第1章 工业控制系统与SCADA系统概述

1.1 工业生产中的工业控制系统

1.1.1 工业生产行业分类及其对应的工业控制系统

工业生产是创造社会财富、满足人们生产生活物质需求的主要方式。由于产品种类千差万别，因此，工业生产行业及相关的企业众多。为了提高产品产量与质量，减少人工劳动，不同行业都在使用自动化系统解决其生产运行自动化问题。由于不同行业的生产加工方式有不同的特点，因此工业控制系统也有鲜明的行业特性。以如图1.1所示的化工生产过程与汽车生产线为例，读者可以看到其中有明显不同。而这种生产特点的不同，对于控制系统执行器的影响表现在：在化工厂这样的流程工业中，大量使用的执行器是如图1.2（a）所示的气动调节阀；而在汽车生产线等离散制造业，大量使用的执行器是如图1.2（b）所示的变频器与变频电机和如图1.2（c）所示的伺服控制器与伺服电机。

由于不同行业的生产特点不同，其对自动化系统的要求自然也有所不同，有时甚至差别很大。显然，面对不同行业的不同生产特点和控制要求，不能只有一种工业控制系统解决方案。从工业控制系统的发展来看，各类工业控制系统在产生之初都依附一定的行业，从而产生了面向行业的各类工业控制系统解决方案。以制造业为例，根据制造业加工生产的特点，主要可以分为离散制造业、流程制造工业和兼具连续与离散特点的间歇过程（如制药、食品、饮料、精细化工等）。通常，工业界把离散制造业控制系统称作工厂自动化（Factory Automation，FA）系统，把流程制造工业控制系统称作工业自动化或过程/流程自动化（Process Automation，PA）系统。工厂自动化的典型结构是将各种加工自动化设备和柔性生产线连接起来，配合计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）系统，在中央计算机的统一管理下协同工作，使整个工厂生产实现综合自动化。而工业自动化系统是指对连续生产过程进行分散控制、集中管理和调度，在保证被控变量在设定值附近的前提下，实现生产过程的稳定、优化、安全和绿色运行，为企业创造最大的效益。

工业控制领域的制造商众多，像西门子、ABB、施耐德等大型自动化公司，其业务一般覆盖工厂自动化和工业自动化；而三菱电机、发那科、罗克韦尔自动化、汇川等公司，其业务主要是工厂自动化；艾默生过程管理、霍尼韦尔、横河电机、浙大中控等公司的主要业务是工业自动化。市场上数量众多的中小型自动化公司（如倍福、研华、台达、亚控科技等），其产品主要面向特定行业或生产某类自动化软硬件设备。

近年来，我国的自动化公司（如汇川、浙江中控技术、和利时等）在技术实力、产品功能和性能等硬实力和产品品牌、服务水平等软实力上发展很快，在不少关键行业实现了自动化系统的国产替代，为确保我国关键基础设施的安全发挥了重要作用。自中国共产党第二十次全国代表大会以后，受到科技创新、科技强国政策的激励，我国的自动化领域科技人员更加重视自动化产品的研发和国产替代。2023年3月，装备我国自主研发的核电数字化仪控系统——“和睦系统”的中广核广西防城港核电站3号机组投产发电，标志着我国在核级控制技术和装备上的重大突破。

除了工业生产系统，还存在电力、燃气等公共设施；隧道、公路、桥梁、码头等交通基础设施；邮电机房、电信基站等通信基础设施；地铁、汽车、火车、船舶等交通运输设施；仓储、物流设施；住宅、办公楼、展览馆等建筑设施，这些设施的运行与监控都大量使用各类控制系统。这些被控对象通常具有测控点分散的特性，不少使用专有的控制设备。但从控制系统的结构和功能的角度看，它们属于本书重点介绍的监督控制与数据采集（SCADA）系统。

