自動(dòng)化專業(yè)過(guò)程控制方向教學(xué)與實(shí)踐探討

艾 紅

(北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192)

北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)是北京市和國(guó)家級(jí)特色專業(yè)，培養(yǎng)的目標(biāo)之一是從工程角度使學(xué)生建立“系統(tǒng)、信息、控制”的基本概念及掌握其基本知識(shí)，如果設(shè)置的控制系列課程內(nèi)容理論較多，重點(diǎn)放在算法教學(xué)上，就忽視了對(duì)學(xué)生將各類(lèi)實(shí)際物理對(duì)象的控制系統(tǒng)抽象為控制系統(tǒng)基本原理的能力培養(yǎng)，忽視了工程對(duì)典型系統(tǒng)的總體要求，學(xué)生沒(méi)有真正建立起“系統(tǒng)”的概念。自動(dòng)化專業(yè)過(guò)程控制方向的課程綜合應(yīng)用了理論與實(shí)際。過(guò)程控制是控制理論與工業(yè)過(guò)程設(shè)備、自動(dòng)化儀表以及計(jì)算機(jī)工具相結(jié)合的工程應(yīng)用科學(xué)。過(guò)程控制在石化工程、冶金工程、化工工程等各行業(yè)上都有應(yīng)用[1-2]。

1 過(guò)程控制方向課程教學(xué)計(jì)劃安排

1.1 教學(xué)計(jì)劃安排

過(guò)程控制和集散控制系統(tǒng)課程是工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)的一門(mén)技術(shù)性、實(shí)用性很強(qiáng)的專業(yè)主干課。通過(guò)課程的教學(xué)，使學(xué)生能運(yùn)用自動(dòng)控制原理，結(jié)合生產(chǎn)過(guò)程機(jī)理、利用自動(dòng)化儀表及計(jì)算機(jī)從事生產(chǎn)過(guò)程的分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行與開(kāi)發(fā)研究工作。掌握過(guò)程控制儀表的原理和使用方法，根據(jù)被控對(duì)象的控制要求設(shè)計(jì)儀表控制系統(tǒng)。涉及領(lǐng)域有儀器儀表、傳感器、現(xiàn)場(chǎng)總線、單片機(jī)應(yīng)用、工業(yè)控制組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)采集、PLC控制等。我校在過(guò)程控制方向有過(guò)程控制、集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的相關(guān)教學(xué)環(huán)節(jié)。除了課內(nèi)正常實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)之外，又增加了課程設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn)等綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。表1是2012年本科培養(yǎng)教學(xué)計(jì)劃中的相關(guān)課程與實(shí)踐環(huán)節(jié)。

表1 2012級(jí)本科培養(yǎng)方案中過(guò)程控制方向教學(xué)計(jì)劃

學(xué)生對(duì)分析設(shè)計(jì)和數(shù)字仿真能力比較擅長(zhǎng)，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品集成方面以及安裝調(diào)試與運(yùn)行維護(hù)方面能力較弱。在學(xué)習(xí)實(shí)踐過(guò)程中，需要深入理解工業(yè)控制過(guò)程和控制算法的應(yīng)用。深入掌握各環(huán)節(jié)的控制原理與控制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。加強(qiáng)接線、調(diào)試、動(dòng)手安裝、過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)能力，使學(xué)生熟悉工業(yè)管道的走向和控制回路構(gòu)成，提高控制器設(shè)計(jì)與應(yīng)用和控制算法編程能力。掌握常用的自動(dòng)化儀表操作規(guī)程和使用方法，完成基本和復(fù)雜控制回路的控制功能。進(jìn)行控制回路連接，構(gòu)成控制對(duì)象并進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。在一定控制對(duì)象的基礎(chǔ)上，通過(guò)組態(tài)軟件進(jìn)行系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)和分析，通過(guò)軟件編程、硬件系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)完整的控制系統(tǒng)[3-4]。

1.2 教學(xué)環(huán)節(jié)增加應(yīng)用軟件配合

在過(guò)程控制和集散控制系統(tǒng)教學(xué)中，有時(shí)學(xué)生不能憑借靜態(tài)的圖片想象出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程，通過(guò)多媒體教學(xué)動(dòng)畫(huà)和視頻可以將變送器實(shí)體、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸過(guò)程以文字、圖片和動(dòng)畫(huà)等多種形式展現(xiàn)在課堂之上，幫助學(xué)生直觀理解工作原理。抓住傳統(tǒng)過(guò)程控制教學(xué)的核心內(nèi)容，對(duì)于簡(jiǎn)單系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)，針對(duì)控制方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)投運(yùn)、調(diào)節(jié)器選擇及參數(shù)整定等進(jìn)行詳細(xì)分析講解。在被控過(guò)程數(shù)學(xué)模型和調(diào)節(jié)器參數(shù)整定時(shí)，可以用Simulink仿真軟件演示階躍響應(yīng)曲線，改變P、I、D參數(shù)觀察輸出響應(yīng)曲線。通過(guò)系統(tǒng)輸出曲線的變化，理解這3個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，使調(diào)節(jié)控制效果直觀，學(xué)生容易理解參數(shù)整定含義。

