过程控制发展历程
• ISO11898的CAN（Control Area Network） • EPA——我国自主制定
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现场总线控制系统(FCS) -多样性
• 行业习惯
–如Profibus一直应用于PLC行业，FF应用于仪表行业；
– Distinguishing feature: measure the controlled variable – Advantages:
• Corrective action is taken regardless of the source of the disturbance. • Reduces sensitivity of the controlled variable to disturbances and changes in the process (shown later).
– Disadvantages:
• No corrective action occurs until after the disturbance has upset the process, that is, until after x differs from xsp. • Very oscillatory responses, or even instability…
– 卡边生产 – 低投入，高产出 – APC软件应用年增长率－－30%
• 过程优化受到普遍重视 • DCS走向国际标准开放系统FCS • 综合自动化系统是发展方向
– 递阶系统结构 – 控制＋管理 – 信息集成
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现场总线控制系统(FCS)
定义：现场总线是将现场仪表与控制室系统连接起来的 全数字化、双向、多站的通信网络。 特点： 1. 通信数字化
2. 控制功能全分布
优点： 智能化、简单化、标准化 低成本、易移植、易扩展
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工程师站 操作站 计算机网络 操作站
操作站
工程师站
过程控制站 过程控制站
……
传统仪表
……
传统仪表
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集散型计算机控制系统
缺点： 1. DCS系统中最关键的部分是与工业生产过程打交道 的过程控制站，它仍然是集中的。 2. 4~20mA信号，以模拟方式进行传输。这种方式在检 测环节存在的问题是精度低、动态补偿能力差、无 自诊断功能，在传输上存在的问题是单向性
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先进过程控制
王卓 房间：A楼608
电话：3873 E-mail：zwang@
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第一讲 过程控制系统发展历程 及先进控制技术现状
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如直流电机转速开环控制
+V
功率 放大器 电动机 转速给定 控制量
机 械 设 备
转速
控制器
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对象
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控制策略分类
• 反馈控制，Feedback Control:
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控制术语
• set-point change - implementing a change in the operating conditions. The set-point signal is changed and the manipulated variable is adjusted appropriately to achieve the new operating conditions. Also called servomechanism (or "servo") control. • disturbance change - the process transient behavior when a disturbance enters, also called regulatory control or load change. A control system should be able to return each controlled variable back to its set-point.
• 组织：IEC和ISO • IEC61158(99年)
– FF H1 , ControlNet，Profibus，P-Net，FF H2， SwiftNet， WorldFIP，Interbus
• 随后IEC TC17B通过了三种总线标准：
– SDS（Smart Distributed System） – ASI（Actuator Sensor Interface） – Device NET
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工业以太网
工业以太网
EtherNet/IP Foundation Fieldbus HSE IDA
伴随总线
DeviceNet, ControlNet Foundation Fieldbus H1 IDA, Modbus TCP/IP
Ethernet Protocol EtherNet/IP Foundation Fieldbus HSE IDA PROFInet
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Complementary device netowrks DeviceNet, ControlNet Foundation Fieldbus H1 IDA, Modbus TCP/IP Profibus DP, Profibus PA, AS-i
集中型计算 机控制系统 集散型控制 系统(DCS) 现场总线的控 制系统（FCS）
80年代
90年代
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集中型计算机控制系统
直接数字控制系统(DDC)集中型计算机控制系统 分层计算机控制系统。 直接数字控制系统(DDC) ：主要是由一台数字计算 机替代一组模拟控制器 集中型计算机控制系统：把几十个甚至几百个控制 回路以及上千个过程变量的显示、操作和控制集中 在单一计算机上来实现。即在一台计算机上实现过 程监视、数据收集、数据处理、数据存储、报警和 登录、控制等功能。
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控制策略分类
• 前馈控制，Feedforward Control:
– Distinguishing feature: measure a disturbance variable – Advantage:
集中型计算机控制系统 -监督计算机控制系统(SCC)
SCC计算机 给定值 调节器 测 量 控 制 过程对象 测量 DDC计算机 测 量 控 制 第二级 第一级
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集散型计算机控制系统
DCS的核心结构 ——三点一线 ： 计算机网络 过程控制站
操作站 系统总线
服务器
H2 现场总线 ...... 现场设备（124） H1 现场总线 ......
