《數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù) 》 課件 第1章 緒論

自動(dòng)化控制與工業(yè)革命工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展數(shù)字化轉(zhuǎn)型數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)緒論王超工業(yè)數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展機(jī)械應(yīng)用工廠出現(xiàn)電氣應(yīng)用流水線出現(xiàn)信息技術(shù)基于信息物理融合系統(tǒng)1.03.02.04.0通信形式復(fù)雜程度0.02-0.1Mpa4-20mA現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)第一次工業(yè)革命開始于18世紀(jì)六十年代，以機(jī)器取代人力，以大規(guī)模機(jī)械化取代個(gè)體手工生產(chǎn)，被稱為“機(jī)器時(shí)代”。

瓦特離心調(diào)速器動(dòng)力源：蒸汽“蒸汽時(shí)代”

工業(yè)數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展機(jī)械應(yīng)用工廠出現(xiàn)電氣應(yīng)用流水線出現(xiàn)信息技術(shù)基于信息物理融合系統(tǒng)1.03.02.04.0通信形式復(fù)雜程度0.02-0.1Mpa4-20mA現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)多數(shù)都是獨(dú)立完成任務(wù)；對(duì)于信息的測(cè)量和傳輸?shù)男枨筝^低。第二次工業(yè)革命

19世紀(jì)中期，隨著電磁感應(yīng)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)等發(fā)明和應(yīng)用，人類進(jìn)入“電氣時(shí)代”。電能取代蒸汽能。很多電氣和電子元件相繼問世繼電器、電阻、電容、電感、電位器和放大器等陸續(xù)應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)，構(gòu)成模擬控制系統(tǒng)。工業(yè)數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展機(jī)械應(yīng)用工廠出現(xiàn)電氣應(yīng)用流水線出現(xiàn)信息技術(shù)基于信息物理融合系統(tǒng)1.03.02.04.0通信形式復(fù)雜程度0.02-0.1Mpa4-20mA現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，大規(guī)模的集中生產(chǎn)成為主流；更多物理量需要檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，刺激了傳感器的發(fā)展；信號(hào)傳遞的形式種類很多，自動(dòng)化系統(tǒng)相對(duì)封閉；電話、電報(bào)和無線電通訊等的普及使得信息傳遞更加迅速。第三次工業(yè)革命兩次世界大戰(zhàn)后，進(jìn)入“信息時(shí)代”。1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生；計(jì)算機(jī)從電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路發(fā)展到了大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，其體積越來越小，成本卻越來越低從20世紀(jì)60年代開始，計(jì)算機(jī)應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域。自動(dòng)化技術(shù)發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。“數(shù)字化”計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)取代模擬控制系統(tǒng)由處理連續(xù)時(shí)間變量轉(zhuǎn)變?yōu)樘幚黼x散時(shí)間變量由處理模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)樘幚頂?shù)字量從20世紀(jì)70年代開始，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展給自動(dòng)化控制提供了新的契機(jī)。工業(yè)數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展機(jī)械應(yīng)用工廠出現(xiàn)電氣應(yīng)用流水線出現(xiàn)信息技術(shù)基于信息物理融合系統(tǒng)1.03.02.04.0通信形式復(fù)雜程度0.02-0.1Mpa4-20mA現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)解決了集中控制中的不足；互聯(lián)網(wǎng)的普及促進(jìn)形成管控一體化；數(shù)據(jù)的獲取，傳輸與共享越發(fā)重要，信息與通信技術(shù)在加速向自動(dòng)化控制領(lǐng)域滲透。新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革前三次工業(yè)革命使得人類發(fā)展進(jìn)入了空前繁榮的時(shí)代人類面臨全球能源與資源危機(jī)、全球生態(tài)與環(huán)境危機(jī)、全球氣候變化危機(jī)的多重挑戰(zhàn)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的新一代信息技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展；以泛在互聯(lián)、全面感知、智能優(yōu)化、安全穩(wěn)固為特征的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生；在全球范圍內(nèi)不斷顛覆傳統(tǒng)制造模式、生產(chǎn)組織方式和產(chǎn)業(yè)形態(tài)。在過去200多年世界工業(yè)化的歷史上，我國(guó)曾先后失去過三次工業(yè)革命的機(jī)會(huì)；進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)第一次與美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家站在同一起跑線上，趕上這一革命的黎明期和發(fā)動(dòng)期。。工業(yè)數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展機(jī)械應(yīng)用工廠出現(xiàn)電氣應(yīng)用流水線出現(xiàn)信息技術(shù)基于信息物理融合系統(tǒng)1.03.02.04.0通信形式復(fù)雜程度0.02-0.1Mpa4-20mA現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在第四次工業(yè)革命前，工業(yè)系統(tǒng)自身的變革速度比信息通信技術(shù)明顯落后；信息通信技術(shù)與自動(dòng)化控制技術(shù)加速融合，共同推動(dòng)工業(yè)界的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化進(jìn)程；以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為第四次工業(yè)革命的核心內(nèi)容。自動(dòng)化控制與工業(yè)革命工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展數(shù)字化轉(zhuǎn)型數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)緒論王超工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展2012年末，美國(guó)通用電氣公司（GeneralElectricCompany，GE）發(fā)布白皮書《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：打破智慧與機(jī)器的邊界》，標(biāo)志著“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”概念的正式提出。GE整合AT&T、思科、IBM、英特爾等信息龍頭企業(yè)資源，聯(lián)手組建了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟2015年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟發(fā)布了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IIRA參考架構(gòu)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展2013年4月，德國(guó)在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上發(fā)布《實(shí)施“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略建議書》，正式將工業(yè)4.0作為強(qiáng)化國(guó)家優(yōu)勢(shì)的戰(zhàn)略選擇。