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過程控制系統(tǒng)論文:中厚板二級過程控制系統(tǒng)技術升級

[摘 要]邯鋼中板廠中板線軋機二級過程控制系統(tǒng)是技術升級后生產(chǎn)線的重要組成部分。此過程控制系統(tǒng)中主要包括數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)管理、過程跟蹤和模型計算等主要功能。完成后，結合實際生產(chǎn)過程，對該二級系統(tǒng)厚度控制模型、溫度模型及軋制力模型等均進行了參數(shù)優(yōu)化調整，進一步提高了系統(tǒng)模型預測數(shù)據(jù)準確性，保證軋機軋制模式穩(wěn)定運行。

[關鍵詞]過程控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)通訊；數(shù)據(jù)管理；過程跟蹤；模型計算

1 前言

中厚板材市場競爭日益激烈，對中厚板材生產(chǎn)控制自動化水平的要求也越來越高。因此邯鋼中板廠中板線進行了技術升級，二級過程控制是此的重要組成部分，主要包括數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)管理、過程跟蹤和模型計算功能。其中二級模型計算功能在中厚板生產(chǎn)中可以提高尺寸控制精度、成材率、軋制節(jié)奏及減輕操作強度，保證設備安全進行，有利于故障分析和質量分析。通過此次技術升級，產(chǎn)品厚度穩(wěn)定性大幅提高，成材率同比提高0.55%，成效明顯。

2 工藝布置

邯鋼中板廠中板線軋機區(qū)主要設備及檢測儀表布置如圖1，主要包括兩座加熱爐、一個四輥軋機、軋機前后推床、高壓水箱、7個高溫計、1個測厚儀。二級過程控制系統(tǒng)的控制范圍是從高壓水箱輸送輥道到矯直機前輸送輥道。

3 過程控制系統(tǒng)

過程控制系統(tǒng)各功能模塊的組成如圖2所示，包括數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)管理、過程跟蹤和模型計算四個功能模塊。

3.1 數(shù)據(jù)通訊

數(shù)據(jù)通訊模塊每一個周期從基礎自動化系統(tǒng)接收一批數(shù)據(jù)，譬如高溫計等檢測儀表的實測數(shù)據(jù)和各種實際的控制信號。然后二級過程控制系統(tǒng)保存、處理這些數(shù)據(jù)，對模型計算需要各種實測數(shù)據(jù)提供依據(jù)。并且與人機界面（HMI）系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊，讀取WINCC的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)人機界面的各種按鈕功能，并在數(shù)據(jù)變化時隨時更新，以至于最新的數(shù)據(jù)信息可以及時地在人機界面上顯示出來。

3.2 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理主要包括將數(shù)據(jù)寫進數(shù)據(jù)庫操作和從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)的操作。寫數(shù)據(jù)操作是將爐內坯料的數(shù)據(jù)情況存入數(shù)據(jù)庫中，從坯料的入爐時刻到出爐時刻，直到坯料軋制結束，將整個軋制過程的工藝參數(shù)和模型自學習系數(shù)均寫入數(shù)據(jù)庫中。讀取數(shù)據(jù)庫操作是指對出爐的坯料進行確認，將所查詢得到的數(shù)據(jù)賦值到過程跟蹤模塊中，將軋件數(shù)據(jù)在內存中存儲用于后面的模型計算。

3.3 過程跟蹤

軋機二級系統(tǒng)根據(jù)三級發(fā)送的報文信息進行物料跟蹤和數(shù)據(jù)指標的計算等，然后向一級發(fā)送軋鋼控制指令。從加熱爐裝爐開始一直到軋機，對軋線上的每一塊鋼坯位置、狀態(tài)等信息都進行準確詳細的跟蹤，保證數(shù)據(jù)完整無誤，以提高二級數(shù)據(jù)計算的準確性。并且過程跟蹤模塊根據(jù)軋件實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)判斷坯料最佳出爐時刻，在避免前后軋件碰撞的前提下，縮短軋機的間歇時間，提高軋制節(jié)奏。

3.4 模型計算

中板線技術升級后主要體現(xiàn)在產(chǎn)品厚度穩(wěn)定性大幅提高，成材率同比提高0.55%。而與厚度精度密切相關的模型有兩個：軋機彈跳模型和軋制力計算模型。

7 結論

1）邯鋼中板廠二級過程控制系統(tǒng)自技術后一直運行穩(wěn)定，能夠很好完成現(xiàn)場的實際需要，軋制節(jié)奏也相應提高；

2）本系統(tǒng)能夠提高設備的自動控制水平及控制精度，減輕了操作強度，保證了設備安全穩(wěn)定運行；

3）通過數(shù)學模型計算產(chǎn)品厚度穩(wěn)定性大幅提高，成材率同比提高0.55%，后厚度控制得到明顯改善。

過程控制系統(tǒng)論文:過程控制系統(tǒng)PCS7在中間二氧化鈦生產(chǎn)中的應用

【摘 要】本文介紹了過程控制系統(tǒng)PCS7在中間二氧化鈦（TiO2）生產(chǎn)過程控制中的應用，討論了該控制系統(tǒng)中的硬件配置，控制網(wǎng)絡和軟件編程等內容。通過這幾年的使用，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了模擬儀表無法完成的復雜算法及管理功能，而且其性價比遠高于模擬系統(tǒng)，特別適合化工工藝過程控制。

【關鍵詞】中間二氧化鈦（TiO2）；PCS7 冗余控制Profibus

引言

近幾年我國的鈦白粉行業(yè)發(fā)展迅猛，國內對高檔鈦白粉的需求不斷的提高。相應的對鈦白粉生產(chǎn)的控制要求也越來越高。中間二氧化鈦是氯化法鈦白粉生產(chǎn)的過程中間產(chǎn)品，是生產(chǎn)不同用途鈦白粉產(chǎn)品的基礎原料。

因此本文采用西門子過程控制系統(tǒng)PCS7，使得中間二氧化鈦（TiO2）生產(chǎn)過程控制平穩(wěn)，提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量。

1 工藝簡介

四氯化鈦預熱后，通過三氯化鋁發(fā)生器進入氧化爐。同時，氧氣經(jīng)過預熱后進入到氧化爐。在氧化爐里氧氣與四氯化鈦反應，生成中間二氧化鈦（TiO2）和尾氣。中間二氧化鈦（TiO2）經(jīng)過產(chǎn)品冷卻器冷卻進入袋濾器進行氣固分離后，進入打漿脫氯罐，尾氣返回氯化工序循環(huán)利用。打漿脫氯后的中間二氧化鈦（TiO2）漿料進入后處理工序。

2 硬件配置

鑒于氧化系統(tǒng)的重要性，充分考慮系統(tǒng)安全可靠性，采用以S7-400H為主控制器構成的PCS7冗余控制方案，中央處理器采用CPU414-4H，I/O處理單元采用ET200M。為了保證系統(tǒng)可靠性，電源和通信采用冗余配置方案，Profibus-DP總線采用PROFIBUS電纜，保證了系統(tǒng)安全等級需求。采用雙控制器，雙電源模塊。雙通信模塊，對于系統(tǒng)中的重要監(jiān)視點，采用了冗余AMT硬件。系統(tǒng)有無擾動切換功能。容錯型和安全型可滿足供電中斷和故障保護等特殊要求。

3 上位機系統(tǒng)

本系統(tǒng)的上位機系統(tǒng)使用WinCC控制，上位機系統(tǒng)和控制系統(tǒng)通過100Mbps的工業(yè)以太網(wǎng)絡連接。上位機由操作站和工程站等主要設備組成。

工控機采有西門子工業(yè)計算機，型號為西門子RACK PC IL 43，配置主流硬件，在穩(wěn)定性，安全性上有很好的保障。

4 模件配置

每個ET200M分布式I/O站的有源背板總線上插有2個IM153-2通信接口模塊，分別通過2條獨立的Profibus-DP現(xiàn)場總線與AS-400中央控制器進行實時通信。在系統(tǒng)運行過程中，當其中某一個IM153-2通信接口模塊發(fā)生故障時，系統(tǒng)能自動地切換至另一個IM153-2通信接口模塊，并可帶電熱插拔更換有故障的通信接口模塊，不會影響到系統(tǒng)正常運行。

Profibus提供強大的系統(tǒng)級故障診斷能力，從總線系統(tǒng)的任意一點可通過Profibus-DP進行診斷、編程和控制，可以實時精確定位故障發(fā)生點和在線監(jiān)控通訊負荷，并可通過人機界面實時顯示。

現(xiàn)場的儀表所采集的信號中模擬量輸入信號大多為4～20mADC的二線制和四線制信號，輸出為4～20mADC信號，部分模擬量信號通過安全柵引入。數(shù)字量為干觸點或有源信號。數(shù)字量的輸出信號由帶狀態(tài)指示燈和外帶保護二極管的繼電器送至現(xiàn)場儀表。

5 控制系統(tǒng)

S7-400H按照“熱備份”模式（無沖擊、出現(xiàn)故障自動切換）的活動冗余原理運行。只要沒有故障，兩個子單元都是活動的。如果發(fā)生故障，起作用的控制器全面接管過程控制。為了確保無沖擊切換和快速可靠地交換資料，需要使用中央控制器連接。

冗余自動化控制站（AS414-4H）用于實現(xiàn)現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集及處理、自動閉環(huán)回路控制、電氣設備開關控制等系統(tǒng)控制功能。

SIMATIC PCS7系統(tǒng)具有高度擴展能力、強大的綜合通信能力、擴展的集成系統(tǒng)功能和易于執(zhí)行的中央和分散結構。AS414-4H更采用了最新的冗余技術，兩個CPU之間通過高速光纖同步專線相連，它可像標準PCS7系統(tǒng)那樣進行處理、編程和設計。

6 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)將由24VDC的直流電源構成冗余的24VDC供電系統(tǒng)，直流電源都將具有足夠的容量和適當?shù)碾妷海軡M足設備負載的要求。任一路電源故障，將會自動切換，以保證任何一路電源的故障均不會導致系統(tǒng)的任一部分失電。

直流電源系統(tǒng)由西門子SITOP電源構成冗余的供電系統(tǒng)。

7 網(wǎng)絡配置

在本系統(tǒng)中采用交換式工業(yè)以太網(wǎng)作為連接操作員站和自動化系統(tǒng)站的系統(tǒng)總線。通過CP-443-1通信處理模塊，將S7-400H連接至工業(yè)以太網(wǎng)的通訊處理器。由于自身具有處理器，從而解除了CPU的通訊任務并減輕CPU的通信負載，還有助于另加連接

快速交換式工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)以太網(wǎng)的通信協(xié)議基礎上，將通信速率提高到了100Mbps。由于采用了全雙工并行通信模式，允許站點同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通信速率可提高一倍。

8 軟件設計

系統(tǒng)的組態(tài)軟件為SIMATIC Manager，所有的組態(tài)工作均在工程師站上完成。系統(tǒng)采用集中的、從上到下的組態(tài)方式，其中包含上位機的操作員站和工程師站配置、下位機的CPU設置、對應的I/O通道建立以及與他們想連接的網(wǎng)絡配置，具有集中的、友好的人機界面。過程控制與監(jiān)視采用圖形化組態(tài)，方便易用。人機接口部分的組態(tài)軟件是WinCC。

9 WinCC組態(tài)

SIMENS PCS7系統(tǒng)采用了 Microsoft的SQL2000作為WinCC數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

9.1 CFC控制

CFC是一種簡潔的圖形組態(tài)工具，主要用于連續(xù)過程的自動化控制的組態(tài)，采用IEC-1131的標準。用CFC運行組態(tài)是以功能塊為基礎的，系統(tǒng)配置了很多預編程的功能塊。因此，采用CFC可以完成很復雜的大型控制任務。

9.2 順序控制

SFC也是一種圖形組態(tài)工具，它也采用了IEC-1131的標準。組態(tài)時首先畫出順序圖，圖中可選擇順序、并行分支、交替分支和回路等局部結構，用大小兩種方塊分別表示步驟（Step）和轉移條件（Transition）。因此，可把CFC中的信號引入SFC中。CFC與SFC的交替使用，可以很方便地實現(xiàn)復雜的順控任務。

10 應用中應注意的問題

10.1 系統(tǒng)接地

每個PLC柜的屏蔽條和系統(tǒng)地通過電源電線匯總到一起后接地。PCS7系統(tǒng)的每一個主要部件，如輸入輸出卡件、卡件安裝機架、現(xiàn)場接線端子板等均設有接地端子。接地電阻要求小于4歐姆。

10.2 ET200M分布式I/O站

現(xiàn)場控制站的ET200M分布式I/O站通過Profibus-DP現(xiàn)場總線與AS-400中央控制器實現(xiàn)通信，主要功能是采集現(xiàn)場I/O信號，通過ET200M的I/O信號接口將現(xiàn)場數(shù)字量或模擬量信號傳送至中央控制器（CPU414-4H），同時將中央控制器發(fā)送來的控制信號送至現(xiàn)場。

11 結束語

由于采用了自動化程度高且安全可靠的PCS7控制系統(tǒng)，使得中間二氧化鈦（TiO2）的生產(chǎn)周期和產(chǎn)品質量都得到了較大程度的提高，包括本控制系統(tǒng)在內的氯化法集成技術獲得了省科技進步一等獎，為氯化法鈦白粉的生產(chǎn)的自動控制技術積累成熟的工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗。

過程控制系統(tǒng)論文:八鋼中厚板過程控制系統(tǒng)

【摘 要】針對八鋼4200mm/3500mm中厚板軋機，由寶信開發(fā)的二級計算機控制系統(tǒng)。在這套計算機過程控制系統(tǒng)中包括了數(shù)據(jù)通訊、過程跟蹤、模型計算、相關的實時數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計處理、生產(chǎn)實績收集、處理等主要功能。

【關鍵詞】中厚板軋機；計算機過程控制；數(shù)據(jù)通訊；模型計算；過程跟蹤

0 引言

將計算機應用到軋制過程，并以其為核心，由它按預定的程序來處理和加工與過程有關的信息，對過程進行有效的監(jiān)督、控制和管理，所有這些就叫做計算機軋制過程控制。為了使軋制過程穩(wěn)定，并生產(chǎn)出厚度在公差范圍內且有良好的板形和表面質量的產(chǎn)品，必須根據(jù)具體的軋制條件正確的調整輥縫和速度，以及對過程進行實時的調節(jié)。產(chǎn)品的質量、產(chǎn)量等直接與控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和計算的準確性有著密切的關系，因此采用計算機進行工藝的過程控制一直是人們關心的重要研究課題。

八鋼中厚板生產(chǎn)線采用分布式控制系統(tǒng)，按功能層次可以分一下四個等級，如圖1所示。

1 硬件配置

L2過程機系統(tǒng)由一臺軋線計算機（惠普服務器）、精整線計算機（惠普服務器），每臺計算機都有備用計算機。系統(tǒng)采用冷備方案，備用機兼做開發(fā)機。

