的生产过程中，发酵过程是一个连续过程，但啤酒最后灌装成瓶的过程又是离散过程。针对这类过程的控制，被称为混合控制（ Hybrid Control）大部分制药、食品、饮料的生产过程都是批量过程。* Industrial Process Contral System 6工业控制系统工业控制系统概述一、控制系统的基本组成：在一个控制系统中，必不可少的组成部分有三个；被控对象 (即生
5、产过程 )、控制设备或装置、人。人是起主导作用的： 生产过程是为满足人的需求而建立的，生产的程序、步骤及工艺等是人设计的。在整个生产过程中，要进行哪些控制、如何进行控制及控制的方法是什么，都是由人决定的。被控对象是实施生产过程的主体： 不论何种控制装置，其控制作用都是围绕生产过程发生的。如果离开了生产过程，控制装置就失去了存在的意义。因此，控制装置是从属于生产过程的，但对生产过程又产生着巨大的反作用力，使得完成生产过程的主体，如发电机、锅炉、化工反应装置等能够更加安全、高效、稳定及可靠地运行。* Industrial Process Contral System 7工业控制系统工业控制系统概述
6、控制装置是控制系统的核心： 所有控制作用都是由控制装置实现的，一个控制系统能否顺利地实现其控制目标，完成复杂的控制功能，主要看控制装置是否稳定可靠并具有优异的性能。由于控制装置的重要性，在很多场合，人们不再以被控对象、控制装置和人这三部分的总和作为控制系统的定义，而是直接将控制装置定义为控制系统，即认为控制系统是由围绕实施控制所必须的测量、计算及执行等各个环节所组成的。这实际上是对直接控制系统的定义，而有人参与的控制则被定义为监督控制系统。直接控制系统定义为以下三个要素的集合：1、测量方法和测量装置；* Industrial Process Contral System 8工业控制系统工业控制
7、系统概述2、控制方法 (包括算法 )和运算处理装置；3、执行方法和执行装置。在这三个要素中，方法是软件（这里的软件是指解决方案，而不是指程序代码），虽然软件是无形的，但它是控制系统的主宰，决定了控制系统的功能和性能。各种装置则是硬件，是实现方法的手段。所有有关软件和硬件的结合，构成了控制系统的各个组成部分。二、测量方法和测量装置被控对象有其自身的运行状态，这些状态是生产过程的表征。控制系统将通过测量被控对象的运行状态来了解生产过程。一个被控对象能够被测量（即通过可行的方法进行测量，并通过测量数据准确及时地判断出被控对象的状态 )的难易程度，称为该被控对象的可测性。* Industrial Pr
8、ocess Contral System 9工业控制系统工业控制系统概述表征生产过程状态的量有很多种，如温度、湿度、压力、流量、液位、密度、电流、电压、功率、速度、位置等。这些量都被称为过程量。1、模拟量模拟量是表达物理过程或物理设备量值的一种连续变化的量，其数值随时间变化而变化，表现为一个时间的函数。模拟量最大的特点是连续性，即在其随时间变化的曲线上的任意点均可求导，不存在拐点。这个特点的物理意义是：这类物理量的变化是一个渐变的过程，无论该物理量的变化有多快，都会有一个过渡过程，其取值可有无穷多个。一般来说，过程量可分为模拟量和开关量两大类。* Industrial Process Cont
9、ral System 10工业控制系统工业控制系统概述温度、湿度、压力、流量、液体、密度、重量、体积、电流、电压、功率、速度、位置及亮度等量都被归类于模拟量。模拟量还可细分为两种：瞬时量和累积量。瞬时量 (或瞬时值 )是指该物理量在测量的时刻所具有的值，这个时刻一旦过去，该物理量的值就会改变。如：温度、压力等物理量。累积量则表明该物理量随时间的前进而不断增长的积累，是某瞬时量对时间的积分。如：液体的体积，是流量和时间的乘积 (在流量恒定条件下 )；电能（在工程上称之为电度）是电功率与时间的乘积（在电功率恒定条件下）等等。测量是控制系统感知被控对象运行状态的重要环节，一般通过敏感元件或检测元件来实现测量。如压力传感器、温度传感器等。
