工程导论课件

18四月2024工程导论主要参考书1、赵曜.自动化概论，北京：机械工业出版社，20092、贾文超.电气工程导论，西安电子科技大学出版社，20073、许勇.计算机控制技术，北京：机械工业出版社，20084、刘士荣.计算机控制系统，北京：机械工业出版社，20115、[美]Kilian.现代控制技术-组件与系统（第三版），中国轻工业出版社，20104/18/20242北京科技大学自动化学院自动控制研究所1、概述1.1强化工程教育的背景1.2开设《工程导论》课程的目的1.3《工程导论》课程的定位1.4自动化专业的定位1.5自动化专业《工程导论》主要内容4/18/20243北京科技大学自动化学院自动控制研究所*北京科技大学自动化学院自动控制研究所4

1.1强化工程教育的背景

（1）我国工科教育中普遍存在的问题：

★重理论轻实践，缺乏工程训练★强调个人学术水平而忽视团队协作精神★重视知识学习而轻视开拓创新能力的培养

Mc.KinseyGlobalInstitute（麦肯锡公司，国际著名管理咨询公司）在2005年10月发表的一份报告称，2005年我国毕业的约60万工程技术人才中适合在国际化公司工作的不到10%，其中的原因，报告认为“中国教育系统偏于理论，中国学生几乎没有受到工程项目和团队工作的实际训练，相比之下欧洲和北美学生以团队方式解决实际问题”。*北京科技大学自动化学院自动控制研究所51.1强化工程教育的背景

（2）CDIO工程教育模式MIT，RoyalInstituteofTechnology，ChalmersUniversityofTechnology，LinkpingUniversity于2000年得到了KnutandAliceWallenberg基金的资助，经过四年的探索研究后创立了CDIO工程教育理念，并于2004年成立了CDIO国际合作组织。迄今为止，已有几十所世界著名大学加入了CDIO组织，其机械系和航空航天系全面采用CDIO工程教育理念和教学大纲，取得了良好效果，按CDIO模式培养的学生深受社会与企业欢迎。*北京科技大学自动化学院自动控制研究所6

（2）CDIO工程教育模式

什么是CDIO？CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）,它以产品研发到产品运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面,要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。

（2）CDIO工程教育模式

CDIO的理念不仅继承和发展了欧美20多年来工程教育改革的理念，更重要的是系统地提出了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评的12条标准。国内外的经验都表明CDIO“做中学”的理念和方法是先进可行的，适合工科教育教学过程各个环节的改革。4/18/20247北京科技大学自动化学院自动控制研究所*北京科技大学自动化学院自动控制研究所8

（3）CDIO工程教育模式在中国的发展

2008年，教育部高教司主持成立了《中国CDIO工程教育模式研究与实践》课题组，指导有关院校开展CDIO工程教育模式试点工作。到2010.3，前后两批共计39所高校成为试点单位。北京科技大学电气类专业第二批加入试点，自动化专业是我校目前唯一的CDIO特色专业。*北京科技大学自动化学院自动控制研究所9

（3）CDIO工程教育模式在中国的发展

中国版的CDIO--卓越工程师教育培养计划2010年6月，为改革和发展我国的工程教育，教育部启动“卓越工程师教育培养计划”。该计划的核心宗旨为：1）更加重视工程教育服务国家发展战略；2）更加重视与工业界的密切合作；3）更加重视学生综合素质和社会责任感的培养4）更加重视工程人才培养国际化。北京科技大学列入第一批“卓越工程师教育培养计划”高校名单（61所），专业为：矿物资源工程，冶金工程，材料科学与工程，机械工程及自动化*北京科技大学自动化学院自动控制研究所10

1.2开设《工程导论》课程的目的

（1）课程开设的原因工程教育是否符合CDIO理念和模式，CDIO专业是否达标，应该遵循国际通行的12条CDIO标准（略）进行评价和考核。标准4：工程导论个人能力、人际能力和对产品、过程和系统的构建能力是如何反映在培养计划中的?工程导论在多大的程度上激发了学生在相应领域核心工程应用方面的兴趣和动力?*北京科技大学自动化学院自动控制研究所111.2开设工程导论课程的目的

（2）课程开设的主要目的使学生了解相应专业领域核心工程的实施过程及所需专业知识，激发学生对相应领域核心工程应用方面的兴趣和动力。加深对专业课程体系的认识，增强学习的目的性与主动性。培养学生的个人能力、人际能力和对产品、过程、系统的构建能力。*北京科技大学自动化学院自动控制研究所12

1.3《工程导论》课程的定位

（1）什么是“导论”（introduction）？论文或论著导论（引论）学科导论学科导论是指用较为概括的语言来论述某一学科的基本的和整体的思想，从而使读者对该学科有较为系统的把握。专业导论通常在大学一年级所开的一门介绍所学专业课程体系与知识结构的概论课程。专业导论教科书通常写得比较全面而浅显，以使学生对所学专业有一个清晰的了解并掌握一定的初步知识，为后续课程学习打好基础。*北京科技大学自动化学院自动控制研究所13

1.3《工程导论》课程的定位

（2）什么是工程（engineering，project）？狭义工程狭义工程定义为:以某组设想的目标为依据，应用有关的科学知识和技术手段，通过一群人的有组织活动将某个（或某些）现有实体（自然的或人造的）转化为具有预期使用价值的人造产品过程。广义工程广义工程定义为:由一群人为达到某种目的，在一个较长时间周期内进行协作活动的过程。

*北京科技大学自动化学院自动控制研究所14

1.3《工程导论》课程的定位

（3）工程导论的定位及其与专业导论的区别“工程导论”课程是关于在某一专业领域从事狭义工程所需知识技能以及如何实施的概述性课程。“专业导论”课程是关于一门专业的课程体系与初步概念、知识的概论课程

*北京科技大学自动化学院自动控制研究所15

1.4自动化专业的定位

（1）什么是自动化？

自动化是指：用人造装置代替或部份代替人来实现有目的性的功能行为。所有具备上述特性的装置（系统）原则上都可以称为是自动化装置（系统），或称其具有自动化功能。人的行为包括很多层次和类型，例如肢体运动、信息感知、数值计算、推理判断、操纵、控制、决策、管理、指挥，等等。因此，代替（或部份代替）人来实现这些相应行为的人造装置及其所具有的自动化功能也是各种各样的，并且大量普遍地存在于我们周围。而随着信息技术和智能理论的发展，甚至在人类最后的精神家园—情感领域，也出现了能够和人进行情感交流的智能机器人。自动化行为和装置的存在已经如此广泛，其重要性亦与日俱增，因此可以说，当今时代是自动化时代。*北京科技大学自动化学院自动控制研究所16

1.4自动化专业的定位

（2）按照领域的自动化分类迄今，自动化作为一个学科，其应用已经渗透到了国民经济和人类生活的几乎所有领域，包括国防、工业、农业、交通、商业、金融、建筑、科研、教育、办公、家庭、医疗、娱乐，等等。军事领域的自动化代表了自动化的最高水平，往往是自动化理论与技术创新与发展的先导者，它的成果对所有其他领域和部门的辐射、带动作用，无可匹敌。非军事领域最有代表性的自动化类型为：

