发布时间：2022-05-10 09:04:04
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[摘 要]邯钢中板厂中板线轧机二级过程控制系统是技术升级后生产线的重要组成部分。此过程控制系统中主要包括数据通讯、数据管理、过程跟踪和模型计算等主要功能。完成后，结合实际生产过程，对该二级系统厚度控制模型、温度模型及轧制力模型等均进行了参数优化调整，进一步提高了系统模型预测数据准确性，保证轧机轧制模式稳定运行。
[关键词]过程控制系统；数据通讯；数据管理；过程跟踪；模型计算
1 前言
中厚板材市场竞争日益激烈，对中厚板材生产控制自动化水平的要求也越来越高。因此邯钢中板厂中板线进行了技术升级，二级过程控制是此的重要组成部分，主要包括数据通讯、数据管理、过程跟踪和模型计算功能。其中二级模型计算功能在中厚板生产中可以提高尺寸控制精度、成材率、轧制节奏及减轻操作强度，保证设备安全进行，有利于故障分析和质量分析。通过此次技术升级，产品厚度稳定性大幅提高，成材率同比提高0.55%，成效明显。
2 工艺布置
邯钢中板厂中板线轧机区主要设备及检测仪表布置如图1，主要包括两座加热炉、一个四辊轧机、轧机前后推床、高压水箱、7个高温计、1个测厚仪。二级过程控制系统的控制范围是从高压水箱输送辊道到矫直机前输送辊道。
3 过程控制系统
过程控制系统各功能模块的组成如图2所示，包括数据通讯、数据管理、过程跟踪和模型计算四个功能模块。
3.1 数据通讯
数据通讯模块每一个周期从基础自动化系统接收一批数据，譬如高温计等检测仪表的实测数据和各种实际的控制信号。然后二级过程控制系统保存、处理这些数据，对模型计算需要各种实测数据提供依据。并且与人机界面（HMI）系统进行数据通讯，读取WINCC的数据，实现人机界面的各种按钮功能，并在数据变化时随时更新，以至于最新的数据信息可以及时地在人机界面上显示出来。
3.2 数据管理
数据管理主要包括将数据写进数据库操作和从数据库中读取数据的操作。写数据操作是将炉内坯料的数据情况存入数据库中，从坯料的入炉时刻到出炉时刻，直到坯料轧制结束，将整个轧制过程的工艺参数和模型自学习系数均写入数据库中。读取数据库操作是指对出炉的坯料进行确认，将所查询得到的数据赋值到过程跟踪模块中，将轧件数据在内存中存储用于后面的模型计算。
3.3 过程跟踪
轧机二级系统根据三级发送的报文信息进行物料跟踪和数据指标的计算等，然后向一级发送轧钢控制指令。从加热炉装炉开始一直到轧机，对轧线上的每一块钢坯位置、状态等信息都进行准确详细的跟踪，保证数据完整无误，以提高二级数据计算的准确性。并且过程跟踪模块根据轧件实际生产数据判断坯料最佳出炉时刻，在避免前后轧件碰撞的前提下，缩短轧机的间歇时间，提高轧制节奏。
3.4 模型计算
中板线技术升级后主要体现在产品厚度稳定性大幅提高，成材率同比提高0.55%。而与厚度精度密切相关的模型有两个：轧机弹跳模型和轧制力计算模型。
7 结论
1）邯钢中板厂二级过程控制系统自技术后一直运行稳定，能够很好完成现场的实际需要，轧制节奏也相应提高；
2）本系统能够提高设备的自动控制水平及控制精度，减轻了操作强度，保证了设备安全稳定运行；
3）通过数学模型计算产品厚度稳定性大幅提高，成材率同比提高0.55%，后厚度控制得到明显改善。
【摘 要】本文介绍了过程控制系统PCS7在中间二氧化钛（TiO2）生产过程控制中的应用，讨论了该控制系统中的硬件配置，控制网络和软件编程等内容。通过这几年的使用，该控制系统稳定可靠，实现了模拟仪表无法完成的复杂算法及管理功能，而且其性价比远高于模拟系统，特别适合化工工艺过程控制。
【关键词】中间二氧化钛（TiO2）；PCS7 冗余控制Profibus
引言
近几年我国的钛白粉行业发展迅猛，国内对高档钛白粉的需求不断的提高。相应的对钛白粉生产的控制要求也越来越高。中间二氧化钛是氯化法钛白粉生产的过程中间产品，是生产不同用途钛白粉产品的基础原料。
因此本文采用西门子过程控制系统PCS7，使得中间二氧化钛（TiO2）生产过程控制平稳，提高了产品的产量和质量。
1 工艺简介
四氯化钛预热后，通过三氯化铝发生器进入氧化炉。同时，氧气经过预热后进入到氧化炉。在氧化炉里氧气与四氯化钛反应，生成中间二氧化钛（TiO2）和尾气。中间二氧化钛（TiO2）经过产品冷却器冷却进入袋滤器进行气固分离后，进入打浆脱氯罐，尾气返回氯化工序循环利用。打浆脱氯后的中间二氧化钛（TiO2）浆料进入后处理工序。
2 硬件配置
鉴于氧化系统的重要性，充分考虑系统安全可靠性，采用以S7-400H为主控制器构成的PCS7冗余控制方案，中央处理器采用CPU414-4H，I/O处理单元采用ET200M。为了保证系统可靠性，电源和通信采用冗余配置方案，Profibus-DP总线采用PROFIBUS电缆，保证了系统安全等级需求。采用双控制器，双电源模块。双通信模块，对于系统中的重要监视点，采用了冗余AMT硬件。系统有无扰动切换功能。容错型和安全型可满足供电中断和故障保护等特殊要求。
3 上位机系统
本系统的上位机系统使用WinCC控制，上位机系统和控制系统通过100Mbps的工业以太网络连接。上位机由操作站和工程站等主要设备组成。
工控机采有西门子工业计算机，型号为西门子RACK PC IL 43，配置主流硬件，在稳定性，安全性上有很好的保障。
4 模件配置
每个ET200M分布式I/O站的有源背板总线上插有2个IM153-2通信接口模块，分别通过2条独立的Profibus-DP现场总线与AS-400中央控制器进行实时通信。在系统运行过程中，当其中某一个IM153-2通信接口模块发生故障时，系统能自动地切换至另一个IM153-2通信接口模块，并可带电热插拔更换有故障的通信接口模块，不会影响到系统正常运行。
Profibus提供强大的系统级故障诊断能力，从总线系统的任意一点可通过Profibus-DP进行诊断、编程和控制，可以实时精确定位故障发生点和在线监控通讯负荷，并可通过人机界面实时显示。
现场的仪表所采集的信号中模拟量输入信号大多为4～20mADC的二线制和四线制信号，输出为4～20mADC信号，部分模拟量信号通过安全栅引入。数字量为干触点或有源信号。数字量的输出信号由带状态指示灯和外带保护二极管的继电器送至现场仪表。
5 控制系统
S7-400H按照“热备份”模式（无冲击、出现故障自动切换）的活动冗余原理运行。只要没有故障，两个子单元都是活动的。如果发生故障，起作用的控制器全面接管过程控制。为了确保无冲击切换和快速可靠地交换资料，需要使用中央控制器连接。
冗余自动化控制站（AS414-4H）用于实现现场设备的运行状态监测、数据采集及处理、自动闭环回路控制、电气设备开关控制等系统控制功能。
SIMATIC PCS7系统具有高度扩展能力、强大的综合通信能力、扩展的集成系统功能和易于执行的中央和分散结构。AS414-4H更采用了最新的冗余技术，两个CPU之间通过高速光纤同步专线相连，它可像标准PCS7系统那样进行处理、编程和设计。
6 电源系统
电源系统将由24VDC的直流电源构成冗余的24VDC供电系统，直流电源都将具有足够的容量和适当的电压，能满足设备负载的要求。任一路电源故障，将会自动切换，以保证任何一路电源的故障均不会导致系统的任一部分失电。
直流电源系统由西门子SITOP电源构成冗余的供电系统。
7 网络配置
在本系统中采用交换式工业以太网作为连接操作员站和自动化系统站的系统总线。通过CP-443-1通信处理模块，将S7-400H连接至工业以太网的通讯处理器。由于自身具有处理器，从而解除了CPU的通讯任务并减轻CPU的通信负载，还有助于另加连接
快速交换式工业以太网在工业以太网的通信协议基础上，将通信速率提高到了100Mbps。由于采用了全双工并行通信模式，允许站点同时发送和接收数据，通信速率可提高一倍。
8 软件设计
系统的组态软件为SIMATIC Manager，所有的组态工作均在工程师站上完成。系统采用集中的、从上到下的组态方式，其中包含上位机的操作员站和工程师站配置、下位机的CPU设置、对应的I/O通道建立以及与他们想连接的网络配置，具有集中的、友好的人机界面。过程控制与监视采用图形化组态，方便易用。人机接口部分的组态软件是WinCC。
9 WinCC组态
SIMENS PCS7系统采用了 Microsoft的SQL2000作为WinCC数据库管理系统。
9.1 CFC控制
CFC是一种简洁的图形组态工具，主要用于连续过程的自动化控制的组态，采用IEC-1131的标准。用CFC运行组态是以功能块为基础的，系统配置了很多预编程的功能块。因此，采用CFC可以完成很复杂的大型控制任务。
9.2 顺序控制
SFC也是一种图形组态工具，它也采用了IEC-1131的标准。组态时首先画出顺序图，图中可选择顺序、并行分支、交替分支和回路等局部结构，用大小两种方块分别表示步骤（Step）和转移条件（Transition）。因此，可把CFC中的信号引入SFC中。CFC与SFC的交替使用，可以很方便地实现复杂的顺控任务。
10 应用中应注意的问题
10.1 系统接地
每个PLC柜的屏蔽条和系统地通过电源电线汇总到一起后接地。PCS7系统的每一个主要部件，如输入输出卡件、卡件安装机架、现场接线端子板等均设有接地端子。接地电阻要求小于4欧姆。
10.2 ET200M分布式I/O站
现场控制站的ET200M分布式I/O站通过Profibus-DP现场总线与AS-400中央控制器实现通信，主要功能是采集现场I/O信号，通过ET200M的I/O信号接口将现场数字量或模拟量信号传送至中央控制器（CPU414-4H），同时将中央控制器发送来的控制信号送至现场。
11 结束语
由于采用了自动化程度高且安全可靠的PCS7控制系统，使得中间二氧化钛（TiO2）的生产周期和产品质量都得到了较大程度的提高，包括本控制系统在内的氯化法集成技术获得了省科技进步一等奖，为氯化法钛白粉的生产的自动控制技术积累成熟的工业生产经验。
【摘 要】针对八钢4200mm/3500mm中厚板轧机，由宝信开发的二级计算机控制系统。在这套计算机过程控制系统中包括了数据通讯、过程跟踪、模型计算、相关的实时数据采集和统计处理、生产实绩收集、处理等主要功能。
【关键词】中厚板轧机；计算机过程控制；数据通讯；模型计算；过程跟踪
0 引言
将计算机应用到轧制过程，并以其为核心，由它按预定的程序来处理和加工与过程有关的信息，对过程进行有效的监督、控制和管理，所有这些就叫做计算机轧制过程控制。为了使轧制过程稳定，并生产出厚度在公差范围内且有良好的板形和表面质量的产品，必须根据具体的轧制条件正确的调整辊缝和速度，以及对过程进行实时的调节。产品的质量、产量等直接与控制系统的稳定性和计算的准确性有着密切的关系，因此采用计算机进行工艺的过程控制一直是人们关心的重要研究课题。