由德國(guó)政府統(tǒng)一支持、西門子公司牽頭成立協(xié)同創(chuàng)新體系2015年3月，德國(guó)正式提出了工業(yè)4.0的參考架構(gòu)模型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展2015年，中國(guó)政府工作報(bào)告提出“互聯(lián)網(wǎng)+”和《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略。中國(guó)信息通信研究院聯(lián)合制造業(yè)、通信業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)等企業(yè)于2016年2月1日共同發(fā)起成立中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟；2016年發(fā)布了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)1.0，2020發(fā)布了2.0版本。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展2021年12月，聯(lián)盟發(fā)布工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系（版本3.0）其它類標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系的基礎(chǔ)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系的保障工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系的中樞工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和平臺(tái)協(xié)同的重要支撐和關(guān)鍵樞紐對(duì)其他部分標(biāo)準(zhǔn)的落地細(xì)化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展自動(dòng)化控制與工業(yè)革命工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展數(shù)字化轉(zhuǎn)型數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)緒論王超數(shù)字化轉(zhuǎn)型數(shù)字化有兩層含義，在英文中分別有兩個(gè)單詞與其對(duì)應(yīng)，即Digitization和Digitalization。Digitization:任何把模擬源轉(zhuǎn)換為任何類型的數(shù)字格式的過程。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)模擬控制系統(tǒng)的替代OCR掃描或者語音識(shí)別技術(shù)Digitalization:將人、機(jī)系統(tǒng)之間的交互和通信，乃至業(yè)務(wù)過程和商業(yè)模式等轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化形式，實(shí)現(xiàn)數(shù)字和物理信息的融合。打通全生命周期、全價(jià)值鏈的數(shù)據(jù)鏈路產(chǎn)品即服務(wù)（ProductasaService）、智能制造在第三次工業(yè)革命中，主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的第一層含義，在第四次工業(yè)革命中，則要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的第二層含義。第三次工業(yè)革命：工業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化全覆蓋，生產(chǎn)數(shù)據(jù)得到積累第四次工業(yè)革命：如何利用這些數(shù)據(jù)優(yōu)化生產(chǎn)。數(shù)字化轉(zhuǎn)型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以數(shù)據(jù)為核心，通過網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、安全三大功能體系構(gòu)建，打通設(shè)備、系統(tǒng)、企業(yè)和產(chǎn)業(yè)鏈條。數(shù)據(jù)功能體系包含感知控制、數(shù)字模型和決策優(yōu)化三個(gè)基本層次由自下而上的信息流和自上而下的決策流構(gòu)成的工業(yè)數(shù)字化應(yīng)用優(yōu)化閉環(huán)操作運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OperationTechnology，OT）。將原來分散、雜亂的海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)整合成統(tǒng)一、有序的新數(shù)據(jù)源，涉及到數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)清洗等技術(shù)。綜合利用大數(shù)據(jù)、人工智能等數(shù)據(jù)方法和各類工業(yè)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)構(gòu)建數(shù)據(jù)模型和工業(yè)模型庫聚焦數(shù)據(jù)挖掘分析與價(jià)值轉(zhuǎn)化。分析功能借助各類模型和算法的支持將數(shù)據(jù)背后隱藏的規(guī)律顯性化；診斷功能對(duì)資產(chǎn)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并提供解決建議；預(yù)測(cè)功能預(yù)測(cè)資產(chǎn)未來的狀態(tài)，在問題還未發(fā)生的時(shí)候就提前介入；指導(dǎo)功能發(fā)現(xiàn)并幫助改進(jìn)資產(chǎn)運(yùn)行中存在的不合理、低效率問題。數(shù)字化轉(zhuǎn)型通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)字化的關(guān)鍵就是數(shù)據(jù)的打通，而要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，OT和IT的融合既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。。OT部分控制和分析企業(yè)生產(chǎn)過程，促進(jìn)進(jìn)一步改善生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展相對(duì)緩慢，更強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性與可靠性往往采用專用的系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和軟件IT部分處理企業(yè)各類數(shù)據(jù)和信息，并維護(hù)企業(yè)所制造產(chǎn)品的質(zhì)量專注于數(shù)字環(huán)境，主要考慮數(shù)據(jù)處理速度、安全性等問題必須接受快速創(chuàng)新和變革面臨的問題異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)問題：協(xié)議種類、實(shí)時(shí)性確定性要求安全問題：暴露于公共網(wǎng)絡(luò)，安全機(jī)制與安全風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)體系工業(yè)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、傳輸、處理、存儲(chǔ)、決策和執(zhí)行1.緒論1.1自動(dòng)化控制與工業(yè)革命1.2數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)概述工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展數(shù)字化轉(zhuǎn)型2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述2.2檢測(cè)設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的過程通道3.自動(dòng)化控制策略3.1數(shù)據(jù)處理方法3.2數(shù)字PID控制3.3基于數(shù)字PID控制的復(fù)雜控制系統(tǒng)3.4模型預(yù)測(cè)控制3.5其它先進(jìn)控制策略簡(jiǎn)介4.數(shù)據(jù)通信與互聯(lián)技術(shù)4.1通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)4.2數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)4.3異步串行傳輸與現(xiàn)場(chǎng)總線4.4互聯(lián)網(wǎng)的基本原理4.5以太網(wǎng)技術(shù)4.6無線網(wǎng)絡(luò)5.工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)5.1工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成5.2工業(yè)互聯(lián)分布式云邊控制5.3工業(yè)互聯(lián)安全6.工業(yè)大數(shù)據(jù)6