自動化專業過程控制方向教學與實踐探討

艾 紅

(北京信息科技大學 自動化學院，北京 100192)

北京信息科技大學自動化專業是北京市和國家級特色專業，培養的目標之一是從工程角度使學生建立“系統、信息、控制”的基本概念及掌握其基本知識，如果設置的控制系列課程內容理論較多，重點放在算法教學上，就忽視了對學生將各類實際物理對象的控制系統抽象為控制系統基本原理的能力培養，忽視了工程對典型系統的總體要求，學生沒有真正建立起“系統”的概念。自動化專業過程控制方向的課程綜合應用了理論與實際。過程控制是控制理論與工業過程設備、自動化儀表以及計算機工具相結合的工程應用科學。過程控制在石化工程、冶金工程、化工工程等各行業上都有應用[1-2]。

1 過程控制方向課程教學計劃安排

1.1 教學計劃安排

過程控制和集散控制系統課程是工業自動化專業的一門技術性、實用性很強的專業主干課。通過課程的教學，使學生能運用自動控制原理，結合生產過程機理、利用自動化儀表及計算機從事生產過程的分析、設計、運行與開發研究工作。掌握過程控制儀表的原理和使用方法，根據被控對象的控制要求設計儀表控制系統。涉及領域有儀器儀表、傳感器、現場總線、單片機應用、工業控制組態軟件、數據采集、PLC控制等。我校在過程控制方向有過程控制、集散控制系統和現場總線技術的相關教學環節。除了課內正常實驗環節之外，又增加了課程設計和綜合實驗等綜合設計環節。表1是2012年本科培養教學計劃中的相關課程與實踐環節。

表1 2012級本科培養方案中過程控制方向教學計劃

學生對分析設計和數字仿真能力比較擅長，在控制系統設計及產品集成方面以及安裝調試與運行維護方面能力較弱。在學習實踐過程中，需要深入理解工業控制過程和控制算法的應用。深入掌握各環節的控制原理與控制的實現過程。加強接線、調試、動手安裝、過程控制系統運行與維護能力，使學生熟悉工業管道的走向和控制回路構成，提高控制器設計與應用和控制算法編程能力。掌握常用的自動化儀表操作規程和使用方法，完成基本和復雜控制回路的控制功能。進行控制回路連接，構成控制對象并進行軟件設計。在一定控制對象的基礎上，通過組態軟件進行系統綜合設計和分析，通過軟件編程、硬件系統集成實現完整的控制系統[3-4]。

1.2 教學環節增加應用軟件配合

在過程控制和集散控制系統教學中，有時學生不能憑借靜態的圖片想象出數據轉換過程，通過多媒體教學動畫和視頻可以將變送器實體、數據轉換與傳輸過程以文字、圖片和動畫等多種形式展現在課堂之上，幫助學生直觀理解工作原理。抓住傳統過程控制教學的核心內容，對于簡單系統和復雜系統，針對控制方案設計、系統投運、調節器選擇及參數整定等進行詳細分析講解。在被控過程數學模型和調節器參數整定時，可以用Simulink仿真軟件演示階躍響應曲線，改變P、I、D參數觀察輸出響應曲線。通過系統輸出曲線的變化，理解這3個參數對系統性能的影響，使調節控制效果直觀，學生容易理解參數整定含義。

為了提高學生對過程控制方向應用背景的了解，購買了化工仿真軟件，利用此軟件演示鍋爐、精餾塔等工藝流程，演示過程參數以及現場設備運行情況。學生可以看到整個控制系統的控制過程，看到現場真實設備，如調節閥和多種閥門定位器、電動球閥和氣動球閥、氣動蝶閥和電動蝶閥、加熱爐、鍋爐、精餾塔和離心泵：有大型余熱爐、大型立式爐，不同口徑的手動蝶閥以及蝶閥的結構，有大型工業鍋爐，安裝中的鍋爐省煤器組、上汽包與下汽包，加工完成的除氧器和現場運行中的除氧器(見圖1)，有燃氣燃燒器、鍋爐用鼓風機，吊裝就位的鍋爐上汽包，高壓蒸氣鍋爐爐管和待安裝的過熱段。演示正在運行的精餾塔群、現場精餾塔整體起吊安裝、出廠待運的精餾塔、浮閥塔塔板和浮閥閥片(見圖2)。化工仿真軟件有著清晰的工藝流程圖和控制儀表面板以及趨勢圖，有開車步驟評分、工況質量評分和開車安全評分，在控制組畫面中有多個儀表面板，趨勢組畫面中有多個趨勢曲線。