2 系統(tǒng)軟件分層說明

最底層：WINDOWS 2003 Server操作系統(tǒng)，構成系統(tǒng)軟件的基礎。

第二層：ORACLE數(shù)據(jù)庫，專門用于過程數(shù)據(jù)的存儲；SOCKET通訊：采用了當今比較流行的雙緊湊的、面向連接協(xié)議的Client/Server方案。

第三層：為寶信中間軟件iPlature以及XCOM-PCS，iPlature主要功能有畫面、報表、通訊、ALARM管理系統(tǒng)等組成，為應用軟件提供強有力的支撐。XCOM-PCS 目前主要完成了采用Tcp/ip通信的電文的處理。

第四層：公用子程序及應用軟件。直接進行iPlature調用。

3 L2在整個系統(tǒng)中的位置

L2系統(tǒng)不但接收生產(chǎn)管理系統(tǒng)MES下發(fā)的計劃（即圖中的原始數(shù)據(jù)PDI）同時也向生產(chǎn)管理系統(tǒng)MES發(fā)送各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)實績。

L2負責與L1通訊，L2調整所有的設定值并發(fā)送給L1，L1將必要的測量值，跟蹤信息等實時信息直接發(fā)送給L2。L2除了和L1通訊外，還包括了L2和標志機等一體品設備的系統(tǒng)的通訊。

所有系統(tǒng)之間都是通過TCP/IP協(xié)議通訊。

4 功能描述

4.1 道次計劃計算

道次計劃計算是整個軋線L2系統(tǒng)的核心任務，該功能是L2存在的根本原因。道次計劃計算通過相應的模型公式計算道次壓下分配規(guī)程，在軋機的作用下實現(xiàn)將板坯變成鋼板的任務，并且保證最終產(chǎn)品達到尺寸、性能、板形等要求。

道次計劃計算包括預計算和再計算、后計算以及自適應。板坯抽出時，根據(jù)板坯原始尺寸、出爐溫度以及成品尺寸和終軋溫度就可以計算一個完整的道次計劃規(guī)程，軋機根據(jù)此規(guī)程基本可以將板坯軋制成為符合要求的鋼板。為了得到高質量的產(chǎn)品，道次計劃會根據(jù)軋制過程的實績反饋，修正計算后續(xù)道次，并再設定給軋機執(zhí)行，此為再計算。

4.2 溫度計算與監(jiān)控

板坯的溫度計算對于軋制過程的力能參數(shù)計算極為重要，溫度是計算軋制力、待溫時間、冷卻時間等的基礎。

在道次計劃計算時，根據(jù)給定的初始溫度，以及相關參數(shù)，溫度計算可以預測板坯進入軋機前以及各個道次的溫度。

待溫軋制是中厚板軋制的特點，因此溫度監(jiān)控的目的就是為了周期性計算處于軋線上待溫階段的板坯的溫度，通過周期計算板坯的溫度，可以提示操作人員板坯的待溫情況。并可以激勵板坯道次再計算，對后續(xù)道次規(guī)程進行修正。

4.3 軋線材料跟蹤

材料跟蹤是跟蹤材料，根據(jù)材料的位置來協(xié)調調度過程控制的所有程序，材料軋線材料范圍是從加熱爐爐內開始到矯直機入口，在這段過程中材料跟蹤對材料處理進行跟蹤。材料跟蹤在這個區(qū)域中的任務可以劃分以下幾個部分：

按照輥道分區(qū)，記錄生產(chǎn)線的材料映象，任何時候都能得到所有材料的物理位置。

當材料到達或離開軋機某個位置時，材料跟蹤必須準備好相關的材料數(shù)據(jù)（包含PDI數(shù)據(jù)，加熱爐數(shù)據(jù)和其他相關數(shù)據(jù)），同時激勵其他相關軟件。當?shù)蹁N材料時刪去相關材料數(shù)據(jù)。

當跟蹤映像和實物映像不一致，或跟蹤異常時，操作工可以進行跟蹤修正，確保跟蹤映像與實物位置的一致性。

4.4 軋制計劃管理

軋制計劃管理接收部分加熱爐系統(tǒng)已經(jīng)存在的PDI數(shù)據(jù)，接收的數(shù)據(jù)按板號存儲于數(shù)據(jù)庫中，有畫面對完整的軋制計劃數(shù)據(jù)進行生成和調整等管理。人工可以通過該畫面進行計劃的輸入，刪除，修改等功能。

每個原始數(shù)據(jù)都包含板坯，軋制的板，母板和合同板的數(shù)據(jù)，此外還有板號，板坯號，板坯尺寸，產(chǎn)品尺寸數(shù)據(jù)，軋制指示（控溫軋制，多塊軋制，轉鋼），化學成份，合金補償系數(shù)，最終溫度，ACC入口溫度，ACC冷卻速率，出口溫度等。

當該材料生產(chǎn)結束，計劃數(shù)據(jù)將要記錄保存。

4.5 設定功能

基于精確的材料跟蹤，當材料到達指定的位置時，過程計算機給L1和特殊儀表進行設定，對軋機的設定工藝參數(shù)來源于道次計劃計算，在設定時要對設定的參數(shù)進行最后的校驗，防止出現(xiàn)引起設備超過極限能力的情況出現(xiàn)。

在跟蹤不正確的情況下，操作人員可以從操作畫面上對跟蹤進行修正，在修正后把正確的設定數(shù)據(jù)發(fā)送給L1。操作人員可以對設定的數(shù)據(jù)進行修正。

4.6 實績值收集處理

過程機接收來自PLC和特殊儀表的數(shù)據(jù)，由于來自于傳感器的裸數(shù)據(jù)不能直接用于反饋控制，測量值必須要進行過濾和統(tǒng)計處理。測量值處理數(shù)據(jù)同時能夠為工藝和自動化技術人員提供軋制生產(chǎn)信息以及用于產(chǎn)品質量分析。

L2的數(shù)據(jù)采集軋機的實際數(shù)據(jù)有水平輥的軋制壓力，力矩，輥縫，速度，溫度和計算的厚度，軋制信號等。

4.7 數(shù)據(jù)通信

利用寶信軟件產(chǎn)品XCOM-PCS，實現(xiàn)與其他計算機系統(tǒng)的通信，具體電文格式參見基本設計規(guī)格書通信接口篇。軋線計算機加熱爐計算機，精整線計算機，軋線L1，ACC計算機和儀表通信。其中軋線計算機與精整計算機之間運用了iPlature的相關功能，主機之間無需采用電文方式通信。

4.8 報表

報表程序負責工程記錄的報表打印。這些報表反映了材料在生產(chǎn)過程中的相關數(shù)據(jù)，有如下的報表：

工程報表：包括的數(shù)據(jù)是軋制設定計算所涉及的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括了材料相關的數(shù)據(jù)、來自軋制策略的數(shù)據(jù)、道次計劃計算值、材料和軋機操作相關的重要數(shù)據(jù)。

班報：記錄當班生產(chǎn)的產(chǎn)量，質量和停機情況。關于報表，具體格式可與用戶商量討論后確定。

5 結束語

中厚板計算機過程控制系統(tǒng)作為實現(xiàn)八鋼信息化目標中的重要環(huán)節(jié)，其采用先進的工藝模型和控制技術，使厚板質量得到極大進步、生產(chǎn)治理更方便，增強了八鋼產(chǎn)品的競爭力，其重要性也會在以后的生產(chǎn)當中越發(fā)的凸顯。

過程控制系統(tǒng)論文:過程控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘要：過程控制系統(tǒng)是指在生產(chǎn)企業(yè)的制造自動控制系統(tǒng)中管理生產(chǎn)制造過程數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)通常需要將生產(chǎn)制造過程中各個設備的設定值進行計算，對生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品質量數(shù)據(jù)、設備運行數(shù)據(jù)進行收集與整體，并完成生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)、生產(chǎn)原料數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)成品數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，對物料在生產(chǎn)過程中進行全過程監(jiān)視，并對不同的設備之間的運行狀態(tài)進行統(tǒng)一的調節(jié)。

關鍵詞：過程控制系統(tǒng)；設備數(shù)據(jù)管理；日志系統(tǒng)

1.過程控制概述

過程控制的主要任務是指通過各種的協(xié)調方法與協(xié)調措施，對生產(chǎn)制造過程中的各個設備的數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品制造數(shù)據(jù)等進行統(tǒng)計與分析，從而防止生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的生產(chǎn)計劃脫離與目標偏差，并對已經(jīng)出現(xiàn)生產(chǎn)計劃脫離與生產(chǎn)制造目標偏差等問題進行處理，最終保證生產(chǎn)制造活動的順利完成，保證生產(chǎn)進行控制、在制品控制、以及生產(chǎn)制造過程中的成本控制與質量控制。

過程控制系統(tǒng)一般是指由被控對象、測量變送、計算機和執(zhí)行機構組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中控制器的設計用到經(jīng)典的控制理論和現(xiàn)代控制理論，并通過計算機來進行相關操作與實現(xiàn)。計算機控制的建立在自動控制理論和計算機技術為基礎之上的。其中，自動控制理論是計算機控制的理論基礎。而不斷發(fā)展的計算機技術為自動控制理論的發(fā)展與應用提供了豐富的空間。計算機網(wǎng)絡以及各種通信技術的發(fā)展，使得過程控制的范圍與階段極大的得到了擴張。目前，企業(yè)生產(chǎn)管理的全過程的信息化的實現(xiàn)方法逐漸趨于成熟。

過程控制系統(tǒng)所涉及的數(shù)學基礎可以從以下幾個方面進行了解。由于在生產(chǎn)制造過程中的大部分物力參數(shù)通常通過模擬信號來進行表示，而計算機采用的信號通常是數(shù)字信號，為了保證信號傳遞的通暢無阻需要進行數(shù)模轉化，從而實現(xiàn)兩種不同信號的轉換。過程控制系統(tǒng)通常起到的作用體現(xiàn)在連接生產(chǎn)管理系統(tǒng)與基礎自動化系統(tǒng)的連接作用上。除了這些工作，過程控制系統(tǒng)還要對生產(chǎn)過程中不同的數(shù)據(jù)進行有效的管理。所以控制系統(tǒng)中需要進行信號的采樣、信號的保持以及信號的變化。要對生產(chǎn)制造過程中的數(shù)學模型分為輸入與輸出模型和狀態(tài)空間模型兩種類型。輸入輸出模型主要是為了描述過程在輸入函數(shù)的作用下的輸出特性，它只刻畫過程的外部特征。而狀態(tài)空間模型則對過程的內容進行描述，通常揭示了過程內部的運動狀態(tài)。

現(xiàn)代過程控制理論為過程控制系統(tǒng)提供來了理論技術。通過利用現(xiàn)代過程控制理論，不但可以有效地解決簡單控制的問題，而且可以設計復雜的控制系統(tǒng)。特別是多輸入與多輸出系統(tǒng)，非線性響應系統(tǒng)，時變系統(tǒng)以及隨機系統(tǒng)等等。現(xiàn)代控制技術涉及到過程控制的很多方面，比如系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計、最有控制、過程識別以及自適應控制等等。

2. 過程控制系統(tǒng)的主要功能與技術要求

過程控制系統(tǒng)具有以下功能：與生產(chǎn)管理計算機進行通訊的功能；能夠接收并管理生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)的功能；原料數(shù)據(jù)與生產(chǎn)要求數(shù)據(jù)的功能；工作人員交接班數(shù)據(jù)的功能；向生產(chǎn)管理系統(tǒng)發(fā)送生產(chǎn)計劃申請的能力；原料數(shù)據(jù)申請的能力等等。

企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)計劃一般采用如圖1所示的模式。通常企業(yè)根據(jù)客戶的需求制定整個產(chǎn)品的生產(chǎn)需求計劃，并根據(jù)產(chǎn)品各個部件的零部件特征分發(fā)至各個加工車間，制定不同零部件的加工計劃。為了保證生產(chǎn)作業(yè)計劃的順利完成，需要根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)計劃進行生產(chǎn)進度控制；為了實現(xiàn)產(chǎn)品制造過程中消耗資源與費用的降低，需要進行通過過程控制系統(tǒng)成本控制；為了經(jīng)常保持科學的原材料、在制品的數(shù)量，需要進行高效的庫存控制。這一系列工作于過程控制系統(tǒng)密不可分。

3. 現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)的過程控制信息系統(tǒng)組成層次

現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)的信息系統(tǒng)包含了過程控制層、制造試行層以及企業(yè)資源規(guī)劃層。其中由于過程控制直接面向企業(yè)生產(chǎn)過程，因此對過程控制系統(tǒng)要求具有極高的實時性、可靠性、數(shù)據(jù)完整性與可用性。過程控制系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

當前先進的網(wǎng)絡技術為過程控制的實現(xiàn)提供了強有力的實施基礎。現(xiàn)場總線是過程控制系統(tǒng)實現(xiàn)的重要基礎。它與Internet等信息網(wǎng)絡系統(tǒng)具有明顯的區(qū)別。一般而言，現(xiàn)場總線是在標準網(wǎng)絡協(xié)議的基礎上實現(xiàn)的，并進行了一定的簡化。現(xiàn)場總線一般只包括IOS/OSI七層模型中的三層。也就是現(xiàn)場總線只具有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及應用層。過程控制系統(tǒng)利用現(xiàn)場總線，將企業(yè)生產(chǎn)自動化系統(tǒng)中最低層的現(xiàn)場控制器與現(xiàn)場職能儀表設備互聯(lián)形成實時控制的通信網(wǎng)絡，也被稱為工程的底層網(wǎng)絡。

過程控制因素是生產(chǎn)過程建模的參數(shù)，一般而言它是由不同模式下的生產(chǎn)特征與生產(chǎn)過程控制決策所共同決定的。在生產(chǎn)過程中，在制品的控制的最終目標是為了將在制品的庫存數(shù)量保持在一個合理的級別。即能夠維持企業(yè)正常的生產(chǎn)，又可以保證企業(yè)生產(chǎn)物流的連續(xù)性，從而盡量建設企業(yè)庫存量，從而盡可能的降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

企業(yè)在制品的控制主要取決與車間生產(chǎn)類型與生產(chǎn)組織的形式。在大批量生產(chǎn)模式下，在制品的通過加工路線單與工票憑證，來保證在制品數(shù)量的穩(wěn)定。隨著計算機網(wǎng)絡在生產(chǎn)中的應用，不同的過程控制系統(tǒng)應運而生。這些過程控制系統(tǒng)利用先進的計算技術，實現(xiàn)了在制品物流信息的追蹤與監(jiān)督，為生產(chǎn)過程中的控制提供了動態(tài)的數(shù)據(jù)。因此，利用過程控制系統(tǒng)提供的在制品生產(chǎn)信息，可以實現(xiàn)對制造過程中產(chǎn)品控制的最終目的。

