工业自动化的发展与挑战

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1.1 引言

工厂/过程的工业自动化是过程控制和信息系统应用的体现。在过去四十年中，自动化领域以快速的步伐发展，其增长和成熟得益于技术的进步、用户期望的提高以及工业加工技术的成熟。工业自动化是一门广泛而多样的学科，涵盖了过程、机械、电子学、软件和信息系统，它们共同协作以实现一系列共同目标——提高生产、改进质量、降低成本以及最大限度的灵活性。

但这并不容易。生产率的提高可能导致质量下降，降低成本可能影响生产率，而提高质量和可重复性又常常会影响灵活性。正是这四个目标——生产率、质量、成本和灵活性之间的最终平衡，使企业能够在全球市场中将自动化制造作为战略竞争优势。实现这种终极平衡十分困难，然而在此情况下，过程比结果更为重要。全球各地的企业通过有效自动化其制造过程，已实现了数十亿美元的质量和生产率提升。众多技术进步，如更快的计算机、更可靠的软件、更先进的网络、更智能的设备、更优良的材料以及新的企业解决方案，共同造就了比以往更强大、更敏捷的制造系统。简而言之，自动化制造为企业带来了大量优势；其中一些是渐进式改进，而另一些则是生存所必需的。综合来看，推动自动化发展的并非制造商本身，而是制造商的客户，甚至是客户的客户，他们推动了当前产品制造方式的大多数变革。消费者对更高质量的产品、更多样化的选择、更低的成本以及“按需供应”的便利性需求，催生了当今工业自动化的必要性。以下是自动化系统用户的一些典型期望。

如前所述，系统的最终用户是推动自动化行业发展成熟的主要驱动力之一，而他们的需求则由不同时区的快速增长技术来管理。以下是自动化系统主要最终用户的一些关键期望：自动化系统必须能够进行过程控制，并在调节控制和离散控制方面表现出卓越性能。该系统应提供广泛的通信能力和可扩展架构。除了上述要求外，用户还期望系统具备以下功能：

从概念到优化的生命周期卓越。典型系统在采购时会产生一定的成本，作为用户，重要的是要考虑系统从采购开始到退役为止的总体成本。这包括系统的成本、硬件成本以及服务、零部件和支持的成本。

• 单一集成架构在集成便捷性、公共数据库以及用于互操作通信的开放标准方面需要达到最优。
• 系统必须具备企业集成能力，以实现与管理信息系统之间的通信和数据交换。
• 由于系统本身的性质及其在关键基础设施中的部署，必须提供网络安全防护。自动化系统因多种原因已不再与信息系统相互隔离，这种连接能力带来了系统漏洞，因此自动化系统的供应商有责任提供能够抵御网络威胁的安全系统。
• 应用集成必须紧密耦合但高度集成。系统功能应支持用户灵活地将多个系统互连并作为一个单一系统运行：实现从车间到管理层的集成或从传感器到会议室的集成。
• 在整个生命周期中，通过技术和服务提升生产率和盈利能力，具体体现在工程便捷性、多地点工程设计、调试便捷性、升级便捷性以及向新版本迁移等方面。
• 通过使用工具和技术缩短交付时间并减少启动时间。这一能力显然成为竞争供应商之间的重要差异化因素。
• 智能服务功能，包括更优诊断、预测性信息、远程管理和诊断、异常情况的安全处理，以及各类服务业务模式，如本地库存和快速派遣服务工程师。
• 增值服务以实现利润最大化，意味着降低产品成本、可扩展系统、准时化服务、低库存以及基于技术的服务。
• 控制系统的最低拥有成本。
• 平均修复时间（MTTR）应达到工厂服务中心可实现的最小值。

上述情况促使供应商对自动化系统进行持续的研发，以开发出具有竞争力、采用最新技术的产品，并通过解决关键问题为客户增加价值。以下是成功实现自动化的部分成果：

• 一致性：消费者希望每次购买产品时都能获得相同的体验，无论是在亚利桑那、阿根廷、奥地利还是澳大利亚购买。
• 可靠性：如今的超高效工厂无法承受一分钟的非计划停机，因为闲置工厂每天会造成数千美元的收入损失。
• 降低成本：尤其是在产品差异化有限的成熟市场中，成本上的微小差异都可能导致客户更换品牌。在不牺牲质量的前提下尽可能使产品具有成本效益，对整体盈利能力及财务健康至关重要。
• 灵活性：在企业努力减少成品库存并快速响应客户需求的时代，能够快速灵活地切换生产线（从一种口味到另一种、一种尺寸到另一种、一种型号到另一种等）至关重要。

最早的“自动化”系统由操作员打开一个开关组成，该开关会向输出设备（通常是电机）供电。在某个时刻，操作员会关闭开关，从而逆转效果并切断电力。这些就是自动化初期的开关时代。制造商很快发展到继电器面板，该面板具有一系列开关，可被激活以向多个输出提供电力。继电器面板的功能类似于开关，但允许用于对具有多个输出的操作进行更复杂和精确的控制。然而，继电器面板阵列会产生大量热量，布线和升级困难，容易发生故障，并占用大量空间。这些缺陷促使了可编程控制器的发明——一种电子设备，基本取代了继电器面板阵列，如今已以多种形式广泛应用于数百万个自动化操作中。与此同时，单回路和模拟控制器也被当前大多数过程控制应用中所采用的分布式控制系统（DCS）所取代。

这些新型固态设备比机械式设备具有更高的可靠性，所需维护更少，且使用寿命更长。用于控制可编程控制和分布式控制系统（DCS）行为的编程语言可以在无需断开或重新布线任何导线的情况下进行修改。这显著降低了调试时间和布线成本，同时在安装和故障排除方面提供了更大的灵活性。在可编程控制器和分布式控制系统（DCSs）刚刚兴起时，车间生产与企业其他部分相互隔离，独立运行且不为公司其他部门所见。这样的时代已几乎结束，企业逐渐认识到，若要取得卓越成就，必须获取、分析并利用来自车间现场的信息。无论是为了更快地推向市场、提高过程产量、实现不间断运行，还是构建更紧密的供应链，及时获取正确的数据都至关重要。为此，许多企业转向现代自动化控制和网络架构。

用于制造机械、物料搬运系统和相关设备的基于计算机的控制以具有成本效益的方式生成大量有关生产率、产品设计、质量以及交付的信息。如今，自动化比以往任何时候都更加重要，企业正努力优化其工艺流程，并从消费者那里获取收入和忠诚度。本章节将介绍推动工业自动化的硬件和软件的主要类别；定义自动化的各个层次；详细说明如何规划、实施、集成和维护系统；并探讨影响制造商的技术和实践。工业自动化是一门工程领域，通过应用控制系统和信息技术来提高过程的生产率，提升能源效率，增强设备和人员的安全性，减少产品质量差异，从而提高产品质量。