八钢中厚板生产线采用分布式控制系统，按功能层次可以分一下四个等级，如图1所示。
1 硬件配置
L2过程机系统由一台轧线计算机（惠普服务器）、精整线计算机（惠普服务器），每台计算机都有备用计算机。系统采用冷备方案，备用机兼做开发机。
2 系统软件分层说明
最底层：WINDOWS 2003 Server操作系统，构成系统软件的基础。
第二层：ORACLE数据库，专门用于过程数据的存储；SOCKET通讯：采用了当今比较流行的双紧凑的、面向连接协议的Client/Server方案。
第三层：为宝信中间软件iPlature以及XCOM-PCS，iPlature主要功能有画面、报表、通讯、ALARM管理系统等组成，为应用软件提供强有力的支撑。XCOM-PCS 目前主要完成了采用Tcp/ip通信的电文的处理。
第四层：公用子程序及应用软件。直接进行iPlature调用。
3 L2在整个系统中的位置
L2系统不但接收生产管理系统MES下发的计划（即图中的原始数据PDI）同时也向生产管理系统MES发送各环节的生产实绩。
L2负责与L1通讯，L2调整所有的设定值并发送给L1，L1将必要的测量值，跟踪信息等实时信息直接发送给L2。L2除了和L1通讯外，还包括了L2和标志机等一体品设备的系统的通讯。
所有系统之间都是通过TCP/IP协议通讯。
4 功能描述
4.1 道次计划计算
道次计划计算是整个轧线L2系统的核心任务，该功能是L2存在的根本原因。道次计划计算通过相应的模型公式计算道次压下分配规程，在轧机的作用下实现将板坯变成钢板的任务，并且保证最终产品达到尺寸、性能、板形等要求。
道次计划计算包括预计算和再计算、后计算以及自适应。板坯抽出时，根据板坯原始尺寸、出炉温度以及成品尺寸和终轧温度就可以计算一个完整的道次计划规程，轧机根据此规程基本可以将板坯轧制成为符合要求的钢板。为了得到高质量的产品，道次计划会根据轧制过程的实绩反馈，修正计算后续道次，并再设定给轧机执行，此为再计算。
4.2 温度计算与监控
板坯的温度计算对于轧制过程的力能参数计算极为重要，温度是计算轧制力、待温时间、冷却时间等的基础。
在道次计划计算时，根据给定的初始温度，以及相关参数，温度计算可以预测板坯进入轧机前以及各个道次的温度。
待温轧制是中厚板轧制的特点，因此温度监控的目的就是为了周期性计算处于轧线上待温阶段的板坯的温度，通过周期计算板坯的温度，可以提示操作人员板坯的待温情况。并可以激励板坯道次再计算，对后续道次规程进行修正。
4.3 轧线材料跟踪
材料跟踪是跟踪材料，根据材料的位置来协调调度过程控制的所有程序，材料轧线材料范围是从加热炉炉内开始到矫直机入口，在这段过程中材料跟踪对材料处理进行跟踪。材料跟踪在这个区域中的任务可以划分以下几个部分：
按照辊道分区，记录生产线的材料映象，任何时候都能得到所有材料的物理位置。
当材料到达或离开轧机某个位置时，材料跟踪必须准备好相关的材料数据（包含PDI数据，加热炉数据和其他相关数据），同时激励其他相关软件。当吊销材料时删去相关材料数据。
当跟踪映像和实物映像不一致，或跟踪异常时，操作工可以进行跟踪修正，确保跟踪映像与实物位置的一致性。
4.4 轧制计划管理
轧制计划管理接收部分加热炉系统已经存在的PDI数据，接收的数据按板号存储于数据库中，有画面对完整的轧制计划数据进行生成和调整等管理。人工可以通过该画面进行计划的输入，删除，修改等功能。
每个原始数据都包含板坯，轧制的板，母板和合同板的数据，此外还有板号，板坯号，板坯尺寸，产品尺寸数据，轧制指示（控温轧制，多块轧制，转钢），化学成份，合金补偿系数，最终温度，ACC入口温度，ACC冷却速率，出口温度等。
当该材料生产结束，计划数据将要记录保存。
4.5 设定功能
基于精确的材料跟踪，当材料到达指定的位置时，过程计算机给L1和特殊仪表进行设定，对轧机的设定工艺参数来源于道次计划计算，在设定时要对设定的参数进行最后的校验，防止出现引起设备超过极限能力的情况出现。
在跟踪不正确的情况下，操作人员可以从操作画面上对跟踪进行修正，在修正后把正确的设定数据发送给L1。操作人员可以对设定的数据进行修正。
4.6 实绩值收集处理
过程机接收来自PLC和特殊仪表的数据，由于来自于传感器的裸数据不能直接用于反馈控制，测量值必须要进行过滤和统计处理。测量值处理数据同时能够为工艺和自动化技术人员提供轧制生产信息以及用于产品质量分析。
L2的数据采集轧机的实际数据有水平辊的轧制压力，力矩，辊缝，速度，温度和计算的厚度，轧制信号等。
4.7 数据通信
利用宝信软件产品XCOM-PCS，实现与其他计算机系统的通信，具体电文格式参见基本设计规格书通信接口篇。轧线计算机加热炉计算机，精整线计算机，轧线L1，ACC计算机和仪表通信。其中轧线计算机与精整计算机之间运用了iPlature的相关功能，主机之间无需采用电文方式通信。
4.8 报表
报表程序负责工程记录的报表打印。这些报表反映了材料在生产过程中的相关数据，有如下的报表：
工程报表：包括的数据是轧制设定计算所涉及的数据，这些数据包括了材料相关的数据、来自轧制策略的数据、道次计划计算值、材料和轧机操作相关的重要数据。
班报：记录当班生产的产量，质量和停机情况。关于报表，具体格式可与用户商量讨论后确定。
5 结束语
中厚板计算机过程控制系统作为实现八钢信息化目标中的重要环节，其采用先进的工艺模型和控制技术，使厚板质量得到极大进步、生产治理更方便，增强了八钢产品的竞争力，其重要性也会在以后的生产当中越发的凸显。
摘要：过程控制系统是指在生产企业的制造自动控制系统中管理生产制造过程数据的计算机系统。过程控制系统通常需要将生产制造过程中各个设备的设定值进行计算，对生产过程中的数据以及产品质量数据、设备运行数据进行收集与整体，并完成生产计划数据、生产原料数据以及生产成品数据的统计，对物料在生产过程中进行全过程监视，并对不同的设备之间的运行状态进行统一的调节。
关键词：过程控制系统；设备数据管理；日志系统
1.过程控制概述
过程控制的主要任务是指通过各种的协调方法与协调措施，对生产制造过程中的各个设备的数据以及产品制造数据等进行统计与分析，从而防止生产过程中可能发生的生产计划脱离与目标偏差，并对已经出现生产计划脱离与生产制造目标偏差等问题进行处理，最终保证生产制造活动的顺利完成，保证生产进行控制、在制品控制、以及生产制造过程中的成本控制与质量控制。
过程控制系统一般是指由被控对象、测量变送、计算机和执行机构组成的闭环控制系统。其中控制器的设计用到经典的控制理论和现代控制理论，并通过计算机来进行相关操作与实现。计算机控制的建立在自动控制理论和计算机技术为基础之上的。其中，自动控制理论是计算机控制的理论基础。而不断发展的计算机技术为自动控制理论的发展与应用提供了丰富的空间。计算机网络以及各种通信技术的发展，使得过程控制的范围与阶段极大的得到了扩张。目前，企业生产管理的全过程的信息化的实现方法逐渐趋于成熟。
过程控制系统所涉及的数学基础可以从以下几个方面进行了解。由于在生产制造过程中的大部分物力参数通常通过模拟信号来进行表示，而计算机采用的信号通常是数字信号，为了保证信号传递的通畅无阻需要进行数模转化，从而实现两种不同信号的转换。过程控制系统通常起到的作用体现在连接生产管理系统与基础自动化系统的连接作用上。除了这些工作，过程控制系统还要对生产过程中不同的数据进行有效的管理。所以控制系统中需要进行信号的采样、信号的保持以及信号的变化。要对生产制造过程中的数学模型分为输入与输出模型和状态空间模型两种类型。输入输出模型主要是为了描述过程在输入函数的作用下的输出特性，它只刻画过程的外部特征。而状态空间模型则对过程的内容进行描述，通常揭示了过程内部的运动状态。
现代过程控制理论为过程控制系统提供来了理论技术。通过利用现代过程控制理论，不但可以有效地解决简单控制的问题，而且可以设计复杂的控制系统。特别是多输入与多输出系统，非线性响应系统，时变系统以及随机系统等等。现代控制技术涉及到过程控制的很多方面，比如系统状态的最优估计、最有控制、过程识别以及自适应控制等等。
2. 过程控制系统的主要功能与技术要求
过程控制系统具有以下功能：与生产管理计算机进行通讯的功能；能够接收并管理生产计划数据的功能；原料数据与生产要求数据的功能；工作人员交接班数据的功能；向生产管理系统发送生产计划申请的能力；原料数据申请的能力等等。
企业的生产作业计划一般采用如图1所示的模式。通常企业根据客户的需求制定整个产品的生产需求计划，并根据产品各个部件的零部件特征分发至各个加工车间，制定不同零部件的加工计划。为了保证生产作业计划的顺利完成，需要根据生产作业计划进行生产进度控制；为了实现产品制造过程中消耗资源与费用的降低，需要进行通过过程控制系统成本控制；为了经常保持科学的原材料、在制品的数量，需要进行高效的库存控制。这一系列工作于过程控制系统密不可分。
3. 现代生产企业的过程控制信息系统组成层次
现代生产企业的信息系统包含了过程控制层、制造试行层以及企业资源规划层。其中由于过程控制直接面向企业生产过程，因此对过程控制系统要求具有极高的实时性、可靠性、数据完整性与可用性。过程控制系统的工作原理如图2所示。
当前先进的网络技术为过程控制的实现提供了强有力的实施基础。现场总线是过程控制系统实现的重要基础。它与Internet等信息网络系统具有明显的区别。一般而言，现场总线是在标准网络协议的基础上实现的，并进行了一定的简化。现场总线一般只包括IOS/OSI七层模型中的三层。也就是现场总线只具有物理层、数据链路层以及应用层。过程控制系统利用现场总线，将企业生产自动化系统中最低层的现场控制器与现场职能仪表设备互联形成实时控制的通信网络，也被称为工程的底层网络。
过程控制因素是生产过程建模的参数，一般而言它是由不同模式下的生产特征与生产过程控制决策所共同决定的。在生产过程中，在制品的控制的最终目标是为了将在制品的库存数量保持在一个合理的级别。即能够维持企业正常的生产，又可以保证企业生产物流的连续性，从而尽量建设企业库存量，从而尽可能的降低企业生产成本。
企业在制品的控制主要取决与车间生产类型与生产组织的形式。在大批量生产模式下，在制品的通过加工路线单与工票凭证，来保证在制品数量的稳定。随着计算机网络在生产中的应用，不同的过程控制系统应运而生。这些过程控制系统利用先进的计算技术，实现了在制品物流信息的追踪与监督，为生产过程中的控制提供了动态的数据。因此，利用过程控制系统提供的在制品生产信息，可以实现对制造过程中产品控制的最终目的。
过程控制系统能够将生产过程中产品的各种质量问题与加工失误率降至最低。过程控制系统通过建设整个制造过程中产品的质量状况，通过对原材料与不同零部件的检验，使产品在各个生产阶段的不合格率尽可能的降低。