為了提高學(xué)生對(duì)過(guò)程控制方向應(yīng)用背景的了解，購(gòu)買(mǎi)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(guò)程參數(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況。學(xué)生可以看到整個(gè)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程，看到現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)設(shè)備，如調(diào)節(jié)閥和多種閥門(mén)定位器、電動(dòng)球閥和氣動(dòng)球閥、氣動(dòng)蝶閥和電動(dòng)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(dòng)蝶閥以及蝶閥的結(jié)構(gòu)，有大型工業(yè)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(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中的除氧器(見(jiàn)圖1)，有燃?xì)馊紵鳌㈠仩t用鼓風(fēng)機(jī)，吊裝就位的鍋爐上汽包，高壓蒸氣鍋爐爐管和待安裝的過(guò)熱段。演示正在運(yùn)行的精餾塔群、現(xiàn)場(chǎng)精餾塔整體起吊安裝、出廠待運(yùn)的精餾塔、浮閥塔塔板和浮閥閥片(見(jiàn)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(shì)圖，有開(kāi)車(chē)步驟評(píng)分、工況質(zhì)量評(píng)分和開(kāi)車(chē)安全評(píng)分，在控制組畫(huà)面中有多個(gè)儀表面板，趨勢(shì)組畫(huà)面中有多個(gè)趨勢(shì)曲線。

圖1 除氧器

圖2 精餾塔

1.3 集散控制系統(tǒng)教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用密切結(jié)合

在集散控制系統(tǒng)課程中對(duì)國(guó)外和國(guó)內(nèi)廠家的集散控制系統(tǒng)做了詳細(xì)講解，主要體現(xiàn)在各種組態(tài)方案構(gòu)成，對(duì)控制功能塊組成的比值、前饋、串級(jí)、選擇等控制方案進(jìn)行控制回路圖連接，對(duì)連續(xù)控制、順序控制和批量控制分別進(jìn)行說(shuō)明。闡述模擬運(yùn)算功能塊、運(yùn)算輔助功能塊、模擬面板功能塊、數(shù)值運(yùn)算功能塊、閥位監(jiān)視功能塊、連續(xù)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(kāi)關(guān)儀表功能塊。說(shuō)明各種功能塊的數(shù)據(jù)項(xiàng)和組態(tài)定義項(xiàng)。在順控表中還可以引用順控表。集散控制系統(tǒng)中每個(gè)控制站可以劃分為8個(gè)控制域，分別控制不同的車(chē)間。控制站中的不同控制域如圖3所示。采用實(shí)際集散控制系統(tǒng)的大量圖片和視頻配合，介紹在石化、水泥企業(yè)的應(yīng)用案例，例如鹽水過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)、稱重配比儀表應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電極控制應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、流量應(yīng)用系統(tǒng)和pH值控制應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。教學(xué)中以知識(shí)點(diǎn)為主線，強(qiáng)調(diào)回歸工程，突出案例教學(xué)，將理論與實(shí)際緊密結(jié)合[5-6]。

圖3 集散控制系統(tǒng)控制站中的不同控制域

1.4 組織學(xué)生參加競(jìng)賽，提升綜合應(yīng)用能力

雖然開(kāi)設(shè)了很多專業(yè)課程，但是學(xué)生并沒(méi)有方案構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施與運(yùn)行控制系統(tǒng)的一體化實(shí)踐鍛煉。我們組織學(xué)生參加過(guò)程控制方向的全國(guó)大學(xué)生競(jìng)賽。在2010年西門(mén)子杯全國(guó)大學(xué)生過(guò)程控制挑戰(zhàn)賽中獲得全國(guó)二等獎(jiǎng)，在2012年全國(guó)大學(xué)生西門(mén)子杯工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽中的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)型比賽中獲得華北賽區(qū)三等獎(jiǎng)2項(xiàng)。學(xué)生通過(guò)參加競(jìng)賽，能夠在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行中提升對(duì)過(guò)程控制應(yīng)用的全面理解。