工业自动化系统的术语和命名法因应用行业的不同而有所差异。在制造业领域使用计算机集成制造（CIM）这一术语，而在流程工业领域则使用全厂控制。这两个术语的核心在于通过工厂内信息与控制系统的互连，实现运行协调与控制的全面集成。自动化工程涵盖从工厂物理变量的传感技术到网络、计算资源、显示技术和数据库技术的各个方面。

通过实施独立工作站，将实现操作员生产力的提升，这些工作站提供了用于决策的工具以及及时、准确且易于理解的信息。通过将所有工作站和信息处理设施与高速全厂局域网和全局关系数据库互连，可确保数据时间线的连续性。

总体目标是通过实现完全集成的工厂信息系统所带来的优势，改进整个过程和业务运营。系统将支持工艺操作数据与产品线、项目和业务系统数据之间持续增长的关联，并将使这些数据能够以实时交互的方式轻松获取，供任何每位有需要了解信息的员工，在遍布全厂的工作站均可轻松使用。由此形成的全面的工厂信息管理系统将成为实现过程控制、产品线管理、工厂管理以及支持业务战略长期改进的关键。

当今自动化工作中的一项主要挑战是评估供应商。由于各供应商的系统看起来相似，这一挑战在最近尤为明显。以下是在选择过程中可以考虑的一些指导原则。

这些指南有助于明确您组织的需求，了解供应商如何满足这些需求，并为您确定合适的供应商。10C 包括能力、产能、承诺、控制、现金状况、成本、一致性、文化、清洁和通信。作为检查清单使用时，10C 模型可以从多个方面帮助评估潜在供应商。首先，它有助于分析供应商业务的不同方面：审查清单中的全部 10 个要素，可全面了解供应商的有效性及其按时、在预算内、高质量交付系统的能力，同时在整个生命周期（包括工程、安装、预调试、调试、运行和服务）中保持持续的关系。

1.2 创新者

如果不回顾各位科学家的开创性工作，就无法描述工业自动化的发展历程，正是他们的贡献帮助这些技术在一段时间内日趋成熟并实现商业化。以下列出了一些开创性科学家的贡献。

亚历山德罗·伏特 (1745–1827)

亚历山德罗·伏特，意大利物理学家，以其在电力领域的开创性工作而闻名（图1.1）。伏特出生于科莫，并在当地公立学校接受教育。1800年，他开发了被称为上层伏特的电池先驱，该电池可产生恒定电流。为了纪念他在电力领域的贡献，电学单位“伏特”以他的名字命名。一年后，他改进并推广了起电盘，这是一种产生静电的装置。他对起电盘的推广如此广泛，以至于人们常常将这项发明归功于他，尽管早在1762年，瑞典实验者约翰·威尔克已描述过基于相同原理运作的装置。

安德烈·玛丽·安培 (1775–1836)

安德烈·玛丽·安培是一位法国物理学家和数学家，通常被认为是经典电磁学科学的主要奠基人之一，他将其称为电动力学（图1.2）。电流的国际单位制单位安培以他的名字命名。安培发现，两根载有电流的平行导线会相互吸引或排斥，这取决于电流流动方向是相同还是相反——这一发现奠定了电动力学的基础。其中最重要的是后来被称为安培定律的原理，该定律指出：两段载流导线之间的相互作用力与其长度以及它们的电流强度成正比。

乔治·西蒙·欧姆 (1789–1854)

欧姆是一位德国物理学家和数学家，他使用电化学电池进行研究（图1.3）。利用自己设计的设备，欧姆发现施加在导体两端的电势差（电压）与所产生的电流之间存在正比关系。这种关系被称为欧姆定律。在他的著作（1827年）中，他对伽伐尼电路进行了数学上的研究，提出了电力的完整理论。在这部著作中，他指出，作用于电路任何部分两端的电动势等于该部分电路中电流强度与电阻的乘积。

维尔纳·冯·西门子 (1815–1892)

西门子是一位德国发明家和实业家（图1.4）。他的名字被用作电导的国际单位制单位——西门子。他还是电气和电信-通信公司西门子公司的创始人。

托马斯·阿尔瓦·爱迪生 (1847–1931)

他是一位美国发明家和企业家（图1.5）。他发明了许多对全球生活产生重大影响的设备，包括留声机、电影摄影机以及持久且实用的电灯泡。他是最早将大规模生产和大规模团队合作原则应用于发明过程的发明家之一，因此，他常被誉为创建了第一个工业研究实验室的人。

爱迪生是历史上第四大多产的发明家，拥有1093项美国专利以及许多英国、法国和德国的专利。比数量更重要的是爱迪生的专利是其发明成果的体现，因为爱迪生不仅进行了发明创造，他的发明还在全球范围内催生了多个重要的新兴产业，尤其是电灯和电力公用事业、声音记录以及电影。爱迪生的发明促进了大众传播，特别是电信领域的发展。

爱迪生开发了一套向家庭、企业和工厂供电力生产和分配的系统——这是现代工业化世界的一个关键发展。他的第一个发电站位于纽约曼哈顿的珍珠街。

迈克尔·法拉第（1791–1867）

他是一位英国科学家，对电磁学和电化学领域做出了贡献（图1.6）。他的主要发现包括电磁感应、抗磁性和电解。他是历史上最具影响力的科学家之一。法拉第通过对载有直流电的导体周围的磁场进行研究，确立了物理学中电磁场概念的基础。法拉第还证明了磁场能够影响光线，并揭示了这两种现象之间存在内在联系。他还发现了电磁感应原理、抗磁性以及电解定律。

他发明的电磁旋转装置为电动机技术奠定了基础，正是由于他的努力，电力才得以在技术应用中变得实用。

约翰·伯丁（1908–1991）

他是一位美国物理学家和电气工程师，也是唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的人：第一次是1956年与威廉·肖克利和沃尔特·布拉顿共同因发明晶体管而获奖；第二次是1972年与莱昂·N·库珀和约翰·罗伯特·施里弗共同因提出被称为BCS理论的传统超导性基本理论而获奖（图1.7）。晶体管彻底改变了电子学行业，推动了信息时代的到来，并使得几乎所有现代电子设备（从电话到计算机再到导弹）的开发成为可能。巴丁在超导性方面的研究成果（使他第二次获得诺贝尔奖）被应用于核磁共振（NMR）波谱学或其医学分支磁共振成像（MRI）中。

沃尔特·H·布拉顿（1902–1987）

他是一位在贝尔实验室工作的美国物理学家，与约翰·巴丁和威廉·肖克利共同发明了晶体管（图1.8）。他们因这项发明共同获得了1956年诺贝尔物理学奖。他一生中大部分时间都致力于表面态的研究。他早期的工作涉及钨上的热电子发射和吸附层以及半导体表面的整流和光电效应研究，最初是从氧化亚铜表面的整流研究开始的。随后又对硅进行了类似的研究。