摘 要：在钢铁行业微利的时代，如何提高我国钢铁企业的竞争力，很大程度上取决于我国钢铁企业的信息化水平。过程控制系统作为钢铁企业信息系统中重要的一环，在如何提高钢铁企业的竞争力将会发挥举足轻重的作用。介绍八钢第一炼钢厂的连铸过程控制系统，并分析该系统的应用功能。
关键词：连铸 过程控制系统 系统结构 功能描述
1 前言
八钢作为一家快速成长的大型企业，近年来更是发展迅速，从最初的20T转炉炼钢生产线到现代化的150T大型转炉炼钢，使八钢跻身成为一流钢铁生产企业。150T转炉从建设初期，就非常重视信息化建设，炼钢过程控制系统全线覆盖，而连铸过程控制系统作为炼钢系统中后的一道控制工序，在生产过程监控，提高钢坯质量和控制成本等方面起着非常大的作用。
2 连铸的工艺生产流程介绍
连铸即为连续铸钢的简称。在钢铁厂生产各类钢铁产品过程中，使用钢水凝固成型有两种方法：传统的模铸法和连续铸钢法。与传统方法相比，连铸技术具有大幅提高金属收得率和铸坯质量，节约能源等显著优势。连铸的生产工艺流程：将装有精炼好钢水的钢包运至回转台，回转台转动到浇注位置后，将钢水注入中间包，中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中去。结晶器是连铸机的核心设备之一，它使铸件成形并迅速凝固结晶。拉矫机与结晶振动装置共同作用，将结晶器内的铸件拉出，经冷却、电磁搅拌后，切割成一定长度的板坯。
3 硬件软件组成结构
3.1 硬件系统结构
主要由1台IBM xSeries 3650微机服务器，3台HP客户机，1台HP LaserJet 1505n打印机，1台CISCO2960/ 24换机，1台CISCO208/8换机和若干个网络连接设备组成。连铸过程控制服务器在L2机房服务器室，客户机一台位于连铸主控室，供连铸操作人员监控生产过程状态，另一台客户机位于连铸切割室，主要根据采集的生产数据通过切割优化模型计算出最佳切割定尺提供给生产操作人员做参考。还有一台客户机在L2机房，供维护人员使用。
3.2 软件系统结构
主要由服务器操作系统Windows Server 2008标准版，数据库软件Oracle Standard 11G，开发工具Visual Studio 2010专业版，与基础自动化通讯软件Kepware，客户机操作系统Windows 7，办公软件Office 2010等软件组成。连铸二级过程控制系统是基于微软的.NET 3.5 框架下使用C#编程语言开发。系统架构图如图1。
4 功能描述
连铸二级控制系统主要是跟踪收集连铸的生产实绩以及通过模型计算二冷水的动态配水量进行动态配水、通过跟踪数据和计算模型指导铸坯的切割和优化，以达到最佳钢水利用率。主要流程是接收三级系统的生产计划以及前工序的钢水信息，跟踪采集连铸生产过程中实绩数据，同时对二冷水动态配水计算下发设定、当铸坯到达切割位置时根据跟踪数据和模型设定，下发铸坯的坯号以及切割长度。当生产完成后将连铸生产实绩上传给三级系统。基于以上流程，连铸二级过程控制系统应包括以下功能：
4.1 与上级系统的通讯
连铸二级计算机过程控制系统通过以太网（Ethernet）总线，通过TCP/IP协议与上级系统通讯。
上级生产管理系统（3级）计算机向连铸二级过程控制系统发送数据如下：
（1）接收炼钢3级系统下发的生产计划数据。（2）接收炼钢3级系统下发的生产标准数据。
连铸二级过程控制系统向上级计算机发送数据如下：（1）发送连铸炉次生产实绩数据。（2）发送连铸炉次生产状态。（3）发送连铸铸坯报告。
4.2 与基础自动化的通讯
连铸二级过程控制系统和基础自动化系统通讯，网络连接介质用工业以太网，通讯协议采用面向连接的TCP/IP协议，通过第三方软件Kepware读写基础自动化系统的数据项。
4.3 生产计划管理
生产计划是三级系统下发的与每炉钢水对应的生产计划数据。当三级系统无法运行时，该计划可由操作工录入。系统提供异常情况下对计划数据的修正和状态数据的补发功能。
当钢包到达连铸浇铸平台时，在没有传输钢包数据的时候由操作人员在一级画面上点击钢包到达的信息。当该炉次生产完成（该炉次跟踪完毕）后，系统自动把该炉次计划对应的生产实绩发送给上级计算机系统（三级系统）。
4.4 钢包管理
连铸各前工序在给连铸L2发送工序实绩的时候，会发送该炉次的钢水包信息，包括：钢包号、炉次号、重量、温度等。当连铸L2的接口程序收到这些包含炉次钢包信息的实绩后，会自动插入本系统的数据库表中。当需要查看这些钢水包信息时，通过界面程序提供查询。
4.5 前工序状态
连铸作为炼钢工艺的最后一个工序，需要了解前面各工序的状态和钢水数据信息。通过与其他工序的二级计算机系统数据通讯，并存贮在连铸二级数据库，在需要的时候，通过客户端程序的画面可以查询各前工序的炉次状态以及炉次实绩。
4.6 二冷水动态配水
二冷控制关系到连铸坯中裂纹和其它缺陷的产生。为确保生产出优质的连铸坯，必须根据钢种、浇注温度、拉坯速度、铸坯尺寸和铸机尺寸等参数来制定对应的冷却强度。该系统采用动态凝固控制模型计算各冷却段的设定值，其核心是计算沿铸流方向的表面温度分布和铸流凝固长度，并控制二次冷却系统各回路的水流量，从而达到规定的凝固长度，使板坯获得要求的表面温度。二冷水动态配水模块作为一个独立运行的模块，嵌入到连铸L2的系统里。
4.7 生产过程监控
生产过程监控功能负责为生产操作人员提供连铸工序处理信息。监控对象包括炉次计划信息（制造命令号、炉序、计划号等）；钢包信息（钢水重量、温度等）；中间罐信息（钢水重量、温度等）；各铸流生产信息（浇铸长度、拉速等）；各流结晶器信息（水流量、温差、液面高度、振动频率等）；各流二冷水信息（控制方式、设定和实际水量等）。通过读取跟踪程序的写入的实际信息，生产操作人员在HMI画面上可以直观的监视连铸浇次内每个炉次的生产过程数据。
4.8 检化验数据管理
系统接收检化验系统发送的检验数据，保存在数据库，可以在客户端界面方便操作人员查看。
4.9 过程数据跟踪收集统计（炉次跟踪和主流铸坯跟踪）
跟踪、数据收集统计是管理相关的生产过程数据，并根据用户的需求整理成炉次和方坯的生产实绩。实际生产数据由基础自动化系统通过数据通信的方式传给连铸过程控制系统。该过程收集大包、中间包的重量等信息，以及大包、中包的水口开启/关闭事件、大包到达、大包臂旋转等事件；各铸流的工作状态和实时数据，包括拉速、浇铸长度、设定定尺长度等，以及各流的铸坯切割事件。在跟踪程序里完成炉次的生产过程跟踪以及对应铸流的生产过程跟踪，并依据厂方物流规则和物料条件，给出各切割坯的实绩信息（包括铸坯长度、重量、以及材质等）完成铸坯跟踪。
4.10 报表
在每一个大包炉次连铸生产完成后，自动生成该炉次的生产实绩数据记录。该生产实绩信息保存在数据库中，操作人员可以在HMI上查看，也可以导出Excel报表。最后生成的生产实绩数据会发送给三级系统以及后续工序。
5 结束语
目前，国家信息部已提出了建设信息化企业的战略目标，建立信息化企业已成为钢铁企业发展的必然趋势。连铸过程控制系统作为实现八钢信息化目标中的重要环节，其采用先进的工艺模型和控制技术，使铸坯质量得到极大进步、生产治理更方便，增强了八钢产品的竞争力，其重要性也会在以后的生产当中越发的凸显。
【摘 要】作为计算机技术在冶金行业的最成功应用案例，包钢新体系热轧2250产线完整的采用了日本TMEIC公司的过程控制系统，系统控制范围覆盖整条产线的动作，包括除鳞，定宽，粗轧，精轧，层冷和卷取等工序，实现了高效，精确的板带轧制，从而降低生产管理成本，提高产品的竞争力。
【关键词】2250热轧；轧机；过程控制系统；PASolution
通常在冶金生产过程的分层结构中，按照功能大体可以分为4级，即传动级，基础自动化级，过程控制级和生产控制级。过程控制在结构中主要关注生产过程中的控制。利用高速网络实现控制的实时性，数学模型和模型自学习实现控制的准确性。
1 系统简介
包钢新体系2250热轧生产线采用的日本TMEIC公司的过程控制系统，整个系统主要包括非控和模型两个部分。非控部分主要包括了对轧线现场各种传感器数据的采集，提供准确的模型计算时刻，及时地把模型计算结果传送给轧线设备。控制部分主要是根据基础自动化级发送的现场数据和来自加热炉的PDI数据。在规定的时刻进行模型计算，并进行自学习。
2 PASlution平台介绍
PASolution是美国GE公司开发的中间件平台，TMEIC公司为适应现代工业自动化过程控制系统而开发的中间件。开发人员利用它可以完成过程控制系统的通信、数据采集、物料跟踪、进程管理、报警及日志等所有功能开发，为系统开发提供了便利的组态化开发平台，为系统维护提供了人性化的维护环境。PASolution在包钢新体系2250mm热连轧机过程控制系统开发过程中使用，为TMEIC轧机二级控制系统提供强大的支撑平台。
2.1 IO_service，功能是为系统中的各个进程之间提供信息通讯机制，通讯的内容包括事件和数据，其特点在于可以跨计算机跨系统平台无缝连接各进程，使各进程高效准确的进行协作工作。功能类似西门子的CORBA通讯中间件subsys实现的进程间通信。IO_service还是PASolution各组件之间联系的手段，是PASolution的基础组件，可以说是实现PASolution所有功能的基础。
2.2 Director是PASolution系统中的一个多用途的驱动引擎，也可以认为是一种进程的类，在PASolution中，用户可以用Drector生成不同的进程，通过修改Drector的配置文件来实现各种的功能，如物料跟踪，数据收集和数据接口。例如，TRK_JOB就是典型的Director例子。在Director的配置过程中，还可以配置来调用其他PASolution的组件。例如，在TRK_JOB的ioserv.cfg配置文件中，定义了对IO_SERVICE的接口，通过这种方式来使用组件。PASlution利用这个组件生成各种对象，通过继承和重载实现各种功能，完全的体现了面向对象的思想。
3 非控部分
轧机过程控制系统中的进程，通过PASolution的组件之一SSAM可以看到SCC服务器上的各个job程序，这些进程根据功能基本可以分为控制和非控制两大部分。以下几点讲述了非控制部分的主要几个job和他们之间的工作关系：
1）TRK_JOB，作为系统中最重要的job，它的作用主要是跟踪和调度，由于整个轧机过程控制系统是以事件驱动，所以物料的跟踪尤为重要。系统以钢板的跟踪位置为事件触发的条件之一（CHANGE DETECTOR对信号的监视实现），对其他JOB通过IOSERVICE的方式进行调用和通讯。例如在TRK_JOB会根据钢板的跟踪信息，在不同的位置触发MDL_JOB进行模型计算，通过定时器的使用，对MDL_JOB的工作进行监控。
2）MDL_JOB是模型的JOB，包括是SSP，RM，FM，CTC和DC的数学模型的计算，也包括模型中的前馈后馈算法以及模型自学习。