2 多功能實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用于實(shí)踐環(huán)節(jié)

我校與浙江天煌科技實(shí)業(yè)有限公司共同研制的過(guò)程控制多功能實(shí)驗(yàn)裝置，是針對(duì)過(guò)程控制方向設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備。基于此設(shè)備，較好地對(duì)學(xué)生進(jìn)行了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn)等多種綜合訓(xùn)練。控制系統(tǒng)可以是智能儀表、PLC或者計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，過(guò)程控制方向的實(shí)驗(yàn)設(shè)備還有2套和利時(shí)公司的集散控制系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)使學(xué)生得到了實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制工程項(xiàng)目的全過(guò)程訓(xùn)練。學(xué)生通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)軟件的使用與現(xiàn)場(chǎng)控制站管路的連接、制作實(shí)驗(yàn)裝置的畫(huà)面及控制系統(tǒng)的組態(tài)工作、構(gòu)成所需的功能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控操作，較好地掌握了過(guò)程控制、集散控制系統(tǒng)在工業(yè)上的應(yīng)用方法，同時(shí)對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展有了深刻的理解，為學(xué)生今后的工作奠定了基礎(chǔ)。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置特點(diǎn)

過(guò)程控制多功能實(shí)驗(yàn)裝置的對(duì)象真實(shí)，測(cè)量與變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)均為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，為學(xué)生提供了與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程相一致的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。控制對(duì)象靈活多變，過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)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(pán)管具備大時(shí)滯的模型，有擴(kuò)散硅壓力變送器對(duì)上小水箱、上大水箱、下水箱的液位以及常規(guī)儀表側(cè)管道壓力進(jìn)行檢測(cè)。渦輪流量計(jì)掛接在網(wǎng)孔板上，兩端接有快速接頭，分別用來(lái)對(duì)調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤(pán)管出口支路的流量進(jìn)行測(cè)量。K型熱電偶傳感器用于檢測(cè)鍋爐內(nèi)膽水溫，經(jīng)過(guò)常規(guī)溫度變送器，可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mADC電流信號(hào)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)為4～20 mADC電流信號(hào)。基本控制系統(tǒng)可以采用智能儀表、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊和基于數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)控制，通過(guò)設(shè)置特殊命令實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集和控制功能。實(shí)驗(yàn)裝置配置有2套動(dòng)力系統(tǒng)：磁力驅(qū)動(dòng)泵和變頻器。一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備可同時(shí)進(jìn)行2組實(shí)驗(yàn)，充分提高了設(shè)備的使用率。

2.2 控制對(duì)象和控制系統(tǒng)組合提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

把實(shí)驗(yàn)裝置中的被控對(duì)象設(shè)計(jì)成通過(guò)管路連接實(shí)現(xiàn)變化多樣的控制對(duì)象和控制系統(tǒng)，通過(guò)管路的靈活調(diào)整，可以選擇不同的控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)各種控制對(duì)象的組合。選取的生產(chǎn)工藝過(guò)程具有代表性，以液位、壓力、流量、溫度等生產(chǎn)過(guò)程中的典型過(guò)程參數(shù)作為被控參數(shù)。可以實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象特性的測(cè)試、簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制。實(shí)現(xiàn)液位流量定值控制、串級(jí)控制、比值控制、前饋-反饋控制、滯后控制和解耦控制。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置模擬了工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的裝備，如鍋爐、塔設(shè)備、容器、泵、管路等的工藝參數(shù)。學(xué)生在此套實(shí)驗(yàn)裝置上通過(guò)開(kāi)放性、探索性的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，將課堂上學(xué)到的理論知識(shí)很好地運(yùn)用到實(shí)踐中，深刻地消化了課堂上比較抽象的一時(shí)還沒(méi)有完全理解的內(nèi)容。

通過(guò)過(guò)程控制課程系統(tǒng)的理論教學(xué)和接近工廠逼真的過(guò)程裝備控制技術(shù)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握了控制系統(tǒng)的綜合應(yīng)用。由于所有的傳感器、儀表、執(zhí)行元件、水箱、管路等完全可視化，集成于整體網(wǎng)孔板和實(shí)驗(yàn)裝置上，不僅結(jié)構(gòu)緊湊而且有利于觀察調(diào)試，也大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

實(shí)驗(yàn)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，系統(tǒng)的管路通過(guò)帶快速接頭的軟管自由連接，可組成多種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，克服了實(shí)驗(yàn)管路定死只靠開(kāi)關(guān)閥門(mén)改變系統(tǒng)功能而造成功能不多的弊端。過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)控制理論和過(guò)程控制有了深刻的認(rèn)識(shí)，把握了過(guò)程控制系統(tǒng)的特征，了解了工業(yè)中常用傳感器的工作原理和特性，理解了整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程，提高了解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