過程控制系統(tǒng)能夠將生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的各種質量問題與加工失誤率降至最低。過程控制系統(tǒng)通過建設整個制造過程中產(chǎn)品的質量狀況，通過對原材料與不同零部件的檢驗，使產(chǎn)品在各個生產(chǎn)階段的不合格率盡可能的降低。

過程控制系統(tǒng)論文:八鋼第一煉鋼廠連鑄過程控制系統(tǒng)的概述

摘 要：在鋼鐵行業(yè)微利的時代，如何提高我國鋼鐵企業(yè)的競爭力，很大程度上取決于我國鋼鐵企業(yè)的信息化水平。過程控制系統(tǒng)作為鋼鐵企業(yè)信息系統(tǒng)中重要的一環(huán)，在如何提高鋼鐵企業(yè)的競爭力將會發(fā)揮舉足輕重的作用。介紹八鋼第一煉鋼廠的連鑄過程控制系統(tǒng)，并分析該系統(tǒng)的應用功能。

關鍵詞：連鑄 過程控制系統(tǒng) 系統(tǒng)結構 功能描述

1 前言

八鋼作為一家快速成長的大型企業(yè)，近年來更是發(fā)展迅速，從最初的20T轉爐煉鋼生產(chǎn)線到現(xiàn)代化的150T大型轉爐煉鋼，使八鋼躋身成為一流鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)。150T轉爐從建設初期，就非常重視信息化建設，煉鋼過程控制系統(tǒng)全線覆蓋，而連鑄過程控制系統(tǒng)作為煉鋼系統(tǒng)中后的一道控制工序，在生產(chǎn)過程監(jiān)控，提高鋼坯質量和控制成本等方面起著非常大的作用。

2 連鑄的工藝生產(chǎn)流程介紹

連鑄即為連續(xù)鑄鋼的簡稱。在鋼鐵廠生產(chǎn)各類鋼鐵產(chǎn)品過程中，使用鋼水凝固成型有兩種方法：傳統(tǒng)的模鑄法和連續(xù)鑄鋼法。與傳統(tǒng)方法相比，連鑄技術具有大幅提高金屬收得率和鑄坯質量，節(jié)約能源等顯著優(yōu)勢。連鑄的生產(chǎn)工藝流程：將裝有精煉好鋼水的鋼包運至回轉臺，回轉臺轉動到澆注位置后，將鋼水注入中間包，中間包再由水口將鋼水分配到各個結晶器中去。結晶器是連鑄機的核心設備之一，它使鑄件成形并迅速凝固結晶。拉矯機與結晶振動裝置共同作用，將結晶器內的鑄件拉出，經(jīng)冷卻、電磁攪拌后，切割成一定長度的板坯。

3 硬件軟件組成結構

3.1 硬件系統(tǒng)結構

主要由1臺IBM xSeries 3650微機服務器，3臺HP客戶機，1臺HP LaserJet 1505n打印機，1臺CISCO2960/ 24換機，1臺CISCO208/8換機和若干個網(wǎng)絡連接設備組成。連鑄過程控制服務器在L2機房服務器室，客戶機一臺位于連鑄主控室，供連鑄操作人員監(jiān)控生產(chǎn)過程狀態(tài)，另一臺客戶機位于連鑄切割室，主要根據(jù)采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過切割優(yōu)化模型計算出最佳切割定尺提供給生產(chǎn)操作人員做參考。還有一臺客戶機在L2機房，供維護人員使用。

3.2 軟件系統(tǒng)結構

主要由服務器操作系統(tǒng)Windows Server 2008標準版，數(shù)據(jù)庫軟件Oracle Standard 11G，開發(fā)工具Visual Studio 2010專業(yè)版，與基礎自動化通訊軟件Kepware，客戶機操作系統(tǒng)Windows 7，辦公軟件Office 2010等軟件組成。連鑄二級過程控制系統(tǒng)是基于微軟的.NET 3.5 框架下使用C#編程語言開發(fā)。系統(tǒng)架構圖如圖1。

4 功能描述

連鑄二級控制系統(tǒng)主要是跟蹤收集連鑄的生產(chǎn)實績以及通過模型計算二冷水的動態(tài)配水量進行動態(tài)配水、通過跟蹤數(shù)據(jù)和計算模型指導鑄坯的切割和優(yōu)化，以達到最佳鋼水利用率。主要流程是接收三級系統(tǒng)的生產(chǎn)計劃以及前工序的鋼水信息，跟蹤采集連鑄生產(chǎn)過程中實績數(shù)據(jù)，同時對二冷水動態(tài)配水計算下發(fā)設定、當鑄坯到達切割位置時根據(jù)跟蹤數(shù)據(jù)和模型設定，下發(fā)鑄坯的坯號以及切割長度。當生產(chǎn)完成后將連鑄生產(chǎn)實績上傳給三級系統(tǒng)。基于以上流程，連鑄二級過程控制系統(tǒng)應包括以下功能：

4.1 與上級系統(tǒng)的通訊

連鑄二級計算機過程控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)（Ethernet）總線，通過TCP/IP協(xié)議與上級系統(tǒng)通訊。

上級生產(chǎn)管理系統(tǒng)（3級）計算機向連鑄二級過程控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)如下：

（1）接收煉鋼3級系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)。（2）接收煉鋼3級系統(tǒng)下發(fā)的生產(chǎn)標準數(shù)據(jù)。

連鑄二級過程控制系統(tǒng)向上級計算機發(fā)送數(shù)據(jù)如下：（1）發(fā)送連鑄爐次生產(chǎn)實績數(shù)據(jù)。（2）發(fā)送連鑄爐次生產(chǎn)狀態(tài)。（3）發(fā)送連鑄鑄坯報告。

4.2 與基礎自動化的通訊

連鑄二級過程控制系統(tǒng)和基礎自動化系統(tǒng)通訊，網(wǎng)絡連接介質用工業(yè)以太網(wǎng)，通訊協(xié)議采用面向連接的TCP/IP協(xié)議，通過第三方軟件Kepware讀寫基礎自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)項。

4.3 生產(chǎn)計劃管理

生產(chǎn)計劃是三級系統(tǒng)下發(fā)的與每爐鋼水對應的生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)。當三級系統(tǒng)無法運行時，該計劃可由操作工錄入。系統(tǒng)提供異常情況下對計劃數(shù)據(jù)的修正和狀態(tài)數(shù)據(jù)的補發(fā)功能。

當鋼包到達連鑄澆鑄平臺時，在沒有傳輸鋼包數(shù)據(jù)的時候由操作人員在一級畫面上點擊鋼包到達的信息。當該爐次生產(chǎn)完成（該爐次跟蹤完畢）后，系統(tǒng)自動把該爐次計劃對應的生產(chǎn)實績發(fā)送給上級計算機系統(tǒng)（三級系統(tǒng)）。

4.4 鋼包管理

連鑄各前工序在給連鑄L2發(fā)送工序實績的時候，會發(fā)送該爐次的鋼水包信息，包括：鋼包號、爐次號、重量、溫度等。當連鑄L2的接口程序收到這些包含爐次鋼包信息的實績后，會自動插入本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫表中。當需要查看這些鋼水包信息時，通過界面程序提供查詢。

4.5 前工序狀態(tài)

連鑄作為煉鋼工藝的最后一個工序，需要了解前面各工序的狀態(tài)和鋼水數(shù)據(jù)信息。通過與其他工序的二級計算機系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊，并存貯在連鑄二級數(shù)據(jù)庫，在需要的時候，通過客戶端程序的畫面可以查詢各前工序的爐次狀態(tài)以及爐次實績。

4.6 二冷水動態(tài)配水

二冷控制關系到連鑄坯中裂紋和其它缺陷的產(chǎn)生。為確保生產(chǎn)出優(yōu)質的連鑄坯，必須根據(jù)鋼種、澆注溫度、拉坯速度、鑄坯尺寸和鑄機尺寸等參數(shù)來制定對應的冷卻強度。該系統(tǒng)采用動態(tài)凝固控制模型計算各冷卻段的設定值，其核心是計算沿鑄流方向的表面溫度分布和鑄流凝固長度，并控制二次冷卻系統(tǒng)各回路的水流量，從而達到規(guī)定的凝固長度，使板坯獲得要求的表面溫度。二冷水動態(tài)配水模塊作為一個獨立運行的模塊，嵌入到連鑄L2的系統(tǒng)里。

4.7 生產(chǎn)過程監(jiān)控

生產(chǎn)過程監(jiān)控功能負責為生產(chǎn)操作人員提供連鑄工序處理信息。監(jiān)控對象包括爐次計劃信息（制造命令號、爐序、計劃號等）；鋼包信息（鋼水重量、溫度等）；中間罐信息（鋼水重量、溫度等）；各鑄流生產(chǎn)信息（澆鑄長度、拉速等）；各流結晶器信息（水流量、溫差、液面高度、振動頻率等）；各流二冷水信息（控制方式、設定和實際水量等）。通過讀取跟蹤程序的寫入的實際信息，生產(chǎn)操作人員在HMI畫面上可以直觀的監(jiān)視連鑄澆次內每個爐次的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。

4.8 檢化驗數(shù)據(jù)管理

系統(tǒng)接收檢化驗系統(tǒng)發(fā)送的檢驗數(shù)據(jù)，保存在數(shù)據(jù)庫，可以在客戶端界面方便操作人員查看。

4.9 過程數(shù)據(jù)跟蹤收集統(tǒng)計（爐次跟蹤和主流鑄坯跟蹤）

跟蹤、數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計是管理相關的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶的需求整理成爐次和方坯的生產(chǎn)實績。實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)由基礎自動化系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通信的方式傳給連鑄過程控制系統(tǒng)。該過程收集大包、中間包的重量等信息，以及大包、中包的水口開啟/關閉事件、大包到達、大包臂旋轉等事件；各鑄流的工作狀態(tài)和實時數(shù)據(jù)，包括拉速、澆鑄長度、設定定尺長度等，以及各流的鑄坯切割事件。在跟蹤程序里完成爐次的生產(chǎn)過程跟蹤以及對應鑄流的生產(chǎn)過程跟蹤，并依據(jù)廠方物流規(guī)則和物料條件，給出各切割坯的實績信息（包括鑄坯長度、重量、以及材質等）完成鑄坯跟蹤。

4.10 報表

在每一個大包爐次連鑄生產(chǎn)完成后，自動生成該爐次的生產(chǎn)實績數(shù)據(jù)記錄。該生產(chǎn)實績信息保存在數(shù)據(jù)庫中，操作人員可以在HMI上查看，也可以導出Excel報表。最后生成的生產(chǎn)實績數(shù)據(jù)會發(fā)送給三級系統(tǒng)以及后續(xù)工序。

5 結束語

目前，國家信息部已提出了建設信息化企業(yè)的戰(zhàn)略目標，建立信息化企業(yè)已成為鋼鐵企業(yè)發(fā)展的必然趨勢。連鑄過程控制系統(tǒng)作為實現(xiàn)八鋼信息化目標中的重要環(huán)節(jié)，其采用先進的工藝模型和控制技術，使鑄坯質量得到極大進步、生產(chǎn)治理更方便，增強了八鋼產(chǎn)品的競爭力，其重要性也會在以后的生產(chǎn)當中越發(fā)的凸顯。

過程控制系統(tǒng)論文:包鋼新體系2250mm熱軋過程控制系統(tǒng)的應用與研究

【摘 要】作為計算機技術在冶金行業(yè)的最成功應用案例，包鋼新體系熱軋2250產(chǎn)線完整的采用了日本TMEIC公司的過程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)控制范圍覆蓋整條產(chǎn)線的動作，包括除鱗，定寬，粗軋，精軋，層冷和卷取等工序，實現(xiàn)了高效，精確的板帶軋制，從而降低生產(chǎn)管理成本，提高產(chǎn)品的競爭力。

【關鍵詞】2250熱軋；軋機；過程控制系統(tǒng)；PASolution

通常在冶金生產(chǎn)過程的分層結構中，按照功能大體可以分為4級，即傳動級，基礎自動化級，過程控制級和生產(chǎn)控制級。過程控制在結構中主要關注生產(chǎn)過程中的控制。利用高速網(wǎng)絡實現(xiàn)控制的實時性，數(shù)學模型和模型自學習實現(xiàn)控制的準確性。

1 系統(tǒng)簡介

包鋼新體系2250熱軋生產(chǎn)線采用的日本TMEIC公司的過程控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)主要包括非控和模型兩個部分。非控部分主要包括了對軋線現(xiàn)場各種傳感器數(shù)據(jù)的采集，提供準確的模型計算時刻，及時地把模型計算結果傳送給軋線設備。控制部分主要是根據(jù)基礎自動化級發(fā)送的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和來自加熱爐的PDI數(shù)據(jù)。在規(guī)定的時刻進行模型計算，并進行自學習。

2 PASlution平臺介紹

PASolution是美國GE公司開發(fā)的中間件平臺，TMEIC公司為適應現(xiàn)代工業(yè)自動化過程控制系統(tǒng)而開發(fā)的中間件。開發(fā)人員利用它可以完成過程控制系統(tǒng)的通信、數(shù)據(jù)采集、物料跟蹤、進程管理、報警及日志等所有功能開發(fā)，為系統(tǒng)開發(fā)提供了便利的組態(tài)化開發(fā)平臺，為系統(tǒng)維護提供了人性化的維護環(huán)境。PASolution在包鋼新體系2250mm熱連軋機過程控制系統(tǒng)開發(fā)過程中使用，為TMEIC軋機二級控制系統(tǒng)提供強大的支撐平臺。

2.1 IO_service，功能是為系統(tǒng)中的各個進程之間提供信息通訊機制，通訊的內容包括事件和數(shù)據(jù)，其特點在于可以跨計算機跨系統(tǒng)平臺無縫連接各進程，使各進程高效準確的進行協(xié)作工作。功能類似西門子的CORBA通訊中間件subsys實現(xiàn)的進程間通信。IO_service還是PASolution各組件之間聯(lián)系的手段，是PASolution的基礎組件，可以說是實現(xiàn)PASolution所有功能的基礎。

2.2 Director是PASolution系統(tǒng)中的一個多用途的驅動引擎，也可以認為是一種進程的類，在PASolution中，用戶可以用Drector生成不同的進程，通過修改Drector的配置文件來實現(xiàn)各種的功能，如物料跟蹤，數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)接口。例如，TRK_JOB就是典型的Director例子。在Director的配置過程中，還可以配置來調用其他PASolution的組件。例如，在TRK_JOB的ioserv.cfg配置文件中，定義了對IO_SERVICE的接口，通過這種方式來使用組件。PASlution利用這個組件生成各種對象，通過繼承和重載實現(xiàn)各種功能，完全的體現(xiàn)了面向對象的思想。