3）SET_JOB，是轧机过程控制系统向L1发送设定数据的JOB，在TRK_JOB得到MDL_JOB计算成功的信号以后，SET_JOB会从内存中提取L1所需的设定数据通过EGD网络下发给L1。
4）GAT_JOB是轧机过程控制系统用来数据收集的JOB，这些数据主要是为模型自学习和产品质量控制进行支持。数据收集后存放在POND内存中，为其他JOB提供强大的数据支持。
4 控制部分
4.1 RSU，粗轧计算模型，包括以下两个子模块
4.1.1 RSUC：粗轧设定计算
根据上位机下发的PDI数据，由外界机械极限值和操作员对模型的设定参数，计算出钢坯在粗轧机区域的设定数据，下发到定宽机，粗轧1以及粗轧2，设定数据主要包括轧制道次计划，每道次的压下量，扭矩，轧制力，轧制速度以及开轧制温度等等。
4.1.2 RMLC：粗轧模型自学习，通过对接收的实测数据进行分析，反馈到RSUC的设定计算中，实现对设定计算的在线调整作用，使设定计算更加准确。RMLC主要有以下3种学习方式：BTB，指在中间坯之间的学习。LTL，指在各个分组之间的学习，决定分组的因素有钢种，宽度和厚度等。PTP，指在各个道次之间的学习。
4.2 FSU：精轧计算模型，包括以下两个子模块
4.2.1 FSUC：精轧设定计算
在接收到RSU的中间坯数据和HTT的温度数据后，FSUC会对连轧机的设定进行计算，设定内容相比RSU增加了对张力的计算。
4.2.2 FMLC：精轧模型自学习，通过对接收的实测数据进行分析，这些数据包括轧机出口的测宽，测厚，平直度，凸度数据，通过FMLC对FSUC实现对设定计算的在线调整作用，使设定计算更加准确。
4.3 HTT：传输辊道设定模型
4.3.1 HTT Setup，传输辊道设定计算
根据RSU提供的板坯温度信息以及FSU所要求的开轧温度，HTT Setup会计算出TVD设定曲线，该曲线内容主要是在空间和时间上对钢板速度的设定。通过不断的计算和下发设定对辊道的速度进行控制，进而实现对钢板温度的控制。
4.3.2 HTT模型自学习，通过对接收辊道上的温度实测数据，反馈到HTT Setup的设定计算中，实现对设定计算的在线调整作用，使设定计算更加准确。
4.4 CTC：卷取温度控制模型，包括以下子模块
4.4.1 CTSU：层冷设定计算，通过对层冷区的辊道速度和喷水量的控制，实现对钢板温度的控制。
4.4.2 CTLC：层冷模型自学习，通过采集精轧出口，层冷中间和卷取前高温计的温度，然后对比CTC的设定，对CTC模型设定值进行修正。
4.5 FDTC，终轧温度控制，包括以下子模块
4.5.1 FDTC Setup，主要功能是通过对精轧7座机架的速度和喷淋水量进行计算，结合带钢温度模型，对带钢的温降进行计算，最终达到控制终轧温度的目的。
4.5.2 FDTC Learning，利用FDT（精轧出口高温计）的实测数据对FDTC进行修正，对下一块钢板的计算产生影响。
5 结束语
包钢新体系2250mm热轧产线采用过程控制系统，运行稳定，生产效率和精确度达到国内领先水平，为今后的产品开发和稳定生产起到了巨大的作用。
【摘 要】《过程控制系统》课程是高校自动化专业的一门重要专业课程。本文分析了该课程的本科教学现状和存在的主要问题，从而有针对性地提出了过程控制系统的教学改革的基本思路和目标，介绍了一系列的教学改革措施和方法，实践表明教学和实验改革大大地提高了高校大学生的学习本课程的效率，提高了学生分析问题的能力。
【关键词】过程控制系统；教学改革；教学实践
0 引言
《过程控制系统》是控制理论、生产工艺、计算机技术和仪器仪表知识等相结合的一门综合性应用学科[1]。本课程的涉及内容较为广泛，主要包括控制系统的建模、控制理论算法和控制系统的分析与设计。在本课程的教学中，任课教师的主要任务是让学生在了解、熟悉、掌握流程工业生产工艺流程与生产过程的静态和动态特性的基础上，根据工艺要求，应用控制系统中的基本理论、现代控制技术方法，分析、设计与整定过程控制系统。同时，必须让学生清楚地认识工程应用中的相关问题，提高学生分析问题和解决的能力。随着计算机技术、控制理论、传感检测技术等相关技术的高速发展，过程控制技术这一自动化领域内的重要分支也在不断前进与发展，国际上的很多学者在此领域内做出了杰出的成就，并成功运用于电力、冶金、轻工等连续型生产过程系统[2]。然而过程控制理论与应用结合紧密、内容较广、实践性较强，从而造成学生在学习的过程中遇到很多的实际困难，任课教师在讲授的过程中也会感到学生的学习兴趣普遍不高，学习效率较低。因此，必须要求《过程控制系统》课程的教学内容、理念、方法和手段都必须随着新应用和新技术的出现而进行改革，以使学生更好地适应社会发展的需要，真正实现实践型与创新型人才的培养[2]。
本文重点分析了《过程控制系统》课程的本科教学现状和目前教学和学生学习中存在的主要问题，针对提出的问题，从而有针对性地提出了过程控制系统的教学改革的基本思路和目标，介绍了一系列的教学改革措施和方法，实践表明教学改革大大地提高了高校大学生的学习本课程的效率，提高了学生分析问题的能力。
1 《过程控制系统》教学现状与任务
目前在《过程控制系统》这门课程的授课过程中，任课教师通常先介绍过程控制系统中的各个环节的组成部分，然后针对具体的问题，介绍多种控制系统的结构和设计方法，最后，为了让学生能够将学习的理论知识加以应用，再介绍过程控制系统的应用实例[3]。这样的教学方法会导致学生只能片面地理解系统局部的设计信息，很难让学生掌握过程控制系统设计的精髓，更不用说能让他们做到灵活运用自己在课堂上所学的知识。另一方面，《过程控制系统》既是控制理论在工业生产过程中应用的技术课程，又是过程控制的理论课程，它强调工程观点、设计能力的训练，强调理论与实际的结合，以及提高分析问题、解决问题的能力。尤其是近些年随着控制理论、计算机技术、检测技术等其他相关技术的发展，过程控制系统技术也不断地发展，应用也越来越广泛，但课程授课学时却在减少。因此，基于上述的考虑，《过程控制系统》教学应该以如何提高学生的学习本课程的效率、培养学生的系统整体把握能力为本课程教学改革与实践的重点任务。主要包括针对教学方法、实验环节方面提出改进的教学方法和措施，加强过程控制系统的理论研究与实践教学环节的结合，合理增加先进性控制理论及设计验证实验，着重对传统实验设备替换和补充，开发出新型的实验教学设备，强调对学生创新思维和能力的培养。
2 教学内容的改革
随着自动化和计算机技术的迅猛发展， 对学生的知识结构和水平提出了新的要求。过程控制课程内容包括检测与控制仪表，过程建模及系统控制方案的设计等等。因此，任课教师在教学内容的选择方面，应该有所取舍，同时应积极跟踪过程控制领域内最新研究成果，提炼实际工程问题，不能仅仅局限于教材中的内容，也可以结合自己的研究课题，为学生做一些普及性的介绍，从而进一步提高学生学习本课程的兴趣。在讲授的过程中，可以将重点内容安排在过程建模和常规控制系统工程设计， 并补充神经网络建模的方法。扩充先进控制理论应用的成果，介绍一些先进的智能控制控制技术。另外，可以详细介绍了一些典型的计算机过程控制技术。另一方面，从应用的层面上展开介绍，而不是一味的重复知识点。最后在教学课时充裕的情况下，可开设一些讲座为学生介绍一些国内外正在应用和开发的最新过程控制技术成果，如复杂系统的多变量解耦控制、工业系统的自适应控制、模型预测控制等这些新的理论知识，使学生对这些理论能够做到有所了解。
3 实验环节的改革
《过程控制系统》实验环节的改革主要体现在两个方面。首先在实验教学方面，应着重训练学生的基本技能，培养他们的动手能力，让学生理解一些基本过程控制中的概念和基本方法。同时，在实验课时允许的情况下，应增加基于Matlab技术的计算机控制、先进控制、控制系统仿真等内容，从而达到为加深学生对实验内容的理解[4]。在后期的实验中，任课教师应提出实验内容和目的，而实验的方案步骤、实验过程所需要的仪器仪表、仪表的连接、控制的策略方法则完全由学生自己设计，在实验教师的监督下让学生独立自主地完成实验，最后写出总结报告，并组织课堂交流、分析讨论，以提高学生独立性和创新能力。在学校有条件的情况下，建设一套过程控制实验平台，该平台是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。整个应系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。
摘 要：随着梅钢公司产品结构调整及工艺装备升级技术改造要求，炼钢厂新建二期项目。在二期炼钢厂内建设1座双工位LF钢包精炼炉及相应的公辅设施。本论文介绍了新上线的精炼炉过程控制系统，着重从系统环境、系统功能、体系结构、通讯设计、关键模型技术等方面对系统进行了阐述。
关键词：精炼；过程控制；系统；模型
1 引言
随着公司产能的提升，二期炼钢项目的建成及投产，新精炼炉过程控制系统也随之上线运行，此次系统以炼钢一期两座精炼炉的过程控制系统作为设计依据，同时结合老系统开发过程中出现的问题，及系统上线后进行的功能完善情况，在系统设计时将部分系统功能进行了调整。同时结合Linux操作系统，使用C++语言对精炼炉模型程序进行了重新编写。
2 系统环境
该系统采用了ftServer 6210双路双模块冗余机架式服务器，服务器配备3个双口1000Base-T以太网卡。并使用以高效性和灵活性著称的Linux操作系统，同时使用IBM的DB2数据库，系统的应用结构其构建基础使用的是开放性好，可扩充能力强，应用开发功能完备的iPlature平台。
3 系统功能介绍
3.1 应用功能总体说明
精炼炉过程控制系统控制的范围是从前工序的钢包到达精炼炉的钢包台车开始，经钢包车到达处理位，炉盖下降、通电处理、测温采样、合金投入、喂丝、炉盖上升、钢包引出，到达吊点吊离为结束。
精炼炉过程控制系统从炼钢生产管理系统（L3）获取生产计划、制造标准、钢种变更、炉次确定等信息，接收分析计算机的成份数据，及其他相关计算机系统的运转状况及生产实绩信息。
精炼炉过程控制系统接收基础自动化控制系统（L1）的过程实绩数据，对现场的状态和生产过程进行跟踪控制、收集LF 生产的炉次实绩及生产过程关键事件数据。同时将精炼炉的运转状况及作业实绩数据发送给炼钢生产管理系统及相关区域过程控制系统。
3.2 工程数据管理
精炼炉过程控制系统的工程数据管理主要包括：接收L3系统下发的制造标准，并可以在L2系统中进行查询；接收L3系统下发的制造命令，并根据现场实际生产情况对制造命令进行变更、删除以及炉次确定；根据与L3的出钢计划接收约定，接收、处理和管理L3下发的出钢计划；根据现场实际生产情况，接收L3下发的钢种变更命令；接收炼钢分析系统的分析结果，并存入数据库，并显示在L2画面上；接收L1系统来的运转状况后，发送给炼钢L3及相关L2系统；当一个炉次结束吊离后，将本炉次的生产实绩发送给L3及相关L2系统。