威廉·肖克利（1910–1989）

他是一位美国物理学家和发明家（图1.9）。Shockley与约翰·巴丁和沃尔特·豪泽·布拉顿共同发明了晶体管，三人因此共同获得了1956年诺贝尔物理学奖。20世纪50年代和60年代，Shockley试图将一种新型晶体管设计商业化，这促使加利福尼亚的“硅谷”成为电子学创新的温床。晚年，Shockley在斯坦福担任教授，并成为优生学的坚定倡导者。

杰克·基尔比（1923–2005）

他是一位美国电气工程师，1958年在德州仪器（TI）工作期间，与罗伯特·诺伊斯共同实现了首个集成电路（图1.10）。他于2000年获得诺贝尔物理学奖。他也是手持计算器和热敏打印机的发明家。

罗伯特·诺伊斯 (1927–1990)

被誉为“硅谷市长”，他于1957年联合创办了仙童半导体，于1968年联合创办了英特尔公司（图1.11）。他还因发明了集成电路或微芯片而闻名，这一发明推动了个人计算机革命，并使硅谷得名。诺伊斯在计算机领域的领导地位以及他在电子学和物理学领域的发明，促成了我们今天所熟知的计算机芯片。

戈登·E·摩尔 (1929–至今)

工程师兼企业家戈登·摩尔在加州理工学院获得了化学和物理学学位，1956年受雇于威廉·肖克利的肖克利半导体公司，是1957年离开肖克利、创立开创性电子公司仙童半导体的“叛逆八人”工程师之一（图1.12）。在仙童，他成为世界顶尖的半导体材料专家之一，这类材料在一个方向上的电流流动电阻远低于相反方向，被用于制造二极管、光伏电池和晶体管。1968年，他与罗伯特·诺伊斯共同创立了英特尔，该公司此后成为全球最大的半导体芯片制造商。

1.3 工业革命

人类利用机械动力取代人力或畜力的能力可被视为工业领域的第一次革命。从这一角度来看，蒸汽机因其能够以最少的人力付出产生大量功而具有代表性。这导致了对这些机器进行自动化的巨大需求，因为只有在按需控制的情况下，这些机器的真正价值才能得以实现。第二次工业革命则体现在电力及其带来的各项优势上。

电力及其将能源从一个地方传输到另一个地方的能力改变了工业格局，并为行业创造了巨大的增长和新的可能性。微电子学通过实现小型化和以更低的功耗创造更大的成果，引发了一场革命。在微控制器发明之后，可以看到随后的革命。目前，世界正在经历由互联网引发的革命，以及它对所有行业和普通民众产生的影响。丰富的信息以及将多种事物连接在一起的能力，正在改变各行业的运营方式并提高效率。

1.4 从需求视角看自动化的发展

工业过程操作中的初期自动化需求源于对现有手动过程进行自动化的需求，从而提高产品质量的产出和一致性。20世纪70年代末可用的技术满足了这一需求。随后，行业的自动化需求受到保持环境标准的标准和法规推动。20世纪90年代，设备和人员的安全成为工厂自动化中的附加要求，并导致安全系统以及紧急关断和启动操作的广泛应用。在20世纪90年代的后续几年中，过程行业面临的提升底线收入的压力，使得工厂运行的更高效率变得尤为重要。工业过程自动化系统在协助工艺操作实现更高效率方面发挥了更大的作用（图1.13）。

1.5 从技术视角看自动化的发展

第一代自动化系统主要被用于需要以机器替代人力的场合。工业的机械化推动了使用机械齿轮和夹具实现自动化。控制信号和机制大多采用液压方式，通过小体积液体的压力将信号从一个地方传递到另一个地方，并进行乘法和除法操作。然而，由于液体本身具有可压缩性，且生成信号需要消耗能源，因此气动系统应运而生。气动信号被用来驱动传感器和阀门，同时也用于将信号从一个地方传输到另一个地方。

下一代认识到，以电压形式存在的电信号被用作控制系统的首选技术。第四代系统采用数字电子作为控制系统的首选技术。在20世纪60年代，4–20 mA模拟接口被确立为仪表技术的事实标准。因此，仪器设备制造商拥有一个标准的通信接口来开发其产品。用户可以从众多供应商提供的仪器和传感器中进行选择，并将其集成到他们的控制系统中。

随着微处理器的出现和数字技术的发展，情况发生了变化。大多数用户都非常认可数字仪表的诸多优势，包括单台仪表可显示更多信息、支持本地和远程显示、更高的可靠性、经济性、自整定功能以及诊断能力。目前正逐步从模拟技术向数字技术过渡。市场上已出现多种适用于大多数传统应用的智能数字传感器，具备数字通信功能。这些传感器包括用于测量温度、压力、液位、流量、质量（重量）、密度、电力系统参数的传感器，以及分析传感器，如氧气 O2、二氧化碳 CO2、pH、溶解氧、紫外线（UV）、红外线（IR）和气相色谱（GC）。这些新型智能数字传感器被称为“智能”仪表。

定义“智能”仪表的主要特征包括：智能数字传感器、数字数据通信能力，以及能够在系统中与其他设备进行多点连接。此外，还出现了一系列可称为“智能”执行器的智能通信数字设备。这些设备的示例包括具备数字通信功能的变频驱动器、软启动器、保护继电器和开关设备控制装置。微处理器对仪表与控制系统产生了巨大影响。

从历史上看，仪器具有单一的专用功能。控制器是本地化的，尽管通常为计算机化，但它们是为特定目的而设计的。显然，作为通用设备的微处理器可以取代本地化且高度现场专用的控制器。集中式微处理器能够分析和显示数据，以及计算和传输控制信号，可实现更高的效率、生产率和质量提升。

目前，连接到传感器和控制器的微处理器需要一个接口卡。该接口卡实施协议栈的硬件层，并结合适当的软件，使微处理器能够与系统中的其他设备进行通信。现有的仪表与控制软硬件包种类繁多，一些专为特定的专有系统设计，而另一些则更为通用。当前为微处理器提供的接口硬件和软件几乎涵盖了仪表与控制的所有通信需求。由于微处理器相对便宜，因此可以在更新、更快的型号出现时进行升级，从而提升仪表与控制系统的性能。