3 非控部分

軋機過程控制系統(tǒng)中的進程，通過PASolution的組件之一SSAM可以看到SCC服務器上的各個job程序，這些進程根據(jù)功能基本可以分為控制和非控制兩大部分。以下幾點講述了非控制部分的主要幾個job和他們之間的工作關系：

1）TRK_JOB，作為系統(tǒng)中最重要的job，它的作用主要是跟蹤和調度，由于整個軋機過程控制系統(tǒng)是以事件驅動，所以物料的跟蹤尤為重要。系統(tǒng)以鋼板的跟蹤位置為事件觸發(fā)的條件之一（CHANGE DETECTOR對信號的監(jiān)視實現(xiàn)），對其他JOB通過IOSERVICE的方式進行調用和通訊。例如在TRK_JOB會根據(jù)鋼板的跟蹤信息，在不同的位置觸發(fā)MDL_JOB進行模型計算，通過定時器的使用，對MDL_JOB的工作進行監(jiān)控。

2）MDL_JOB是模型的JOB，包括是SSP，RM，F(xiàn)M，CTC和DC的數(shù)學模型的計算，也包括模型中的前饋后饋算法以及模型自學習。

3）SET_JOB，是軋機過程控制系統(tǒng)向L1發(fā)送設定數(shù)據(jù)的JOB，在TRK_JOB得到MDL_JOB計算成功的信號以后，SET_JOB會從內存中提取L1所需的設定數(shù)據(jù)通過EGD網(wǎng)絡下發(fā)給L1。

4）GAT_JOB是軋機過程控制系統(tǒng)用來數(shù)據(jù)收集的JOB，這些數(shù)據(jù)主要是為模型自學習和產(chǎn)品質量控制進行支持。數(shù)據(jù)收集后存放在POND內存中，為其他JOB提供強大的數(shù)據(jù)支持。

4 控制部分

4.1 RSU，粗軋計算模型，包括以下兩個子模塊

4.1.1 RSUC：粗軋設定計算

根據(jù)上位機下發(fā)的PDI數(shù)據(jù)，由外界機械極限值和操作員對模型的設定參數(shù)，計算出鋼坯在粗軋機區(qū)域的設定數(shù)據(jù)，下發(fā)到定寬機，粗軋1以及粗軋2，設定數(shù)據(jù)主要包括軋制道次計劃，每道次的壓下量，扭矩，軋制力，軋制速度以及開軋制溫度等等。

4.1.2 RMLC：粗軋模型自學習，通過對接收的實測數(shù)據(jù)進行分析，反饋到RSUC的設定計算中，實現(xiàn)對設定計算的在線調整作用，使設定計算更加準確。RMLC主要有以下3種學習方式：BTB，指在中間坯之間的學習。LTL，指在各個分組之間的學習，決定分組的因素有鋼種，寬度和厚度等。PTP，指在各個道次之間的學習。

4.2 FSU：精軋計算模型，包括以下兩個子模塊

4.2.1 FSUC：精軋設定計算

在接收到RSU的中間坯數(shù)據(jù)和HTT的溫度數(shù)據(jù)后，F(xiàn)SUC會對連軋機的設定進行計算，設定內容相比RSU增加了對張力的計算。

4.2.2 FMLC：精軋模型自學習，通過對接收的實測數(shù)據(jù)進行分析，這些數(shù)據(jù)包括軋機出口的測寬，測厚，平直度，凸度數(shù)據(jù)，通過FMLC對FSUC實現(xiàn)對設定計算的在線調整作用，使設定計算更加準確。

4.3 HTT：傳輸輥道設定模型

4.3.1 HTT Setup，傳輸輥道設定計算

根據(jù)RSU提供的板坯溫度信息以及FSU所要求的開軋溫度，HTT Setup會計算出TVD設定曲線，該曲線內容主要是在空間和時間上對鋼板速度的設定。通過不斷的計算和下發(fā)設定對輥道的速度進行控制，進而實現(xiàn)對鋼板溫度的控制。

4.3.2 HTT模型自學習，通過對接收輥道上的溫度實測數(shù)據(jù)，反饋到HTT Setup的設定計算中，實現(xiàn)對設定計算的在線調整作用，使設定計算更加準確。

4.4 CTC：卷取溫度控制模型，包括以下子模塊

4.4.1 CTSU：層冷設定計算，通過對層冷區(qū)的輥道速度和噴水量的控制，實現(xiàn)對鋼板溫度的控制。

4.4.2 CTLC：層冷模型自學習，通過采集精軋出口，層冷中間和卷取前高溫計的溫度，然后對比CTC的設定，對CTC模型設定值進行修正。

4.5 FDTC，終軋溫度控制，包括以下子模塊

4.5.1 FDTC Setup，主要功能是通過對精軋7座機架的速度和噴淋水量進行計算，結合帶鋼溫度模型，對帶鋼的溫降進行計算，最終達到控制終軋溫度的目的。

4.5.2 FDTC Learning，利用FDT（精軋出口高溫計）的實測數(shù)據(jù)對FDTC進行修正，對下一塊鋼板的計算產(chǎn)生影響。

5 結束語

包鋼新體系2250mm熱軋產(chǎn)線采用過程控制系統(tǒng)，運行穩(wěn)定，生產(chǎn)效率和精確度達到國內領先水平，為今后的產(chǎn)品開發(fā)和穩(wěn)定生產(chǎn)起到了巨大的作用。

過程控制系統(tǒng)論文:《過程控制系統(tǒng)》課程教學和實踐環(huán)節(jié)的改革與創(chuàng)新探索

【摘 要】《過程控制系統(tǒng)》課程是高校自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)課程。本文分析了該課程的本科教學現(xiàn)狀和存在的主要問題，從而有針對性地提出了過程控制系統(tǒng)的教學改革的基本思路和目標，介紹了一系列的教學改革措施和方法，實踐表明教學和實驗改革大大地提高了高校大學生的學習本課程的效率，提高了學生分析問題的能力。

【關鍵詞】過程控制系統(tǒng)；教學改革；教學實踐

0 引言

《過程控制系統(tǒng)》是控制理論、生產(chǎn)工藝、計算機技術和儀器儀表知識等相結合的一門綜合性應用學科[1]。本課程的涉及內容較為廣泛，主要包括控制系統(tǒng)的建模、控制理論算法和控制系統(tǒng)的分析與設計。在本課程的教學中，任課教師的主要任務是讓學生在了解、熟悉、掌握流程工業(yè)生產(chǎn)工藝流程與生產(chǎn)過程的靜態(tài)和動態(tài)特性的基礎上，根據(jù)工藝要求，應用控制系統(tǒng)中的基本理論、現(xiàn)代控制技術方法，分析、設計與整定過程控制系統(tǒng)。同時，必須讓學生清楚地認識工程應用中的相關問題，提高學生分析問題和解決的能力。隨著計算機技術、控制理論、傳感檢測技術等相關技術的高速發(fā)展，過程控制技術這一自動化領域內的重要分支也在不斷前進與發(fā)展，國際上的很多學者在此領域內做出了杰出的成就，并成功運用于電力、冶金、輕工等連續(xù)型生產(chǎn)過程系統(tǒng)[2]。然而過程控制理論與應用結合緊密、內容較廣、實踐性較強，從而造成學生在學習的過程中遇到很多的實際困難，任課教師在講授的過程中也會感到學生的學習興趣普遍不高，學習效率較低。因此，必須要求《過程控制系統(tǒng)》課程的教學內容、理念、方法和手段都必須隨著新應用和新技術的出現(xiàn)而進行改革，以使學生更好地適應社會發(fā)展的需要，真正實現(xiàn)實踐型與創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)[2]。

本文重點分析了《過程控制系統(tǒng)》課程的本科教學現(xiàn)狀和目前教學和學生學習中存在的主要問題，針對提出的問題，從而有針對性地提出了過程控制系統(tǒng)的教學改革的基本思路和目標，介紹了一系列的教學改革措施和方法，實踐表明教學改革大大地提高了高校大學生的學習本課程的效率，提高了學生分析問題的能力。

1 《過程控制系統(tǒng)》教學現(xiàn)狀與任務

目前在《過程控制系統(tǒng)》這門課程的授課過程中，任課教師通常先介紹過程控制系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)的組成部分，然后針對具體的問題，介紹多種控制系統(tǒng)的結構和設計方法，最后，為了讓學生能夠將學習的理論知識加以應用，再介紹過程控制系統(tǒng)的應用實例[3]。這樣的教學方法會導致學生只能片面地理解系統(tǒng)局部的設計信息，很難讓學生掌握過程控制系統(tǒng)設計的精髓，更不用說能讓他們做到靈活運用自己在課堂上所學的知識。另一方面，《過程控制系統(tǒng)》既是控制理論在工業(yè)生產(chǎn)過程中應用的技術課程，又是過程控制的理論課程，它強調工程觀點、設計能力的訓練，強調理論與實際的結合，以及提高分析問題、解決問題的能力。尤其是近些年隨著控制理論、計算機技術、檢測技術等其他相關技術的發(fā)展，過程控制系統(tǒng)技術也不斷地發(fā)展，應用也越來越廣泛，但課程授課學時卻在減少。因此，基于上述的考慮，《過程控制系統(tǒng)》教學應該以如何提高學生的學習本課程的效率、培養(yǎng)學生的系統(tǒng)整體把握能力為本課程教學改革與實踐的重點任務。主要包括針對教學方法、實驗環(huán)節(jié)方面提出改進的教學方法和措施，加強過程控制系統(tǒng)的理論研究與實踐教學環(huán)節(jié)的結合，合理增加先進性控制理論及設計驗證實驗，著重對傳統(tǒng)實驗設備替換和補充，開發(fā)出新型的實驗教學設備，強調對學生創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)。

2 教學內容的改革

隨著自動化和計算機技術的迅猛發(fā)展， 對學生的知識結構和水平提出了新的要求。過程控制課程內容包括檢測與控制儀表，過程建模及系統(tǒng)控制方案的設計等等。因此，任課教師在教學內容的選擇方面，應該有所取舍，同時應積極跟蹤過程控制領域內最新研究成果，提煉實際工程問題，不能僅僅局限于教材中的內容，也可以結合自己的研究課題，為學生做一些普及性的介紹，從而進一步提高學生學習本課程的興趣。在講授的過程中，可以將重點內容安排在過程建模和常規(guī)控制系統(tǒng)工程設計， 并補充神經(jīng)網(wǎng)絡建模的方法。擴充先進控制理論應用的成果，介紹一些先進的智能控制控制技術。另外，可以詳細介紹了一些典型的計算機過程控制技術。另一方面，從應用的層面上展開介紹，而不是一味的重復知識點。最后在教學課時充裕的情況下，可開設一些講座為學生介紹一些國內外正在應用和開發(fā)的最新過程控制技術成果，如復雜系統(tǒng)的多變量解耦控制、工業(yè)系統(tǒng)的自適應控制、模型預測控制等這些新的理論知識，使學生對這些理論能夠做到有所了解。

3 實驗環(huán)節(jié)的改革

《過程控制系統(tǒng)》實驗環(huán)節(jié)的改革主要體現(xiàn)在兩個方面。首先在實驗教學方面，應著重訓練學生的基本技能，培養(yǎng)他們的動手能力，讓學生理解一些基本過程控制中的概念和基本方法。同時，在實驗課時允許的情況下，應增加基于Matlab技術的計算機控制、先進控制、控制系統(tǒng)仿真等內容，從而達到為加深學生對實驗內容的理解[4]。在后期的實驗中，任課教師應提出實驗內容和目的，而實驗的方案步驟、實驗過程所需要的儀器儀表、儀表的連接、控制的策略方法則完全由學生自己設計，在實驗教師的監(jiān)督下讓學生獨立自主地完成實驗，最后寫出總結報告，并組織課堂交流、分析討論，以提高學生獨立性和創(chuàng)新能力。在學校有條件的情況下，建設一套過程控制實驗平臺，該平臺是一套集自動化儀表技術、計算機技術、通訊技術、自動控制技術及現(xiàn)場總線技術為一體的多功能實驗設備。整個應系統(tǒng)包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數(shù)，可實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識，單回路控制，串級控制，前饋-反饋控制，滯后控制、比值控制，解耦控制等多種控制形式。

過程控制系統(tǒng)論文:梅鋼精煉爐過程控制系統(tǒng)應用功能實現(xiàn)

摘 要：隨著梅鋼公司產(chǎn)品結構調整及工藝裝備升級技術改造要求，煉鋼廠新建二期項目。在二期煉鋼廠內建設1座雙工位LF鋼包精煉爐及相應的公輔設施。本論文介紹了新上線的精煉爐過程控制系統(tǒng)，著重從系統(tǒng)環(huán)境、系統(tǒng)功能、體系結構、通訊設計、關鍵模型技術等方面對系統(tǒng)進行了闡述。

關鍵詞：精煉；過程控制；系統(tǒng)；模型

1 引言

隨著公司產(chǎn)能的提升，二期煉鋼項目的建成及投產(chǎn)，新精煉爐過程控制系統(tǒng)也隨之上線運行，此次系統(tǒng)以煉鋼一期兩座精煉爐的過程控制系統(tǒng)作為設計依據(jù)，同時結合老系統(tǒng)開發(fā)過程中出現(xiàn)的問題，及系統(tǒng)上線后進行的功能完善情況，在系統(tǒng)設計時將部分系統(tǒng)功能進行了調整。同時結合Linux操作系統(tǒng)，使用C++語言對精煉爐模型程序進行了重新編寫。

2 系統(tǒng)環(huán)境

該系統(tǒng)采用了ftServer 6210雙路雙模塊冗余機架式服務器，服務器配備3個雙口1000Base-T以太網(wǎng)卡。并使用以高效性和靈活性著稱的Linux操作系統(tǒng)，同時使用IBM的DB2數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)的應用結構其構建基礎使用的是開放性好，可擴充能力強，應用開發(fā)功能完備的iPlature平臺。

3 系統(tǒng)功能介紹

3.1 應用功能總體說明

精煉爐過程控制系統(tǒng)控制的范圍是從前工序的鋼包到達精煉爐的鋼包臺車開始，經(jīng)鋼包車到達處理位，爐蓋下降、通電處理、測溫采樣、合金投入、喂絲、爐蓋上升、鋼包引出，到達吊點吊離為結束。

精煉爐過程控制系統(tǒng)從煉鋼生產(chǎn)管理系統(tǒng)（L3）獲取生產(chǎn)計劃、制造標準、鋼種變更、爐次確定等信息，接收分析計算機的成份數(shù)據(jù)，及其他相關計算機系統(tǒng)的運轉狀況及生產(chǎn)實績信息。

精煉爐過程控制系統(tǒng)接收基礎自動化控制系統(tǒng)（L1）的過程實績數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場的狀態(tài)和生產(chǎn)過程進行跟蹤控制、收集LF 生產(chǎn)的爐次實績及生產(chǎn)過程關鍵事件數(shù)據(jù)。同時將精煉爐的運轉狀況及作業(yè)實績數(shù)據(jù)發(fā)送給煉鋼生產(chǎn)管理系統(tǒng)及相關區(qū)域過程控制系統(tǒng)。

