過程控制系統的設計與實現

摘 要：過程控制系統是在生產線自動控制系統中用來管理生產過程數據的計算機系統，通常完成生產線上各設備的設定值計算、模型優化、生產過程數據和產品質量數據的收集、收集和設備運行數據、生產計劃數據維護、生產原料數據和生產成品數據的管理、物料數據在生產線上的全線跟蹤、協調各控制系統間的動作和數據傳遞等。

關鍵詞：過程控制系統；設備數據管理；日志系統

1 引言

工廠的計算機管理系統通常被分為三級，由下往上依次為：基礎自動化系統BAS（一級計算機系統Basic Automatic System）、生產過程控制系統PCS（二級計算機系統Process Control System）、生產管理系統PMS（三級計算機系統Production Manage System），在這三大主要系統以外，還有基礎儀表系統、傳動系統、人機界面系統HMI（Human Machine Interface）。

傳動系統主要是控制馬達的運轉。該系統和基礎自動化相連，接收基礎自動化的指令，控制馬達的運轉，同時向基礎自動化系統報告馬達的運轉實際數據。

儀表系統直接和機械設備連接，由各種智能/非智能儀表和PLC中的儀表控制程序組成。該系統同時和基礎自動化系統、人機界面系統、生產過程控制系統通訊，向這些系統傳送各種儀表的監測數據。該系統直接獲取儀表數據和控制各種智能儀表（閥門、開關等）的動作。

基礎自動化系統和儀表系統密不可分，但比儀表系統高級一些，實現了更復雜的邏輯和管理功能，能夠控制更高級的設備和智能系統。該系統主要是PLC及其中的控制程序以及工業控制網絡系統。本系統連接傳動系統、儀表系統、過程控制系統、HMI系統。該系統接收生產過程控制系統下達的生產設定值，或HMI上由操作工輸入的生產設定值，實際控制各機械部件和電子器件的工作，使生產線運轉起來。同時，該系統可收集生產實績數據，但數據管理能力較弱，無法完成復雜的數據管理任務。

過程控制系統是連接生產管理系統和基礎自動化系統的橋梁，同時提供了和生產過程相關的高級數據管理功能。主要功能有：生產計劃管理、針對每個生產合同的生產設定值管理、收集生產過程數據，形成產品質量數據、協調全生產線的運轉、接受操作工指令從而干預的生產過程、收集管理各設備的運行數據、對數學模型或生產參數設定值進行學習和優化、負責為HMI提供數據等。該系統主要是生產過程管理計算機和生產過程管理軟件。該系統和如下系統有緊密聯系：儀表系統、基礎自動化系統、HMI系統、生產管理系統。由于以上各系統均有自己的一套獨立的技術方案、開發模式、開發工具、軟硬件環境，使用的技術各不相同。故過程控制系統需要能夠提供強大的通訊手段，和各種異構系統之間能夠高效可靠地交換數據。為解決復雜的外部環境時常變化和軟件系統核心部分相對穩定之間的矛盾，本系統需要有良好的結構設計，能夠規范系統內部的通信，同時提供豐富的擴展能力，方便擴充異構通訊方式和協議。生產管理系統需要實時處理生產線上的數據，故該系統對實時性要求很高。生產參數設定往往和生產要求以及多項影響因素有關，這些因素之間很難建立明確的數學模型，為解決這一廣泛存在于生產過程中的難題，生產過程控制系統利用神經網絡的自學習能力，自動為生產線計算和優化生產參數。生產過程控制系統需要提供復雜的數據管理功能，數據庫管理系統自然成為該系統中的一個核心組成部分。

人機界面系統（HMI）是操作工操作生產線的直接工具，通過HMI，操作工能夠監控生產線上各種設備的工作情況，能夠察看各儀表的數據，能夠直接為設備下達生產設定值（生產線手工工作模式）和動作指令。同時通過HMI，操作工能夠管理生產計劃（屬于生產過程控制系統數據庫中的數據），手工設定生產合同所對應的生產設定值和生產要求，干預生產過程控制系統的生產設定值計算。通過生產過程控制系統和生產管理系統進行通訊，協調生產過程控制系統和基礎自動化系統之間的運行，為生產線操作人員提供協調以上兩個系統工作的手段。操作人員人工干預生產線的動作全部通過HMI完成，HMI需要和工廠計算機管理系統中幾乎每個子系統進行通訊。

生產管理系統在一個工廠中是最高級別的管理系統，實現商務合同到生產合同的轉化，制定生產計劃，并下達給過程控制系統，如有需要，應優化生產計劃、生產流程、工藝參數等。收集各種產品質量數據和設備數據、成本數據等，管理生產線上的各設備相關數據。

2 主要功能和技術要求

過程控制系統需要完成如下功能：和生產管理計算機通訊，接收并管理生產計劃數據、原料數據和生產要求數據、缺陷數據、操作工交接班數據，可自動或根據操作工要求，向生產管理系統發送軋輥數據申請、生產計劃申請、原料數據申請等。

和基礎自動化通訊，收集生產線上的各種數據，跟蹤生產線上的物料流轉；收集和統計生產線上各設備的生產實績數據，將該數據對應到物料上，產生該物料的完整生產實績數據，將數據保存到數據庫中。

為各部分的生產設備計算和發送生產設定值，收集實際的生產設定值，對應于生產原料的特性，訓練神經網絡，使神經網絡的計算結果更準確。

收集全生產線的實際速度數據和各活套的豐度數據，實時計算各生產段的速度設定要求和活套的豐度要求。將要求發送給基礎自動化系統，使全線動作一致和協調，保證生產不中斷，達到產品質量要求，生產線各部分動作柔順平滑，減少設備磨損。

和HMI通訊，接收操作工對生產的干預，接收操作工對生產原料和生產要求數據的修改；提前為操作工提供計算出來的生產設定值，并接受操作工對生產設定值的修改；接受操作工對生產設定值計算參數的修改，并馬上作用于后續的生產設定計算中。

和HMI通訊，接受操作工對生產線的控制指令，協調和基礎自動化的動作，如向基礎自動化發送數據同步指令、確認材料數據和測量值，重新發送生產設定值等。

向HMI提供過程控制系統的內部跟蹤數據和統計數據，供HMI顯示給操作工看。

系統要求有完備的日志（Log）功能，要能夠保存一周的運行記錄，可查詢一周內除生產實績外任何數據的處理過程或計算過程。生產實績的報文處理記錄要求保留兩天。

系統中的所有進程，需要有其他程進行有可靠的監控，保證其不間斷運行。系統運行過程中，可實現無人值守。

系統功能相對繁雜，需要一個好的系統內部結構設計，保證功能能夠很好被滿足，同時保證系統結構間的低耦合性和高可擴充性。

3 結束語

該項目的投入使用，能夠讓整個酸軋聯合機組有序協調，基本無人工干預地運轉，并實現生產線和生產管理系統的銜接，讓生產線按生產管理系統的要求自動進行生產。在生產過程中自動收集生產設定值和產品質量結果的數據，利用神經網絡的自學習功能自動優化生產設定值，以提高產品質量，同時提高了工廠應對市場變化的能力。