1.6 三十年前的挑战

自动化系统在过去三十年中发生了巨大变化。由于通信系统有限，用户与系统之间的通信受到限制。由于缺乏实时信息，规划了大量库存。存在许多自动化孤岛。从车间现场到管理层的信息流非常有限，导致因非协调系统造成运行能耗成本较高。离散与过程自动化被视为两个截然不同的系统，信息流缓慢或受限。市场上有关新产品和新解决方案的信息也非常有限。对于其他同行行业在自动化系统方面的表现及其最佳实践，相关信息也十分有限。上述所有问题如今已通过技术进步和经过不同方式培训的操作员得以解决。技术使得更多数据以可承受的价格被获取，而通信革命则使数据能够以更快的速度在任何方便的位置获取。整体工厂运行已随着新技术发生了改变。

1.7 当前挑战

行业中的当前挑战包括人力资源减少、资产数量持平或减少，同时对更高产量的需求不断增长，以及对减少浪费、提高效率、改善质量和加强追踪的要求。工厂运营各个领域的法规和合规要求正在不断增加，尤其是在制药和石化行业。传统的流程型和离散型设备之间的界限正在消失，逐渐转向模拟与数字技术的融合。降低能源利用的目标是另一项需要应对的挑战。自动化与控制领域的挑战主要包括：降低开发、工程和调试成本的需求，多学科控制系统（包括离散控制、运动控制、过程控制、驱动和安全应用）的发展，以提高设备正常运行时间并减少设备停机时间，实现车间现场到企业的连接、远程诊断以及网页访问。

1.8 技术趋势

总体而言，工业自动化正在经历技术变革，主要趋势是从硬接线/专有系统转向基于总线的开放系统。这一转变源于用户对降低资本支出的拥有成本的需求，同时也需要具备升级能力和灵活性，以使用多厂商产品。同一工厂运行中各系统之间的通信正逐渐成为开放的、基于对象的、基于标准的接口。

自动化系统的通用架构正从单一的大型整体式解决方案转向可扩展和模块化系统。这种转变源于在工厂初期运营时尽可能降低资本投资，并随着业务运行逐步扩展的需求。同时，这一趋势也受到降低系统内单点故障需求的推动。从自动化系统中收集的信息正从单纯的过程信息存储库，转变为更能支持商业决策的定性信息。部署在自动化系统上的各种定制应用程序，为工艺操作（如库存和调度）提供了有价值的洞察。所收集的信息正在实现或已经成为实时归档，而不再依赖于按批次或每日固定时间进行的归档。

智能现场仪表使非智能过程测量仪表成为过程诊断和预测性维护信息的来源。这为过程操作提供了更多关于维护策略和停机计划的信息。同样，各种子系统之间的通信也正在从点对点的有线通信转向工业环境中的无线通信（图1.14）。

在过去三十年中，自动化工程师在各种自动化应用所使用的设备方面经历了巨大的变化。用于不同目的的各类装置如下所示。通常用于向现场工程师或操作员传递过程变量的本地指示器，已采用不同的显示技术。最初，所有本地指示器均为机械式，直接将过程变量转换为刻度上的某种机械运动，或对某一特定位置进行直接指示。

如今，相同的指示仪表配备有用于本地操作员的LCD显示屏，且显示技术寿命长、方向灵活，便于访问。同样，远程指示器用于在测量点以外的其他位置传输过程变量和信号使用气动信号进行，随后发展到模拟电子、数字电子，再到单回路和多回路可配置微控制器，进而发展到可编程的控制系统。

1.8.1 传输介质与技术

信号传输是推动自动化成熟的关键因素之一，自动化领域在此方面经历了诸多变革。该领域的研究与技术主要致力于以更低的成本实现更快速、更丰富的信息获取。所有通信和传输介质技术使自动化系统能够建立中央控制室，让人员可以舒适地坐在一处，随时轻松掌握工厂信息并进行控制。

气动 3–15 psi 信号传输
通过气动方式传输，即管道中的空气。因此需要设计能够提供无油无尘空气的空气压缩机。信号范围为 0.2–1 kg/cm² 或 3–15 psi。目前大多数控制阀信号仍使用气动信号，因其具有固有优势（图1.15）。

电气 4–20 毫安
电气模拟 4–20 毫安：4–20毫安电流环是一种非常可靠的传感器信号标准。由于电流环对电噪声具有固有的抗干扰能力，因此非常适合数据传输。在4–20毫安电流环中，所有信号电流都流经各个组件，即使导线连接不够完美，电流仍能保持一致。

回路中的所有组件由于信号电流流过而产生电压降。只要电源电压大于回路在最大20毫安信号电流下各部分电压降的总和，这些电压降就不会影响信号电流。4–20毫安回路提供两线制和四线制选项。四线制可用于运行设备需要较大电力的仪表。例如，电磁流量计可采用四线制选项，其中两根导线用于供电，另外两根导线用于传输信号。通常更倾向于选择两线制，因为其成本较低且复杂性较小。

带HART的电气 4–20 mA
电气混合 HART：4–20毫安叠加直流：智能（或智能型）仪表化协议专为通过数字通信技术从仪器、传感器和执行器收集实际数据的应用而设计。这些组件直接连接到分布式控制系统或控制器。可寻址远程传感器高速通道（HART）协议是一种典型的智能仪表现场总线，能够在混合4–20毫安模式下以数字方式运行。在基本层面上，大多数智能仪表提供核心功能，如量程/零点/跨度调整控制、用于验证功能的诊断、用于存储配置的存储器以及状态信息（例如标签号和序列号）。访问这些功能可显著提高速度和效率安装和维护过程。例如，耗时的4–20毫安回路检查阶段可以在几分钟内完成，并且可以通过归零以及调整阻尼值等其他可控参数，使设备在过程中快速准备就绪。

基金会现场总线（FF）和 Profibus
电气数字总线（FF和ProfiBus DP）：基金会现场总线（FF）充分利用新兴的“智能”现场设备和现代数字通信技术，为最终用户带来诸多优势，例如减少布线、单台仪表可传输多个过程变量、高级诊断功能、不同制造商设备之间的互操作性、增强的现场级别控制、缩短启动时间以及简化集成。FF 的设计理念在于保留现有 4–20毫安 标准所具备的优点（如标准化的通信接口、由通信链路提供的总线供电以及本安全防选项），同时充分利用新的数字技术。这将通过以下方式实现上述优势：由于具备多点连接能力而减少布线，由于互操作性而提高供应商选择的灵活性，由于将控制功能分布到设备层级而减少控制室设备，由于应用数字通信而提高数据完整性和可靠性。

ProfiBus（过程现场总线）是一种广受认可的国际网络标准，常用于过程控制以及大型装配和物料搬运机械中。它支持多输入传感器模块、气动阀门、复杂的智能设备、小型子网络（如AS-i）以及操作员界面的单电缆布线。Profibus在欧洲几乎无处不在，在北美、南美以及非洲和亚洲的部分地区也很受欢迎。它是一种开放的、与厂商无关的标准，遵循OSI模型，确保来自不同供应商的设备能够轻松有效地相互通信。