3.2 工程數(shù)據(jù)管理

精煉爐過程控制系統(tǒng)的工程數(shù)據(jù)管理主要包括：接收L3系統(tǒng)下發(fā)的制造標準，并可以在L2系統(tǒng)中進行查詢；接收L3系統(tǒng)下發(fā)的制造命令，并根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況對制造命令進行變更、刪除以及爐次確定；根據(jù)與L3的出鋼計劃接收約定，接收、處理和管理L3下發(fā)的出鋼計劃；根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況，接收L3下發(fā)的鋼種變更命令；接收煉鋼分析系統(tǒng)的分析結果，并存入數(shù)據(jù)庫，并顯示在L2畫面上；接收L1系統(tǒng)來的運轉狀況后，發(fā)送給煉鋼L3及相關L2系統(tǒng)；當一個爐次結束吊離后，將本爐次的生產(chǎn)實績發(fā)送給L3及相關L2系統(tǒng)。

3.3 過程控制

精煉爐過程控制系統(tǒng)主要是跟蹤和收集從鋼包到達精煉爐到鋼包吊離的整個過程中設備管理信息、作業(yè)時間信息、通電信息、合金投入信息、測溫采樣信息、喂絲信息、能介信息以及定周期信息。除此之外，精煉爐過程控制系統(tǒng)在線使用的設備進行登記及統(tǒng)計設備的使用次數(shù)，收集生產(chǎn)過程中的各種實績值，并保存到數(shù)據(jù)庫中。

控制流程如圖：

4 系統(tǒng)體系結構

該系統(tǒng)采集基礎自動化的現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)等信息，在進行相關處理后，顯示在過程控制系統(tǒng)畫面上，用以指導現(xiàn)場生產(chǎn)和執(zhí)行相應的操作，同時將現(xiàn)場的事件信息及實績數(shù)據(jù)發(fā)送給生產(chǎn)管理系統(tǒng)，結構圖如下：

5 系統(tǒng)通訊設計

5.1 L2系統(tǒng)與L1系統(tǒng)和L3系統(tǒng)的通訊方式

精煉爐服務器通過TCP/IP Socket的方式與基礎自動化控制系統(tǒng)和煉鋼企業(yè)管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊。服務器與基礎自動化控制系統(tǒng)和煉鋼企業(yè)管理系統(tǒng)建立通訊回線（與基礎自動化控制系統(tǒng)通訊使用的是靜態(tài)回線，與煉鋼企業(yè)管理系統(tǒng)通訊采用的是動態(tài)回線）。數(shù)據(jù)通過TCP/IP的方式完成發(fā)送或接收。TCP/IP Socket通訊的方式，所占用的資源少，參與通訊的L3系統(tǒng)以及各L2區(qū)域服務器無須開放本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫資源給對方，是L2與L3之間通訊的最優(yōu)方式。

5.2 通訊中間軟件

在系統(tǒng)通訊過程中使用了寶信開發(fā)的iXComPCS軟件，它是一款面向開發(fā)人員的外部通信中間件平臺，通過它可以實現(xiàn)網(wǎng)絡上計算機之間的數(shù)據(jù)通信。作為通信中間件，對上層的應用程序提供了統(tǒng)一的編程接口。

其主要組成為：

后臺進程管理服務通過通信核心服務，為應用提供實時可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務，以及遠程管理服務為分布式操作提供了實現(xiàn)途徑；后臺控制工具，控制通信核心服務中的各回線的啟停；前臺控制工具，可以在異地對平臺進行控制；這里的應用泛指所有和平臺打交道的外部服務，包括應用開發(fā)人員編寫的應用服務和類似iPlature等中間件平臺等。

6 關鍵模型技術實現(xiàn)

6.1 精煉爐加熱模型

精煉爐加熱模型從精煉爐加熱及冶金學基本原理出發(fā)，對需要進行溫度升高和成分微調的鋼種進行處理，分為預報模塊和推定模塊。預報模塊的目的是根據(jù)每一爐次開始獲得的鋼液狀態(tài)、成分信息、首次測溫、目標溫度等信息，在精煉處理初期即給操作人員提供為達到一定鋼水溫度所必須的處理時間和通電操作等綜合信息指導；推定模塊的目的是在得到鋼水基本信息和操作量信息，如合金投入量等信息以后，推算加熱過程中鋼水溫度的趨勢，及加熱過程中所需要使用的通電操作信息。兩個模塊的綜合使用能夠逐漸優(yōu)化精煉爐加熱工藝，使操作人員更好的控制處理過程，從而達到滿足生產(chǎn)節(jié)奏需要的同時降低生產(chǎn)成本的目的。

6.2 精煉爐合金模型

精煉爐合金模型的功能是根據(jù)鋼液初始成分和目標成分的要求，以及各成分最小、最大值等各種限制條件，計算最優(yōu)的各合金投入量與合金投入組合。計算完成后，把各個合金投入量的結果下發(fā)給L1的投料系統(tǒng)，以便使冶煉的鋼水達到鋼種要求的目標成分。

合金最小成本模型根據(jù)鋼水初始成分和目標成分的要求，確定使合金投入總成本最小的合金投入組合、投入量。

7 結束語

本論文對梅鋼精煉爐過程控制系統(tǒng)的應用功能進行了詳細的闡述。隨著梅鋼產(chǎn)品品種的不斷增加，精煉爐將發(fā)揮越來越重要的作用，梅鋼精煉爐過程控制系統(tǒng)及相關模型上線以來一直穩(wěn)定運行，系統(tǒng)采集到的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為掌握精煉爐實際生產(chǎn)情況提供數(shù)據(jù)依據(jù)，而模型計算數(shù)據(jù)也給現(xiàn)場提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)參考，為公司的降本增效做出貢獻。

過程控制系統(tǒng)論文:過程控制系統(tǒng)實驗創(chuàng)新模式探討

摘 要：學生能力的培養(yǎng)和素質的提高需要在一個循序漸進、系統(tǒng)知識體系的傳授中逐漸培養(yǎng)出來。注重學生理論知識的獲得，把實驗課程教學貫穿在整個教學活動中，強化實驗內容的知識結構設計，理論教學鏈和實踐教學鏈有機結合的教學模式，使學生個人的潛在能力得到充分發(fā)揮，學習的主動性和創(chuàng)造性得到有效發(fā)展。同時提高了專業(yè)課程教學效果和質量，提高了工科畢業(yè)生的就業(yè)率，對高素質人才培養(yǎng)和創(chuàng)新能力提升奠定了基礎。

關鍵詞：過程控制系統(tǒng) 實驗 創(chuàng)新模式

過程控制系統(tǒng)是自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，涉及控制系統(tǒng)模型建立、系統(tǒng)控制方案確定、控制策略研究、控制器參數(shù)調整、系統(tǒng)元器件和執(zhí)行裝置結構選擇、單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、復雜控制系統(tǒng)等內容，并且課程內容和實際系統(tǒng)聯(lián)系非常密切，如何在有限的理論教學時間內，利用有限的實驗條件完成必要的理論和實踐教學，同時滿足卓越工程師知識、能力、素質協(xié)調發(fā)展的培養(yǎng)，達到深化和拓寬學生知識體系，挖掘學生的創(chuàng)新潛力，激發(fā)學生創(chuàng)新實踐熱情是課題重點研究內容。

1 強化知識結構，構筑基于問題的探究式理論教學

卓越工程師的培養(yǎng)遵循知識掌握、能力培養(yǎng)、素質提高協(xié)調發(fā)展的原則。高等人才能力和素質的培養(yǎng)離不開知識的傳授，而知識傳授中課堂理論教學是必不可少的，隨著新技術的不斷出現(xiàn)導致專業(yè)課學時難以滿足理論教學，如何在較短時間內設計適當?shù)闹R載體來進行知識傳授以達到能力培養(yǎng)和素質提高的目的，為此提出了基于問題的探究式理論教學。過程控制系統(tǒng)的檢測變送和執(zhí)行器知識點（涉及傳感器、電動調節(jié)器、機械調節(jié)閥等），以往限于課時所限課堂上教師僅僅簡單說明，學生也只有輪廓概念，對知識的理解和掌握非常不利，就業(yè)后無法解決實際問題。本著知識的掌握在于實際應用的原則，課堂上我們針對需要掌握的知識點設置一個循序漸進的問題：鍋爐水位控制系統(tǒng)（系統(tǒng)技術指標要求動態(tài)指標、靜態(tài)指標、安全性等）。為了達到要求從控制角度提出構成最基本的控制系統(tǒng)類型，大部分學生提出采用檢測水位高度和設定值比較的閉環(huán)控制系統(tǒng)，抽象繪出系統(tǒng)框圖，引導學生完成任務系統(tǒng)必不可少的一個裝置是什么？裝置特性和工作原理如何？基于問題教師恰當?shù)匾鲂轮R點—調節(jié)閥，調節(jié)閥的類型、特點、使用場合等—電動調節(jié)閥、氣動調節(jié)閥、液動調節(jié)閥，直觀通過實際模型和實際應用例子使問題的解答構成一個探究式的知識體系，通過理論教學對學生思維的啟發(fā)使學生的能力和素質在知識體系的傳授中逐漸培養(yǎng)出來。帶著實際問題的探究式課堂教學強化知識的應用價值，使每個知識模塊構成一個實際的訓練系統(tǒng)，從問題提出到問題解答再上升到理論，使學生從行業(yè)工程師的角度理解基本知識和基本理論，從實際應用中掌握基本技能和研究方法，從卓越工程師高度培養(yǎng)學生適合學科特點的思維方法和思維能力。

2 創(chuàng)新實踐環(huán)境，構筑理論知識應用于實際的實驗教學

加強實踐教學是培養(yǎng)學生動手能力和創(chuàng)新精神的一項重要工作。過程控制系統(tǒng)涉及石油、化工、電力等多種行業(yè)，為此，2012年以校精品課程過程控制系統(tǒng)建設為契機，從培養(yǎng)高素質、工程實踐能力強的卓越人才出發(fā)探討專業(yè)課程的實踐教學模式。力求創(chuàng)新實踐教學環(huán)境，提高實踐教學效率，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神，同時將本課程與信號與系統(tǒng)、自動控制理論、控制系統(tǒng)仿真、計算機控制系統(tǒng)等課程有機結合，探尋專業(yè)課程體系新模式，構建創(chuàng)新型實踐課程體系，建立理論與實踐相結合的實踐環(huán)境。

2.1 甄選實驗內容，銜接多方位知識點

實驗是學生檢驗知識和應用知識的主要途徑。以往過程控制系統(tǒng)實驗中，教師指定實驗內容，給出實驗要求和實驗過程，學生盲目地按實驗步驟來做。由于實驗條件受限（目前僅有5套高級過程控制實驗裝置），導致大部分學生只是看別人做，抄抄數(shù)據(jù)，照貓畫虎撰寫實驗報告，對應用理論知識解決實際問題多樣性意義不大，特別是自主學習興趣和創(chuàng)新實踐能力無法激發(fā)。為此，我們從多方位知識點的連貫和銜接出發(fā)選擇合適的實驗內容。

單回路控制系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)中應用最多的一類，特別是鍋爐控制系統(tǒng)，它是石油、化工、發(fā)電廠等工業(yè)過程中必不可少的動力設備，該控制系統(tǒng)涉及電路、控制理論、傳感器、計算機控制等多方面知識。課堂上引導學生從周邊鍋爐（供熱鍋爐、水房鍋爐）需要控制的量（液位、溫度、燃燒等）考慮，指出鍋爐控制系統(tǒng)包括鍋爐本體水位控制、燃燒系統(tǒng)、給水系統(tǒng)等，而要完成控制任務，需要構成被控變量的單回路控制系統(tǒng)，控制器參數(shù)的確定又依賴被控對象的數(shù)學模型，控制理論所講的解析法建模需要明確各個環(huán)節(jié)機理，這在實際系統(tǒng)中比較困難，如何采用實驗方法建立系統(tǒng)數(shù)學模型，安排鍋爐對象的實驗建模內容？在實驗中學生帶著問題（正向飛升響應曲線和反向飛升響應曲線）設計實驗方案，并從理論上回答為什么需在系統(tǒng)平穩(wěn)后突加輸入信號，正向和反向信號對模型建立是否有影響等一系列問題。實驗完成后實驗報告的撰寫要針對問題從理論上加以解釋。這樣實驗又反過來促進了理論知識的掌握，理論知識點和實踐內容的有機結合，提升了學生的學習熱情，激發(fā)了學生的創(chuàng)新能力。

2.2 仿真實驗和實物實驗有機結合，培養(yǎng)學生多方案解決問題的能力

目前我校過程控制系統(tǒng)實驗裝置無法做到一人一臺，且實驗的動態(tài)過程時間比較長，鍋爐溫度下降10 ℃需要十多分鐘。鍋爐單回路系統(tǒng)控制器PID參數(shù)整定過程，特別是研究參數(shù)變化（PID3個參數(shù)有無窮多組合）對系統(tǒng)動靜態(tài)特性影響，即使僅研究三四種參數(shù)變化，在實驗臺上大約需要1.5小時，學生只能等待，影響實驗進程。為此，我們大膽嘗試新的實驗模式，將控制系統(tǒng)仿真軟件引入過程控制系統(tǒng)，虛擬模型構建實物裝置實驗，以實測實驗對象模型建立仿真原型，按照過程控制系統(tǒng)的實際情況構建Simulink仿真模型，計算機上重點研究各個參數(shù)變化對系統(tǒng)動靜態(tài)特性的影響，同時引導學生將仿真結果和理論知識點有機結合，以實驗提升課堂知識的掌握。如控制器類型的不同仿真解決方案，要掌握控制系統(tǒng)無精差必須采用積分控制，而純積分控制又易導致系統(tǒng)結構不穩(wěn)定，積分時間常數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響等，快速、多種、圖形化仿真實驗為優(yōu)選確定本次實驗的最佳控制策略和控制器參數(shù)提供了直觀、可靠的支持。仿真實驗又回到實際系統(tǒng)，將仿真實驗得到的最佳控制參數(shù)作為現(xiàn)場實驗參數(shù)的初值，觀測實驗中所得響應曲線，并將仿真實驗結果和理論知識結合針對實際情況向正確方向微調控制器參數(shù)，快速的仿真實驗過程和高效的實際實驗可使每個學生有機會自己動手完成整個實驗，既可以解決實驗設備不足的問題，又可利用軟件提高實驗效率與教學效果，大大拓展了學生對實際問題的抽象理論分析、研究、參數(shù)確定、優(yōu)化控制策略確定的能力。仿真實驗和實物實驗有機結合，擴大學生自主獲取知識和技能的能力，加深學生對課堂內容的理解和掌握，激發(fā)學生的學習興趣和主觀能動性，提升學生多種方案解決問題的能力和創(chuàng)新意識。