H1 H1 H1 H1
网 桥
现场设备（32） H1 现场总线 ...... 现场设备（32）
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现场总线控制系统(FCS)-标准
• 利益冲突
–各工控厂商不愿放弃自己的标准和已占有的市场份 额；
• 领域差别
–不同的现场总线有着不同的应用领域，不存在能解 决所有工业问题的现场总线。
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现场总线控制系统(FCS)-标准
• 工业以太网－－21世纪的新宠
现场总线控制系统(FCS)
优点： • 结构开放，系统集成灵活、方便； • 硬件智能化、传输数字化、控制计算高品质化等特 点； • 布线容易，便于施工，可节省大量电缆、控制设备 ，从而降低系统成本 。
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现场总线控制系统(FCS)-结构
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集中型计算机控制系统 -计算机和调节器混合控制系统
CRT操作台 中央计算机
调 节 器
调 节 器 被测变量 过程变量
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集成方法
封装法 封装法
支持的厂商
美国罗克维尔 公司 现场总线基 金会 法国施耐德公 司
封装法
PROFInet
Profibus DP, Profibus PA, A法 司
OPC基金会
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OPC
简述控制工作的过程
简述控制工作的过程控制工作是管理过程中的一个重要环节，它旨在确保组织实现预定的目标和计划，以及适应变化。
控制过程通常包括以下几个阶段：设定标准（Establishing Standards）：控制的第一步是明确期望的结果，并建立标准或指标来衡量这些结果。
标准可以是数量化的，也可以是定性的，它们应该是明确的、可测量的，以便后续的比较和评估。
一、测量绩效（Measuring Performance）：一旦设定了标准，就需要收集和测量实际绩效数据。
这可能涉及到使用各种测量工具和技术，以确保收集到的数据客观、准确、可靠。
二、比较与分析（Comparing and Analyzing）：收集到的绩效数据与设定的标准进行比较和分析。
这有助于确定实际绩效与期望绩效之间的差异。
比较和分析的过程可以帮助管理者更好地理解组织的运作状况。
三、采取纠正措施（Taking Corrective Action）：如果发现实际绩效偏离了预期，就需要采取纠正措施。
这可能包括调整计划、重新分配资源、提供培训，或者对组织过程进行改进。
目标是迅速纠正问题，确保组织朝着正确的方向前进。
四、反馈信息（Providing Feedback）：控制过程需要建立一个反馈机制，以便及时了解绩效和调整计划。
反馈信息可以来自各个层面和部门，用于指导未来的决策和行动。
五、持续监控（Continuous Monitoring）：控制是一个持续的过程，需要不断地监控组织的绩效。
这涉及到定期检查标准、测量绩效、分析数据，以确保组织保持在正确的轨道上。
控制工作的过程并不是线性的，而是一个循环的过程。
在实践中，管理者可能需要不断地调整和改进控制措施，以适应外部环境的变化和内部变革。
有效的控制工作有助于组织及时发现问题、做出调整，并保持在正确的发展方向上。
统计过程控制(SPC)的三个发展阶段
统计过程控制（SPC）的三个发展阶段SPC迄今已经受了三个进展阶段，即SPC（Statistical Process Control，统计过程掌握）阶段、SPCD（Statistical Process Control and Diagnosis，统计过程掌握与诊断）阶段与SPCDA（Statistical Process Control，Diagnosis and Adjustment，统计过程掌握、诊断与调整）阶段。
（一）SPC阶段SPC是美国休哈特博士在20世纪二三十年月所制造的理论，它能科学地区分诞生产过程中产品质量的偶然波动与特别波动，从而对过程的特别准时告警，以便人们实行措施，消退特别，恢复过程的稳定。