工厂自动化：FA（FactoryAutomation）办公自动化：OA（OfficeAutomation）家庭自动化：HA（HomeAutomation）

*北京科技大学自动化学院自动控制研究所17

1.4自动化专业的定位

（3）按照功能的自动化分类

自动化功能包括：信息处理（获取、传输、存贮、计算）、监测、操作、控制、设计、指导、决策、管理、指挥，等等。有关其中任何一项功能的自动实现的理论、技术和系统构建方法，原则上都可归属于自动化学科的研究范围，或者说都属于自动化的一个分支，即按照功能构成一种自动化类型。事实上，不同的高校由于行业和历史的原因，其自动化专业的研究和培养方向都有所侧重而非千篇一律，并因此而形成了其各自的特色。此外，很多自动化分支的内容也往往不在自动化专业讲授，而是列入其他专业的教学计划（例如：计算机辅助设计CAD，管理信息系统MIS，决策支持系统DSS，等等），这在一定程度上掩盖了它们的自动化本质。这两点可以很好地解释为什么各高校自动化专业的课程体系都具有不可避免的差异性和局限性。1.4自动化专业的定位（4）自动控制在自动化领域的地位自动化是一个和机械化、电气化、信息化并列的概念。自动化的内涵充分反映了作为一种横断技术其学科领域和应用领域的极其宽广以及它所具有的强大渗透能力。在前述诸多自动化功能中，从内涵的深刻性到应用的广泛性，“自动控制”始终都占有突出的位置，甚至可以说自动化实际上发端于自动控制。因此控制理论和用以实现控制功能的自动控制系统，无可争议地都是自动化学科领域最重要的内容，也是我国各高校自动化专业课程体系的核心。因此，在一定意义上，“自动控制”已成为“自动化”的代名词。

4/18/202418北京科技大学自动化学院自动控制研究所1.4自动化专业的定位

（5）自动化和其它相近专业的关系

需要指出的是，诸如计算机、电子信息、通信等高新技术系统，虽然从广义的角度无疑也是一种“自动机”，但由于这些和自动化一样发源于“电气工程”的学科专业都已经成长为傲然独立、枝繁叶茂的大树，因此相关的理论、技术、系统与工程实现不再纳入自动化学科的范畴。但是，由于这些学科专业与电气工程及自动化学科专业在起源、继承、衍生、彼此渗透方面具有割舍不断的血缘关系，因此它们的基础理论有很大部分是相同的，并在一定程度上造成了有关学科专业界限的模糊，而教育部在相关学科专业划定上的反复更改亦恰恰充分反映了这一历史形成的现实。显然，正是这种状况的存在赋予了自动化专业以宽口径特征，也决定了自动化专业课程设置的宽泛性和自动化专业毕业生在职业规划上的多选择性。4/18/202419北京科技大学自动化学院自动控制研究所*北京科技大学自动化学院自动控制研究所20

1.4自动化专业的定位

（6）自动化专业的历史沿革50-60年代：工业企业电气化与自动化（工企自动化）70年代：

冶金企业及矿山自动化（北京钢铁学院）1987第一次高等学校本科专业目录修订第二次修订：0806电工类，080604工业自动化

080605电气技术0807电子与信息类，080711

自动控制1998第三次修订：0806电气信息类，080602自动化

（原“工业自动化”“电气技术”和“自动控制”合并）2012第四次修订：0808自动化类，080801自动化

*北京科技大学自动化学院自动控制研究所21

1.4自动化专业的定位

（7）自动化专业的定位

高等工科院校的自动化专业是以工业为主要服务领域、以电气技术和信息技术为基本手段、以自动控制理论为核心理论基础，以培养面向工业生产过程自动化、具备创新思维和研发能力的工程技术人才为专业教育目标的工科专业。自动化专业是跨学科、跨领域的宽口径专业，而军事、工业、交通等则是自动化水平最高的几个领域。因此，具备从事工业自动化能力的专业人才，具有向其他学科、领域发展的先天优势。1.4自动化专业的定位

（8）我校自动化专业的特色

北京科技大学自动化专业的课程体系具有两大支柱，一为自动控制（控制理论、控制系统），一为电气工程（电工基础、弱电技术、强电技术），它所面向的主要是工业企业的自动化（更确切说是自动控制）和电气化工程与系统。这既是半个多世纪来本专业历史演变的结果，也充分反映了国家经济发展的现实需求，本专业的学生对此要有清醒的认识。但是自动化专业的上述定位并不排斥本专业毕业生在今后的进一步深造中和职业生涯中，根据每个人的具体情况和兴趣所在，在自动化、电气化的某个方向上甚至其他相近专业领域（如电子、计算机、信息、通讯等）进一步深造和从事相关的工作。4/18/202422北京科技大学自动化学院自动控制研究所*北京科技大学自动化学院自动控制研究所231.5自动化专业《工程导论》主要内容工业企业综合自动化及其体系结构自动控制系统的组成与结构工业自动化工程的实施—设计、构建、调试与运行2.工业企业综合自动化及其体系结构2.1离散工业与流程工业2.2工业企业综合自动化2.3离散工业综合自动化—CIMS2.4流程工业综合自动化—CIPS2.5综合自动化系统的体系结构2.6企业资源计划ERP2.7制造执行系统MES2.8过程控制系统PCS4/18/202424北京科技大学自动化学院自动控制研究所

2.1离散工业与流程工业

按照生产方式的不同，工业部门可以分为两大类：采用连续生产方式的称为流程工业；采用不连续间断生产方式的称为离散工业。流程工业中也包含离散-流程混合工业。

4/18/202425北京科技大学自动化学院自动控制研究所2.1离散工业与流程工业离散工业是指其产品由多个零件经过一系列不连续工序的加工最终装配而成的工业。离散工业包括机械设备、电气电子设备、交通运输设备（飞机、船舶、机车、汽车）、家电等许多制造工业。4/18/202426北京科技大学自动化学院自动控制研究所

2.1离散工业与流程工业

流程工业的特点是产品生产的主体工艺流程为一连续过程,一般伴有化学、物态、相变等物性的改变，因此也称为化学合成和分离工业。流程工业包括炼油、石化、化工、冶金、电力、水泥、造纸、制药、酿造等行业。原材料工业和能源工业基本都属于流程工业，因此流程工业在国民经济中占有极其重要的地位,其发展状况直接影响国家经济基础的稳固。4/18/202427北京科技大学自动化学院自动控制研究所