2.3 針對過程控制系統(tǒng)特點，安排系列實驗提升學生創(chuàng)新能力

過程控制系統(tǒng)是專業(yè)性很強的課程，涉及實際化工、電力等系統(tǒng)，如何通過課程的理論學習和實驗環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和就業(yè)以后應對不同的過程控制系統(tǒng)是本次教改的重要內容之一。電廠和民用鍋爐水位控制、化工原料液位高度控制等均涉及液位控制，液位控制系統(tǒng)是過程控制的典型控制系統(tǒng)。在理論教學上我們把實際系統(tǒng)加以抽象建立描述系統(tǒng)的數(shù)學模型，根據(jù)系統(tǒng)性能指標要求的不同和系統(tǒng)存在的干擾情況有針對性地提出單回路控制方案和串級控制方案，并且對這兩種方案的優(yōu)劣及適應場合進行理論分析，同時為提升學生解決實際問題的能力和以實驗加深理論知識的掌握，圍繞液位控制開設了系列實驗，具體做法如下：

（1）使用實驗裝置現(xiàn)場教學使學生充分了解實驗裝置中傳感器的類型和校驗的必要性、系統(tǒng)的平衡狀態(tài)、實際環(huán)境中的干擾信號、電動調節(jié)閥等。

（2）實驗過程中帶著問題（系統(tǒng)數(shù)學模型測試為什么要等系統(tǒng)平衡后突加階躍信號？為什么要用正向和反向信號作用進行參數(shù)測試？）完成實驗，被控對象建模理論知識確定實驗方案和實驗步驟，和實驗教師討論后自己動手搭接實驗系統(tǒng)。

（3）根據(jù)多組測試實驗數(shù)據(jù)結合多學科理論知識建立系統(tǒng)數(shù)學模型（包括模型的類型和參數(shù)），實驗過程中教師抽查上述問題的解答。

（4）為完成系統(tǒng)的基本要求，構成單回路控制方案，在線整定控制器參數(shù)，分析系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性和干擾作用下系統(tǒng)的抗干擾能力，為激發(fā)學生的學習興趣和主觀能動性，鍛煉學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，在實驗過程中我們有目的地設置一些問題（如何降低干擾對系統(tǒng)的影響，如何提升控制系統(tǒng)的精度等）引導學生提出新的合理控制方案。

（5）串級控制系統(tǒng)設計，包括主控制器、副控制器類型和參數(shù)整定，系統(tǒng)在一次、二次干擾作用下系統(tǒng)的相應和動靜態(tài)指標研究，實驗過程中出現(xiàn)的各種問題（如串級控制系統(tǒng)為什么對主擾動具有很強的抗擾能力？為保證系統(tǒng)靜態(tài)無誤差主控制器為什么必須采用PI或PID？），教師不急于簡單解答，而是激發(fā)學生從理論上分析得到結論，這種理論循序漸進到實踐再升華回到理論的模式，改變了學生為實驗而做實驗的機械動作，從實驗來加深理論知識，又應用理論知識解決實際問題，系列實驗大大提升了學生創(chuàng)新能力。

3 實驗教學拓展大學生創(chuàng)新研究，提高學生的科研能力

大學生創(chuàng)新項目是在導師指導下，學生自主選題、獨立完成課題、撰寫課題結題報告等工作，創(chuàng)新項目意在調動學生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識。可以有效地訓練學生在未知領域的探索精神、獨立思考、獨立創(chuàng)造性地分析和解決問題的能力。而過程控制系統(tǒng)課程安排在第七學期，學生的基本知識、基本技能、創(chuàng)新意識等逐步形成，為了使有潛力的學生盡早接受系統(tǒng)的科研能力的培養(yǎng)和訓練，攝取學科前沿知識，在常規(guī)實驗的基礎上，對有堅實理論知識和深厚知識底蘊的學生指導申報國家、校級大學生創(chuàng)新項目，2009年確立國家級“仿生機器魚”和2012年校級“智能機器魚氯氣監(jiān)控系統(tǒng)”項目。項目的前期研究涉及過程控制系統(tǒng)控制策略和控制器參數(shù)確定實驗，在實驗中引導有能力的學生多方面考慮問題、多方面解決問題，實驗的創(chuàng)新能力不知不覺就應用到科研活動，科研活動中遇到的各種問題又不斷培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，使學生利用扎實的基礎及時攝取新知識，實驗技能又推動獲取知識和應用知識的創(chuàng)新能力。進一步發(fā)展了學生學科知識的橫向關聯(lián)，使學生將所學的理論知識與實際相結合，使學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力得到有效培養(yǎng)。

4 多學科知識融合實驗過程，培養(yǎng)創(chuàng)造性人才

過程控制系統(tǒng)的知識點和其他課程呈現(xiàn)立體交叉，多學科知識又融合于實驗過程，為此，課題組在自動化系列課程實驗過程中采用逐步遞進的原則安排一些基礎實驗，為后續(xù)課程做必要的鋪墊。例如，基本的開環(huán)控制和閉環(huán)控制的穩(wěn)定性和動態(tài)特性研究在控制理論課程中已做了多方位研究，過程控制系統(tǒng)前饋控制為什么可以有效地消除干擾影響，前饋加反饋的復合控制為什么既可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性又可提高系統(tǒng)的抗干擾能力，它是如何解決穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾等問題。要求學生先思考，教師輔助給出提示，從自動控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)概念、穩(wěn)定性分析和穩(wěn)態(tài)誤差與系統(tǒng)結構參數(shù)的關

系，融合多學科知識引導學生通過實驗分析所得結果，最后合理正確地給出答案，使學生對實驗研究得到全面和立體的概念，使實驗升華到科學研究的探索實驗，學生自身的知識無形中得到增加，鞏固了以前其他課程中學習的知識，加強了多學科之間的融合，進而拓展了學生的創(chuàng)新思維能力。

5 結束語

專業(yè)課實驗教學在高等學校工科教學中占有重要的地位，探討過程控制系統(tǒng)實踐教學新模式具有重要意義，通過連續(xù)5年的實踐，在注重學生理論知識的夯實的基礎上，把課程實驗有機、科學地貫穿于整個教學活動，多方位設計實驗內容、多學科融合實驗過程和帶著問題做實驗等均以學生為主導，充分考慮學生的知識結構和學習規(guī)律。使學生個人的潛在能力得到充分發(fā)揮，學習的主動性和創(chuàng)造性得到有效發(fā)展。理論教學鏈和實踐教學鏈有機結合的教學模式，充分調動了學生的積極性，在實踐教學中注意激發(fā)學生的主動性，注重教與學的互動，注重培養(yǎng)學生的動手操作能力、解決問題能力和綜合創(chuàng)新能力，提高了專業(yè)課程教學效果和質量，對高素質人才培養(yǎng)和創(chuàng)新科研能力提升奠定了扎實的基礎。

過程控制系統(tǒng)論文:《過程控制系統(tǒng)》課堂教學方法的探討

【摘 要】過程控制系統(tǒng)是自動化專業(yè)的核心課程之一，具有較強的理論性和實踐性。根據(jù)課程教學的特點，針對課堂教學過程中出現(xiàn)的問題，從教學方法，教案設計等方面出發(fā)，探討具有更好教學效果的授課方法，使學生能夠真正理解和掌握這門課程。

【關鍵詞】過程控制；課堂教學；教學方法

一、引言

過程控制是自動化專業(yè)學生的專業(yè)課必修課之一，是以實際工業(yè)生產(chǎn)過程為背景，自動控制理論為基礎發(fā)展起來的，在自動化專業(yè)的整個課程體系中占有重要地位。課程內容涵蓋了系統(tǒng)建模方法，工業(yè)過程特性控制理論和算法，控制系統(tǒng)的分析與設計等，不僅研究簡單的單回路系統(tǒng)，也涉及復雜系統(tǒng)控制，先進控制系統(tǒng)等。由于課程理論與實際聯(lián)系非常緊密，涉及面廣且深，對學生理論基礎有較高要求，傳統(tǒng)的課堂理論教學難以保證學生對課程內容的理解和掌握，令學生感到抽象枯燥，降低學習機進行，教學效果不佳。針對這種情況，從教學方法，教案設計等方面出發(fā)，結合自身的教學體會，對“過程控制系統(tǒng)”的教學做了簡單探討，尋找更加能夠激發(fā)學生學習熱情，改善教學效果的教學方法。

二、教學內容調整和仿真軟件的運用

以往的“過程控制系統(tǒng)”教學偏重于理論教學，在課堂上詳細講解公式和推導過程，理論性太強，使學生感覺課程內容枯燥難懂，失去學習興趣。為了避免這種情況，通過總結經(jīng)驗教訓，調整了教學內容，將學習重點從原來對理論知識的大量復雜的推導過程，轉移到從工業(yè)生產(chǎn)實例引出理論知識上來。同時應用Matlab仿真軟件來驗證過程控制的理論，使教學過程更加形象化，使學生能夠掌握過程控制的核心知識，并加深過程控制系統(tǒng)的理解和認識，大大提高學生的學習積極性。同時，為了體現(xiàn)課程理論緊密聯(lián)系實際的特點，在教學當中引入與實際相關的控制方法以及信號處理等方面的內容，讓學生掌握一定的實際應用背景，具有更大的知識量，調動學生學習的積極性，更加主動地學習這門課程。另外，由于科技的發(fā)展，過程控制系統(tǒng)更新快速，因此在上課過程中，除了必須的教學內容外，還應該引導學生了解過程控制領域最新的發(fā)展動態(tài)，了解該學科的最新信息，讓學生更加了解所學知識在本專業(yè)領域的地位，從而更加積極主動的投入到課程學習當中。

計算機仿真軟件的應用為過程控制教學提供了便利。在課堂教學過程中，仿真軟件和多媒體教學的應用，能夠為學生直觀地展示控制系統(tǒng)的結構，工作過程，以及控制效果等。通過多媒體課件，使得課堂教學變得更加生動多變，有助于調動課堂氣氛，而Matlab仿真軟件豐富的工具箱，能夠加深學生對所學知識的理解，通過基于Matlab的仿真實驗，讓學生充分理解相似的概念和參數(shù)變化對系統(tǒng)性能帶來的影響，在理論教學的同時讓學生掌握仿真軟件的用法，一舉兩得。通過激發(fā)學生的學習興趣，提高課堂教學的質量，鍛煉學生發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，解決問題的能力。

三、網(wǎng)絡教學平臺的應用

網(wǎng)絡技術現(xiàn)在飛速發(fā)展，通過網(wǎng)絡架構教學平臺，將課堂教學延伸至互聯(lián)網(wǎng)，豐富了教學內容，能夠加強學生對教學難點的掌握和理解。通過網(wǎng)絡平臺，將詳細的教學課件，仿真軟件、程序和使用說明，教學日歷，課程通知，教學問卷，以及測試復習題等內容上載，供學生下載使用。采用網(wǎng)絡平臺，可以豐富教學內容，并實現(xiàn)最大限度的信息共享，同時也可以通過教學平臺實現(xiàn)答疑，學生間互相討論和交流等。可見網(wǎng)絡教學平臺是課堂教學的有力補充，對于提高學生的學習效果和效率具有重要幫助。

四、注重與學生的交流

教學的目的在于讓學生更好地掌握知識，應該注重與學生的交流，多聽學生的體會和意見，了解他們所需的知識量，為學生制定更好地教學內容。另外作為老師，除了關心學生對本門課程的意見和建議之外，還應該以學生朋友的身份對他們的生活和學習提出建議和指導，盡量幫助學生的成長，盡量做一個受學生愛戴的好老師。

五、結束語

過程控制是自動化專業(yè)的一門非常重要的課程，與生產(chǎn)過程關系密切，在課程的課堂教學中，通過改進教學內容，采用先進的教學方法和教學手段，將傳統(tǒng)教學與仿真軟件相結合，根據(jù)課程實踐性強的特點，在教學過程引入從實際問題中提煉出來的有代表性的實例，并充分利用網(wǎng)絡平臺，為學生重點講解，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和獨立解決問題的能力，激發(fā)學生的學習興趣，進一步培養(yǎng)了學生綜合應用專業(yè)知識的能力，從而全面提高了過程控制課程教學質量與效果。

過程控制系統(tǒng)論文:冷卷準備機組過程控制系統(tǒng)

摘要：本文介紹了某冷軋廠冷卷準備機組過程控制系統(tǒng)的軟硬件結構，包括硬件平臺和軟件系統(tǒng)。基礎自動化系統(tǒng)包括順控，主令，跟蹤，急停和HMI；著重敘述了過程控制的實現(xiàn)方法。

關鍵字：硬件，順控，主令，跟蹤，急停，HMI

系統(tǒng)概述

該冷卷準備機組為連續(xù)生產(chǎn)機組，用于取向硅鋼（含SGO）和高牌號無取向硅鋼冷軋后的鋼卷處理,最大速度400m/min，是目前國內自動化程度較高的一條機組。整個機組自動化控制系統(tǒng)完成鋼卷從入口運輸，自動上卷及開卷，入口定位剪切，焊接，圓盤剪切邊，定位剪切，卷取機卷取及卸卷，稱重打捆整個過程。所有功能均可全自動或半自動完成。被控設備以入開卷機、張力輥、卷取機為核心， 輔之以入口鋼卷小車、入口轉向夾送輥、入口剪、糾偏輥、分切剪、出口轉向夾送輥、卸卷小車、鋼卷稱等設備。

控制系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡組成

控制系統(tǒng)的硬件分布于計算機室、操作室、電氣室和現(xiàn)場，如圖1所示。基礎自動化系統(tǒng)的硬件設備組成：

SIMATIC S7-400可編程控制器（CPU416-2DP）：2塊

高速技術模塊（FM450-1）：1塊

DP通訊模塊（CP443-5）：1塊

以太網(wǎng)通訊模塊（CP443-1）:1塊

全數(shù)字交流傳動調速裝置(6SE70)：多臺

專用急停控制控制器（CPU315F-2DP）：1套

及遠程I/O站、PDA、工程師站、服務器、操作員站等組成。

通過快速以太網(wǎng)、PROFIBUS網(wǎng)絡實現(xiàn)各自動化單元以及與上位機的通信,構成典型三層通訊網(wǎng)絡的三級控制系統(tǒng)。

通訊網(wǎng)絡的第一層：人機接口與PLC之間及PLC彼此之間的以太網(wǎng)，實現(xiàn)全線生產(chǎn)參數(shù)的設定和各設備的狀態(tài)、電氣參數(shù)及故障，生產(chǎn)工藝過程在人機接口HMI的顯示；

通訊網(wǎng)絡的第二層：PLC與遠程I/O站之間及PLC與傳動系統(tǒng)之間的PROFIBUS-DP網(wǎng)，實現(xiàn)PLC對系統(tǒng)控制指令的傳送和系統(tǒng)狀態(tài)及參數(shù)的收集；