圖1 除氧器

圖2 精餾塔

1.3 集散控制系統教學與實際應用密切結合

在集散控制系統課程中對國外和國內廠家的集散控制系統做了詳細講解，主要體現在各種組態方案構成，對控制功能塊組成的比值、前饋、串級、選擇等控制方案進行控制回路圖連接，對連續控制、順序控制和批量控制分別進行說明。闡述模擬運算功能塊、運算輔助功能塊、模擬面板功能塊、數值運算功能塊、閥位監視功能塊、連續控制功能塊、順控表和邏輯圖功能塊、順序輔助控制功能塊和開關儀表功能塊。說明各種功能塊的數據項和組態定義項。在順控表中還可以引用順控表。集散控制系統中每個控制站可以劃分為8個控制域，分別控制不同的車間。控制站中的不同控制域如圖3所示。采用實際集散控制系統的大量圖片和視頻配合，介紹在石化、水泥企業的應用案例，例如鹽水過濾系統設計、稱重配比儀表應用系統設計、電極控制應用程序設計、流量應用系統和pH值控制應用系統設計。教學中以知識點為主線，強調回歸工程，突出案例教學，將理論與實際緊密結合[5-6]。

圖3 集散控制系統控制站中的不同控制域

1.4 組織學生參加競賽，提升綜合應用能力

雖然開設了很多專業課程，但是學生并沒有方案構思、設計、實施與運行控制系統的一體化實踐鍛煉。我們組織學生參加過程控制方向的全國大學生競賽。在2010年西門子杯全國大學生過程控制挑戰賽中獲得全國二等獎，在2012年全國大學生西門子杯工業自動化挑戰賽中的設計開發型比賽中獲得華北賽區三等獎2項。學生通過參加競賽，能夠在控制系統設計與運行中提升對過程控制應用的全面理解。

2 多功能實驗裝置應用于實踐環節

我校與浙江天煌科技實業有限公司共同研制的過程控制多功能實驗裝置，是針對過程控制方向設計開發的自動化綜合實驗設備。基于此設備，較好地對學生進行了開放實驗、課程設計和綜合實驗等多種綜合訓練。控制系統可以是智能儀表、PLC或者計算機控制系統，過程控制方向的實驗設備還有2套和利時公司的集散控制系統。通過實踐環節使學生得到了實現一個控制工程項目的全過程訓練。學生通過對控制系統監控組態軟件的使用與現場控制站管路的連接、制作實驗裝置的畫面及控制系統的組態工作、構成所需的功能進行實時監控操作，較好地掌握了過程控制、集散控制系統在工業上的應用方法，同時對新技術的應用與發展有了深刻的理解，為學生今后的工作奠定了基礎。

2.1 實驗裝置特點

過程控制多功能實驗裝置的對象真實，測量與變送器、執行機構均為工業級產品，為學生提供了與實際生產過程相一致的實驗環境。控制對象靈活多變，過程控制實驗裝置由單容水箱、微型鍋爐、雙容水箱以及管路組成，并配有盤管具備大時滯的模型，有擴散硅壓力變送器對上小水箱、上大水箱、下水箱的液位以及常規儀表側管道壓力進行檢測。渦輪流量計掛接在網孔板上，兩端接有快速接頭，分別用來對調節閥支路、變頻支路及盤管出口支路的流量進行測量。K型熱電偶傳感器用于檢測鍋爐內膽水溫，經過常規溫度變送器，可將溫度信號轉換成4～20 mADC電流信號，電動調節閥控制信號為4～20 mADC電流信號。基本控制系統可以采用智能儀表、遠程數據采集模塊和基于數據采集卡的計算機控制，通過設置特殊命令實現遠程采集和控制功能。實驗裝置配置有2套動力系統：磁力驅動泵和變頻器。一臺實驗設備可同時進行2組實驗，充分提高了設備的使用率。

2.2 控制對象和控制系統組合提高學生學習興趣

把實驗裝置中的被控對象設計成通過管路連接實現變化多樣的控制對象和控制系統，通過管路的靈活調整，可以選擇不同的控制對象，實現各種控制對象的組合。選取的生產工藝過程具有代表性，以液位、壓力、流量、溫度等生產過程中的典型過程參數作為被控參數。可以實現被控對象特性的測試、簡單控制系統和復雜控制系統的控制。實現液位流量定值控制、串級控制、比值控制、前饋-反饋控制、滯后控制和解耦控制。整個實驗裝置模擬了工業生產過程中的裝備，如鍋爐、塔設備、容器、泵、管路等的工藝參數。學生在此套實驗裝置上通過開放性、探索性的控制系統設計實驗，將課堂上學到的理論知識很好地運用到實踐中，深刻地消化了課堂上比較抽象的一時還沒有完全理解的內容。