由于工业控制系统服务于具体生产，因此，要了解不同行业的生产特点，才能理解这类生产特点对自动化系统的需求，从而了解与其对应的工业控制系统。

1.离散制造业及其控制系统的特点

典型的离散制造业主要从事单件/批量生产、适用于面向订单的生产组织方式。其主要特点是原料或产品是离散的，即以个、件、批、包、捆等为单位，多以固态形式存在。代表行业是机械加工、电子元器件制造、汽车、服装、家电、家具、烟草、五金、医疗设备、玩具、建材及物流等。

离散制造业的主要特点如下。

（1）离散制造业生产周期较长，产品结构复杂，工艺路线和设备配置非常灵活，临时插单现象多，零部件种类繁多。

（2）面向订单的离散制造业的生产设备布置不是按产品而是按照工艺进行布置的。

（3）所用的原材料和外购件具有确定的规格，最终产品是由固定个数的零件或部件组成的，从而形成明确、固定的数量关系。

（4）通过加工或装配过程实现产品增值，整个过程的不同阶段会产生若干独立、完整的部件、组件和产品。

（5）产品种类变化多，非标产品多，要求设备和操作人员必须有足够灵活的适应能力。

（6）通常情况下，由于生产过程可分离，因此订单的响应周期较长，辅助时间较多。

（7）物料从一个工作地到另一个工作地的转移主要使用机器传动。

由于离散制造业的上述生产特点，因此其控制系统具有下述特征。

（1）检测的参数多数为数字量信号（如启动、停止、位置、运行、故障等参数），模拟量主要是电量信号（电压、电流）和位移、速度、加速度等参数。执行器多是变频器及伺服机构等。控制方式多表现为逻辑与顺序控制、运动控制。

（2）通常情况下，工厂自动化被控对象的时间常数比较小，属于快速系统，其控制回路数据采集和控制周期通常小于1毫秒，因此，用于运动控制的现场总线的数据实时传输的响应时间为几百微秒，使用的现场总线大多是高速总线，如EtherCAT和Powerlink等。

（3）在单元级设备大量使用数控机床，也广泛使用各类运动控制器。可编程控制器（PLC）是使用最为广泛的通用控制器。人机界面在生产线上也被大量使用，帮助工人进行现场操作与监控。

（4）生产多在室内进行，现场的电磁、粉尘、振动等干扰较多。

2.流程工业及其控制系统特点

流程工业一般是指通过物理上的混合、分离、成型或化学反应使原材料增值的行业，其重要特点是物料在生产过程中多是连续流动的，常常通过管道进行各工序之间的传递，介质多为气体、液体或气液混合。流程工业具有工艺过程相对固定、产品规格较少、批量较大等特点。流程工业的典型行业有石油、化工、冶金、发电、造纸、建材等。

流程工业的主要特点如下。

（1）设备产能固定，计划的制定相对简单，常以日产量的方式下达任务，计划相对稳定。

（2）对配方管理的要求很高，但不像离散制造业那样有准确的材料表（BOM）。

（3）工艺固定，按工艺路线安排工作中心。工作中心专门用于生产有限的相似的产品，工具和设备是为专门的产品而设计的，专业化特色较显著。

（4）生产过程中常常出现联产品、副产品、等级品。

（5）流程工业通常流程长，生产单元和生产关联度高。

（6）石油、化工等生产过程多具有高温、高压、易燃、易爆等特点。

由于流程工业具有上述生产特点，因此其控制系统具有下述特点。

（1）检测的参数以温度、压力、液位、流量及分析参数等模拟量为主，以数字量为辅；执行器以调节阀为主，以开关阀为辅；控制方式主要采用定值控制，以克服扰动为主要目的。

（2）通常情况下，流程工业被控对象的时间常数比较大，属于慢变系统，其控制回路数据采集和控制周期通常为100～1000毫秒，因此，一般流程工业所用的现场总线的数据传输速率较低。

（3）生产多在室外进行，对测控设备的防水、防爆、防雷等级的要求较高。

（4）为确保生产的连续性，要求自动化程度高；当生产过程中具有高温、高压等特点时，对于安全等级的要求较高。流程工业广泛使用集散控制系统和各类安全仪表系统。