3.3 过程控制
精炼炉过程控制系统主要是跟踪和收集从钢包到达精炼炉到钢包吊离的整个过程中设备管理信息、作业时间信息、通电信息、合金投入信息、测温采样信息、喂丝信息、能介信息以及定周期信息。除此之外，精炼炉过程控制系统在线使用的设备进行登记及统计设备的使用次数，收集生产过程中的各种实绩值，并保存到数据库中。
控制流程如图：
4 系统体系结构
该系统采集基础自动化的现场实际数据等信息，在进行相关处理后，显示在过程控制系统画面上，用以指导现场生产和执行相应的操作，同时将现场的事件信息及实绩数据发送给生产管理系统，结构图如下：
5 系统通讯设计
5.1 L2系统与L1系统和L3系统的通讯方式
精炼炉服务器通过TCP/IP Socket的方式与基础自动化控制系统和炼钢企业管理系统进行数据通讯。服务器与基础自动化控制系统和炼钢企业管理系统建立通讯回线（与基础自动化控制系统通讯使用的是静态回线，与炼钢企业管理系统通讯采用的是动态回线）。数据通过TCP/IP的方式完成发送或接收。TCP/IP Socket通讯的方式，所占用的资源少，参与通讯的L3系统以及各L2区域服务器无须开放本系统的数据库资源给对方，是L2与L3之间通讯的最优方式。
5.2 通讯中间软件
在系统通讯过程中使用了宝信开发的iXComPCS软件，它是一款面向开发人员的外部通信中间件平台，通过它可以实现网络上计算机之间的数据通信。作为通信中间件，对上层的应用程序提供了统一的编程接口。
其主要组成为：
后台进程管理服务通过通信核心服务，为应用提供实时可靠的数据传输服务，以及远程管理服务为分布式操作提供了实现途径；后台控制工具，控制通信核心服务中的各回线的启停；前台控制工具，可以在异地对平台进行控制；这里的应用泛指所有和平台打交道的外部服务，包括应用开发人员编写的应用服务和类似iPlature等中间件平台等。
6 关键模型技术实现
6.1 精炼炉加热模型
精炼炉加热模型从精炼炉加热及冶金学基本原理出发，对需要进行温度升高和成分微调的钢种进行处理，分为预报模块和推定模块。预报模块的目的是根据每一炉次开始获得的钢液状态、成分信息、首次测温、目标温度等信息，在精炼处理初期即给操作人员提供为达到一定钢水温度所必须的处理时间和通电操作等综合信息指导；推定模块的目的是在得到钢水基本信息和操作量信息，如合金投入量等信息以后，推算加热过程中钢水温度的趋势，及加热过程中所需要使用的通电操作信息。两个模块的综合使用能够逐渐优化精炼炉加热工艺，使操作人员更好的控制处理过程，从而达到满足生产节奏需要的同时降低生产成本的目的。
6.2 精炼炉合金模型
精炼炉合金模型的功能是根据钢液初始成分和目标成分的要求，以及各成分最小、最大值等各种限制条件，计算最优的各合金投入量与合金投入组合。计算完成后，把各个合金投入量的结果下发给L1的投料系统，以便使冶炼的钢水达到钢种要求的目标成分。
合金最小成本模型根据钢水初始成分和目标成分的要求，确定使合金投入总成本最小的合金投入组合、投入量。
7 结束语
本论文对梅钢精炼炉过程控制系统的应用功能进行了详细的阐述。随着梅钢产品品种的不断增加，精炼炉将发挥越来越重要的作用，梅钢精炼炉过程控制系统及相关模型上线以来一直稳定运行，系统采集到的实际生产数据为掌握精炼炉实际生产情况提供数据依据，而模型计算数据也给现场提供生产数据参考，为公司的降本增效做出贡献。
摘 要：学生能力的培养和素质的提高需要在一个循序渐进、系统知识体系的传授中逐渐培养出来。注重学生理论知识的获得，把实验课程教学贯穿在整个教学活动中，强化实验内容的知识结构设计，理论教学链和实践教学链有机结合的教学模式，使学生个人的潜在能力得到充分发挥，学习的主动性和创造性得到有效发展。同时提高了专业课程教学效果和质量，提高了工科毕业生的就业率，对高素质人才培养和创新能力提升奠定了基础。
关键词：过程控制系统 实验 创新模式
过程控制系统是自动化专业的一门重要专业课程，涉及控制系统模型建立、系统控制方案确定、控制策略研究、控制器参数调整、系统元器件和执行装置结构选择、单回路控制系统、串级控制系统、复杂控制系统等内容，并且课程内容和实际系统联系非常密切，如何在有限的理论教学时间内，利用有限的实验条件完成必要的理论和实践教学，同时满足卓越工程师知识、能力、素质协调发展的培养，达到深化和拓宽学生知识体系，挖掘学生的创新潜力，激发学生创新实践热情是课题重点研究内容。
1 强化知识结构，构筑基于问题的探究式理论教学
卓越工程师的培养遵循知识掌握、能力培养、素质提高协调发展的原则。高等人才能力和素质的培养离不开知识的传授，而知识传授中课堂理论教学是必不可少的，随着新技术的不断出现导致专业课学时难以满足理论教学，如何在较短时间内设计适当的知识载体来进行知识传授以达到能力培养和素质提高的目的，为此提出了基于问题的探究式理论教学。过程控制系统的检测变送和执行器知识点（涉及传感器、电动调节器、机械调节阀等），以往限于课时所限课堂上教师仅仅简单说明，学生也只有轮廓概念，对知识的理解和掌握非常不利，就业后无法解决实际问题。本着知识的掌握在于实际应用的原则，课堂上我们针对需要掌握的知识点设置一个循序渐进的问题：锅炉水位控制系统（系统技术指标要求动态指标、静态指标、安全性等）。为了达到要求从控制角度提出构成最基本的控制系统类型，大部分学生提出采用检测水位高度和设定值比较的闭环控制系统，抽象绘出系统框图，引导学生完成任务系统必不可少的一个装置是什么？装置特性和工作原理如何？基于问题教师恰当地引出新知识点—调节阀，调节阀的类型、特点、使用场合等—电动调节阀、气动调节阀、液动调节阀，直观通过实际模型和实际应用例子使问题的解答构成一个探究式的知识体系，通过理论教学对学生思维的启发使学生的能力和素质在知识体系的传授中逐渐培养出来。带着实际问题的探究式课堂教学强化知识的应用价值，使每个知识模块构成一个实际的训练系统，从问题提出到问题解答再上升到理论，使学生从行业工程师的角度理解基本知识和基本理论，从实际应用中掌握基本技能和研究方法，从卓越工程师高度培养学生适合学科特点的思维方法和思维能力。
2 创新实践环境，构筑理论知识应用于实际的实验教学
加强实践教学是培养学生动手能力和创新精神的一项重要工作。过程控制系统涉及石油、化工、电力等多种行业，为此，2012年以校精品课程过程控制系统建设为契机，从培养高素质、工程实践能力强的卓越人才出发探讨专业课程的实践教学模式。力求创新实践教学环境，提高实践教学效率，激发学生的创新精神，同时将本课程与信号与系统、自动控制理论、控制系统仿真、计算机控制系统等课程有机结合，探寻专业课程体系新模式，构建创新型实践课程体系，建立理论与实践相结合的实践环境。
2.1 甄选实验内容，衔接多方位知识点
实验是学生检验知识和应用知识的主要途径。以往过程控制系统实验中，教师指定实验内容，给出实验要求和实验过程，学生盲目地按实验步骤来做。由于实验条件受限（目前仅有5套高级过程控制实验装置），导致大部分学生只是看别人做，抄抄数据，照猫画虎撰写实验报告，对应用理论知识解决实际问题多样性意义不大，特别是自主学习兴趣和创新实践能力无法激发。为此，我们从多方位知识点的连贯和衔接出发选择合适的实验内容。
单回路控制系统是过程控制系统中应用最多的一类，特别是锅炉控制系统，它是石油、化工、发电厂等工业过程中必不可少的动力设备，该控制系统涉及电路、控制理论、传感器、计算机控制等多方面知识。课堂上引导学生从周边锅炉（供热锅炉、水房锅炉）需要控制的量（液位、温度、燃烧等）考虑，指出锅炉控制系统包括锅炉本体水位控制、燃烧系统、给水系统等，而要完成控制任务，需要构成被控变量的单回路控制系统，控制器参数的确定又依赖被控对象的数学模型，控制理论所讲的解析法建模需要明确各个环节机理，这在实际系统中比较困难，如何采用实验方法建立系统数学模型，安排锅炉对象的实验建模内容？在实验中学生带着问题（正向飞升响应曲线和反向飞升响应曲线）设计实验方案，并从理论上回答为什么需在系统平稳后突加输入信号，正向和反向信号对模型建立是否有影响等一系列问题。实验完成后实验报告的撰写要针对问题从理论上加以解释。这样实验又反过来促进了理论知识的掌握，理论知识点和实践内容的有机结合，提升了学生的学习热情，激发了学生的创新能力。
2.2 仿真实验和实物实验有机结合，培养学生多方案解决问题的能力
目前我校过程控制系统实验装置无法做到一人一台，且实验的动态过程时间比较长，锅炉温度下降10 ℃需要十多分钟。锅炉单回路系统控制器PID参数整定过程，特别是研究参数变化（PID3个参数有无穷多组合）对系统动静态特性影响，即使仅研究三四种参数变化，在实验台上大约需要1.5小时，学生只能等待，影响实验进程。为此，我们大胆尝试新的实验模式，将控制系统仿真软件引入过程控制系统，虚拟模型构建实物装置实验，以实测实验对象模型建立仿真原型，按照过程控制系统的实际情况构建Simulink仿真模型，计算机上重点研究各个参数变化对系统动静态特性的影响，同时引导学生将仿真结果和理论知识点有机结合，以实验提升课堂知识的掌握。如控制器类型的不同仿真解决方案，要掌握控制系统无精差必须采用积分控制，而纯积分控制又易导致系统结构不稳定，积分时间常数对系统动态特性的影响等，快速、多种、图形化仿真实验为优选确定本次实验的最佳控制策略和控制器参数提供了直观、可靠的支持。仿真实验又回到实际系统，将仿真实验得到的最佳控制参数作为现场实验参数的初值，观测实验中所得响应曲线，并将仿真实验结果和理论知识结合针对实际情况向正确方向微调控制器参数，快速的仿真实验过程和高效的实际实验可使每个学生有机会自己动手完成整个实验，既可以解决实验设备不足的问题，又可利用软件提高实验效率与教学效果，大大拓展了学生对实际问题的抽象理论分析、研究、参数确定、优化控制策略确定的能力。仿真实验和实物实验有机结合，扩大学生自主获取知识和技能的能力，加深学生对课堂内容的理解和掌握，激发学生的学习兴趣和主观能动性，提升学生多种方案解决问题的能力和创新意识。
2.3 针对过程控制系统特点，安排系列实验提升学生创新能力
过程控制系统是专业性很强的课程，涉及实际化工、电力等系统，如何通过课程的理论学习和实验环节培养学生创新能力和就业以后应对不同的过程控制系统是本次教改的重要内容之一。电厂和民用锅炉水位控制、化工原料液位高度控制等均涉及液位控制，液位控制系统是过程控制的典型控制系统。在理论教学上我们把实际系统加以抽象建立描述系统的数学模型，根据系统性能指标要求的不同和系统存在的干扰情况有针对性地提出单回路控制方案和串级控制方案，并且对这两种方案的优劣及适应场合进行理论分析，同时为提升学生解决实际问题的能力和以实验加深理论知识的掌握，围绕液位控制开设了系列实验，具体做法如下：
（1）使用实验装置现场教学使学生充分了解实验装置中传感器的类型和校验的必要性、系统的平衡状态、实际环境中的干扰信号、电动调节阀等。