2.2工业企业综合自动化

上世纪50年代，就已开始了计算机在生产过程控制和企业管理方面的应用尝试，并按不同方式独立地、由简到繁地逐步发展起来。但各种应用处于彼此没有关联、不能互通信息的分散孤立状态，人们形象地称之为“自动化孤岛”。由于工业企业生产的各个环节（如管理、设计、生产、营销等）是密切相关的，70年代，人们渐渐深刻认识到在这些自动化系统之间实现信息集成和功能集成，将信息化管理和生产过程自动控制融为一个有机的整体，能够大大提高生产效率及经济效益，因而产生了强烈的系统集成需求，并且随着信息技术和自动化技术的飞速发展，具备了技术可行性。这样一种能够实现管（理）控（制）一体化的大系统就是“工业企业综合自动化系统”，它代表了当代工业自动化和信息化的最高水平。4/18/202428北京科技大学自动化学院自动控制研究所

2.3离散工业综合自动化系统—CIMS

CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）是计算机集成制造系统的简称。CIMS是出现于离散工业的最早的综合自动化系统。我国高技术研究发展计划“863计划”在自动化领域仅有的两个主题就是CIMS和智能机器人。CIMS主题专家组给出的CIM定义为：“CIM是一种组织、管理与运行企业生产的新哲理，它借助计算机硬软件，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程中有关人、技术、经营管理三要素及其信息流与物流有机地集成并优化运行，以实现产品高质、低耗、上市快，从而使企业赢得市场竞争。”

4/18/202429北京科技大学自动化学院自动控制研究所2.3离散工业综合自动化系统—CIMS

CIMS最初是针对离散型制造业并围绕着CAD/CAM而出现、建立和发展起来的。离散型CIMS是自动化程度不同的多个子系统的集成，如管理信息系统（MIS）、制造资源计划系统（MRPII）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺设计（CAPP）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助制造（CAM）、柔性制造（FMS）、数控机床（NC、CNC）、机器人（Robot）等。CIMS对这些由不同供应商提供、用于不同目的、构建于不同时期、采用不同计算机系统的“自动化孤岛”进行信息集成和功能集成，组成一个覆盖整个企业的多种生产经营活动（包括生产经营管理、工程设计和生产制造各个环节）的综合系统，对从接受订单开始，经计划、设计、制造直到产品出厂及售后服务的全过程进行优化，从而显著提高了企业的市场应变能力、竞争能力、经济效益和整体水平。当代CAD／CAM应用的典范──无纸设计的波音777巨型客机4/18/202430北京科技大学自动化学院自动控制研究所

2.4流程工业综合自动化系统—CIPS

CIPS是流程工业的CIMS，它的出现是CIM思想向流程工业渗透的必然结果。为了与发端于离散型制造业的CIMS加以区别，流程工业CIMS被赋予了一个类似的名字：CIPS（ComputerintegratedProcessSystem），即计算机集成过程系统。4/18/202431北京科技大学自动化学院自动控制研究所2.4流程工业综合自动化系统—CIPS

CIPS在获取生产流程所需全部信息的基础上，将分散的控制系统、生产调度系统和管理决策系统有机地集成起来，综合运用自动化技术、信息技术、计算机技术、生产加工技术和现代管理科学，从生产过程的全局出发，通过对生产活动所需的各种信息的集成，集控制、监测、优化、调度、管理、经营、决策于一体，形成一个能适应各种生产环境和市场需求的、总体最优的、高质量、高效益、高柔性的现代化企业综合自动化系统，以达到提高企业经济效益、适应能力和竞争能力的目的。4/18/202432北京科技大学自动化学院自动控制研究所

2.5综合自动化系统的体系结构

最初的CIPS是五层Purdue（普渡）模型，即：第一层：经营决策【企业决策，生产规划】；第二层：企业管理【供销财务、计划、管理等】第三层：计划调度【生产调度，系统优化】；第四层：过程优化【先进控制，过程优化】；第五层：过程控制【单元自动化，简单控制】

4/18/202433北京科技大学自动化学院自动控制研究所

2.5综合自动化系统的体系结构

经过30多年的发展，CIPS已经在许多行业得到了实施与应用，并逐步由上述五层Purdue模型演变为两库三层体系结构：两库：实时数据库、关系数据库；三层：企业资源计划ERP、制造执行系统MES、过程控制系统PCS这种两库三层结构目前已成为西方先进国家流程工业CIMS理论和产品的主流框架，并由仪表、系统和自动化协会(ISA)投票通过确定为ISA-95标准（theinternationalstandardfortheintegrationofenterpriseandcontrolsystems），简称S95，成为企业管理信息系统与控制系统集成的国际标准。95代表它是ISA的第95个标准项目。

4/18/202434北京科技大学自动化学院自动控制研究所2.6企业资源计划ERP

ERP（EnterpriceResourcePlanning企业资源计划）的出现在工业企业管理信息化领域是具有里程碑意义的事件，它深刻地影响和改变了企业管理的理论和实践。ERP的出现有其深厚的企业管理思想的历史渊源和市场竞争的现实背景。从企业管理思想的角度，ERP和物料需求计划MRP

(MaterialRequirementPlanning）、制造资源计划MRPII（ManufacturingResourcePlanning）有着一脉相传的关系，是它们的直接继承和发展。从市场竞争需求的角度，制造业企业为降低产成品的成本，必须提高生产计划的可行性、生产能力的均衡性、生产材料的计划性、生产控制的可靠性，并充分适应和满足广泛而多变的市场需求和多品种、小批量的现代化生产特点，而这正是ERP所要解决的主要问题。4/18/202435北京科技大学自动化学院自动控制研究所

ERP的概念包括三个层次，即ERP管理思想，ERP软件产品，ERP管理系统，分别对应着管理界、信息产业界和企业界的不同表述要求。ERP概念的三种定义性描述为：（1）ERP是一整套有关企业管理的体系标准。而任何体系标准的建立都是基于一种特定的思想，ERP所体现的就是在制造资源计划（MRPII）基础上进一步发展而成的、面向供应链（SupplyChain）的管理思想。（2）ERP是综合应用了客户机/服务器体系、关系数据库结构、面向对象技术、图形用户界面、第四代语言（4GL）、网络通讯等信息技术最新成果，以ERP管理思想为灵魂的软件产品。（3）ERP是整合了企业管理理念、业务流程、基础数据、管理者与操作人员等企业管理资源、集计算机硬件和软件于一体的信息化管理系统。2.6企业资源计划ERP4/18/202436北京科技大学自动化学院自动控制研究所2.6企业资源计划ERPERP的核心思想就是把经营过程中的有关各方如供应商、制造分厂、分销网络、客户等都纳入到一个紧密联系的供应链中，并实现对整个供应链的有效管理，满足企业利用全社会一切市场资源快速高效地进行生产经营以获得竞争优势的需要。ERP的出现，反映了现代企业之间的竞争已经不仅仅是单一企业之间的竞争，而是企业供应链之间的竞争。也不仅仅是企业“硬资源”的竞争，也包括“软资源”的竞争，例如管理思想、客户关系、品牌，等等。4/18/202437北京科技大学自动化学院自动控制研究所2.7制造执行系统MES