光纤信号
通过光纤电缆中的光线传输。光纤通信利用光信号在光纤丝芯中进行引导。光纤电缆作为光的波导，所有能源都在电缆的中心核心内被引导。由于中心核心周围包覆层的折射率较低，光被限制在其中。信号中的能量无法逸散到包覆层中，也没有外部能量能够进入核心。因此，传输过程不受电磁干扰影响。只要光线以大于临界角的角度进入核心，核心和包覆层就会将光线限制在核心内。随后，光线将在光纤核心中通过一系列全内反射进行传播，电力损耗极小。

一些优势包括能够进行远距离传输——当今光纤的玻璃纯度加上改进的系统电子元件，使得光纤无需放大即可传输数字化光信号超过100公里。其他优点还包括传输损耗少、干扰低、高带宽潜力，以及由于重量轻、体积小和灵活性好而易于安装。

无线信号
传统上，控制信号通过仪表电缆从现场仪表传输到控制室。仪表电缆用于传输来自现场仪表的信号，同时也为现场仪表提供电力。在无线技术中，控制信号通过无线方式从现场传输到控制室，以及传输到现场仪表。由长寿命电池供电。因此，与有线系统的基本区别在于，数据通过无线电波而非电缆进行传输。

从上述描述可知，无线电成为无线通信设备的核心。无线通信设备的性能取决于频率和电力。典型频率为900兆赫和2.4吉赫。在这两个频段中，2.4吉赫在全球范围内是免许可的，而900兆赫在某些国家（如印度）不被允许，因为它会干扰授权的GSM 900兆赫频谱。最终，这些频谱之间的差异在于数据吞吐量和范围。频率越高，数据越多，但范围越小。很多时候政府规定限制了允许的最大功率。可使用的标准化协议包括ISA100.11a和无线HART，这些协议使来自多个供应商的现场仪表能够连接并协同多个主机系统或控制系统工作。无线系统以网状形式组网。单个现场设备可以相互通信，并与网关和中继器通信。在网状网络中有两种方式：网状仪表网络和网状节点网络。

1.9 设备连接性

设备与主机系统的连通性已从简单的点对点连接发展到复杂的网状网络（图1.16）。

点对点
多年来，设备与主机系统之间的连接通常采用点对点连接模式。4–20毫安信号被认为是点对点连接的一个简单示例。这种连通性在电缆成本和安装方面被认为成本较高。然而，其信号完整性高，易于故障排除和更换。系统中某一连接的故障不会影响其他连接。在点对点连接中，每个设备都应在主机中具有对应的连接（图1.17）。

多路复用
多路复用连通性可在主干线路中使用更少的电缆来提供信号完整性。现场的多个设备/传感器应连接到单个多路复用器，该多路复用器再通过单根电缆连接到主机系统。多路复用器在预定义时间内依次连接每个设备，并将信号传输至主机系统。主机系统可以对信号进行解复用，并将数据提供给上层。这种连接方式还提供了一定程度的完整性，降低成本和安装成本。然而，必须考虑额外的多路复用设备成本。同样，主机系统需要具备解复用信号以提取数据的功能，因此需要特殊的 I/O模块。数据传输速度受限于多路复用速度，因此适用于过程变量变化较慢的场合。例如，罐体和大型容器中的温度变化较慢，可能不需要点对点连接，因此适合采用多路复用连接（图1.18）。

多点总线拓扑
多点连接类型的连通性是另一种连接方式，其中设备通过单根电缆与各个设备及主机系统相连。每个设备都有自己的地址，因此每个设备都需分配一定的传输时间。主机系统负责仲裁，从而保持信号完整性。这种连通性可节省布线和安装成本。然而，由于电缆侧存在单点故障，需要维护安装的可靠性。大多数串行通信设备在实践中采用多点连接。支持HART通信的模拟通信设备具备多点连接能力，但行业接受度有限。

数字总线
最先进的现场通信协议，如基金会现场总线（FF）、Profibus 和 DeviceNet，为通信提供了数字总线（图1.19）。在数字总线中，设备应以分支形式从主干线路连接到公共总线，且主干线路可延伸至固定长度。信号和电力通过同一总线传输给设备。主机系统或任意一个设备充当仲裁器，负责各设备的总线带宽分配。在参与数字总线的设备中，设备本身充当控制器，并内置多种高级功能。主机系统收集处理后的数据，用于显示和实现目的。数字总线的主要优势是信号在保持完整性的同时，安装成本和电缆成本也降低了。由于各方面优势明显，数字总线正获得用户的广泛接受，因此在过去十年中取得了显著改进，并有望在未来十年继续保持增长。

网络
基于网络的连通性类似于以太网中的连接方式，其中设备连接到靠近现场仪表或控制器的交换设备。该交换设备再连接到其他交换设备或高层交换机。由于其简单性和易于维护，基于网络的连通性正被用户群体广泛接受。有多种技术选项可用于增加设备之间的距离或长度，并提高带宽。针对工厂环境的安装提供了专用交换机。随着交换技术的进步，数据包通信的速度已从10 兆比特每秒提升至 1 千兆比特每秒，因此延迟也显著降低。冗余以多种形式存在，从而提高了网络的可靠性。技术成熟度推动了网络安全概念的发展，从网络安全角度保护控制系统。关于该主题设有单独的章节供深入学习（图1.20）。

无线
过程控制系统和自动化领域的最新变化是采用无线通信（图1.21）。行业正从专有通信转向开放的、基于标准的通信协议。无线设备的基础设施将基于标准，多种类型的设备均可接入网络。行业正朝着在过程控制仪表以及摄像头、访问控制设备和笔记本电脑等设备中使用无线基础设施的方向发展。诸如HART之类的行业标准通信协议已提供无线格式，例如 ISA100.11a 和无线HART，使得系统用户在新网络环境中采用这些技术所需的时间更少。目前，由于通信速度和电池寿命有限，无线设备在闭环控制中的应用尚不广泛。未来几年的技术进步可能会使其完全适用于完整的闭环控制。另有专门章节详细介绍无线通信的相关信息。

1.10 自动化系统控制器

控制器被视为自动化系统的核心，在许多情况下，整个系统的成本由这些控制器决定。与其他子系统一样，控制器随着时间的推移不断演变，并在各个时期采用了不同的技术。早期的控制器采用带有齿轮机构的机械控制。随后几代则采用了气动、液压以及电子和基于微处理器的系统。每个控制器的产能随时间不断提高，从而降低了每个闭环的自动化成本，使系统更具经济性。每个控制器中回路密度的增加不仅降低了成本和占地面积，还提高了运行的便捷性和控制速度。