（2）实验过程中带着问题（系统数学模型测试为什么要等系统平衡后突加阶跃信号？为什么要用正向和反向信号作用进行参数测试？）完成实验，被控对象建模理论知识确定实验方案和实验步骤，和实验教师讨论后自己动手搭接实验系统。
（3）根据多组测试实验数据结合多学科理论知识建立系统数学模型（包括模型的类型和参数），实验过程中教师抽查上述问题的解答。
（4）为完成系统的基本要求，构成单回路控制方案，在线整定控制器参数，分析系统的动、静态特性和干扰作用下系统的抗干扰能力，为激发学生的学习兴趣和主观能动性，锻炼学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，在实验过程中我们有目的地设置一些问题（如何降低干扰对系统的影响，如何提升控制系统的精度等）引导学生提出新的合理控制方案。
（5）串级控制系统设计，包括主控制器、副控制器类型和参数整定，系统在一次、二次干扰作用下系统的相应和动静态指标研究，实验过程中出现的各种问题（如串级控制系统为什么对主扰动具有很强的抗扰能力？为保证系统静态无误差主控制器为什么必须采用PI或PID？），教师不急于简单解答，而是激发学生从理论上分析得到结论，这种理论循序渐进到实践再升华回到理论的模式，改变了学生为实验而做实验的机械动作，从实验来加深理论知识，又应用理论知识解决实际问题，系列实验大大提升了学生创新能力。
3 实验教学拓展大学生创新研究，提高学生的科研能力
大学生创新项目是在导师指导下，学生自主选题、独立完成课题、撰写课题结题报告等工作，创新项目意在调动学生的主动性、积极性和创造性，激发学生的创新思维和创新意识。可以有效地训练学生在未知领域的探索精神、独立思考、独立创造性地分析和解决问题的能力。而过程控制系统课程安排在第七学期，学生的基本知识、基本技能、创新意识等逐步形成，为了使有潜力的学生尽早接受系统的科研能力的培养和训练，摄取学科前沿知识，在常规实验的基础上，对有坚实理论知识和深厚知识底蕴的学生指导申报国家、校级大学生创新项目，2009年确立国家级“仿生机器鱼”和2012年校级“智能机器鱼氯气监控系统”项目。项目的前期研究涉及过程控制系统控制策略和控制器参数确定实验，在实验中引导有能力的学生多方面考虑问题、多方面解决问题，实验的创新能力不知不觉就应用到科研活动，科研活动中遇到的各种问题又不断培养学生的创新思维，使学生利用扎实的基础及时摄取新知识，实验技能又推动获取知识和应用知识的创新能力。进一步发展了学生学科知识的横向关联，使学生将所学的理论知识与实际相结合，使学生的创新意识和创新能力得到有效培养。
4 多学科知识融合实验过程，培养创造性人才
过程控制系统的知识点和其他课程呈现立体交叉，多学科知识又融合于实验过程，为此，课题组在自动化系列课程实验过程中采用逐步递进的原则安排一些基础实验，为后续课程做必要的铺垫。例如，基本的开环控制和闭环控制的稳定性和动态特性研究在控制理论课程中已做了多方位研究，过程控制系统前馈控制为什么可以有效地消除干扰影响，前馈加反馈的复合控制为什么既可保证系统的稳定性又可提高系统的抗干扰能力，它是如何解决稳定性和稳态精度之间的矛盾等问题。要求学生先思考，教师辅助给出提示，从自动控制系统传递函数概念、稳定性分析和稳态误差与系统结构参数的关
系，融合多学科知识引导学生通过实验分析所得结果，最后合理正确地给出答案，使学生对实验研究得到全面和立体的概念，使实验升华到科学研究的探索实验，学生自身的知识无形中得到增加，巩固了以前其他课程中学习的知识，加强了多学科之间的融合，进而拓展了学生的创新思维能力。
5 结束语
专业课实验教学在高等学校工科教学中占有重要的地位，探讨过程控制系统实践教学新模式具有重要意义，通过连续5年的实践，在注重学生理论知识的夯实的基础上，把课程实验有机、科学地贯穿于整个教学活动，多方位设计实验内容、多学科融合实验过程和带着问题做实验等均以学生为主导，充分考虑学生的知识结构和学习规律。使学生个人的潜在能力得到充分发挥，学习的主动性和创造性得到有效发展。理论教学链和实践教学链有机结合的教学模式，充分调动了学生的积极性，在实践教学中注意激发学生的主动性，注重教与学的互动，注重培养学生的动手操作能力、解决问题能力和综合创新能力，提高了专业课程教学效果和质量，对高素质人才培养和创新科研能力提升奠定了扎实的基础。
【摘 要】过程控制系统是自动化专业的核心课程之一，具有较强的理论性和实践性。根据课程教学的特点，针对课堂教学过程中出现的问题，从教学方法，教案设计等方面出发，探讨具有更好教学效果的授课方法，使学生能够真正理解和掌握这门课程。
【关键词】过程控制；课堂教学；教学方法
一、引言
过程控制是自动化专业学生的专业课必修课之一，是以实际工业生产过程为背景，自动控制理论为基础发展起来的，在自动化专业的整个课程体系中占有重要地位。课程内容涵盖了系统建模方法，工业过程特性控制理论和算法，控制系统的分析与设计等，不仅研究简单的单回路系统，也涉及复杂系统控制，先进控制系统等。由于课程理论与实际联系非常紧密，涉及面广且深，对学生理论基础有较高要求，传统的课堂理论教学难以保证学生对课程内容的理解和掌握，令学生感到抽象枯燥，降低学习机进行，教学效果不佳。针对这种情况，从教学方法，教案设计等方面出发，结合自身的教学体会，对“过程控制系统”的教学做了简单探讨，寻找更加能够激发学生学习热情，改善教学效果的教学方法。
二、教学内容调整和仿真软件的运用
以往的“过程控制系统”教学偏重于理论教学，在课堂上详细讲解公式和推导过程，理论性太强，使学生感觉课程内容枯燥难懂，失去学习兴趣。为了避免这种情况，通过总结经验教训，调整了教学内容，将学习重点从原来对理论知识的大量复杂的推导过程，转移到从工业生产实例引出理论知识上来。同时应用Matlab仿真软件来验证过程控制的理论，使教学过程更加形象化，使学生能够掌握过程控制的核心知识，并加深过程控制系统的理解和认识，大大提高学生的学习积极性。同时，为了体现课程理论紧密联系实际的特点，在教学当中引入与实际相关的控制方法以及信号处理等方面的内容，让学生掌握一定的实际应用背景，具有更大的知识量，调动学生学习的积极性，更加主动地学习这门课程。另外，由于科技的发展，过程控制系统更新快速，因此在上课过程中，除了必须的教学内容外，还应该引导学生了解过程控制领域最新的发展动态，了解该学科的最新信息，让学生更加了解所学知识在本专业领域的地位，从而更加积极主动的投入到课程学习当中。
计算机仿真软件的应用为过程控制教学提供了便利。在课堂教学过程中，仿真软件和多媒体教学的应用，能够为学生直观地展示控制系统的结构，工作过程，以及控制效果等。通过多媒体课件，使得课堂教学变得更加生动多变，有助于调动课堂气氛，而Matlab仿真软件丰富的工具箱，能够加深学生对所学知识的理解，通过基于Matlab的仿真实验，让学生充分理解相似的概念和参数变化对系统性能带来的影响，在理论教学的同时让学生掌握仿真软件的用法，一举两得。通过激发学生的学习兴趣，提高课堂教学的质量，锻炼学生发现问题，分析问题，解决问题的能力。
三、网络教学平台的应用
网络技术现在飞速发展，通过网络架构教学平台，将课堂教学延伸至互联网，丰富了教学内容，能够加强学生对教学难点的掌握和理解。通过网络平台，将详细的教学课件，仿真软件、程序和使用说明，教学日历，课程通知，教学问卷，以及测试复习题等内容上载，供学生下载使用。采用网络平台，可以丰富教学内容，并实现最大限度的信息共享，同时也可以通过教学平台实现答疑，学生间互相讨论和交流等。可见网络教学平台是课堂教学的有力补充，对于提高学生的学习效果和效率具有重要帮助。
四、注重与学生的交流
教学的目的在于让学生更好地掌握知识，应该注重与学生的交流，多听学生的体会和意见，了解他们所需的知识量，为学生制定更好地教学内容。另外作为老师，除了关心学生对本门课程的意见和建议之外，还应该以学生朋友的身份对他们的生活和学习提出建议和指导，尽量帮助学生的成长，尽量做一个受学生爱戴的好老师。
五、结束语
过程控制是自动化专业的一门非常重要的课程，与生产过程关系密切，在课程的课堂教学中，通过改进教学内容，采用先进的教学方法和教学手段，将传统教学与仿真软件相结合，根据课程实践性强的特点，在教学过程引入从实际问题中提炼出来的有代表性的实例，并充分利用网络平台，为学生重点讲解，从而培养学生的创新思维和独立解决问题的能力，激发学生的学习兴趣，进一步培养了学生综合应用专业知识的能力，从而全面提高了过程控制课程教学质量与效果。
摘要：本文介绍了某冷轧厂冷卷准备机组过程控制系统的软硬件结构，包括硬件平台和软件系统。基础自动化系统包括顺控，主令，跟踪，急停和HMI；着重叙述了过程控制的实现方法。
关键字：硬件，顺控，主令，跟踪，急停，HMI
系统概述
该冷卷准备机组为连续生产机组，用于取向硅钢（含SGO）和高牌号无取向硅钢冷轧后的钢卷处理,最大速度400m/min，是目前国内自动化程度较高的一条机组。整个机组自动化控制系统完成钢卷从入口运输，自动上卷及开卷，入口定位剪切，焊接，圆盘剪切边，定位剪切，卷取机卷取及卸卷，称重打捆整个过程。所有功能均可全自动或半自动完成。被控设备以入开卷机、张力辊、卷取机为核心， 辅之以入口钢卷小车、入口转向夹送辊、入口剪、纠偏辊、分切剪、出口转向夹送辊、卸卷小车、钢卷称等设备。
控制系统硬件及网络组成
控制系统的硬件分布于计算机室、操作室、电气室和现场，如图1所示。基础自动化系统的硬件设备组成：
SIMATIC S7-400可编程控制器（CPU416-2DP）：2块
高速技术模块（FM450-1）：1块
DP通讯模块（CP443-5）：1块
以太网通讯模块（CP443-1）:1块
全数字交流传动调速装置(6SE70)：多台
专用急停控制控制器（CPU315F-2DP）：1套
及远程I/O站、PDA、工程师站、服务器、操作员站等组成。
通过快速以太网、PROFIBUS网络实现各自动化单元以及与上位机的通信,构成典型三层通讯网络的三级控制系统。
通讯网络的第一层：人机接口与PLC之间及PLC彼此之间的以太网，实现全线生产参数的设定和各设备的状态、电气参数及故障，生产工艺过程在人机接口HMI的显示；
通讯网络的第二层：PLC与远程I/O站之间及PLC与传动系统之间的PROFIBUS-DP网，实现PLC对系统控制指令的传送和系统状态及参数的收集；
通讯网络的第三层：PLC彼此之间实现控制信息及数据传送的MPI网。
图1. 自动化系统配置图
控制系统软件设计
软件功能主要由以下几部分。
3.1顺续控制和跟踪