工业企业综合自动化的实现是一个长期的、逐步完善的历史过程。通常，首先是在底层即过程控制层，通过采用自动化控制设备、自动化检测仪器、自动化物流搬运储存设备等实现生产过程的现场操作和自动控制。而企业的管理信息系统建设则都是从上层即计划层即ERP开始，用于整合企业现有的生产资源，编制生产计划。4/18/202438北京科技大学自动化学院自动控制研究所2.7制造执行系统MES但这种建设模式的一个具有普遍性的重大问题随之出现，即尽管生产过程自动化程度在不断提高，企业信息化的顶层结构ERP也已实施完成，甚至达到了相当成熟的阶段，但其发挥的效果往往并没有预期的那样高。这种情况促使人们逐步认识到，问题的根源在于“计划”与“生产”之间的脱节，而一个制造型企业能否良性运营，关键是使“计划”与“生产”密切配合，即要求车间（分厂）一级的管理人员可以在最短的时间内掌握生产现场的变化，做出准确的判断和采取快速的应对措施，切实保证来自ERP的生产计划得到真正落实，并对不符合实际状况的计划合理而快速地加以修正。4/18/202439北京科技大学自动化学院自动控制研究所2.7制造执行系统MES为什么在由ERP和现场自动化系统所组成的企业信息化系统中,会出现“计划”与“生产”脱节的问题呢？这是因为整个企业信息化的层次中少了一个关键环节，即在ERP系统和现场自动化系统之间出现了管理功能和管理信息方面的一个“断层”或“缺失”。ERP系统的服务对象通常是企业的上层管理（公司级），对车间层的管理流程一般不提供直接支持，即不具有作业计划与作业调度的功能；而现场自动化系统的功能则主要是现场设备和工艺参数的控制，它可以向管理人员提供现场检测和统计数据，但并不能直接接收ERP的生产指令，和ERP系统之间一般也没有实时信息的沟通，其自身更不具有真正意义上的管理功能。所以对于车间/分厂层面的调度和管理要求，ERP系统和现场自动化系统往往都显得束手无策或功能薄弱。4/18/202440北京科技大学自动化学院自动控制研究所

2.7制造执行系统MES

依靠ERP和现场自动化系统往往无法应付制造企业生产现场管理问题的窘境，向企业的信息化管理系统提出了新的需求和挑战；而应对这一需求所形成的一系列用于分厂/车间级生产管理的功能系统（软件/硬件）的集合就是统称为MES的制造执行系统(ManufacturingExecutionSystem)。作为定位于公司计划层和现场自动化系统之间的执行层，MES填补了ERP和现场自动化系统之间的空白。在这样一种信息系统或综合自动化系统中，“计划”体现了执行操作的目标，而“执行”则使计划得以真正实现，即使生产作业处于有效的管理和调度之下。4/18/202441北京科技大学自动化学院自动控制研究所2.7制造执行系统MESMES上承企业ERP系统，下接生产现场的过程控制系统PCS，已成为企业综合自动化系统信息集成和功能集成的纽带。MES依据它所掌握和管理的各生产要素的能力和当前状态，将来自ERP的生产计划分解为车间具体的作业计划，即制定被加工物料的生产顺序和生产规格、生产加工的步骤（工序排序或工序路线），以及生产加工的时间表。然后MES将这些作业计划连同有关的材料数据通过网络传递到PCS层，由PCS系统根据这些作业计划和数据、材料跟踪结果以及相应的工艺数学模型，依次进行工艺规程的制定、生产设备的设定值计算，以及工艺参数和生产设备的直接控制。近年来，对于MES的研究正呈现一个高潮，并成为自动化领域的一大热点。很多企业通过引进和自主开发建立了自己的生产管理系统，发挥了重要作用。4/18/202442北京科技大学自动化学院自动控制研究所2.8过程控制系统PCS长期以来有关工业企业综合自动化的五级结构（Level0~Level4，L0-L4）在我国已广为企业界接受，而ISA95结构的PCS层就对应着这种五级结构的L2、L1、L0三层。L2：制定和优化工艺规程，计算设备和工艺参数的参考给定值L1：生产过程、工艺设备、工艺参数和产品质量的实时控制L0：检测装置，驱动控制

L1、L0两级是与“自动控制”关系最为密切的，通常合称为“基础自动化级”。4/18/202443北京科技大学自动化学院自动控制研究所

3.自动控制系统的组成与功能

任何一个大规模的、复杂的控制系统都是由许多控制回路组成的。回路的多少既与被控变量的多少有关，也与控制的复杂程度有关。控制回路可以是完全独立的，也可以是互相嵌套的，也可能彼此间存在着这样那样的耦合关系。对一个复杂控制系统的分析、设计、综合都是以一个个具体的控制回路作为基本单元来进行的，因此必须掌握有关基本回路的组成及各部分的功能和实现方法。4/18/202444北京科技大学自动化学院自动控制研究所4/18/202445北京科技大学自动化学院自动控制研究所3.自动控制系统的组成与功能（1）参考给定（2）控制装置（3）执行机构（4）检测装置（5）被控对象与被调量（6）网络系统（7）过程I/O（8）人机交互（9）开发系统（10）过程数据采集4/18/202446北京科技大学自动化学院自动控制研究所3.1参考给定

生产工艺是产品生产的灵魂，而生产工艺则体现为工艺规程。工艺规程包括产品生产涉及哪些工序、工序的执行顺序以及加工条件。其中工序环节及工序顺序在最初建设生产线时就已确定且通常是不变的；而加工条件则随产品的品种、规格的不同而不同，并具体表现为不同工况下各个受控工艺过程参数、设备运动参数控制回路的参考给定值的不同。

那么，这些受控参数的参考给定值来自于哪里即由谁决定、又是如何输入给自动控制系统的呢？4/18/202447北京科技大学自动化学院自动控制研究所3.1参考给定在人工手动操作的年代，受控参数的给定值实际上是保留在操作人员的头脑里，操作人员通过“眼-脑-手”系统实现被控参数的人工闭环控制。此时参考给定值的确定取决于操作人员自身的经验，因此因人而异，虽然可以基本保证工艺过程能够有效进行，但根本谈不上优化，而且人工反应和调节速度慢，控制水平不高。在出现了模拟的单机或单回路自动控制装置后，被控参数的调节可以由控制系统自动完成了，不仅控制水平有了很大提高，而且很大程度上解放了操作人员的手和眼，但参考给定值则仍然依赖于操作人员给出。此时为了实现人-机接口，大多采用“给定电位器”以模拟电压的方式将参考值输入到控制系统。由于模拟量本身易受干扰，分辨率也不高，难以实现高精度的给定，自然也谈不上高精度的控制。随着数字控制技术的出现，首先在模拟控制系统的参考给定输入和检测方面引入了数字化技术。此时的参考给定值大多利用“数字拨码盘”输入给控制系统，提高了参考给定的数值稳定性、分辨率和精度，控制精度也相应有了进一步的提高。这是向全计算机控制方式演进中的一个过渡阶段。4/18/202448北京科技大学自动化学院自动控制研究所3.1参考给定随着计算机在工业控制领域的推广使用，工艺规程的制定和参考给定值的确定及输入方式出现了根本性的变化。在工业企业综合自动化系统中，L2级计算机依据由生产管理系统（即制造执行系统MES）给出的作业指令制定和优化工艺规程，并根据现场实测数据和数学模型通过设定计算将工艺规程转化为各设备运动参数和工艺过程参数的控制目标值即参考给定值。所求得的控制目标值将通过网络传递给基础自动化级控制器，作为各控制回路的参考给定值，并由L1、L0两级最终实现生产工艺过程、设备动作和产品质量的实时控制。上述这种控制模式称为“全自动”方式。由计算机进行规程制定和设定计算，不仅达到了“自动、有效”的基本目的，而且具有了“优化”的能力或潜力，因此在现代化的生产线上，全自动方式通常是缺省的常态方式。4/18/202449北京科技大学自动化学院自动控制研究所3.1参考给定