机械控制器
使用机械齿轮传动、弹簧和波纹管设计的控制系统可被视为机械控制器。机械控制器是现代世界中最早出现的一类控制器，其典型代表是蒸汽机调速器。这一概念可见于许多应用中，其中齿轮的运动和弹簧的操作能够实现对过程变量所需的调节作用。然而，由于机械运动和复杂的设计，加之现代电子学技术相对更简便且先进，因此在大多数场合，机械控制器已被现代电子技术所取代。

气动控制器
气动控制器是一种机械装置，用于测量温度或压力，并向最终控制元件输出校正气信号。控制器是一种比较装置，它接收来自被测过程变量的输入信号，将该值与预设控制点值（设定值）进行比较，并确定最终控制元件所需输出信号的适当量，以在闭环控制系统内提供校正作用。控制器采用喷嘴挡板系统和高精度机构构成。由于其本质无需电气连接，全球已有大量安装使用这些技术。

液压控制器
液压控制器是一种利用液体控制介质提供输出信号的装置，该输出信号是输入误差信号的函数。误差信号是测量变量信号与参考值或设定点信号之间的差值。自包含闭环液压控制器仍在某些类型的过程控制问题中使用，但随着具有电气输出的计算机在过程控制应用中的广泛使用，电液伺服阀或比例阀的应用也随之增加。这种组合将液压控制的优点与计算机的灵活性结合起来。此外，抗燃流体的不断改进也促进了液压技术的日益广泛应用。由于伺服阀或比例阀无法直接接收低电平数字输入，因此需要数模转换（D/A）转换器和放大器。因此，在工业环境中，能够直接感知被控变量的液压控制器因其易于维护而更受青睐。

电子控制器
正如其他仪表与控制领域一样，独立控制器从数字电子电路、微处理器、现代显示器以及极具创意的软件中获得了众多技术进步。当今的独立控制器与大约十年前可用的设备相比，存在显著（甚至根本性）差异。设备配备蓝色真空荧光点阵显示器（每行10个字符，共4行），并基于“冷启动”时一次性计算最优PID值实现自整定。计算出的PID参数被存储，可根据需要进行显示或修改。直接作用输出和反作用输出均可实现自整定。每个控制输出可存储四组PID参数设置。PID参数组选择可作为程序曲线的一部分进行编程，也可由过程变量值、内部触发、按键操作或逻辑输入信号启动。控制器采用动态内存而非固定的存储器分配方式，用户可在配置过程中根据需要自由分配存储器，以实现最佳的存储器利用。

可通过用户编号在任意程序级别选择安全性，以防止未授权访问以及程序或数据更改。自诊断功能在启动时及正常运行期间通过监控自身操作和电力水平来发挥作用。当检测到超差状态时，控制器将关闭输出，激活报警，并显示相应信息。控制器可通过数学程序执行自定义计算。设备维护事件触发的历史文件，作为诊断工具。两个过程输入和四个输出可分配给两个独立的控制回路，形成双回路控制器。可选功能包括并行打印机输出、逻辑I/O、数字通信和PC接口。

分布式控制系统（DCS）
DCS 是一种将控制器及其他子系统在工厂内进行地理和功能上分布的技术。分布式控制系统（DCS）已发展以满足造纸、公用工程、电力、炼油、石化和化工生产等过程应用的特定需求。通常，当模拟量与数字量的比例高于60:40，或控制功能较为复杂时，会采用 DCS。典型的 DCS 由可处理多个回路的单元控制器、用于处理大量 I/O 的多路复用单元、操作员和工程师接口工作站、历史数据服务器、通信网关以及专用专有控制器中的先进控制功能组成。所有这些组件完全集成，并通常通过通信网络连接。DCS 通常采用分层结构进行控制，大部分智能集中在基于微处理器的控制器中，每个控制器可处理 10 至 1000 个输入/输出。现场总线技术的出现推动了基于现场的集散控制系统（及 PLC）的发展，使得控制功能可以下移到现场，同时利用来自智能仪表和控制阀的额外测量数据与诊断信息。

1.10.1 控制逻辑

离散控制是工业自动化中的主要子系统之一，制造业领域的需求是推动其增长和成熟的主要动力。本书提供了一个专门的章节来详细说明这些产品背后的技术。离散控制和自动化最初通过传感器和继电器布线以实现逻辑功能。然而，所期望的灵活性由制造业推出了由微处理器和微控制器驱动的可编程逻辑控制器（PLC）等概念，并通过采用网络技术和分布式处理技术，逐步发展为紧急关断系统（ESD）（图1.22）。

通过开关，机器控制可以通过物理连接开关和继电器来实现逻辑功能。需要为电路创建硬连线梯形图，电流必须流过每一级梯形图。该系统的主要缺点是，一旦逻辑功能发生改变，就必须对电路进行物理重新接线。这需要维护人员进行耗时的工作，并且通常会导致生产时间的损失，因为机器必须被关闭。

继电器
继电器用作输入设备（如按钮、选择开关和光电传感器）的开关、定时和信号倍增机制。继电器较为直观；然而，作为机械设备，它们不具备现代可编程控制系统所具有的编程和故障排除灵活性。继电器还以占用大量空间、需要大量布线以及需要定期维护而著称。

PLC
1970年推出的首个可编程控制器，是应通用汽车公司要求开发的一种固态系统，该系统具备计算机的灵活性，同时又能由工厂工程师和技术人员进行编程和维护。这些早期的可编程控制器相比其所替代的继电器、计数器、定时器及其他控制元件占用更少的空间，并且在重新编程能力方面提供了更大的灵活性。最初的编程语言基于电工常用的梯形图和电气符号，这对工业界接受可编程控制器起到了关键作用。由于可编程控制器可以使用继电器梯形逻辑进行编程，因此将电气图纸转换为可编程控制器程序相对简单。这一过程包括定义每个控制点的操作规则，将这些规则转换为梯形逻辑，并识别和标记输出（地址分配）。当今的劳动力中既有经验丰富的工程师，他们熟悉梯形逻辑，也有较新的工程师更习惯于以计算机为中心的编程和控制方式。这导致了根据用户背景和应用需求而采用多种编程技术并存的局面。

ESD 紧急关断系统
紧急关断（ESD）系统应尽量减轻与通常无法控制的进水、碳氢化合物泄漏或载有碳氢化合物区域及其他可能危险区域火灾爆发相关的紧急情况后果。传统风险分析得出结论，紧急关断（ESD）系统需要较高的安全完整性等级（SIL），通常为安全完整性等级2或3。该系统基本由现场安装的传感器、阀门和跳闸继电器、用于处理输入信号的系统逻辑、报警以及人机界面单元组成。该系统能够根据针对安装定义的因果图处理输入信号并激活输出。子系统的关断和设备的关断旨在隔离碳氢化合物储量、隔离电气设备、防止事件升级、停止碳氢化合物流量、泄压/放空、应急通风控制以及关闭水密门和防火门。