这就是所谓质量掌握。
这一理论直到20世纪80年月，依旧是过程掌握实施的重要指导。
（二）SPCD阶段SPCD即统计过程掌握与诊断。
SPC虽然能对过程的特别进行告警，但是它并不能告知是什么特别，发生于何处，也不能进行诊断。
1982年张公绪教授提出了新型掌握图——选控图系列，为SPCD理论的进展奠定了基础。
1982年，张公绪提出两种质量诊断理论，突破了传统的美国休哈特质量掌握理论，开拓了统计质量诊断的新方向。
从今SPC上升为SPCD，SPCD是SPC的进一步进展，也是SPC的其次个进展阶段。
1994年，张公绪教授与其同学郑慧英博士提出多元逐步诊断理论，解决了西方国家的诊断理论需要同时诊断全部变量从而第一种错误的概率α比较大的问题。
1996年张公绪提出了两种质量多元逐步诊断理论（也称为两种T2图的逐步诊断理论）解决了多工序、多指标系统的MSPC与MSPCD（多元质量掌握与诊断）问题。
1998年，张公绪又将上述理论进一步改进，这是多元诊断理论的一个突破，不但使得多元掌握与诊断大为简化，而且很多的多元诊断问题由此得以解决。
目前SPCD已进入有用性阶段，我国仍旧居于领先地位，在SPC 与SPCD的理论与实践方面做出了应有的贡献，形成我国的SPC与SPCD学派。
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SPC与其他质量管理体系融合应用
与六西格玛管理的融合
将SPC作为六西格玛管理的一个重要工具，用于识别和改进生产过程中的问题和波 动。
结合六西格玛管理的DMAIC流程，运用SPC对生产过程进行持续改进和优化。
SPC与其他质量管理体系融合应用
免类似异常的再次发生。
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SPC在企业中实施与推广
SPC实施步骤和关键成功因素
明确目标
确定SPC实施的目标和范围，包括要控制的 产品特性、生产过程和关键质量指标等。
数据收集
建立数据收集系统，收集生产过程中的原始 数据，并进行整理和清洗。
SPC实施步骤和关键成功因素
过程分析
运用统计技术对生产过程进行 分析，识别过程中的异常和波 动，并确定过程能力。
与精益生产的融合
将SPC与精益生产相结合，实现生产过程的高效、稳定和可控。
利用精益生产的理念和工具，如价值流分析、持续改进等，推动SPC的 实施和推广。
企业内部SPC培训和文化建设
统计技术基ห้องสมุดไป่ตู้知识培训
包括概率论、数理统计等基础知识，帮助员工掌握基本的统计概念和方法。
SPC理论和方法培训
深入讲解SPC的理论和方法，包括控制图的制定、分析和应用等，使员工能够熟练掌握 SPC技术。
SPC在企业中应用价值
提高产品质量
通过实施SPC，企业可以及时发现并解决生产过程中的问题，减少产品缺陷和不良品率， 提高产品质量和客户满意度。
降低生产成本
SPC有助于企业优化生产流程、提高设备利用率和劳动生产率，从而降低生产成本、提高 经济效益。
提升企业竞争力
iso9001的发展历程
iso9001的发展历程ISO 9001是国际标准化组织制定的一项质量管理体系标准，用于指导组织如何设计和实施质量管理体系，以提高产品和服务的质量，并满足客户和法律法规的要求。
ISO 9001的发展历程可以追溯到上世纪50年代，以下是其详细的发展历程：20世纪50年代至60年代，质量管理变为了一个重要的议题。
为了满足质量标准的需求，各国开始制定自己的国家标准和质量管理体系。
然而，由于标准的差异和复杂性，各国之间的贸易受到了限制。
为了解决这个问题，国际标准化组织（ISO）于1946年成立，成为世界各国制定和推广国际标准的机构。
70年代初期，ISO开始着手制定一套国际化的质量管理体系标准，以便促进国际贸易和合作。
根据这个想法，ISO 9000系列标准于1987年首次发布，并由ISO/TC 176成为负责这一领域标准化工作的技术委员会。
ISO 9001标准的首次版本在1987年发布，并于1994年进行了修订。
1987年版本的标准主要关注过程控制和质量保证，适用于制造业。
然而，随着服务业的发展，人们意识到质量管理体系标准需要做出相应的调整。