由于生产现场情况的复杂多变，L2级计算机所给出的参考给定值即控制目标值有可能不被操作人员认可或需要加以人工修正。此时需由操作人员在HMI（人机接口）计算机画面上通过键盘操作将新的参考给定值输入，并经网络直接传递给L1级控制器。或者利用计算机的存储能力，由操作人员事先将生产效果比较好的参考给定数据存放在给定值表中，在需要时直接从画面调出，从而做到快捷、可靠地完成参考给定值的输入。上述这两种控制模式统称为“半自动”方式，它和全自动方式的区别仅在于参考给定值的来源不同，而对L1、L0两级来说在控制执行上并不存在差别，即都是自动完成被控量的底层闭环调节。4/18/202450北京科技大学自动化学院自动控制研究所

3.2控制装置

（1）工业自动控制的基本类型过程控制（仪表控制）：数值运算，连续控制；执行流量、压力、温度、液位等热工量控制。逻辑控制：开关量运算，执行设备启动、运转（爬行、待机、负荷）、停止等状态控制、顺序控制及控制方式切换。运动控制：数值运算，连续控制；进行设备的速度、位置、力、转矩等快速控制，以及基于运动控制的工艺参数及质量参数控制。

4/18/202451北京科技大学自动化学院自动控制研究所

（2）自动控制装置发展简介过程控制

气动单元组合仪表，电动单元组合仪表（DDZI/II/III），计算机集中控制（ODC、DDC、SCC），集散控制系统DCS（DistributedControlSystem），现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）逻辑控制

有触点继电逻辑控制，无触点逻辑控制（半导体/磁性元件），可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController）运动控制

磁放大器/电机放大机/电子管放大器，半导体分立元件放大器，集成运算放大器，嵌入式运动控制器，高性能控制器HPC

（HighPerformanceController），分布式控制系统4/18/202452北京科技大学自动化学院自动控制研究所

计算机集中控制时代的概念及其影响操作指导控制ODC（OperateDirectionControl）

直接数字控制DDC（DirectDigitalControl）计算机监督控制SCC（SupervisoryComputerControl）20世纪60年代，工业控制计算机的出现及其在实际生产过程中的成功应用，是自动化领域具有里程碑意义的事件。从那时起所建立的有关计算机控制的基本概念、基本理论、系统基本组成和控制方式等，对其后的发展产生了持久的影响，而上述ODC、DDC、SCC等控制模式亦构成了计算机分级控制的基础，是企业综合自动化层级结构的先驱。半个多世纪以来，工业控制计算机的硬件水平和软件技术日新月异，特别是计算机网络的出现和发展促使计算机控制系统的结构发生了深刻的变革。但在PCS这一级，很多领域的控制功能和控制方法却没有出现根本变化，系统更新换代往往采用应用软件移植的方法实现。计算机控制系统的巨大能力和先进控制理论应用的贫乏，是自动化科技人员当前所面临的一个突出矛盾，形成了重大挑战，也提供了大力提高工业控制水平的机遇和空间。4/18/202453北京科技大学自动化学院自动控制研究所

（3）工业控制器的开放结构与总线系统1）VME总线控制器VME（VersaModuleEurocard）总线是一种通用的、开放式架构的32位计算机总线。它定义了在一个紧密耦合的硬件架构中进行数据交换、数据存储和连接外围控制器件的系统。经过多年的发展，VME总线已经非常完善，并形成了一个总线家族（VME64

，VME64extension，VME320）。世界上有数百家公司生产符合VME总线规范（IEEE-1014和IEC

821规范）的板级产品，其应用遍及工业控制、军用系统、航空航天、交通运输和医疗等领域，长期以来一直是高端工业控制机的首选总线。例如SIEMENS、GE等国际著名电气公司生产的高端工业控制器都是基于VME总线的。4/18/202454北京科技大学自动化学院自动控制研究所典型的VMEbus高性能控制器（一）-SIEMENSTDC

西门子公司推出的SIMATICTDC（TechnologyandDrivesControl）控制系统代表了世界先进水平，同时它也是西门子公司目前最高端的控制装置。作为一种功能强大的通用控制器，TDC的应用面向所有工业领域

4/18/202455北京科技大学自动化学院自动控制研究所SIMATICTDC的处理器板4/18/202456北京科技大学自动化学院自动控制研究所TDC简介

TDC的CPU模板采用64位的RISC处理器，时钟频率266MHz。除CPU模板外，其机箱内还可以插放各种类型的由SIEMENS公司提供的I/O模板（DI/O，AI/O）、编码器输入模板、通讯模板（Profibus-DP现场总线，以太网、全局数据内存网GDM）等，从而构成一功能强大的独立的高性能控制器。通过网络连接，还可由多个TDC控制器组成一分布式控制系统，用于整个生产线的控制。4/18/202457北京科技大学自动化学院自动控制研究所典型的高性能控制器（二）-GE-FANUCPACSystemsRX7i

PACSystemsRX7i是基于VME64总线标准的的高端控制器，具有优异的开放特性，允许集成来自许多不同厂家的板级产品，可以构成满足各种高性能应用需求的强大系统。

4/18/202458北京科技大学自动化学院自动控制研究所PACSystemsRX7i简介RX7i的背板总线为VME64，其CPU模板采用32位的PentiumIII处理器，时钟频率为300/700MHz。作为一个开放的系统平台，除GE-Fanuc自己生产的模板外，

RX7i还允许众多的第三厂家的CPU模板及其他模板集成到同一个机箱中，从而构成功能强大的多处理器控制器，具有价格优势明显、硬件升级空间大、系统预期寿命长等一系列优点。对于用户来说，在系统构成和备品备件采购上具有更大的选择余地，不必完全依赖于单一供应商，通常会处于更为有利的商业地位。采用GE-Fanuc提供的标准VME总线机箱，在系统集成上具有更大的灵活性，模板的安装也更为紧凑，从而可构成功能较之RX7i更为强大的高性能控制器（HPC）。

RX7i可作为独立的控制器使用，也可以通过网络连接由多个RX7i控制器组成一分布式控制系统，用于整个生产线的控制。4/18/202459北京科技大学自动化学院自动控制研究所基于PACSystemsRX7i的集成高性能控制器4/18/202460北京科技大学自动化学院自动控制研究所基于PACSystemsRX7i的控制柜4/18/202461北京科技大学自动化学院自动控制研究所

