过程控制系统的设计与实现

过程控制系统的设计与实现

过程控制系统是在生产线自动控制系统中用来管理生产过程数据的计算机系统，通常完成生产线上各设备的设定值计算、模型优化、生产过程数据和产品质量数据的收集、收集和设备运行数据、生产计划数据维护、生产原料数据和生产成品数据的管理、物料数据在生产线上的全线跟踪、协调各控制系统间的动作和数据传递等。

标签：过程控制系统；设备数据管理；日志系统

1 引言

工厂的计算机管理系统通常被分为三级，由下往上依次为：基础自动化系统BAS（一级计算机系统Basic Automatic System）、生产过程控制系统PCS（二级计算机系统Process Control System）、生产管理系统PMS（三级计算机系统Production Manage System），在这三大主要系统以外，还有基础仪表系统、传动系统、人机界面系统HMI（Human Machine Interface）。

传动系统主要是控制马达的运转。该系统和基础自动化相连，接收基础自动化的指令，控制马达的运转，同时向基础自动化系统报告马达的运转实际数据。

仪表系统直接和机械设备连接，由各种智能/非智能仪表和PLC中的仪表控制程序组成。该系统同时和基础自动化系统、人机界面系统、生产过程控制系统通讯，向这些系统传送各种仪表的监测数据。该系统直接获取仪表数据和控制各种智能仪表（阀门、开关等）的动作。

基础自动化系统和仪表系统密不可分，但比仪表系统高级一些，实现了更复杂的逻辑和管理功能，能够控制更高级的设备和智能系统。该系统主要是PLC 及其中的控制程序以及工业控制网络系统。本系统连接传动系统、仪表系统、过程控制系统、HMI系统。该系统接收生产过程控制系统下达的生产设定值，或HMI上由操作工输入的生产设定值，实际控制各机械部件和电子器件的工作，使生产线运转起来。同时，该系统可收集生产实绩数据，但数据管理能力较弱，无法完成复杂的数据管理任务。

过程控制系统是连接生产管理系统和基础自动化系统的桥梁，同时提供了和生产过程相关的高级数据管理功能。主要功能有：生产计划管理、针对每个生产合同的生产设定值管理、收集生产过程数据，形成产品质量数据、协调全生产线的运转、接受操作工指令从而干预的生产过程、收集管理各设备的运行数据、对数学模型或生产参数设定值进行学习和优化、负责为HMI提供数据等。该系统主要是生产过程管理计算机和生产过程管理软件。该系统和如下系统有紧密联系：仪表系统、基础自动化系统、HMI系统、生产管理系统。由于以上各系统均有自己的一套独立的技术方案、开发模式、开发工具、软硬件环境，使用的技术各不相同。故过程控制系统需要能够提供强大的通讯手段，和各种异构系统之

间能够高效可靠地交换数据。为解决复杂的外部环境时常变化和软件系统核心部分相对稳定之间的矛盾，本系统需要有良好的结构设计，能够规范系统内部的通信，同时提供丰富的扩展能力，方便扩充异构通讯方式和协议。生产管理系统需要实时处理生产线上的数据，故该系统对实时性要求很高。生产参数设定往往和生产要求以及多项影响因素有关，这些因素之间很难建立明确的数学模型，为解决这一广泛存在于生产过程中的难题，生产过程控制系统利用神经网络的自学习能力，自动为生产线计算和优化生产参数。生产过程控制系统需要提供复杂的数据管理功能，数据库管理系统自然成为该系统中的一个核心组成部分。

人机界面系统（HMI）是操作工操作生产线的直接工具，通过HMI，操作工能够监控生产线上各种设备的工作情况，能够察看各仪表的数据，能够直接为设备下达生产设定值（生产线手工工作模式）和动作指令。同时通过HMI，操作工能够管理生产计划（属于生产过程控制系统数据库中的数据），手工设定生产合同所对应的生产设定值和生产要求，干预生产过程控制系统的生产设定值计算。通过生产过程控制系统和生产管理系统进行通讯，协调生产过程控制系统和基础自动化系统之间的运行，为生产线操作人员提供协调以上两个系统工作的手段。操作人员人工干预生产线的动作全部通过HMI完成，HMI需要和工厂计算机管理系统中几乎每个子系统进行通讯。

生产管理系统在一个工厂中是最高级别的管理系统，实现商务合同到生产合同的转化，制定生产计划，并下达给过程控制系统，如有需要，应优化生产计划、生产流程、工艺参数等。收集各种产品质量数据和设备数据、成本数据等，管理生产线上的各设备相关数据。

2 主要功能和技术要求

过程控制系统需要完成如下功能：和生产管理计算机通讯，接收并管理生产计划数据、原料数据和生产要求数据、缺陷数据、操作工交接班数据，可自动或根据操作工要求，向生产管理系统发送轧辊数据申请、生产计划申请、原料数据申请等。

和基础自动化通讯，收集生产线上的各种数据，跟踪生产线上的物料流转；收集和统计生产线上各设备的生产实绩数据，将该数据对应到物料上，产生该物料的完整生产实绩数据，将数据保存到数据库中。

为各部分的生产设备计算和发送生产设定值，收集实际的生产设定值，对应于生产原料的特性，训练神经网络，使神经网络的计算结果更准确。

收集全生产线的实际速度数据和各活套的丰度数据，实时计算各生产段的速度设定要求和活套的丰度要求。将要求发送给基础自动化系统，使全线动作一致和协调，保证生产不中断，达到产品质量要求，生产线各部分动作柔顺平滑，减少设备磨损。

和HMI通讯，接收操作工对生产的干预，接收操作工对生产原料和生产要

求数据的修改；提前为操作工提供计算出来的生产设定值，并接受操作工对生产设定值的修改；接受操作工对生产设定值计算参数的修改，并马上作用于后续的生产设定计算中。

和HMI通讯，接受操作工对生产线的控制指令，协调和基础自动化的动作，如向基础自动化发送數据同步指令、确认材料数据和测量值，重新发送生产设定值等。

向HMI提供过程控制系统的内部跟踪数据和统计数据，供HMI显示给操作工看。

系统要求有完备的日志（Log）功能，要能够保存一周的运行记录，可查询一周内除生产实绩外任何数据的处理过程或计算过程。生产实绩的报文处理记录要求保留两天。

系统中的所有进程，需要有其他程进行有可靠的监控，保证其不间断运行。系统运行过程中，可实现无人值守。

系统功能相对繁杂，需要一个好的系统内部结构设计，保证功能能够很好被满足，同时保证系统结构间的低耦合性和高可扩充性。

3 结束语

该项目的投入使用，能够让整个酸轧联合机组有序协调，基本无人工干预地运转，并实现生产线和生产管理系统的衔接，让生产线按生产管理系统的要求自动进行生产。在生产过程中自动收集生产设定值和产品质量结果的数据，利用神经网络的自学习功能自动优化生产设定值，以提高产品质量，同时提高了工厂应对市场变化的能力。