为了满足不同行业和组织的需求，ISO 9001标准于2000年进行了重大修订。
这次修订将质量管理体系的基本原则扩展到了非制造业，并强调了客户的满意度和持续改进。
此次修订还引入了过程方法论，强调了全面质量管理的重要性，提出了术语"八项原则"。
2008年，ISO 9001标准再次进行了修订。
此次修订主要关注于风险管理、客户满意度的测量和评价、供应链管理和持续改进等方面的要求。
新版标准还提出了文件化要求的减少，并引入了基于风险的思维和流程导向的方法。
最新的ISO 9001标准发布于2015年，是对2008年版本的修订。
这次修订进一步强调了领导层的责任和参与，并将质量管理体系与组织的战略目标和环境管理整合在一起。
标准还引入了对外部利益方的关注，突出了可持续发展和社会责任的重要性。
过程装备与控制工程专业发展历程
过程装备与控制工程专业发展历程一、学科起源过程装备与控制工程学科起源于XX世纪XX年代，随着工业化的进程，对大型、复杂工艺过程的设备需求增加，过程装备与控制工程学科逐渐形成。
这个学科主要研究工业过程中的装备设计、控制技术以及安全保障等，以满足工业生产的需要。
二、技术进步随着科技的不断发展，过程装备与控制工程学科的技术也在不断进步。
例如，信息技术、自动化技术、智能制造技术等新技术被广泛应用于过程装备的设计、制造、控制和优化中，极大地提高了工业生产的效率和安全性。
三、人才培养过程装备与控制工程专业人才培养注重理论与实践相结合，既要求学生掌握扎实的理论基础，又强调实际操作能力的训练。
在课程设置上，本专业涵盖了机械、化学、物理、材料科学、计算机等多个学科领域的知识，旨在培养具有全面素质和创新能力的过程装备与控制工程人才。
四、行业应用过程装备与控制工程学科的应用领域非常广泛，包括石油、化工、制药、能源、环保等众多行业。
本专业的毕业生可以在这些行业中从事装备设计、制造、运行、维护以及工艺控制等方面的工作。
五、国际交流与合作随着全球化的发展，过程装备与控制工程专业的国际交流与合作日益频繁。
许多高校和科研机构通过国际学术会议、合作研究等方式，与国际同行进行深入的交流和合作，共同推动本学科的发展。
六、未来趋势与展望未来，过程装备与控制工程专业的发展将更加注重智能化、绿色化、安全化等方面。
智能制造技术的应用将进一步提高装备的自动化和智能化水平，降低人工干预，提高生产效率。
同时，随着环保意识的提高，绿色化生产将成为主流，过程装备的设计和制造也将更加注重环保和节能。
此外，随着工业安全事故的频发，安全设计和安全管理将成为过程装备与控制工程的重要研究方向。
七、交叉学科发展随着多学科交叉融合的趋势，过程装备与控制工程专业将与更多学科产生交又。
例如，与人工智能、大数据等信息技术领域的交叉，将为工业生产提供更高效、智能的解决方案；与生物工程领域的交叉，将为制药、食品等行业提供更先进的工艺和设备；与环境工程领域的交叉，将为环保和能源利用提供更先进的技术手段。
过程控制系统基础知识
第一节过程控制发展概况过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。
40年代以后，工业生产过程自动化技术发展很快。
尤其是近些年来，过程控制技术发展更为迅猛。
纵观过程控制的发展历史，大致经历了如下几个阶段：50年代前后，一些工厂企业的生产过程实现了仪表化和局部自动化。
这是过程控制发展的第一个阶段。
这个阶段的主要特点是：过程检测控制仪表普遍采用基地式仪表和部分单元组合式仪表(多数是气动仪表)，过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统；被控参效主要是温度、压力、流量和液位四种参数。
控制的目的是保持这些过程参数的稳定，消除或减小主要扰动对生产过程的影响；过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论．主要解决单输人、单输出的定位控制系统约分析和综合问题。
自60年代来，随着工业生产酌不断发展，对过程控制提出了新的要求：随着电子技术的迅速发展，也为自动化技术工具的完善创造了条件．从此开始丁过程控制的第二个阶段。
在仪表方面，开始大量采用气动和电动单元组合仪表。