通訊網(wǎng)絡的第三層：PLC彼此之間實現(xiàn)控制信息及數(shù)據(jù)傳送的MPI網(wǎng)。

圖1. 自動化系統(tǒng)配置圖

控制系統(tǒng)軟件設計

軟件功能主要由以下幾部分。

3.1順續(xù)控制和跟蹤

鋼卷運輸，換輥，液壓等一類單體設備動作的控制可歸為順序控制。順序控制一般負責單體設備如液壓傳動設備、恒速電機等的控制。順序控制還包括自動步，即將一系列動作為一個運動組來處理，實現(xiàn)系列動作序列的自動完成，如鋼卷自動運輸，自動上卷等。采用圖形化的順序功能圖表“SFC”編輯生成。由于所有聯(lián)鎖是在執(zhí)行機構控制級上完成的，因此這一級完整地保留下來以組織成適當?shù)捻樞蚩刂啤Ｔ诔绦蛑兴修D移條件彼此獨立，不用考慮彼此的聯(lián)鎖關系，通過簡單易懂的與/或邏輯即可進行修改。每個順序都可單獨進行手動或自動選擇。

物料跟蹤包括帶鋼跟蹤（SEGA）功能和物料（數(shù)據(jù)）(MAVE)跟蹤功能。SEGA是基本的跟蹤功能。它將整個生產(chǎn)線按一定原則劃分成若干個區(qū)，每個區(qū)再劃分成若干個段，跟蹤就是基于這些段進行的。每條帶鋼焊縫經(jīng)過線上區(qū)間，基于區(qū)間的段 利用內部記數(shù)器計算出（利用編碼器給出的焊縫行程和區(qū)段的長度）整條線上的帶鋼鏡像，用標志位標識（每個區(qū)間段數(shù)之和＝整條線段數(shù)）。MAVE功能基于SEGA功能，MAVE用線上帶鋼的鏡像（標志位）去跟蹤帶鋼和整條線上的數(shù)據(jù)，MAVE能觸發(fā)動作和在適當?shù)臅r間和其他的自動功能就設定點/參考值進行通訊，盡管MAVE是基于線上的帶鋼鏡像（標志位），但是動作僅僅在焊縫從一段跨越另一段時觸發(fā)，可在這樣的段邊界中定義多個動作，動作點也可以使用來自其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

3.2 主令控制

主令程序負責全線帶鋼傳輸控制，也是整個基礎自動化的中心，可以分為兩部分，主速度發(fā)生器和線速度協(xié)調控制器，兩者是主從關系，線速度控制器起主要作用。

線速度協(xié)調控制器負責整個生產(chǎn)線運行，協(xié)調帶鋼的處理過程，傳輸、啟動相應的設定、定位、控制、剪切等程序。線速度協(xié)調控制器的功能包括操作模式的處理（運行/爬行，停止，保持，穿帶/甩尾，快停，快停，緊急停車，聯(lián)合點動，單獨點動等）斷帶檢測，

主速度發(fā)生器完成線速度協(xié)調控制器的控制值送到傳動系統(tǒng)，包括傳輸帶鋼運行所需要的各種功能，啟動、加減速，帶鋼定位控制，張力控制，開卷機控制，卷取機控制，速度設定值。

帶鋼定位控制是閉環(huán)，利用裝在張力輥或夾送輥上的編碼器對帶鋼定點定位控制，包括帶鋼頭部定位，帶鋼尾部定位，自動減速功能。

張力控制。張力控制策略為：當機組啟動時，張力值平滑上升到正常運行張力值。在機組臨時停車時，張力值保持運行張力值不變；超過臨時停車時間，張力切換到停機張力。如果機組停車時間過長，機組張力自動切斷。

在運行中，某個區(qū)域的實際張力突然快速下降，這個信號將反應在張力控制的傳動裝置的實際轉矩上，或某個張力計的實際檢測值，斷帶檢測程序發(fā)出斷帶信號，并對相應區(qū)域發(fā)出快停指令。

3.3 急停系統(tǒng)

急停系統(tǒng)負責全線的緊急停車。全線分為4個區(qū)域，線上區(qū)域1個，即從開卷機到卷取機的整個區(qū)域。線外有3個區(qū)，液壓站，入口鋼卷運輸區(qū)，出口鋼卷運輸區(qū)。

急停控制的電氣設備類型主要包括，MCC恒速電機，變頻調速電機，液壓驅動設備等。主要控制過程為：操作臺上急停按鈕觸發(fā)急停，急停PLC收到信號，計算處理后發(fā)急停信號至急停繼電器，后者將急停信號分發(fā)至MCC柜、變頻傳動柜，遠程I/O站等。實現(xiàn)停車。急停事故回復后，必須在HMI上進行急停確認。

3.4 HMI系統(tǒng)

HMI （Human-Machine Interface） 人機界面系統(tǒng)是通過WINCC軟件實現(xiàn)的。WINCC軟件包括，組態(tài)界面，操作界面，報警系統(tǒng)，歸檔系統(tǒng)，報表系統(tǒng)，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。在本項目中HMI系統(tǒng)，主要包括八個部分。

工藝過程跟蹤：包括全線機組總覽，重要設備的數(shù)據(jù)顯示，修改；

液壓和潤滑系統(tǒng)：包括液壓站，開卷機和卷取機的潤滑站，全線的CPC和EPC的液壓站。包含電機的啟停控制和狀態(tài)監(jiān)視畫面。

診斷畫面：包括全線傳感器的狀態(tài)畫面和DP網(wǎng)絡通訊狀態(tài)畫面。

傳動分合閘：控制全線傳動設備控制裝置的分斷和合閘。

趨勢：全線重要數(shù)據(jù)的趨勢圖。

自動步：用于監(jiān)視所有的自動步及動作條件。

畫面中符號解釋畫面：包括顏色說明，設備符號說明和介質系統(tǒng)符號說明。

HMI系統(tǒng)包括2臺HMI服務器，2臺HMI客戶機。其中HMI的服務器放置在電氣室，兩臺服務器之間為冗余系統(tǒng)配置。

HMI系統(tǒng)服務器之間以及HMI服務器和客戶機之間均采用TCP/IP協(xié)議進行通信。服務器會保存過程值和配方數(shù)據(jù)；客戶機只訪問服務器，顯示服務器提供的過程畫面和過程值，并可接受操作員的輸入 傳給服務器，本身并不保存數(shù)據(jù)。

總結

冷卷準備機組過程控制系統(tǒng)的配置先進，控制精度高，其自動化程度降低了操作者的勞動強度，實現(xiàn)全機組4人生產(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率；自投運以來，機組設備和整個生產(chǎn)線均運行良好，受到了用戶的好評。

過程控制系統(tǒng)論文:基于ProfiBus的過程控制系統(tǒng)的軟硬件組態(tài)

摘 要： ProfiBus現(xiàn)場總線具備傳輸快、結構簡單、抗干擾等優(yōu)良性能，已廣泛應用于自動控制系統(tǒng)與分散I/O之間的高速通信。首先介紹了ProfiBus現(xiàn)場總線的特點，然后基于ProfiBus?DP和PA、Siemens PLC 300和Wincc組態(tài)軟件，詳細闡述了過程控制系統(tǒng)的結構，硬件、通信協(xié)議、監(jiān)控頁面的組態(tài)方法和步驟。

關鍵詞： ProfiBus； PLC； WinCC； 組態(tài)

引 言

伴隨著工業(yè)生產(chǎn)過程的大型化、復雜化、連續(xù)化和自動化發(fā)展，對工業(yè)控制系統(tǒng)的控制水平和品質也有了更高的要求。現(xiàn)場總線技術也應運而生，用于實現(xiàn)自動化系統(tǒng)最底層的現(xiàn)場控制器和智能儀表設備的互聯(lián)和實時通信。它是一種開放的、具互操作性的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)[1]。本文將以ProfiBus現(xiàn)場總線為基礎，介紹以Siemens PLC 300和Wincc組態(tài)軟件為主體的過程控制系統(tǒng)的軟硬件組態(tài)過程。

1 ProfiBus現(xiàn)場總線

ProfiBus現(xiàn)場總線是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術[2?3]，可實現(xiàn)現(xiàn)場級到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設備智能化提供了可行的解決方案[4]。ProfiBus系列由ProfiBus?DP/FMS/PA三個兼容部分組成。其中ProfiBus?DP和PA的特點如下[1，5]：

ProfiBus?DP適用于自動控制系統(tǒng)與分散I/O之間的高速通信；可取代24 V或4～20 mA的串聯(lián)式信號傳輸；使用RS 485傳輸技術或光纖媒體。

ProfiBus?PA專為過程自動化設計；可將變送器和執(zhí)行器連接到一根公共總線，可用于本質安全領域；數(shù)據(jù)傳輸采用擴展的ProfiBus?DP協(xié)議，還具有PA行規(guī)。

本文將采用ProfiBus?DP和ProfiBus?PA通信協(xié)議來構建過程控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)架構

本過程控制系統(tǒng)用于模擬對工業(yè)現(xiàn)場液位、溫度等信息的采集、處理，PID控制和控制工藝流程的實時監(jiān)控。系統(tǒng)通過ProfiBus現(xiàn)場總線進行數(shù)據(jù)傳輸和交換，采用MPI通信方式與上位機進行通信和遠程控制，從而使整個控制系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡化和數(shù)字化。控制系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

系統(tǒng)主要包含上位監(jiān)控機、CPU、以太網(wǎng)通信模塊、DP鏈路、分布式I/O和變頻器DP從站、溫度和壓力變送器、閥門定位器、電磁流量計等。CPU采用Siemens的S7300 315?2 DP，既具有多點通信功能的MPI接口，又具有ProfiBus?DP通信功能 [6]。

過程控制系統(tǒng)論文:“熱工過程控制系統(tǒng)”及其課程設計教學改革探索

摘要：“熱工過程控制系統(tǒng)”在熱工過程自動化專業(yè)課程體系中為核心專業(yè)課程，該課程在提高熱工過程自動化專業(yè)學生的專業(yè)實踐能力方面處于極其重要的地位。針對火力發(fā)電機組技術的發(fā)展和電力企業(yè)對熱控技術人員的要求，從教學大綱、教學內容、教學方法和手段、實驗環(huán)節(jié)以及課程設計等方面探討了“熱工過程控制系統(tǒng)”及其課程設計教學改革，在實踐中取得了良好的教學效果。

關鍵詞：熱工過程控制；課程設計；教學改革

長沙理工大學（以下簡稱“我校”）熱工過程自動化專業(yè)主要面對發(fā)電行業(yè)，學生主要在火力和核電等發(fā)電行業(yè)就業(yè)。根據(jù)我校辦學特色及熱工過程自動化專業(yè)培養(yǎng)目標，立足電力行業(yè)，突出電力特色。“熱工過程控制系統(tǒng)”課程主要講授過程控制的基礎理論知識，包括單回路、串級、前饋、比值、解耦等典型控制系統(tǒng)的分析、設計、參數(shù)整定方法，以及火力發(fā)電廠汽包鍋爐蒸汽溫度、汽包鍋爐給水、鍋爐燃燒過程、單元機組協(xié)調等控制系統(tǒng)的構成、原理和系統(tǒng)分析。該課程作為熱工過程自動化專業(yè)核心主干課程，占有舉足輕重的位置，因此該課程的建設一直受到院系的高度重視。通過該課程的教學，使學生能夠運用過程控制原理，結合火力發(fā)電過程對象，從事熱工過程控制系統(tǒng)的分析、設計、運行與開發(fā)研究工作，增強學生的工程實踐能力，進一步加深對火力發(fā)電廠鍋爐各子系統(tǒng)的認識和理解。基于此，課程組對該課程從教學內容、教學方法、實驗環(huán)節(jié)及課程設計等方面進行了探索性的教學改革，并在實際教學過程中取得了良好的教學效果。

一、“熱工過程控制系統(tǒng)”課程教學改革

1.根據(jù)人才培養(yǎng)要求，更新教學大綱

教學大綱是課程教學內容的教學指導文件。經(jīng)過課程組多次討論，結合最新專業(yè)培養(yǎng)計劃，按照拓寬基礎、加強素質教育、培養(yǎng)創(chuàng)新能力和工程能力的思路擬定了“熱工過程控制系統(tǒng)”及“熱工過程控制系統(tǒng)課程設計”兩門課程的教學大綱，進一步明確了該課程及其課程設計在整個專業(yè)課程體系中的地位和作用，規(guī)定了基本教學任務和要求。

2.課程教材建設

教材是進行課程教學的基本工具，是進行教學工作、有效提高教學質量的重要保證。該課程在教學中使用過兩種正式出版教材，總體來看，所用課程教材內容比較全面。但是，由于熱工過程控制技術和火力發(fā)電機組技術的不斷發(fā)展，教材中有些內容就顯得較陳舊，為此根據(jù)最新擬定的教學大綱，并參考國內有關火力發(fā)電機組最新技術和過程控制相關教材，結合課程組近幾年形成的教學經(jīng)驗，編寫并出版了“熱工過程控制系統(tǒng)”課程的新教材。[1]

3.更新教學內容

“熱工過程控制系統(tǒng)”課程內容幾乎涉及到本專業(yè)先修的所有專業(yè)基礎課程與專業(yè)課程。在組織課程教學內容上，根據(jù)最新出版的教材，每學期課程組依據(jù)收集的火力發(fā)電機組最新技術和過程控制技術在火力發(fā)電機組上的最新應用，在學期末課程組開會集體研究、整理，提煉出必要的內容充實到下個學期的課程教學中，不斷更新教學內容，保持教學內容的前沿性和新穎性。同時注重不同專業(yè)課程內容之間的銜接，將檢測技術、控制儀表、集散控制系統(tǒng)、鍋爐原理、汽輪機原理、智能控制技術與控制系統(tǒng)仿真技術等知識融入到具體的控制系統(tǒng)分析和設計中，以有利于培養(yǎng)學生熱工過程控制系統(tǒng)的分析、設計能力。[2]

4.改進教學方法和教學手段

在課堂紀律管理方面上，制作簽到點名表格，學生上課時自己在簽到表格上填寫自己的姓名和學號。通過學生簽到點名方法，既節(jié)省了全班學生姓名點名所花的時間，同時，也方便教師與學生之間的互動，并加強了對課堂的管理。在課堂上，通過學生的簽到表，可以很方便對應地找到講話、睡覺、玩手機、戴耳機等學生姓名，可通過點名或點名回答問題等方式提醒學生；與此同時，在課堂上積極跟教師互動、回答問題的學生都根據(jù)情況記錄，在平時成績上加分。