通過過程控制課程系統的理論教學和接近工廠逼真的過程裝備控制技術的應用實驗，學生掌握了控制系統的綜合應用。由于所有的傳感器、儀表、執行元件、水箱、管路等完全可視化，集成于整體網孔板和實驗裝置上，不僅結構緊湊而且有利于觀察調試，也大大提高了學生學習的興趣。

實驗裝置采用模塊化設計技術，系統的管路通過帶快速接頭的軟管自由連接，可組成多種實驗系統，克服了實驗管路定死只靠開關閥門改變系統功能而造成功能不多的弊端。過程控制實驗使學生對控制理論和過程控制有了深刻的認識，把握了過程控制系統的特征，了解了工業中常用傳感器的工作原理和特性，理解了整個系統的工作過程，提高了解決工程實際問題的能力。

3 多種控制功能方案實現

利用數據采集卡和傳感器構成數據采集系統，進行數據采集、處理與顯示。利用過程控制對象構成控制系統，在計算機上編寫各種先進算法并應用于過程控制對象上實現閉環控制，完成計算機控制系統設計。利用各類主流模塊或不同控制器，如研華采集板卡、西門子PLC控制器、各類傳感器模塊等，組合完成多種控制系統，可以進行多種控制算法的研究，一個被調參數可在不同動力源、不同執行器、不同的工藝管路下演變成多種調節回路，便于比較各種調節方案的優劣，進行自動化專業的工程項目和自動化儀表選型訓練[7-9]。

3.1 MCGS軟件編寫控制算法

教學計劃中的自動控制系統綜合實驗是在完成了自控理論、檢測技術與儀表、過程控制系統等課程后的一次綜合訓練。可以基于MCGS組態軟件設計監控組態界面、完成相應參數的控制硬件組態和實時數據庫組態，實現對特定參數數據的實時采集和監控，能夠記錄實時曲線和歷史曲線，如采用研華PCI-1711多功能數據采集卡或遠程數據采集模塊進行數據采集。除了進行簡單的PID控制外，可以使用Matlab編程實現模糊控制等智能控制，通過數據采集卡平臺，將Matlab運算的數據傳到MCGS組態軟件中進行控制輸出。實現Matlab 與MCGS組態軟件的數據通信，利用MCGS組態軟件和Matlab實現對水箱液位的控制。實驗數據及圖表在MCGS軟件中可以存儲和調用，便于實驗結果的分析。

3.2 S7-300 PLC控制

過程控制多功能實驗裝置分為智能儀表側和現場總線側。現場總線側的現場總線控制系統采用部分現場總線儀表，常規儀表采用西門子分布式I/O系統——ET200M模塊采集4～20 mA信號。配置工業以太網模塊，可連接多臺學生控制終端電腦[10]。

現場總線側的鍋爐水溫定值控制系統是以鍋爐內膽作為被控對象，內膽水溫為系統的被控量，基于現場總線的控制系統可以控制鍋爐的水溫穩定到給定值。鍋爐內膽水溫控制工藝流程如圖4所示。

圖4 鍋爐內膽水溫控制工藝流程

4 結束語

在過程控制方向教學與實踐中，采用仿真軟件配合使得教學密切聯系實際。利用過程控制多功能實驗裝置的應用平臺，建立了包括典型傳感器、變送器、控制器、智能儀表、遠程數據采集、PLC、過程控制對象等自動化系統。學生在學習中，能夠針對控制對象編寫控制算法，將變送器、調節器、執行機構與控制對象構成一個閉環控制系統，理解檢測與控制的基本思想，建立控制系統概念。在具有多種控制方案的實驗平臺上，學生嘗試使用不同種類設備實施多種控制算法，提出自己獨特的設計和新觀點。通過過程控制方向教學實踐，使學生既懂硬件也懂軟件，既懂得過程裝備流程技術也懂得控制理論的工程應用，能夠懂得系統工作原理與過程，也能夠正確使用自動化裝置進行組態、完成工程設計，實現控制功能，培養了學生的設計和創新能力，為就業奠定了良好的基礎[11-12]。

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