自动化专业过程控制方向教学与实践探讨

艾 红

(北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192)

北京信息科技大学自动化专业是北京市和国家级特色专业，培养的目标之一是从工程角度使学生建立“系统、信息、控制”的基本概念及掌握其基本知识，如果设置的控制系列课程内容理论较多，重点放在算法教学上，就忽视了对学生将各类实际物理对象的控制系统抽象为控制系统基本原理的能力培养，忽视了工程对典型系统的总体要求，学生没有真正建立起“系统”的概念。自动化专业过程控制方向的课程综合应用了理论与实际。过程控制是控制理论与工业过程设备、自动化仪表以及计算机工具相结合的工程应用科学。过程控制在石化工程、冶金工程、化工工程等各行业上都有应用[1-2]。

1 过程控制方向课程教学计划安排

1.1 教学计划安排

过程控制和集散控制系统课程是工业自动化专业的一门技术性、实用性很强的专业主干课。通过课程的教学，使学生能运用自动控制原理，结合生产过程机理、利用自动化仪表及计算机从事生产过程的分析、设计、运行与开发研究工作。掌握过程控制仪表的原理和使用方法，根据被控对象的控制要求设计仪表控制系统。涉及领域有仪器仪表、传感器、现场总线、单片机应用、工业控制组态软件、数据采集、PLC控制等。我校在过程控制方向有过程控制、集散控制系统和现场总线技术的相关教学环节。除了课内正常实验环节之外，又增加了课程设计和综合实验等综合设计环节。表1是2012年本科培养教学计划中的相关课程与实践环节。

表1 2012级本科培养方案中过程控制方向教学计划

学生对分析设计和数字仿真能力比较擅长，在控制系统设计及产品集成方面以及安装调试与运行维护方面能力较弱。在学习实践过程中，需要深入理解工业控制过程和控制算法的应用。深入掌握各环节的控制原理与控制的实现过程。加强接线、调试、动手安装、过程控制系统运行与维护能力，使学生熟悉工业管道的走向和控制回路构成，提高控制器设计与应用和控制算法编程能力。掌握常用的自动化仪表操作规程和使用方法，完成基本和复杂控制回路的控制功能。进行控制回路连接，构成控制对象并进行软件设计。在一定控制对象的基础上，通过组态软件进行系统综合设计和分析，通过软件编程、硬件系统集成实现完整的控制系统[3-4]。

1.2 教学环节增加应用软件配合

在过程控制和集散控制系统教学中，有时学生不能凭借静态的图片想象出数据转换过程，通过多媒体教学动画和视频可以将变送器实体、数据转换与传输过程以文字、图片和动画等多种形式展现在课堂之上，帮助学生直观理解工作原理。抓住传统过程控制教学的核心内容，对于简单系统和复杂系统，针对控制方案设计、系统投运、调节器选择及参数整定等进行详细分析讲解。在被控过程数学模型和调节器参数整定时，可以用Simulink仿真软件演示阶跃响应曲线，改变P、I、D参数观察输出响应曲线。通过系统输出曲线的变化，理解这3个参数对系统性能的影响，使调节控制效果直观，学生容易理解参数整定含义。

为了提高学生对过程控制方向应用背景的了解，购买了化工仿真软件，利用此软件演示锅炉、精馏塔等工艺流程，演示过程参数以及现场设备运行情况。学生可以看到整个控制系统的控制过程，看到现场真实设备，如调节阀和多种阀门定位器、电动球阀和气动球阀、气动蝶阀和电动蝶阀、加热炉、锅炉、精馏塔和离心泵：有大型余热炉、大型立式炉，不同口径的手动蝶阀以及蝶阀的结构，有大型工业锅炉，安装中的锅炉省煤器组、上汽包与下汽包，加工完成的除氧器和现场运行中的除氧器(见图1)，有燃气燃烧器、锅炉用鼓风机，吊装就位的锅炉上汽包，高压蒸气锅炉炉管和待安装的过热段。演示正在运行的精馏塔群、现场精馏塔整体起吊安装、出厂待运的精馏塔、浮阀塔塔板和浮阀阀片(见图2)。化工仿真软件有着清晰的工艺流程图和控制仪表面板以及趋势图，有开车步骤评分、工况质量评分和开车安全评分，在控制组画面中有多个仪表面板，趋势组画面中有多个趋势曲线。