在过程控制理论方面，除了仍然采用经典控制理论解决实际工业生产过程中遇到的问题外．现代控制理论得到应用，为实现高水平的过程控制奠定了理论基础．从而过程控制由单变量系统转向多变量系统。
但是。
由于过程机理复杂，过程建模困难等等原因，现代控制理论一时还难以应用于实际工业生产过程。
70年代以来．过程控制得到很大发展。
随着现代工业生产的迅猛发展．随着大规模集成电路制造成功与微处理器的相继问世．使功能丰富的计算机的可靠性大大提高、性能价格比又大大提高、尤其是工业控制机采用了冗余技术和软硬件的自诊断措施．使其满足工业控制的应用要求。
随着微型计算机的开发、应用和普及．使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。
过程控制发展到现代过程控制的新阶段:计算机时代。
这是过程控制发展的第三个阶段。
这一阶段纳主要特点是：对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算机系统进行多参数综合控制，或者由多台计算机对生产过程进行控制和经营管理。
FCS和DCS的结构特点与区别
FCS结构特点
现场总线打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采 用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。
FCS由于采用了智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制 室的控制模块、各输入模块置入现场设备中，加上现场设备具有 通信能力，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制 仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。 FCS与传统控制系统的对比图：
FCS典型应用
连续的工艺过程自动控制如石油化工
分立的工艺动作自动控制如汽车制造机器人、汽车 多点控制如楼宇自动化
FCS 和 DCS 的 比 较
FCS
结构 可靠性 失控状态 一对多：一对传输线接多台仪表，双 向传输多个信号 可靠性好：数字信号传输抗干扰能力 强，精度高 操作员可以再控制室了解现场设备的 工作状态，也可以对设备进行参数调 整，还可以预测或寻找故障。 用户可以选择不同制造商提供的性能 价格比最优的现场设备和仪表。不同 品牌的仪表可以互连。 智能仪表除了具有模拟仪表的检测、 变换、补偿等功能外，还具有数字通 信能力，并且具有控制和运算能力 控制功能分散在各个智能仪表中
FCS概述
FCS的全称是现场总线控制系统，属于第五代过程控制系统，它 是21世纪自动化控制系统的方向。
FCS是3C技术（Communication，Computer，Control）的融 合。是用于现场智能化装置与控制室自动化系统之间的一个标准 化数字式通信链路，可进行全数字化、双向、多站总线式的信息 数字通信，实现相互操作以及数据共享。 基本任务是：本质（本征）安全、危险区域、易变过程、难于对 付的非常环境。 主要目的是：用于控制、报警和事件报告等工作。
过程装备与控制工程专业的发展历程
教学团队调研报告----过程装备与控制工程专业的发展历程0 序言过程装备与控制工程综合化课程教学团队为建立综合化课程体系，首先需了解团队所在专业—过程装备与控制工程专业的发展历程及存在的问题。
团队成员通过查阅资料、走访专家了解我校过程装备与控制工程专业50多年的发展历程，研究了教学计划和课程体系的演变过程1 五十年的发展历程过程装备与控制工程专业的前身是化工机械专业，在该专业创建的初期它是一个建筑在综合化工程背景下的专业，随着化学工程和化工自动化专业在国内兴起，化工机械专业逐步淡化了化工和控制的教学内容。
到1998年，根据教育部专业调整目录，该专业（时称化工设备与机械）改名为过程装备与控制工程，将该专业的内涵又扩充到包括过程、机械和控制等多个学科的工程教育专业。
在新的形势下如何建设过程装备与控制工程这样一个多学科交叉的专业就是摆在我们面前的一项光荣而神圣的历史任务。
为了研究该专业从原化工机械综合化办学走向学科分化的发展演变，我们通过查阅资料、走访专家了解我校过程装备与控制工程专业50多年的发展历程，研究了教学计划和课程体系的演变过程（见表1）。