某1700带钢热连轧厂精轧区控制室4/18/202462北京科技大学自动化学院自动控制研究所

（3）工业控制器的开放结构与总线系统

2）工控机IPC（IndustrialPersonalComputer）IPC工业控制机是以PC总线（ISA、VESA、PCI）为基础所构成的工业计算机。IPC工控机由于采用了PC标准总线，因此兼容性好，容易升级，具有丰富的软件支持，通信功能强，性能价格比高，与普通PC相比可靠性和抗恶劣环境能力大为提高。IPC工业控制机是一种中低档的工控机，在极端恶劣环境和关键应用中极少采用。在大规模工业控制系统中常使用IPC工控机作为人机接口（HMI）设备，这是由于其价格低廉、运行环境相对较好、对可靠性要求也相对较低。

国内外生产IPC工业控制机的知名厂家有SIEMENS、研华，凌华等。4/18/202463北京科技大学自动化学院自动控制研究所

研华工控机4/18/202464北京科技大学自动化学院自动控制研究所（3）工业控制器的开放结构与总线系统3）CompactPCI总线工控机CompactPCI总线是PCI（PeriheralComponentInterconnect）总线的增强和扩展，电气上与PCI完全兼容，在机械结构上则更具有抗震性和利于散热。CompactPCI总线工控机具有开放性、高可靠性、高可用性、可热插拔等一系列显著优点，是目前最具普及前景的新一代高性能、经济性工控机，广泛应用于包括工业自动化在内的各个领域。一些传统上采用VME总线工控机的高端应用领域业已逐步开始了向compactPCI总线工控机的迁移。这是工控机领域的一个重大发展趋势。4/18/202465北京科技大学自动化学院自动控制研究所

CompactPCI总线工控机

4/18/202466北京科技大学自动化学院自动控制研究所3.3执行机构广义的执行机构是将控制器输出的控制信号转换为施加在被控对象上的加工动作的系统组成部分。对运动控制来说，广义的执行机构通常包括功率放大、驱动装置、传动链以及加工工具几部分。

功率放大不改变外部能量的形式，但对馈送到驱动装置的能量大小按照控制器给出的信号加以调节，因此可以控制驱动装置的运动学和动力学状态。功率放大装置实际上处于控制系统的信息与能量部分的交汇点上。

驱动装置是将从外部馈入的能量转换为机械能和机械运动的装置（如电动机、液压缸），为加工工具完成特定工艺功能提供所需的驱动力。

传动链将来自驱动装置的机械能和机械运动传递到加工工具，有时也需要按照加工工具的要求将运动形式加以变换。传动链所传递的运动状态包含着控制器给出的控制信息，因此才可以实现加工过程中的运动平衡、物料平衡、被加工物体的形态和质量控制等工艺要求。

加工工具利用来自于传动链的机械能和机械运动对被加工物体进行加工。加工工具是直接作用于被加工件或被控对象的，通常工作在比较严苛的物理条件下。4/18/202467北京科技大学自动化学院自动控制研究所

3.3执行机构广义执行机构上述四部分的作用本质上是分别完成能量控制、能量转换、能量传递和能量做功，因此是整个控制系统中以“能量处理”为主要内容和功能的部分，应和参考给定值设定、控制算法执行、被调量检测等以“信息处理”为主要内容和功能的部分相区别。显然这两部分的连接点就是功率放大部件。功率放大部件实质上是利用控制信号对外部能量进行调节，并将控制信息寄生在已调制的能量流上，使沿整个控制系统的信息通道形成不间断的信息流。因此功率放大部件是系统中承前启后的关键部件执行机构（有时也包括被控对象）的动力学特征（如机械惯性、电磁惯性）对整个控制系统的动态响应特性具有十分重要的影响，并大体上规定了系统动态性能的上限水平。因此，改善执行机构的动力学特性对整个控制系统动态性能的提高具有极其重要的作用。。4/18/202468北京科技大学自动化学院自动控制研究所3.3执行机构

广义执行机构中除加工工具外，功率放大、驱动装置、传动链三者构成了一个彼此密切相关的机电设备群，其核心为驱动装置，因为功率放大和传动链的类型选择将主要取决于它。工业控制中的驱动装置目前主要是电动机（直流、交流）和液压动力元件（液压缸、液压马达），前者基本用于旋转运动，后者则多用于直线运动。相应的功率放大装置，前者为基于现代电力电子技术的变流装置，后者则为流体阀控器件。通常液压系统的动态性能远高于电动系统。

（1）直流电动机功率放大：晶闸管（SCR）整流器传动链：变速齿轮箱、连接轴、接手、涡轮蜗杆、丝杠、链条等

（2）交流电动机功率放大：变频器（GTO、IGBT、IGCT、IEGT等）传动链：（同上）

（3）液压缸功率放大：比例阀，伺服阀传动链：直接驱动

4/18/202469北京科技大学自动化学院自动控制研究所

热连轧精轧机组主传动交流电机4/18/202470北京科技大学自动化学院自动控制研究所

TMEIC公司交直交变频装置柜（IEGT）4/18/202471北京科技大学自动化学院自动控制研究所TMEIC公司交流变频装置内部结构4/18/202472北京科技大学自动化学院自动控制研究所热连轧机热卷箱电力拖动的传动轴与接手4/18/202473北京科技大学自动化学院自动控制研究所

大型板带轧机压下液压缸4/18/202474北京科技大学自动化学院自动控制研究所采用液压压下的热带连轧机4/18/202475北京科技大学自动化学院自动控制研究所MOOG伺服阀4/18/202476北京科技大学自动化学院自动控制研究所液压伺服系统阀台4/18/202477北京科技大学信息工程学院自动化系

液压油清洁度检测仪4/18/202478北京科技大学信息工程学院自动化系

3.4传感器与检测装置

传感器是实现物理世界信息处理和生产过程控制的首要环节。长期以来，给予传感器的重视程度和它理应占有的重要地位很不相称，即使在科技和工业发达国家，由于传感器技术没有和计算机技术协调发展，也曾在相当时期内出现了信息处理功能发达而检测功能不足的局面，直接影响到多种技术的进一步发展。目前，各式各样的传感器所基于的物理效应已涵盖了物理学全部领域（力、声、热、电、磁、光、核），所涉及的功能材料和基础技术之丰富更是一般学科不能比拟的。同样，可以通过传感器感知的信息也涵盖了物理学全部分支，许多化学和生物体的信息（如pH值、成分、血压、脑电图）也能借助传感器感知。可以不夸张地说，如果没有传感器检测各种信息，那么支撑现代文明的科学技术就不可能发展。