3 多種控制功能方案實(shí)現(xiàn)

利用數(shù)據(jù)采集卡和傳感器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理與顯示。利用過(guò)程控制對(duì)象構(gòu)成控制系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上編寫(xiě)各種先進(jìn)算法并應(yīng)用于過(guò)程控制對(duì)象上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，完成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用各類(lèi)主流模塊或不同控制器，如研華采集板卡、西門(mén)子PLC控制器、各類(lèi)傳感器模塊等，組合完成多種控制系統(tǒng)，可以進(jìn)行多種控制算法的研究，一個(gè)被調(diào)參數(shù)可在不同動(dòng)力源、不同執(zhí)行器、不同的工藝管路下演變成多種調(diào)節(jié)回路，便于比較各種調(diào)節(jié)方案的優(yōu)劣，進(jìn)行自動(dòng)化專業(yè)的工程項(xiàng)目和自動(dòng)化儀表選型訓(xùn)練[7-9]。

3.1 MCGS軟件編寫(xiě)控制算法

教學(xué)計(jì)劃中的自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)是在完成了自控理論、檢測(cè)技術(shù)與儀表、過(guò)程控制系統(tǒng)等課程后的一次綜合訓(xùn)練。可以基于MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控組態(tài)界面、完成相應(yīng)參數(shù)的控制硬件組態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定參數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控，能夠記錄實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線，如采用研華PCI-1711多功能數(shù)據(jù)采集卡或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。除了進(jìn)行簡(jiǎn)單的PID控制外，可以使用Matlab編程實(shí)現(xiàn)模糊控制等智能控制，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡平臺(tái)，將Matlab運(yùn)算的數(shù)據(jù)傳到MCGS組態(tài)軟件中進(jìn)行控制輸出。實(shí)現(xiàn)Matlab 與MCGS組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)通信，利用MCGS組態(tài)軟件和Matlab實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的控制。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖表在MCGS軟件中可以存儲(chǔ)和調(diào)用，便于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。

3.2 S7-300 PLC控制

過(guò)程控制多功能實(shí)驗(yàn)裝置分為智能儀表側(cè)和現(xiàn)場(chǎng)總線側(cè)。現(xiàn)場(chǎng)總線側(cè)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用部分現(xiàn)場(chǎng)總線儀表，常規(guī)儀表采用西門(mén)子分布式I/O系統(tǒng)——ET200M模塊采集4～20 mA信號(hào)。配置工業(yè)以太網(wǎng)模塊，可連接多臺(tái)學(xué)生控制終端電腦[10]。

現(xiàn)場(chǎng)總線側(cè)的鍋爐水溫定值控制系統(tǒng)是以鍋爐內(nèi)膽作為被控對(duì)象，內(nèi)膽水溫為系統(tǒng)的被控量，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)可以控制鍋爐的水溫穩(wěn)定到給定值。鍋爐內(nèi)膽水溫控制工藝流程如圖4所示。

圖4 鍋爐內(nèi)膽水溫控制工藝流程

4 結(jié)束語(yǔ)

在過(guò)程控制方向教學(xué)與實(shí)踐中，采用仿真軟件配合使得教學(xué)密切聯(lián)系實(shí)際。利用過(guò)程控制多功能實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用平臺(tái)，建立了包括典型傳感器、變送器、控制器、智能儀表、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、PLC、過(guò)程控制對(duì)象等自動(dòng)化系統(tǒng)。學(xué)生在學(xué)習(xí)中，能夠針對(duì)控制對(duì)象編寫(xiě)控制算法，將變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制對(duì)象構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，理解檢測(cè)與控制的基本思想，建立控制系統(tǒng)概念。在具有多種控制方案的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，學(xué)生嘗試使用不同種類(lèi)設(shè)備實(shí)施多種控制算法，提出自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)和新觀點(diǎn)。通過(guò)過(guò)程控制方向教學(xué)實(shí)踐，使學(xué)生既懂硬件也懂軟件，既懂得過(guò)程裝備流程技術(shù)也懂得控制理論的工程應(yīng)用，能夠懂得系統(tǒng)工作原理與過(guò)程，也能夠正確使用自動(dòng)化裝置進(jìn)行組態(tài)、完成工程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)控制功能，培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力，為就業(yè)奠定了良好的基礎(chǔ)[11-12]。

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