钢卷运输，换辊，液压等一类单体设备动作的控制可归为顺序控制。顺序控制一般负责单体设备如液压传动设备、恒速电机等的控制。顺序控制还包括自动步，即将一系列动作为一个运动组来处理，实现系列动作序列的自动完成，如钢卷自动运输，自动上卷等。采用图形化的顺序功能图表“SFC”编辑生成。由于所有联锁是在执行机构控制级上完成的，因此这一级完整地保留下来以组织成适当的顺序控制。在程序中所有转移条件彼此独立，不用考虑彼此的联锁关系，通过简单易懂的与/或逻辑即可进行修改。每个顺序都可单独进行手动或自动选择。
物料跟踪包括带钢跟踪（SEGA）功能和物料（数据）(MAVE)跟踪功能。SEGA是基本的跟踪功能。它将整个生产线按一定原则划分成若干个区，每个区再划分成若干个段，跟踪就是基于这些段进行的。每条带钢焊缝经过线上区间，基于区间的段 利用内部记数器计算出（利用编码器给出的焊缝行程和区段的长度）整条线上的带钢镜像，用标志位标识（每个区间段数之和＝整条线段数）。MAVE功能基于SEGA功能，MAVE用线上带钢的镜像（标志位）去跟踪带钢和整条线上的数据，MAVE能触发动作和在适当的时间和其他的自动功能就设定点/参考值进行通讯，尽管MAVE是基于线上的带钢镜像（标志位），但是动作仅仅在焊缝从一段跨越另一段时触发，可在这样的段边界中定义多个动作，动作点也可以使用来自其他系统的数据。
3.2 主令控制
主令程序负责全线带钢传输控制，也是整个基础自动化的中心，可以分为两部分，主速度发生器和线速度协调控制器，两者是主从关系，线速度控制器起主要作用。
线速度协调控制器负责整个生产线运行，协调带钢的处理过程，传输、启动相应的设定、定位、控制、剪切等程序。线速度协调控制器的功能包括操作模式的处理（运行/爬行，停止，保持，穿带/甩尾，快停，快停，紧急停车，联合点动，单独点动等）断带检测，
主速度发生器完成线速度协调控制器的控制值送到传动系统，包括传输带钢运行所需要的各种功能，启动、加减速，带钢定位控制，张力控制，开卷机控制，卷取机控制，速度设定值。
带钢定位控制是闭环，利用装在张力辊或夹送辊上的编码器对带钢定点定位控制，包括带钢头部定位，带钢尾部定位，自动减速功能。
张力控制。张力控制策略为：当机组启动时，张力值平滑上升到正常运行张力值。在机组临时停车时，张力值保持运行张力值不变；超过临时停车时间，张力切换到停机张力。如果机组停车时间过长，机组张力自动切断。
在运行中，某个区域的实际张力突然快速下降，这个信号将反应在张力控制的传动装置的实际转矩上，或某个张力计的实际检测值，断带检测程序发出断带信号，并对相应区域发出快停指令。
3.3 急停系统
急停系统负责全线的紧急停车。全线分为4个区域，线上区域1个，即从开卷机到卷取机的整个区域。线外有3个区，液压站，入口钢卷运输区，出口钢卷运输区。
急停控制的电气设备类型主要包括，MCC恒速电机，变频调速电机，液压驱动设备等。主要控制过程为：操作台上急停按钮触发急停，急停PLC收到信号，计算处理后发急停信号至急停继电器，后者将急停信号分发至MCC柜、变频传动柜，远程I/O站等。实现停车。急停事故回复后，必须在HMI上进行急停确认。
3.4 HMI系统
HMI （Human-Machine Interface） 人机界面系统是通过WINCC软件实现的。WINCC软件包括，组态界面，操作界面，报警系统，归档系统，报表系统，数据管理系统。在本项目中HMI系统，主要包括八个部分。
工艺过程跟踪：包括全线机组总览，重要设备的数据显示，修改；
液压和润滑系统：包括液压站，开卷机和卷取机的润滑站，全线的CPC和EPC的液压站。包含电机的启停控制和状态监视画面。
诊断画面：包括全线传感器的状态画面和DP网络通讯状态画面。
传动分合闸：控制全线传动设备控制装置的分断和合闸。
趋势：全线重要数据的趋势图。
自动步：用于监视所有的自动步及动作条件。
画面中符号解释画面：包括颜色说明，设备符号说明和介质系统符号说明。
HMI系统包括2台HMI服务器，2台HMI客户机。其中HMI的服务器放置在电气室，两台服务器之间为冗余系统配置。
HMI系统服务器之间以及HMI服务器和客户机之间均采用TCP/IP协议进行通信。服务器会保存过程值和配方数据；客户机只访问服务器，显示服务器提供的过程画面和过程值，并可接受操作员的输入 传给服务器，本身并不保存数据。
总结
冷卷准备机组过程控制系统的配置先进，控制精度高，其自动化程度降低了操作者的劳动强度，实现全机组4人生产，大大提高了生产效率；自投运以来，机组设备和整个生产线均运行良好，受到了用户的好评。
摘 要： ProfiBus现场总线具备传输快、结构简单、抗干扰等优良性能，已广泛应用于自动控制系统与分散I/O之间的高速通信。首先介绍了ProfiBus现场总线的特点，然后基于ProfiBus?DP和PA、Siemens PLC 300和Wincc组态软件，详细阐述了过程控制系统的结构，硬件、通信协议、监控页面的组态方法和步骤。
关键词： ProfiBus； PLC； WinCC； 组态
引 言
伴随着工业生产过程的大型化、复杂化、连续化和自动化发展，对工业控制系统的控制水平和品质也有了更高的要求。现场总线技术也应运而生，用于实现自动化系统最底层的现场控制器和智能仪表设备的互联和实时通信。它是一种开放的、具互操作性的、彻底分散的分布式控制系统[1]。本文将以ProfiBus现场总线为基础，介绍以Siemens PLC 300和Wincc组态软件为主体的过程控制系统的软硬件组态过程。
1 ProfiBus现场总线
ProfiBus现场总线是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术[2?3]，可实现现场级到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案[4]。ProfiBus系列由ProfiBus?DP/FMS/PA三个兼容部分组成。其中ProfiBus?DP和PA的特点如下[1，5]：
ProfiBus?DP适用于自动控制系统与分散I/O之间的高速通信；可取代24 V或4～20 mA的串联式信号传输；使用RS 485传输技术或光纤媒体。
ProfiBus?PA专为过程自动化设计；可将变送器和执行器连接到一根公共总线，可用于本质安全领域；数据传输采用扩展的ProfiBus?DP协议，还具有PA行规。
本文将采用ProfiBus?DP和ProfiBus?PA通信协议来构建过程控制系统。
2 系统架构
本过程控制系统用于模拟对工业现场液位、温度等信息的采集、处理，PID控制和控制工艺流程的实时监控。系统通过ProfiBus现场总线进行数据传输和交换，采用MPI通信方式与上位机进行通信和远程控制，从而使整个控制系统实现网络化和数字化。控制系统结构图如图1所示。
系统主要包含上位监控机、CPU、以太网通信模块、DP链路、分布式I/O和变频器DP从站、温度和压力变送器、阀门定位器、电磁流量计等。CPU采用Siemens的S7300 315?2 DP，既具有多点通信功能的MPI接口，又具有ProfiBus?DP通信功能 [6]。
摘要：“热工过程控制系统”在热工过程自动化专业课程体系中为核心专业课程，该课程在提高热工过程自动化专业学生的专业实践能力方面处于极其重要的地位。针对火力发电机组技术的发展和电力企业对热控技术人员的要求，从教学大纲、教学内容、教学方法和手段、实验环节以及课程设计等方面探讨了“热工过程控制系统”及其课程设计教学改革，在实践中取得了良好的教学效果。
关键词：热工过程控制；课程设计；教学改革
长沙理工大学（以下简称“我校”）热工过程自动化专业主要面对发电行业，学生主要在火力和核电等发电行业就业。根据我校办学特色及热工过程自动化专业培养目标，立足电力行业，突出电力特色。“热工过程控制系统”课程主要讲授过程控制的基础理论知识，包括单回路、串级、前馈、比值、解耦等典型控制系统的分析、设计、参数整定方法，以及火力发电厂汽包锅炉蒸汽温度、汽包锅炉给水、锅炉燃烧过程、单元机组协调等控制系统的构成、原理和系统分析。该课程作为热工过程自动化专业核心主干课程，占有举足轻重的位置，因此该课程的建设一直受到院系的高度重视。通过该课程的教学，使学生能够运用过程控制原理，结合火力发电过程对象，从事热工过程控制系统的分析、设计、运行与开发研究工作，增强学生的工程实践能力，进一步加深对火力发电厂锅炉各子系统的认识和理解。基于此，课程组对该课程从教学内容、教学方法、实验环节及课程设计等方面进行了探索性的教学改革，并在实际教学过程中取得了良好的教学效果。
一、“热工过程控制系统”课程教学改革
1.根据人才培养要求，更新教学大纲
教学大纲是课程教学内容的教学指导文件。经过课程组多次讨论，结合最新专业培养计划，按照拓宽基础、加强素质教育、培养创新能力和工程能力的思路拟定了“热工过程控制系统”及“热工过程控制系统课程设计”两门课程的教学大纲，进一步明确了该课程及其课程设计在整个专业课程体系中的地位和作用，规定了基本教学任务和要求。
2.课程教材建设
教材是进行课程教学的基本工具，是进行教学工作、有效提高教学质量的重要保证。该课程在教学中使用过两种正式出版教材，总体来看，所用课程教材内容比较全面。但是，由于热工过程控制技术和火力发电机组技术的不断发展，教材中有些内容就显得较陈旧，为此根据最新拟定的教学大纲，并参考国内有关火力发电机组最新技术和过程控制相关教材，结合课程组近几年形成的教学经验，编写并出版了“热工过程控制系统”课程的新教材。[1]
3.更新教学内容
“热工过程控制系统”课程内容几乎涉及到本专业先修的所有专业基础课程与专业课程。在组织课程教学内容上，根据最新出版的教材，每学期课程组依据收集的火力发电机组最新技术和过程控制技术在火力发电机组上的最新应用，在学期末课程组开会集体研究、整理，提炼出必要的内容充实到下个学期的课程教学中，不断更新教学内容，保持教学内容的前沿性和新颖性。同时注重不同专业课程内容之间的衔接，将检测技术、控制仪表、集散控制系统、锅炉原理、汽轮机原理、智能控制技术与控制系统仿真技术等知识融入到具体的控制系统分析和设计中，以有利于培养学生热工过程控制系统的分析、设计能力。[2]
4.改进教学方法和教学手段
在课堂纪律管理方面上，制作签到点名表格，学生上课时自己在签到表格上填写自己的姓名和学号。通过学生签到点名方法，既节省了全班学生姓名点名所花的时间，同时，也方便教师与学生之间的互动，并加强了对课堂的管理。在课堂上，通过学生的签到表，可以很方便对应地找到讲话、睡觉、玩手机、戴耳机等学生姓名，可通过点名或点名回答问题等方式提醒学生；与此同时，在课堂上积极跟教师互动、回答问题的学生都根据情况记录，在平时成绩上加分。