图1 除氧器

图2 精馏塔

1.3 集散控制系统教学与实际应用密切结合

在集散控制系统课程中对国外和国内厂家的集散控制系统做了详细讲解，主要体现在各种组态方案构成，对控制功能块组成的比值、前馈、串级、选择等控制方案进行控制回路图连接，对连续控制、顺序控制和批量控制分别进行说明。阐述模拟运算功能块、运算辅助功能块、模拟面板功能块、数值运算功能块、阀位监视功能块、连续控制功能块、顺控表和逻辑图功能块、顺序辅助控制功能块和开关仪表功能块。说明各种功能块的数据项和组态定义项。在顺控表中还可以引用顺控表。集散控制系统中每个控制站可以划分为8个控制域，分别控制不同的车间。控制站中的不同控制域如图3所示。采用实际集散控制系统的大量图片和视频配合，介绍在石化、水泥企业的应用案例，例如盐水过滤系统设计、称重配比仪表应用系统设计、电极控制应用程序设计、流量应用系统和pH值控制应用系统设计。教学中以知识点为主线，强调回归工程，突出案例教学，将理论与实际紧密结合[5-6]。

图3 集散控制系统控制站中的不同控制域

1.4 组织学生参加竞赛，提升综合应用能力

虽然开设了很多专业课程，但是学生并没有方案构思、设计、实施与运行控制系统的一体化实践锻炼。我们组织学生参加过程控制方向的全国大学生竞赛。在2010年西门子杯全国大学生过程控制挑战赛中获得全国二等奖，在2012年全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛中的设计开发型比赛中获得华北赛区三等奖2项。学生通过参加竞赛，能够在控制系统设计与运行中提升对过程控制应用的全面理解。

2 多功能实验装置应用于实践环节

我校与浙江天煌科技实业有限公司共同研制的过程控制多功能实验装置，是针对过程控制方向设计开发的自动化综合实验设备。基于此设备，较好地对学生进行了开放实验、课程设计和综合实验等多种综合训练。控制系统可以是智能仪表、PLC或者计算机控制系统，过程控制方向的实验设备还有2套和利时公司的集散控制系统。通过实践环节使学生得到了实现一个控制工程项目的全过程训练。学生通过对控制系统监控组态软件的使用与现场控制站管路的连接、制作实验装置的画面及控制系统的组态工作、构成所需的功能进行实时监控操作，较好地掌握了过程控制、集散控制系统在工业上的应用方法，同时对新技术的应用与发展有了深刻的理解，为学生今后的工作奠定了基础。

2.1 实验装置特点

过程控制多功能实验装置的对象真实，测量与变送器、执行机构均为工业级产品，为学生提供了与实际生产过程相一致的实验环境。控制对象灵活多变，过程控制实验装置由单容水箱、微型锅炉、双容水箱以及管路组成，并配有盘管具备大时滞的模型，有扩散硅压力变送器对上小水箱、上大水箱、下水箱的液位以及常规仪表侧管道压力进行检测。涡轮流量计挂接在网孔板上，两端接有快速接头，分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。K型热电偶传感器用于检测锅炉内胆水温，经过常规温度变送器，可将温度信号转换成4～20 mADC电流信号，电动调节阀控制信号为4～20 mADC电流信号。基本控制系统可以采用智能仪表、远程数据采集模块和基于数据采集卡的计算机控制，通过设置特殊命令实现远程采集和控制功能。实验装置配置有2套动力系统：磁力驱动泵和变频器。一台实验设备可同时进行2组实验，充分提高了设备的使用率。

2.2 控制对象和控制系统组合提高学生学习兴趣

把实验装置中的被控对象设计成通过管路连接实现变化多样的控制对象和控制系统，通过管路的灵活调整，可以选择不同的控制对象，实现各种控制对象的组合。选取的生产工艺过程具有代表性，以液位、压力、流量、温度等生产过程中的典型过程参数作为被控参数。可以实现被控对象特性的测试、简单控制系统和复杂控制系统的控制。实现液位流量定值控制、串级控制、比值控制、前馈-反馈控制、滞后控制和解耦控制。整个实验装置模拟了工业生产过程中的装备，如锅炉、塔设备、容器、泵、管路等的工艺参数。学生在此套实验装置上通过开放性、探索性的控制系统设计实验，将课堂上学到的理论知识很好地运用到实践中，深刻地消化了课堂上比较抽象的一时还没有完全理解的内容。