4/18/202479北京科技大学自动化学院自动控制研究所3.4传感器与检测装置从工业自动化的角度，在绝大多数情况下，控制算法的先进程度、控制器的能力和驱动装置的性能都已不再构成影响控制水平的障碍。但是，由于检测手段的缺乏，以及受检测装置的经济性和使用环境要求的限制，使得一些重要参数难以在线测量，导致其控制精度很低。而这些困难单纯依赖先进控制算法并不能根本解决，试图这样做的结果通常是事倍功半甚至南辕北辙。实践证明，传感器与检测装置的突破，往往会使控制领域和基础研究方面的问题迎刃而解，因此传感器的重要性无论怎样估计都不过分。

4/18/202480北京科技大学自动化学院自动控制研究所

3.4传感器与检测装置以带钢热连轧机为例，除了大量常规传感器（例如速度、位置测量）外，整个轧线还包括测温仪、测宽仪、测厚仪、凸度仪、平直度仪、测压仪等一系列高端检测仪表，其价格从几十万到上千万RMB，极为昂贵。它们不仅保证着整个自动化生产过程的正常进行，而且在产品质量控制中起着无可替代的关键作用。迄今为止，这些检测仪表基本上都来自国外著名厂商，在轧制自动化领域这是我国与世界先进水平差距最大的一个方面，也是成长空间最大的专业领域。4/18/202481北京科技大学自动化学院自动控制研究所3.4传感器与检测装置

在反馈控制系统中，对作为信息感知元件的传感器来说，最重要的就是其检测信号的准确性。但是，传感器输出的电气信号的电压和功率通常很小，在工业现场复杂的电磁环境中远距离传输时不可避免地要受到干扰和污染，导致信噪比降低，控制效果恶化。因此对实际的控制系统来说，如何抑制和消除对检测信号的干扰，是取得优良控制效果的关键之一。为此在实际工程中提出和采取了一系列技术措施，并随信息技术的快速发展，出现了更为先进的检测信号接入方式。

1）使用屏蔽线，布线尽量避开强干扰源2）在传感器端使用变送器以4~20mA电流信号进行传送3）在控制器输入通道的前端进行无源或有源滤波（硬件）4）采用先进的数字信号处理技术进行信号数字滤波（软件）5）采用数字传送和接口技术—SSI(同步串行接口)规范6）应用计算机网络技术（现场总线，工业以太网）4/18/202482北京科技大学自动化学院自动控制研究所

Kübler公司用于转速测量的旋转光电编码器4/18/202483北京科技大学自动化学院自动控制研究所

MTS公司Temposonics磁致伸缩位移传感器4/18/202484北京科技大学自动化学院自动控制研究所磁致伸缩直线位移传感器(MDT)的原理4/18/202485北京科技大学自动化学院自动控制研究所

用于金属板带厚度测量的X-射线测厚仪4/18/202486北京科技大学自动化学院自动控制研究所

热连轧精轧机出口的x-射线测厚仪C型架4/18/202487北京科技大学自动化学院自动控制研究所3.5被控对象和被调量

在构建一个控制系统时，首先应明确谁是被控对象，谁是被调量。

被控对象是指一个实物，它是执行机构驱动作用的直接承受者，也是控制信号的最终作用对象。被调量是由控制目的所规定、从属于被控对象的一个物理量（属性），或者说被控对象是被调量的信息载体。例如：室温控制—被调量是室内气温，而被控对象是室内空气。带钢自动厚度控制—厚度是被调量，而带钢是被控对象。

电机速度/位移控制—被调量是电机转速/位移，被控对象是电机。但除实验室而外，单独以电机速度作为被调量是没有实际意义的，我们真正关心的通常都是由电机所拖动的生产设备的速度/位移，此时控制对象就将是设备本身而不再是拖动电机。这种情况下如果用电机速度/位移）测量值代替真正的被调量即设备速度/位移的测量值（绝大多数情况下正是这样做的，也是可行的，特别是在静态和空载情况下），则由于电机和设备之间的连接轴或更为复杂的整个传动链不是绝对刚性的，例如在扭矩作用下产生扭曲弹性形变（或者存在传动间隙），因此二者并非必然等价，它们之间的关系可以用一“弹簧-质量系统”的传递函数来描述，因此严格说此时仅仅是电机而非机械设备的速度/位移实现了真正的实现闭环控制。在考虑诸如机电系统谐振这样的问题时，必须对此加以区别和考虑。

4/18/202488北京科技大学自动化学院自动控制研究所

3.5被控对象和被调量

实际控制工程中，只要检测条件允许，通常总是优先考虑对工艺规定（期望）的被调量进行直接反馈控制，这是取得最佳控制效果的最有效途径。但是，当规定或期望的被调量不能或难以测量时，往往需要退而求其次，采用其他的方法来降级实现其控制。

（1）对被调量的可测等价量进行反馈控制，以间接实现对期望被调量的反馈控制。（例如活套高度控制）

（2）借助于其他可测量与被调量之间的确定关系（数学模型），对被调量进行“软测量”，实现被调量的闭环控制。（例如基于弹跳方程的厚度控制）

（3）如果上述两种替代方法都不可行，则通常采取开环控制方式，并由人工辅助调节（人工闭环）。（例如卷取张力控制）4/18/202489北京科技大学自动化学院自动控制研究所3.6网络系统

计算机网络技术在自动化工程中的应用，使控制系统的结构、性能、功能发生了革命性的变化。计算机网络技术是现代各种分布式控制系统（如DCS、FCS）和企业综合自动化系统赖以存在的基石。最初用于分布式系统（如DCS）的计算机网络都是控制设备制造厂商的不开放的专用局域网，相应的控制器等也都是专有设备。用户一旦选定一家产品，则在其整个生命周期内将完全依赖于单一厂商，很难用第三家产品进行代换。而借助于这种垄断地位，控制设备的备品备件价格高昂，升级困难，众多第三厂家难以进入这种用户市场。正是这种现实情况的存在催生了对计算机控制系统（包括网络）开放性和标准化的强烈呼声，并推动了工业以太网和现场总线渐成工控领域计算机网络系统的主流。

4/18/202490北京科技大学自动化学院自动控制研究所1）工业以太网

以太网（Ethernet）和互联网原有的核心技术是工业以太网的重要基础，而对以太网实行的环境适应性、通信实时性等方面的相关改造和扩展，则成为工业以太网的特色技术。

工业以太网针对环境适应性的一个重要改造措施就是在设计之初注重材质、元器件工作温度范围的选择，以打造适应相对严酷的工业应用环境、具有相应防护等级的工业级产品。

以太网由于采用CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）介质访问控制机制，因此具有通信“不确定性”的特点。但随着以太网的通信速率从10Mb/s、100Mb/s提高到1Gb/s，以至更高，使网络的负荷水平显著下降，因而大大减少了介质访问时的碰撞冲突，已基本能够满足对于控制网络的通信实时性要求。4/18/202491北京科技大学自动化学院自动控制研究所1）工业以太网