1.10.2 工厂信息与控制系统的目标

为了支持工厂的总体目标，需要为规划用于满足工厂长期需求的各项技术系统制定更具体的目标。这些目标包括以下内容：
1. 过程控制系统
2. 通信网络
3. 数据库管理系统
4. 过程优化和过程改进系统
5. 决策支持系统

过程控制系统 ：过程控制系统在所有领域和所有过程中实现了计算机自动控制。此外，该技术还扩展了传统控制的范围，以包含以下支持目标：
• 尽量减少所有测量值和操作决策的手动输入与记录，以减少错误并加快数据采集。
• 简化经济与运行研究的实施，以便快速分析异常运行条件。
• 通过易于访问、高效且全面的分析与设计工具，提高工艺与系统工程师的生产率。
• 扩大对历史数据的范围和交互式访问，以实现对过程和运行问题的彻底分析。
• 加快系统扩展与增长的过程。

通信网络 ：通信网络支持全厂范围信息交换，并配备适当的交互式工作站，使所有数据用户都能方便地访问工厂信息。以下是支持性目标：
• 必须提供不同供应商系统之间的连通性和互操作性，以实现适应性和易于扩展。
• 必须确保数据传输和数据库访问的完整性和安全性，以实现可靠的工厂运行。
• 为了及时进行分析和决策，传输中的延迟或延迟必须以最高经济速度最小化。
• 需要提供网间桥接器、路由器和网关以实现连通性；将分布式控制系统作为人机交互的单一接口，集成紧急关断、机器监控系统、分析仪管理系统、可编程逻辑控制器、自动油罐仪表、电动阀门控制系统和贸易计量系统。
• 必要时必须集成语音、数据和视频图像传输，以确保信息的一致性。

数据库管理系统 ：数据库管理系统应具有全局性，必须互联、关联并集成工厂的所有部门和区域数据库，包括企业、业务、研究、营销策略以及工厂运行和生产控制。应包含以下支持性目标：
• 必须采用行业标准的关系型数据库结构和系统，以实现轻松集成。
• 必须通过用户友好的即席查询语言支持便捷访问，以实现对工厂运行问题的及时分析。
• 必须通过高速网络访问来维护时序数据的完整性，而不是通过大规模的数据收集和复制。
• 在为所有需要访问的用户提供访问权限的同时，必须保持数据的安全性。
• 随着系统的扩展，支持全厂范围信息采集以制定管理决策，同时允许单用户程序或个人访问多个数据库。
• 在数据集成过程中，出于安全原因，控制数据通过隔离区（DMZ）进行分离。数据在DMZ外部提供，供技术组和技术服务等其他用户使用。

过程优化与改进 ：过程优化必须支持在工艺操作的模拟、优化和调度方面扩大工作力度，包括以下支持性目标：
• 支持从各个层面执行过程分析和建模工具，以扩展其在工厂范围内的应用。
• 支持对材料进行有效管理，提供及时且全面的实时库存以及供需数据。
• 实现能量和物料平衡信息的动态获取，以支持其利用的优化并降低总成本。
• 支持在整个工厂范围内访问过程建模系统，以实现更深入的分析。
• 扩展整个工厂可用的总处理能力。

决策支持系统 ：必须提供决策支持工具，以帮助人们访问、操作、分析、显示和记录数据。此类工具包括以下内容：
• 一个用于全面多用途问题分析的广泛且灵活的数据库管理系统。
• 一种用户友好的多用户访问数据库查询方法或语言，可实现对全厂数据的快速访问。
• 通用报表生成器，能够组合文本、图形、数据表、计算和格式化，以实现对过程状况和问题的有效展示。
• 结构化数据分析（电子表格），用于对工厂数据进行广泛的外推，以确定工厂运行状况。
• 统计分析软件包，用于确定运行和需求特征（趋势）。
• 利用市场和商业模拟系统支持长期决策。
• 使用多层开关管理大型网络需要一个网络管理系统。

1.11 自动化系统在分层形式下的通用职责

任何此类工业厂房的自动化都会管理工厂的信息系统，以确保在能够提升工厂运行时收集和使用必要的信息——这是广义上真正的信息系统技术。

另一个重要因素也应引起我们的注意。已有反复证据表明，在工业厂房自动化中使用数字计算机系统的主要好处之一在于其作为控制系统执行者的角色。在这种模式下，控制计算机的主要任务之一是持续确保控制系统设备确实在执行其设计所要求的工作，使工厂生产系统的各个单元保持在某种最佳（接近最优）的运行水平。也就是说，要确保连续过程工厂中的控制器等设备未被设置为手动模式，并且最优设定值得到维护。同样，动态控制的任务是确保工厂的生产计划得以实施，即执行由生产调度功能设定的任务。

这些控制系统执行的任务通常是一个熟练且专注的操作员自己也能轻松完成的。区别在于，从长远来看，控制系统能够达到对当前任务的关注程度。

如前所述，所有这些因素都必须纳入控制系统的规划和运行设计中，以实现工厂的最大生产力以及原材料和能源消耗的最小化。随着整体要求（包括能源和生产率方面）变得越来越复杂，需要更加先进且功能强大的控制系统。

1.12 集成信息与自动化系统的功能要求：通用清单

1. 一个用于在广泛的工艺操作和工艺动态行为范围内，对大量不同的工厂变量进行自动监控的综合系统。此类监控将检测并补偿当前或即将发生的工厂紧急情况或生产问题。
2. 为将上述部分工厂变量值转换为控制校正指令，建立大量相当复杂的通常为非线性关系的模型。
3. 将这些控制校正指令传输到另一组类型各异且广泛分布的执行机构。
4. 通过引导工厂的制造操作趋向适当经济或操作标准的可能最优状态，从而改进制造操作的各个方面。结果可应用于上述第2项的控制校正指令和/或下述第8项的工厂调度功能。
5. 根据需要和可能，重新配置工厂生产系统和/或控制系统，以确保适用于当前制造情况的生产和/或控制系统。
6. 使工厂人员（包括操作和管理人员）了解规划的当前状态以及每个过程及其生产的详细信息，包括必要时的替代操作建议。
7. 将工厂运行和生产数据及产品质量数据归集形成历史数据库，供工厂工程、其他员工职能和市场营销部门参考。
8. 根据持续接收到的新订单流所反映的客户需求，调整工厂的生产计划和产品组合，以实现高工厂生产率和尽可能低的生产成本。该功能还必须适当考虑工厂的预防性维护或纠正性维护需求。
9. 确定并合理安排原材料、能源、备件、在制品和产品的适当库存水平和使用量，以维持工厂期望的生产和经济性。
10. 通过适当的故障检测与故障容错、冗余和故障安全技术相结合，确保控制系统能够可靠地完成其指定任务的整体可用性。
11. 维护与工厂生产系统交互的外部实体之间的接口，如企业管理、市场营销、会计部门、企业工程、外部运输、供应商和供应商、采购、客户以及承包商。