通过过程控制课程系统的理论教学和接近工厂逼真的过程装备控制技术的应用实验，学生掌握了控制系统的综合应用。由于所有的传感器、仪表、执行元件、水箱、管路等完全可视化，集成于整体网孔板和实验装置上，不仅结构紧凑而且有利于观察调试，也大大提高了学生学习的兴趣。

实验装置采用模块化设计技术，系统的管路通过带快速接头的软管自由连接，可组成多种实验系统，克服了实验管路定死只靠开关阀门改变系统功能而造成功能不多的弊端。过程控制实验使学生对控制理论和过程控制有了深刻的认识，把握了过程控制系统的特征，了解了工业中常用传感器的工作原理和特性，理解了整个系统的工作过程，提高了解决工程实际问题的能力。

3 多种控制功能方案实现

利用数据采集卡和传感器构成数据采集系统，进行数据采集、处理与显示。利用过程控制对象构成控制系统，在计算机上编写各种先进算法并应用于过程控制对象上实现闭环控制，完成计算机控制系统设计。利用各类主流模块或不同控制器，如研华采集板卡、西门子PLC控制器、各类传感器模块等，组合完成多种控制系统，可以进行多种控制算法的研究，一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路，便于比较各种调节方案的优劣，进行自动化专业的工程项目和自动化仪表选型训练[7-9]。

3.1 MCGS软件编写控制算法

教学计划中的自动控制系统综合实验是在完成了自控理论、检测技术与仪表、过程控制系统等课程后的一次综合训练。可以基于MCGS组态软件设计监控组态界面、完成相应参数的控制硬件组态和实时数据库组态，实现对特定参数数据的实时采集和监控，能够记录实时曲线和历史曲线，如采用研华PCI-1711多功能数据采集卡或远程数据采集模块进行数据采集。除了进行简单的PID控制外，可以使用Matlab编程实现模糊控制等智能控制，通过数据采集卡平台，将Matlab运算的数据传到MCGS组态软件中进行控制输出。实现Matlab 与MCGS组态软件的数据通信，利用MCGS组态软件和Matlab实现对水箱液位的控制。实验数据及图表在MCGS软件中可以存储和调用，便于实验结果的分析。

3.2 S7-300 PLC控制

过程控制多功能实验装置分为智能仪表侧和现场总线侧。现场总线侧的现场总线控制系统采用部分现场总线仪表，常规仪表采用西门子分布式I/O系统——ET200M模块采集4～20 mA信号。配置工业以太网模块，可连接多台学生控制终端电脑[10]。

现场总线侧的锅炉水温定值控制系统是以锅炉内胆作为被控对象，内胆水温为系统的被控量，基于现场总线的控制系统可以控制锅炉的水温稳定到给定值。锅炉内胆水温控制工艺流程如图4所示。

图4 锅炉内胆水温控制工艺流程

4 结束语

在过程控制方向教学与实践中，采用仿真软件配合使得教学密切联系实际。利用过程控制多功能实验装置的应用平台，建立了包括典型传感器、变送器、控制器、智能仪表、远程数据采集、PLC、过程控制对象等自动化系统。学生在学习中，能够针对控制对象编写控制算法，将变送器、调节器、执行机构与控制对象构成一个闭环控制系统，理解检测与控制的基本思想，建立控制系统概念。在具有多种控制方案的实验平台上，学生尝试使用不同种类设备实施多种控制算法，提出自己独特的设计和新观点。通过过程控制方向教学实践，使学生既懂硬件也懂软件，既懂得过程装备流程技术也懂得控制理论的工程应用，能够懂得系统工作原理与过程，也能够正确使用自动化装置进行组态、完成工程设计，实现控制功能，培养了学生的设计和创新能力，为就业奠定了良好的基础[11-12]。

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