在教学方法上，注意运用启发式和互动式教学，课程中的基础知识点尽量讲解得生动形象易懂；对课程的重点和难点问题，在讲解后，采取提问或课堂讨论等互动手段加强学生对重点和难点的理解。课程教学采用多媒体课件教学，对重要的理论知识及时使用MATLAB/Simulink进行仿真，进一步加强理论知识的理解。[2]比如课程中的重点和难点：PID控制器比例、积分、微分三个参数对控制质量的影响，若是只将三个参数对控制质量影响的结论告诉学生，学生比较难以理解，但是通过Simulink仿真就能生动地将PID控制器的比例带、积分时间、微分时间三个参数变化对控制系统性能的影响通过曲线的形式体现出来，这样就加强了学生对课程内容的深入理解。[3]
5.实验教学改革
本课程的所有实验都放在热工检测与控制技术实验这一门综合性实验课程，并出版了该实验课程的教材，由实验室老师讲授，并指导学生独立完成实验。针对热工过程控制系统课程内容，开设了六个实验，包括单容水箱液位数学模型的测试、双容水箱液位数学模型的测试、单回路定值控制系统、水箱液位与流量串级控制系统、双闭环流量比值控制系统和上下水箱液位前馈-反馈控制系统。通过实验，使学生对对象动态特性的测量方法，单回路控制系统、串级控制系统、比值控制系统、前馈-反馈控制系统等控制系统原理及其调节器参数整定方法有了进一步的认识。
二、“热工过程控制系统课程设计”教学改革
“热工过程控制系统课程设计”是热工自动化专业继“热工过程控制系统”课程之后一项重要且必不可少的工程实践教学环节，是完成书本知识到实际运用能力转变的关键步骤，其学时为两周。其目的是培养学生运用所学的热工过程控制系统的设计和分析理论知识解决工程实际问题的能力，进一步发掘和培养学生的创新精神和工程实践能力，主要从教学大纲、课程设计指导书、课程设计选题、指导教师的团队化、课程设计与生产实习的关联性等方面进行改革探索。[4]
1.改革目标
按照热工自动化专业的“厚基础、宽口径、强能力”的要求，结合“热工过程控制系统”课程教学改革，使学生在完成课程设计任务的过程中进一步加深对过程控制理论知识的理解和掌握，并在该课程设计过程中努力提高学生的创新精神、实践能力。
2.课程设计选题优化
“热工过程控制系统课程设计”主要围绕火力发电厂锅炉各个子系统进行控制系统设计，给出了过热蒸汽温度控制系统设计、再热蒸汽温度控制系统设计、汽包锅炉给水控制系统设计、磨煤机多变量解耦控制系统设计与燃烧过程控制系统设计等5个子课题，4～6名学生一组，每组对应一个子课题，要求必须完成该组课题的方案设计、系统构建、参数整定、结果分析和答辩等任务，进一步提高培养学生的综合应用能力和创新能力。
3.指导教师的团队化探索
学生工程能力的培养，指导教师是关键。指导教师必须有丰富的生产实践经验，有相当的解决实际问题的积累。加强“热工过程控制系统课程设计”指导教师师资队伍建设，聘请学校附近电厂的热工骨干技术员担任辅助指导教师。整合理论课授课教师、实验课指导教师、课程设计指导老师、运行实习指导教师及电厂技术员五者优势资源，探索课程设计指导教师团队建设模式。
4.强化课程设计与电厂运行实习的关联性
我校热工过程自动化专业的“热工过程控制系统课程设计”和“电厂运行实习”都在大四第一学期开展，进一步分析课程设计与电厂运行实习的内在联系。合理安排课程设计与电厂运行实习时间安排，根据不同的课程设计题目对学生的电厂运行实习的教学内容进行有针对性的强化安排，强化课程设计与电厂运行实习的关联性，使得课程设计和电厂运行实习都能取得良好的效果。
三、结束语
在近几年来的教学中，对“热工过程控制系统”及“热工过程控制系统课程设计”两门课程教学改革进行探索与实践，逐步完善了教学过程中的各个环节，在教学大纲、教学内容、教学方法和教学手段、实验教学以及基于工程能力培养的课程设计等多个方面，都进行教学改革探索。通过这门课程理论教学及其课程设计的教学，使学生在面对火力发电厂时，加深了对热工过程控制系统的分析、设计、参数整定、仿真研究等理论知识的整体认识，并提高了学生的工程实践能力，使理论知识和工程实践得到了有效的融合。
摘 要：针对目前水厂管网供水过程控制需求，设计供水过程综合控制系统，用网络将三套水厂控制系统连接监控，每套系统对水位、压力和流量检测，可对三套系统进行多种综合控制；并嵌入视频监控，监视水质和设备安全等；还引入labview信号处理模块，为现场调试和信号分析提供有力条件，最后探讨了Internet引入远程监控的可行性。
关键词：网络控制，视频监控，稳压供水，WinCC，变频器
1 前言
本供水系统从能源的最佳配置及安全角度出发，针对水厂多台中等距离水泵联网供水系统，综合现代网络控制技术，设计一个以工业现场实际生产控制的综合性、多功能网络供水控制系统，这个系统具有远程web监控、复杂的关联控制、生动的组态监控界面、对输入输出信号采集分析等功能。通过对工业供水、流体控制、城市供水、虚拟仪器应用、SCADA软件应用的研究和综合，结合实际资源和条件本文提出了这个网络供水模型控制系统。并探讨了远程web监控的可行性。该系统采用采用WinCC监控组态软件作为上位机，下位机西门子S7-300PLC进行控制，现场采用MPI总线网络，对水面以摄像头进行视频监控，远程以因特网连接，利用虚拟仪器软件优化控制参数，使控制达到最优。从而可实现对复杂的供水网络进行联网调度控制。
2 系统功能
控制系统分别由A、B、C三套独立中距离的设备组成，由一台PC机作为上位机进行监控和数据处理，并与Internet连接。下位机具有多种监测和控制功能，系统具有以下特点：
（1）流量、压力、液位等过程量的检测，从而实现精确的流量、压力、液位控制；方便的数据记录和管理；（2）通过视频对危险或紧急事件进行监控报警；（3）利用虚拟仪器软件和相应硬件采集处理系统的输入输出信号，使控制得到最优化；（4）现场总线网络实现远程设备间的关联控制，实现对分散设备的集中操作和管理；能基于因特网或者局域网实现基于Internet的操作和监视。
系统模型如图1，现场中单个系统的各个传感器采集到信号后通过信号处理模块处理（AD转换）后把数字信号传到 PLC（CPU），然后CPU根据此信号进行相应的动作；适配器是连接PLC与PC机的桥梁。水质监控的模拟中采用的总线类型是目前较热门的USB，当然用户也可根据所提供的硬件选择不同的总线类型，只需解决相应的通信协议问题就行了。各个系统之间的PLC通信可通过与CPU配套的外接口进行MPI通信，而各PC机之间则通过Internet进行相互的连接。
3 控制系统硬件设计
硬件结构是系统功能实现的载体，有上下位机组成。上位机采用可靠性较高的西门子工控机，通过MPI网络与现场控制的下位机PLC连接。下位机控制系统需要对输入输出模块、传感器、执行器、控制器及其等关键硬件进行选型。本系统选用模块化的西门子中型300系列的S7-312C的CPU；远程压力传感器的模拟信号通过多通道输入模块，转换成数字信号送到控制处理器；利用控制处理器中的数据处理和控制程序进行数据处理和判断；输出模块332控制信号控制电动阀、变频器等执行器来控制流量、水位和供水压力等；安装有6个压力传感器，可对管道的多个监测点和池子的压力进行，还装有两个流量传感器，这可分别测量管道多点的水流量大小。本系统的执行器是一台有变频器控制调速的电机水泵及一台恒速水泵，可以方便根据需要进行调节。采用性能优良的摄像头和视频采集卡与工控机相连接，可得到水池和需要监测的生产现场的视频信号，然后用OLE技术可以把视频界面嵌入到工控机的人机界面，还可以进一步对该视频信号进行处理，以实现特定的事件处理，如自动的环境安全监视、设备运行状态的自动监测等等。
4系统软件设计
系统的软件设计包括PLC、WinCC等软件的设计，及相互之间的通讯。上位机软件是创建变量、界面数据输入与实时显示、数据采集管理、故障诊断、上下位机通信及视频处理等，其过程大致这样：建立与PLC的连接和创建变量，建立通信连接后便可以设置用于通信对话的变量。利用图形编辑器，进行组态、参数输入界面。如图2所示体现整个控制系统的大概控制流程：启动程序后进行初始化，清除寄存器里残留的数据信息，同时传感器采集到的信号传经AD模块后传到CPU，处理程序再根据这些信号相应的处理；其间可进行手动和自动操作。每个控制函数都独立分配一个数据块，这样方便数据信息的管理和防止数据出错。针对每个系统，单独建立参数输入界面。选择手动/自动、控制压力或流量对象、设定值与PID参数、函数控制、关联控制对象、标量转换参数输入等。在对各个部分的信号进行及时的最优化分析处理上，本系统引入LabVIEW，然后把这个信号及时反馈给控制程序，从而提高控制信号的精度。
对流量或者压力控制时，可以直接采用完全PID算法，能够直观输入和调整各PID参数，实际运算时则采用增量算法更加方便，计算工作量较少，运算速度较快，其增量式算法如下：
其中Δu（k）为k次控制的增量，A、B、C等分别为合并计算的常数。实现PID的控制程序由STEP7自带函数库的SFB 41函数实现，既可设定PID参数，还可设定上下限位及调用时间等多种参数。
5 网络化及视频监控
三套设备间不仅进行联网数据监测，并进行联网控制，对水网供水调度。工业上的供水是一个牵涉到多方面领域的问题，这就需要解决多方面的协调性与能耗等问题。这里主要讨论Web方式实行远程监控的可行性和实现方法，如图3所示。
供水系统的网络大而复杂，这里研究一种新的方法，可以解决目前由于传感器的限制而难以实现的监控系统。由于本系统融入了丰富的控制、监控、虚拟仪器等现代先进的测控技术，可用于控制系统的深入研究和用于综合性的实验教学。而视频嵌入牵扯到多方面的知识，如视频信息的采集、采用什么算法进行处理，视频调用的过程步骤等等都需要考虑。视频调用的步骤如下：（1）用C++编号一个exe的文件，并把此文件放在所建的Wincc项目文件夹里，相应的图像分析处理在这里可以进行功能扩展。（2）在WinCC 面板中调出个button ；（3）右击button 弹出一列菜单，选择“属性”，（4）选择属性里的“事件”，再接着是事件里的“鼠标”，“C动作”；（5）鼠标放在编程框图里需添加动作的位置处；接着点击编辑动作窗口的左树，把他们展开，然后调用windows中的program Execute)，并把program_name改为调用的路径名即可。（6）调用的路径里把所有的“\”改为“/”。
6 结论
该网络过程控制系统通过一台主机监控，实现现场总线的网络检测与控制。可以分为三组，每套有自己独立的操作界面，可以单独进行实验，实时采集数据；实验时可以大范围改变参数，并且在屏幕上可以直接观测到输出量与检测量的对应曲线。每套系统嵌入视频监控和图像处理，将水厂的过程控制可以与视频监控完美结合；三台设备的联网性实验可以很好的模拟现实生活中的复杂供水网络，而且本系统具有试验切换容易，操作简便，稳定性好等优点。控制软件和监控界面的运作在实验装置上调试通过，并达到预期的效果。本系统的关联控制是通过建立数据块的映射实现的，所以只要把数据块循环刷新便可实现关联控制，而不依赖于通讯网络的结构。视频监控模块可以方便地嵌入过程控制实验系统中，这也是结合了当前工厂实际技术发展的需求方向。