表1 教学计划的演变过程1.1课程体系的演变过程装备与控制工程专业的前身是化工设备与机械专业。
它成立于二十世纪五十年代初期，是全国第一批设立的化机专业。
1952年—1954年，学校和专业处于创建初期，教学计划不完整，教学环节不齐全。
1954年，在苏联专家杜马什涅夫的帮助下，多所院校合作制定了第一份教学计划。
1955年教学计划的总学时为4330学时，1957年总学时3435学时，1959年总学时3399学时，主要包括公共课（政治、外语、体育）、基础课（数学、物理、化学）、技术基础课（画法几何和制图、金属工艺学、理论力学和材料力学、机械零件和机械原理、电工学、化工仪表与自动化、化工原理、热工学、普通化学工业、化工材料及腐蚀原理）、公共知识课（安全技术、化工经济与企业组织）和专业课（容器、塔器、换热器、过滤机、离心机、粉碎机和干燥机等）。
PLC发展历史
PLC发展历史PLC（可编程逻辑控制器）是一种用于自动化控制系统的电子设备，它可以根据预先编写的程序来控制机器和工业过程。
PLC的发展历史可以追溯到20世纪60年代，下面将详细介绍PLC的发展历程。
1. 创始阶段（1960年代）PLC最早起源于美国的汽车制造业。
当时，汽车制造商面临着生产线上的控制问题，他们希望能够使用一种更灵活和可编程的控制系统来替代传统的继电器控制。
于是，美国的一家公司在1968年推出了第一款商用PLC，这标志着PLC的诞生。
2. 发展阶段（1970年代-1980年代）在PLC诞生后的几年里，PLC逐渐受到了工业界的认可和采用。
1971年，德国的一家公司推出了第一款可编程控制器，这进一步推动了PLC的发展。
随着技术的不断进步，PLC的功能得到了扩展，它开始具备了更强大的处理能力和更多的输入输出（I/O）点。
在1980年代，PLC的市场需求不断增加。
PLC开始广泛应用于各个行业，包括制造业、化工业、电力行业等。
PLC的生产商也越来越多，市场竞争激烈，不同公司推出了各种不同功能和规格的PLC产品。
3. 现代阶段（1990年代至今）随着计算机技术的飞速发展，PLC的功能和性能得到了进一步提升。
1990年代，PLC开始具备了更强大的处理器和更大的存储容量，使得它能够处理更复杂的控制任务。
同时，PLC开始与其他自动化设备进行联网，实现了更高级的控制和监控功能。
2000年代以来，PLC的发展进入了一个全新的阶段。
随着工业互联网的兴起，PLC开始与云计算、大数据等技术相结合，实现了更智能化的控制。
PLC的应用范围也进一步扩大，包括智能家居、物流仓储、能源管理等领域。
总结PLC的发展历史可以追溯到20世纪60年代，经过几十年的发展，它已经成为工业自动化领域中不可或缺的设备。
从最初的简单控制器到现代的智能化系统，PLC不断演进和创新，为各个行业提供了更高效、更可靠的自动化解决方案。
随着技术的不断进步，我们可以期待PLC在未来的发展中发挥更重要的作用，推动工业自动化向更高水平发展。
过程控制发展的5个阶段
现场总线控制系统（FCS）、无线仪表、网络化仪表
基地式仪表为主，大量应用气动单元组合仪表
第三Biblioteka 阶段20世纪60-70年代
现代控制理论
状态空间、动态规划、极小值原理等
复杂控制系统的开发和应用。在航天、航空和制导等领域取得成功
组合式仪表广泛应用，气动和电动单元组合仪表成为控制仪表的主流
第四
阶段
20世纪70-80年代
大系统控制理论、
人工智能、鲁棒控制、模糊控制、神经网络、预测控制、多变量频域
基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、智能控制、故障诊断、生产计划和调度、优化控制等先进控制系统，非线性和分布参数系统
集散控制系统（DCS）、可编程控制器（PLC）、信息管理系统（MIS）
第五
阶段
20世纪80年代开始
管控一体化、综合自动化过程控制系统、制造执行系统和企业资源计划结合
综合自动化系统（PCS,MES,ERP）
阶段
大致时间
控制理论和研究方法
过程控制研究对象
采用的仪表
第一
阶段
20世纪40-50年代
经典控制理论
微分方程解析方法
控制系统稳定性，单输入、单输出系统
基地式大型仪表
部分气动单元组合仪表
第二
阶段
20世纪50-60年代
经典控制理论
频域法、根轨迹法等
从随动到定值控制；从单回路到复杂控制；从PID到特殊控制规律