在教學方法上，注意運用啟發(fā)式和互動式教學，課程中的基礎知識點盡量講解得生動形象易懂；對課程的重點和難點問題，在講解后，采取提問或課堂討論等互動手段加強學生對重點和難點的理解。課程教學采用多媒體課件教學，對重要的理論知識及時使用MATLAB/Simulink進行仿真，進一步加強理論知識的理解。[2]比如課程中的重點和難點：PID控制器比例、積分、微分三個參數(shù)對控制質量的影響，若是只將三個參數(shù)對控制質量影響的結論告訴學生，學生比較難以理解，但是通過Simulink仿真就能生動地將PID控制器的比例帶、積分時間、微分時間三個參數(shù)變化對控制系統(tǒng)性能的影響通過曲線的形式體現(xiàn)出來，這樣就加強了學生對課程內容的深入理解。[3]

5.實驗教學改革

本課程的所有實驗都放在熱工檢測與控制技術實驗這一門綜合性實驗課程，并出版了該實驗課程的教材，由實驗室老師講授，并指導學生獨立完成實驗。針對熱工過程控制系統(tǒng)課程內容，開設了六個實驗，包括單容水箱液位數(shù)學模型的測試、雙容水箱液位數(shù)學模型的測試、單回路定值控制系統(tǒng)、水箱液位與流量串級控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)和上下水箱液位前饋-反饋控制系統(tǒng)。通過實驗，使學生對對象動態(tài)特性的測量方法，單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、前饋-反饋控制系統(tǒng)等控制系統(tǒng)原理及其調節(jié)器參數(shù)整定方法有了進一步的認識。

二、“熱工過程控制系統(tǒng)課程設計”教學改革

“熱工過程控制系統(tǒng)課程設計”是熱工自動化專業(yè)繼“熱工過程控制系統(tǒng)”課程之后一項重要且必不可少的工程實踐教學環(huán)節(jié)，是完成書本知識到實際運用能力轉變的關鍵步驟，其學時為兩周。其目的是培養(yǎng)學生運用所學的熱工過程控制系統(tǒng)的設計和分析理論知識解決工程實際問題的能力，進一步發(fā)掘和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和工程實踐能力，主要從教學大綱、課程設計指導書、課程設計選題、指導教師的團隊化、課程設計與生產(chǎn)實習的關聯(lián)性等方面進行改革探索。[4]

1.改革目標

按照熱工自動化專業(yè)的“厚基礎、寬口徑、強能力”的要求，結合“熱工過程控制系統(tǒng)”課程教學改革，使學生在完成課程設計任務的過程中進一步加深對過程控制理論知識的理解和掌握，并在該課程設計過程中努力提高學生的創(chuàng)新精神、實踐能力。

2.課程設計選題優(yōu)化

“熱工過程控制系統(tǒng)課程設計”主要圍繞火力發(fā)電廠鍋爐各個子系統(tǒng)進行控制系統(tǒng)設計，給出了過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設計、再熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設計、汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)設計、磨煤機多變量解耦控制系統(tǒng)設計與燃燒過程控制系統(tǒng)設計等5個子課題，4～6名學生一組，每組對應一個子課題，要求必須完成該組課題的方案設計、系統(tǒng)構建、參數(shù)整定、結果分析和答辯等任務，進一步提高培養(yǎng)學生的綜合應用能力和創(chuàng)新能力。

3.指導教師的團隊化探索

學生工程能力的培養(yǎng)，指導教師是關鍵。指導教師必須有豐富的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，有相當?shù)慕鉀Q實際問題的積累。加強“熱工過程控制系統(tǒng)課程設計”指導教師師資隊伍建設，聘請學校附近電廠的熱工骨干技術員擔任輔助指導教師。整合理論課授課教師、實驗課指導教師、課程設計指導老師、運行實習指導教師及電廠技術員五者優(yōu)勢資源，探索課程設計指導教師團隊建設模式。

4.強化課程設計與電廠運行實習的關聯(lián)性

我校熱工過程自動化專業(yè)的“熱工過程控制系統(tǒng)課程設計”和“電廠運行實習”都在大四第一學期開展，進一步分析課程設計與電廠運行實習的內在聯(lián)系。合理安排課程設計與電廠運行實習時間安排，根據(jù)不同的課程設計題目對學生的電廠運行實習的教學內容進行有針對性的強化安排，強化課程設計與電廠運行實習的關聯(lián)性，使得課程設計和電廠運行實習都能取得良好的效果。

三、結束語

在近幾年來的教學中，對“熱工過程控制系統(tǒng)”及“熱工過程控制系統(tǒng)課程設計”兩門課程教學改革進行探索與實踐，逐步完善了教學過程中的各個環(huán)節(jié)，在教學大綱、教學內容、教學方法和教學手段、實驗教學以及基于工程能力培養(yǎng)的課程設計等多個方面，都進行教學改革探索。通過這門課程理論教學及其課程設計的教學，使學生在面對火力發(fā)電廠時，加深了對熱工過程控制系統(tǒng)的分析、設計、參數(shù)整定、仿真研究等理論知識的整體認識，并提高了學生的工程實踐能力，使理論知識和工程實踐得到了有效的融合。

過程控制系統(tǒng)論文:基于網(wǎng)絡監(jiān)控的供水過程控制系統(tǒng)

摘 要：針對目前水廠管網(wǎng)供水過程控制需求，設計供水過程綜合控制系統(tǒng)，用網(wǎng)絡將三套水廠控制系統(tǒng)連接監(jiān)控，每套系統(tǒng)對水位、壓力和流量檢測，可對三套系統(tǒng)進行多種綜合控制；并嵌入視頻監(jiān)控，監(jiān)視水質和設備安全等；還引入labview信號處理模塊，為現(xiàn)場調試和信號分析提供有力條件，最后探討了Internet引入遠程監(jiān)控的可行性。

關鍵詞：網(wǎng)絡控制，視頻監(jiān)控，穩(wěn)壓供水，WinCC，變頻器

1 前言

本供水系統(tǒng)從能源的最佳配置及安全角度出發(fā)，針對水廠多臺中等距離水泵聯(lián)網(wǎng)供水系統(tǒng)，綜合現(xiàn)代網(wǎng)絡控制技術，設計一個以工業(yè)現(xiàn)場實際生產(chǎn)控制的綜合性、多功能網(wǎng)絡供水控制系統(tǒng)，這個系統(tǒng)具有遠程web監(jiān)控、復雜的關聯(lián)控制、生動的組態(tài)監(jiān)控界面、對輸入輸出信號采集分析等功能。通過對工業(yè)供水、流體控制、城市供水、虛擬儀器應用、SCADA軟件應用的研究和綜合，結合實際資源和條件本文提出了這個網(wǎng)絡供水模型控制系統(tǒng)。并探討了遠程web監(jiān)控的可行性。該系統(tǒng)采用采用WinCC監(jiān)控組態(tài)軟件作為上位機，下位機西門子S7-300PLC進行控制，現(xiàn)場采用MPI總線網(wǎng)絡，對水面以攝像頭進行視頻監(jiān)控，遠程以因特網(wǎng)連接，利用虛擬儀器軟件優(yōu)化控制參數(shù)，使控制達到最優(yōu)。從而可實現(xiàn)對復雜的供水網(wǎng)絡進行聯(lián)網(wǎng)調度控制。

2 系統(tǒng)功能

控制系統(tǒng)分別由A、B、C三套獨立中距離的設備組成，由一臺PC機作為上位機進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理，并與Internet連接。下位機具有多種監(jiān)測和控制功能，系統(tǒng)具有以下特點：

（1）流量、壓力、液位等過程量的檢測，從而實現(xiàn)精確的流量、壓力、液位控制；方便的數(shù)據(jù)記錄和管理；（2）通過視頻對危險或緊急事件進行監(jiān)控報警；（3）利用虛擬儀器軟件和相應硬件采集處理系統(tǒng)的輸入輸出信號，使控制得到最優(yōu)化；（4）現(xiàn)場總線網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程設備間的關聯(lián)控制，實現(xiàn)對分散設備的集中操作和管理；能基于因特網(wǎng)或者局域網(wǎng)實現(xiàn)基于Internet的操作和監(jiān)視。

系統(tǒng)模型如圖1，現(xiàn)場中單個系統(tǒng)的各個傳感器采集到信號后通過信號處理模塊處理（AD轉換）后把數(shù)字信號傳到 PLC（CPU），然后CPU根據(jù)此信號進行相應的動作；適配器是連接PLC與PC機的橋梁。水質監(jiān)控的模擬中采用的總線類型是目前較熱門的USB，當然用戶也可根據(jù)所提供的硬件選擇不同的總線類型，只需解決相應的通信協(xié)議問題就行了。各個系統(tǒng)之間的PLC通信可通過與CPU配套的外接口進行MPI通信，而各PC機之間則通過Internet進行相互的連接。

3 控制系統(tǒng)硬件設計

硬件結構是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的載體，有上下位機組成。上位機采用可靠性較高的西門子工控機，通過MPI網(wǎng)絡與現(xiàn)場控制的下位機PLC連接。下位機控制系統(tǒng)需要對輸入輸出模塊、傳感器、執(zhí)行器、控制器及其等關鍵硬件進行選型。本系統(tǒng)選用模塊化的西門子中型300系列的S7-312C的CPU；遠程壓力傳感器的模擬信號通過多通道輸入模塊，轉換成數(shù)字信號送到控制處理器；利用控制處理器中的數(shù)據(jù)處理和控制程序進行數(shù)據(jù)處理和判斷；輸出模塊332控制信號控制電動閥、變頻器等執(zhí)行器來控制流量、水位和供水壓力等；安裝有6個壓力傳感器，可對管道的多個監(jiān)測點和池子的壓力進行，還裝有兩個流量傳感器，這可分別測量管道多點的水流量大小。本系統(tǒng)的執(zhí)行器是一臺有變頻器控制調速的電機水泵及一臺恒速水泵，可以方便根據(jù)需要進行調節(jié)。采用性能優(yōu)良的攝像頭和視頻采集卡與工控機相連接，可得到水池和需要監(jiān)測的生產(chǎn)現(xiàn)場的視頻信號，然后用OLE技術可以把視頻界面嵌入到工控機的人機界面，還可以進一步對該視頻信號進行處理，以實現(xiàn)特定的事件處理，如自動的環(huán)境安全監(jiān)視、設備運行狀態(tài)的自動監(jiān)測等等。

4系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計包括PLC、WinCC等軟件的設計，及相互之間的通訊。上位機軟件是創(chuàng)建變量、界面數(shù)據(jù)輸入與實時顯示、數(shù)據(jù)采集管理、故障診斷、上下位機通信及視頻處理等，其過程大致這樣：建立與PLC的連接和創(chuàng)建變量，建立通信連接后便可以設置用于通信對話的變量。利用圖形編輯器，進行組態(tài)、參數(shù)輸入界面。如圖2所示體現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的大概控制流程：啟動程序后進行初始化，清除寄存器里殘留的數(shù)據(jù)信息，同時傳感器采集到的信號傳經(jīng)AD模塊后傳到CPU，處理程序再根據(jù)這些信號相應的處理；其間可進行手動和自動操作。每個控制函數(shù)都獨立分配一個數(shù)據(jù)塊，這樣方便數(shù)據(jù)信息的管理和防止數(shù)據(jù)出錯。針對每個系統(tǒng)，單獨建立參數(shù)輸入界面。選擇手動/自動、控制壓力或流量對象、設定值與PID參數(shù)、函數(shù)控制、關聯(lián)控制對象、標量轉換參數(shù)輸入等。在對各個部分的信號進行及時的最優(yōu)化分析處理上，本系統(tǒng)引入LabVIEW，然后把這個信號及時反饋給控制程序，從而提高控制信號的精度。

對流量或者壓力控制時，可以直接采用完全PID算法，能夠直觀輸入和調整各PID參數(shù)，實際運算時則采用增量算法更加方便，計算工作量較少，運算速度較快，其增量式算法如下：

其中Δu（k）為k次控制的增量，A、B、C等分別為合并計算的常數(shù)。實現(xiàn)PID的控制程序由STEP7自帶函數(shù)庫的SFB 41函數(shù)實現(xiàn)，既可設定PID參數(shù)，還可設定上下限位及調用時間等多種參數(shù)。

5 網(wǎng)絡化及視頻監(jiān)控

三套設備間不僅進行聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測，并進行聯(lián)網(wǎng)控制，對水網(wǎng)供水調度。工業(yè)上的供水是一個牽涉到多方面領域的問題，這就需要解決多方面的協(xié)調性與能耗等問題。這里主要討論Web方式實行遠程監(jiān)控的可行性和實現(xiàn)方法，如圖3所示。

供水系統(tǒng)的網(wǎng)絡大而復雜，這里研究一種新的方法，可以解決目前由于傳感器的限制而難以實現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)。由于本系統(tǒng)融入了豐富的控制、監(jiān)控、虛擬儀器等現(xiàn)代先進的測控技術，可用于控制系統(tǒng)的深入研究和用于綜合性的實驗教學。而視頻嵌入牽扯到多方面的知識，如視頻信息的采集、采用什么算法進行處理，視頻調用的過程步驟等等都需要考慮。視頻調用的步驟如下：（1）用C++編號一個exe的文件，并把此文件放在所建的Wincc項目文件夾里，相應的圖像分析處理在這里可以進行功能擴展。（2）在WinCC 面板中調出個button ；（3）右擊button 彈出一列菜單，選擇“屬性”，（4）選擇屬性里的“事件”，再接著是事件里的“鼠標”，“C動作”；（5）鼠標放在編程框圖里需添加動作的位置處；接著點擊編輯動作窗口的左樹，把他們展開，然后調用windows中的program Execute)，并把program_name改為調用的路徑名即可。（6）調用的路徑里把所有的“\”改為“/”。

6 結論

該網(wǎng)絡過程控制系統(tǒng)通過一臺主機監(jiān)控，實現(xiàn)現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡檢測與控制。可以分為三組，每套有自己獨立的操作界面，可以單獨進行實驗，實時采集數(shù)據(jù)；實驗時可以大范圍改變參數(shù)，并且在屏幕上可以直接觀測到輸出量與檢測量的對應曲線。每套系統(tǒng)嵌入視頻監(jiān)控和圖像處理，將水廠的過程控制可以與視頻監(jiān)控完美結合；三臺設備的聯(lián)網(wǎng)性實驗可以很好的模擬現(xiàn)實生活中的復雜供水網(wǎng)絡，而且本系統(tǒng)具有試驗切換容易，操作簡便，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。控制軟件和監(jiān)控界面的運作在實驗裝置上調試通過，并達到預期的效果。本系統(tǒng)的關聯(lián)控制是通過建立數(shù)據(jù)塊的映射實現(xiàn)的，所以只要把數(shù)據(jù)塊循環(huán)刷新便可實現(xiàn)關聯(lián)控制，而不依賴于通訊網(wǎng)絡的結構。視頻監(jiān)控模塊可以方便地嵌入過程控制實驗系統(tǒng)中，這也是結合了當前工廠實際技術發(fā)展的需求方向。