Ethernet网络技术自出现以来，在IT业得到了巨大的成功。在企业管理（ERP）和生产管理（MES）信息系统中，以太网也已成为主流和事实上的标准。在PCS层，Ethernet网络技术也普遍用于人机接口计算机和软件开发计算机与控制器之间的通讯连接，并可进一步借助因特网实现异地远程生产过程监控和软件维护。对于实时控制来说，由于以太网具有通信“不确定性”，以前是根本不予考虑和采用的。近年除了由于网络速度的飞速提升使得总线冲突概率大为下降从而为实时控制带来了可行性外，而且在网络协议上开发了一种周期性的广播机制，即EGD（EthernetGlobalData）通讯方式，以此为控制器之间的数据交换提供了一个简单、有效的方法。只是目前通过EGD方式交换的数据量和通讯周期与专用高速控制网络相比还存在差距，因此还不能完全取代后者，特别是在高端应用场合。4/18/202492北京科技大学自动化学院自动控制研究所2）现场总线

现场总线技术是近年来工控领域最重大的创新，它的出现有着深刻的现实根源，即来自工程应用和工控设备制造厂家的迫切需求。现场总线技术的发展催生了新一代的分布式控制系统-FCS（现场总线控制系统），并呈方兴未艾之势。从工程应用的角度，以往在控制系统的最底层非常缺乏网络技术的支撑，全部现场信号都要通过电缆连接到位于机房的控制器上。长达几十甚至数百米的大量电缆的敷设不仅大为提高了工程造价以及设计和施工量（如热带连轧机控制系统有上万个I/O点，总的电缆数量数以百吨计），而且也是控制系统电气故障的高发源（错接、断路、短路），从而给系统调试、维护带来了一系列的问题。不仅如此，长线传输给检测和控制信号带来的电磁干扰，也是造成信号质量不好，致使控制效果不佳甚至误动作的主要原因之一。此外电缆敷设的集中区域也是火灾易发区，对此很多企业有着惨痛的教训。

4/18/202493北京科技大学自动化学院自动控制研究所

工业现场的电缆桥架4/18/202494北京科技大学自动化学院自动控制研究所2）现场总线

现场总线出现后，将网络通讯技术引入到了生产现场的最前端和控制底层，使得控制系统的结构发生了深刻的变化。大量现场信号首先通过就近的远程I/O站进行汇集（每个I/O站可汇集数以百计的各种现场信号），然后通过单一的现场总线电缆以通信方式传送到控制器，从而不仅显著提高了信号传输的可靠性和质量，而且大大降低了电缆的使用量。一条现场总线通常可以挂接数十个远程站，而视所需I/O点的多少，一台控制器亦可以通过在机箱中插入多块现场总线通信模板而成为多条现场总线的主站。所有这些特点使得一台控制器所能接入的I/O点数远多于它所能接入的本机I/O点数，因此有助于扩大它的控制范围和充分发挥它的处理能力。从分布式控制系统结构的角度来看，具备网络通讯能力的远程站必然包含有处理器。而随微处理器技术的飞速进步，这些远程现场站的CPU同样可具有很强的信息处理能力，这自然促进了现场信息处理和现场简单控制的发展，从而使控制的分散程度得以进一步提高，并最终导致FCS（现场总线控制系统）的诞生。

4/18/202495北京科技大学自动化学院自动控制研究所2）现场总线

现场总线的出现使得控制系统的面貌焕然一新，它的巨大技术优势和市场价值促使很多厂商纷纷推出了自己的现场总线产品。而彼此不兼容的现场总线协议规范短期内大量出现后必然造成市场的混乱，因而标准化的问题自然要被提上日程。实际上，200年来西方工业技术革命的成功就是建立在标准化基础之上的。很多中小电气设备制造厂家希望通过标准化能够使其产品易于集成到各个大厂家的系统中，从而扩大市场占有率；而居主导地位的大电气厂商又希望通过对总线协议的垄断，提高市场准入门槛，以保护它的商业利益。在现场总线的发展过程中，这种空前激烈的利益博弈的结果，就是国际标准化组织不得不采用妥协的方法，认可了多种现场总线共存的局面，并于2003年4月，使IEC61158Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准，其中规定了10种类型的现场总线为标准总线，包括Profibus，CAN，LonWorks等等，其中每一种都在某个领域占有一定的优势地位。和Ethernet的单一国际标准相比，这显然是一个和标准化的宗旨存在根本冲突的妥协方案，它没有也不可能终结现场总线标准的竞争。鹿死谁手，拭目以待。4/18/202496北京科技大学自动化学院自动控制研究所2）现场总线SIEMENS公司提出的Profibus现场总线作为上述国际标准中的Type3，目前在世界工控领域占有很大的市场份额。采用其中的Profibus-DP协议的远程I/O站ET-200被广泛应用于工业生产现场，许多第三厂家的电气传动控制装置和检测仪表也都支持该协议，从而为在Profibus现场总线环境下利用多厂商产品进行系统集成提供了一个普遍认可的平台。由于现场总线目前种类繁多（40多种），标准不一，很多厂商将目光再次投向了自出现以来取得了巨大成功的Ethernet，希望并开始尝试使用以太网技术介入设备底层通讯，以广泛取代现有的众多现场总线标准，从而“e”网到底，一统天下。这是一个需要密切关注的技术发展动向。4/18/202497北京科技大学自动化学院自动控制研究所

3）内存映射网RTnet

美国VMIC公司（已由GE公司收购）开发的光纤内存映射网RTnet

，是用于在高性能控制器（HPC）之间实现高速数据交换和共享的通信网络，其数据传输速率目前已达到2.12Gb/s。内存映射网在不同控制器之间所能达到的数据交换速度，已经超过了一般控制器背板总线（系统总线）的交换速度，这使得整个分布式计算机控制系统看起来就像一台所有处理器板共处于一个机箱中的超级控制器—虚拟多处理机系统。内存映射网实质上构造了一个分布式实时动态数据库，连接在该网上的每台设备都可以对此数据库进行高速读写操作。对于复杂和大规模的快速控制系统来说（控制周期1~10ms），分别处于多个控制器上的多个控制功能之间，通常具有多个共享信号，并需要高速进行交换。迄今为止，内存映射网提供了信号高速共享的最好手段，其优异的性能为其他控制网络目前所不具备，而其通信过程对应用程序的透明，亦给控制软件开发人员带来了极大的方便。与内存映射网类似的还有SIEMENS公司的全局数据内存网GDM（GlobalDataMemory），用于它所提供的高端工业控制系统中。4/18/202498北京科技大学自动化学院自动控制研究所内存映射网的集线器VMIACC55954/18/202499北京科技大学自动化学院自动控制研究所

自主集成的热带连轧机分布式计算机控制系统网络结构4/18/2024100北京科技大学自动化学院自动控制研究所

自主集成的热带连轧机分布式计算机控制系统网络功能1）以太网（Ethernet）L3级与L2级之间、L2级各主机之间的通讯L2级与L1级各控制器之间的通讯HMI（人机接口）与L1级控制器、L2级计算机之间的通讯L1级编程器（开发系统）与L1级控制器的通讯2）内存映射网L1级各控制器之间的高速通讯L1级控制器与PDA（过程数据采集）计算机之间的通讯3）现场总线（