一个完整的工厂自动化系统必须提供以下内容：
1. 对工厂中每个操作单元进行有效的动态控制，以确保其根据下文列出的调度和监督功能所设定的生产水平，在生产能力、产品质量以及能源和材料利用率方面达到最大效率。这构成了系统的控制执行组件。该控制会直接响应并补偿在本单元内可能发生的任何紧急情况。
2. 一个监督与协调系统，用于确定并设定所有单元在各库存位置之间协同工作的局部生产水平，以持续改进（即优化）其运行。该系统确保任何单元均不超过整体区域的生产水平，从而避免过量原材料或能源的消耗。此外，该系统会与其所控制单元的动态控制系统协作，针对任一单元发生的紧急情况作出响应，必要时对受影响及关联单元进行关断或系统性降低输出。同时，该系统负责高效地汇总来自上述动态控制单元的工厂运行数据，确保这些数据可供需要访问的任何工厂实体使用，并可用于工厂历史数据库。
3. 一种总体生产控制系统，能够根据客户订单或管理决策执行工厂的调度功能，以最佳（接近最优）的客户服务水平以及时间、能源、库存、人力和原材料使用组合来生产这些订单所需的产品，且该组合应适当地表示为成本函数。
4. 一种通过故障检测、故障容错、冗余、不间断电源、维护计划以及集成到系统规格和运行中的其他适用技术，来确保整个控制系统整体可靠性和可用性的方法。

由于前三项要求的权限范围依次不断扩大，它们实际上成为叠加控制结构中彼此 distinct 且独立的层级，一层位于另一层之上。同时，考虑到上述四项控制“任务”之间必须来回传递的信息量，以层次化方式组织的分布式计算能力似乎是所需控制系统的逻辑结构。无论涉及哪个行业，任何工厂都必然如此。

如前所述，分布式基于计算机的控制系统中各元素的层次化结构似乎是实现上述工业厂房自动化的一个理想结构。图1.23、图1.24展示了一种用于全厂自动化的分布式层次化计算机控制系统的可能形式。

控制层功能要求（1级） ：一级定义了涉及感知和操作物理过程的活动。一级元素是连接到自动化系统中控制功能的传感器和执行器。
I. 控制执行
• 维护其管辖范围内装置单元的直接控制。
• 检测并响应这些装置单元中可能出现的任何紧急情况。
II. 系统协调与报告
• 收集单元生产、原材料和能源消耗的信息，并传输至更高层级。
• 为操作员人机界面提供服务。

监控层功能要求（2级） ：第2层定义了对物理过程的监控以及在自动化系统中的设备控制和设备监控活动。第2层的自动化与控制系统具有实时在亚秒级内测得响应，通常在可编程逻辑控制器、分布式控制系统和开放式控制系统（OCSs）上实施。
I. 控制执行
• 在其工厂认知范围内的区域中，对可能存在的紧急情况进行响应。
• 在既定的生产计划范围内，优化其控制下的单元运行。
• 执行与这些过程相关的所有既定工艺操作方案或操作规程。
II. 系统协调与运行数据报告
• 收集并维护生产、库存、原材料和备件的数据队列及其控制下单元的能源消耗。
• 保持与上下级液位的通信。
• 为相关单元的人机界面提供服务。
III. 可靠性保障
• 对自身和低层级设备执行诊断。
• 更新所有备用系统。

区域级别（级别3）的功能需求 ：级别3定义了协调生产资源以生产所需最终产品的活动。它包括通过配方执行实现的工作流程“控制”和程序“控制”。级别3通常在天、班次、小时、分钟和秒的时间范围内运行。级别3功能还包括维护功能、质量保证、实验室功能以及库存移动功能，这些功能统称为制造运营管理。与生产直接相关的级别3功能通常使用制造执行系统(MES)实现自动化。
I. 生产工程
• 制定本区域的即时生产计划，包括维护、运输及其他与生产相关的需求。
• 在执行生产控制计算机系统（级别4A）制定的生产计划的同时，对本生产区域的成本进行本地优化（例如，最小化能源消耗或最大化生产）。
• 根据4A级调整生产计划，以弥补在其责任范围内可能发生的工厂生产中断。
II. 系统协调与运行数据报告
• 生成包含可变制造成本的区域生产报告。
• 使用和维护区域操作文件。
• 收集并维护生产、库存、人力、原材料、备件和能源消耗的区域数据队列。
• 保持与层级中的上下级之间的通信。
• 根据工程功能要求进行操作数据收集和离线分析，包括统计质量分析和控制功能。
• 为该区域提供人机接口服务。
• 执行必要的人事职能，例如：
a. 工作时段统计（时间和任务）
b. 休假计划
c. 劳动力计划
d. 联合进展线
e. 内部培训和人员资格
III. 可靠性保障
• 自身及下级功能的诊断。

公司内部通信控制系统（4B级）所需执行的任务 ：级别4定义了管理制造组织的与业务相关的活动。与制造相关的活动包括制定基本工厂计划（如材料使用、交付和发运）、确定库存水平、物流“控制”以及材料库存“控制”（确保材料按时送达生产所需的正确地点）。级别4被称为业务规划与物流。级别4通常以月、周和日为时间框架进行运作。企业资源规划（ERP）物流系统用于自动化级别4的功能。
I. 系统协调与报告
• 维护与以下部门的接口：
a. 工厂和企业管理
b. 销售和发运人员
c. 会计、人事和采购部门
d. 生产调度层级（4A级）
• 根据需要向以下部门提供生产和状态信息：
a. 工厂和企业管理
b. 销售和发运人员
c. 会计、人事和采购部门
该信息将以以下形式提供：
1. 定期生产和状态报告
2. 在线查询
• 根据需要向销售人员提供订单状态信息。
II. 可靠性保障
• 对其自身执行自检和诊断检查。

生产调度与运行管理级（4A级）的功能需求
I. 生产调度
• 制定基本生产计划。
• 根据接收到的订单流、能源限制、电力需求水平和维护要求，调整所有单元的生产计划。
• 制定最优的预防性维护和生产单元改造计划，并与所需的生产计划相协调。
• 部门确定各存储点的原材料、能源、备件和在制品的最佳库存水平。所采用的标准将是客户服务（即短交货期）与库存本身的资本成本之间的权衡，以及运营成本与库存持有成本之间的权衡。该功能还将包括必要的物料需求计划（MRP）和备件采购，以满足已规划的生产计划。（此为离线功能。）
• 当下游单元发生重大生产中断（此类中断将影响先前或后续单元）时，应根据需要修改生产计划。
II. 工厂协调与运行数据报告
• 收集并维护原材料和备件的使用情况及库存可用性，并为原材料