计算机自动控制技术在工业生产现场的应用

摘 要：近年来计算机自动控制技术在我国工业中的发展非常迅速。我国的许多大型企业、工厂由于在80、90年代引入国外生产设备和生产线，虽然扩大了生产能力，实现了生产自动化，但对生产中的数据采集和自动控制能力日益提出了新的要求。因此，针对不同企业的要求和情况，将最新的计算机自动控制技术引入到工业生产过程中，是计算机工作人员义不容辞的责任。本文采用比较简单易懂的语言，通过介绍2个有代表性的本人曾亲身参与工作的项目，说明在工业现场环境中，如何引入计算机和自动控制技术，完成工业生产中各种预测和控制要求。本文旨在向一般工程技术人员详细介绍计算机自动控制的工作方法和应用，使他们了解这方面的内容，故没有介绍这两个项目的控制系统中复杂的硬件设计和软件技术。

关键词：计算机自动控制；工业生产；发动机试验；称重控制；传感器；条码；上位机

一、引言

近年来，在各个大中型企业的生产过程中，现已广泛采用计算机控制技术，实现对工业生产过程的检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到提高产品品质和产量、确保安全、提高生产率的目的。控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术的应用，极大地推进了计算机自动控制技术的发展。自动控制理论与计算机信息科学的紧密结合，给工业生产过程带来了新的技术革新。

在各个工业现场中，计算机自动控制技术的应用十分活跃。计算机技术、网络技术、工业控制技术可以应用于几乎所有的工厂、生产车间、生产线上。比如发动机厂、汽车制造厂、发电厂、钢铁厂、印钞厂等等。

但是，工业现场不同于事业单位的办公室或其他场所，那里一般环境比较恶劣，有着强磁场、几千伏高压电、粉尘以及强烈的噪音等，这就要求工业现场的计算机控制系统具有更好的性能，更强的抗干扰能力。而且由于在工业现场，经常涉及到价值几十万到几千万的设备，这就要求整套计算机自动控制系统有不同于办公室电脑的高可靠性(如连续无故障工作20000小时)，否则会造成极大的经济损失。

由此工业控制技术和工业控制计算机应运而生，这是一种特殊的更适合于在工业环境中工作，有许多模拟量和开关量信号输入和输出，并完成类似数据采集、生产控制等功能的，具有高可靠性、高抗干扰能力、高精度的集成计算机系统。

本文以自己在省计算机公司工作时参加的两个工业控制项目为例，分析计算机自动控制技术在工业现场中的应用。

二、发动机试验的计算机自动控制

在高速发动机制造工业中，设计和实验出一款具有高生产力、能够自动获得数据的试验能力、高通用性的柴油或汽油发动机，成为了一个十分重要的问题。由计算机自动控制系统监控的试验控制器，就是特意为这种目的而发展起来的一个最新控制装置。基本上这种控制器规定安装在靠近测试网或热机试验台的地方，监督热机工作。当要试验多台不同型号的发动机时，中心计算机可与几台发动机连接，以取得发动机的特性和收集有关的数据资料。

试验控制器的主要部件是一台(或几台)微型计算机，配有几个印制板电路用于收集输入信号和输出控制，它们和一个(或几个)试验台相连。计算机编好程序，将发动机所要进行的试验的每一步，按照正确的步骤进行控制，并将试验所得的结果数据进行分析。计算机控制实验过程和校正实验数据的方法可以自动或手动完成。手动方法大致是，计算机在屏幕上显示出对指定发动机手工调整的指令，并根据指令和试验所传回来的信号，显示出各项正在调整中的性能数值。

计算机监控试验控制器的主要用途是作为整个试验系统的控制部件。每一台发动机试验系统，应包括有把发动机快速移进试验台、连接好必要的辅助接头的装置，以及自动把传动轴与测功器准确校正连接起来的设备。这一切都是为了提高试验效率和减少试验时间。试验控制器的自动校准能力，可以为在复合式试验台中测量发动机的性能制定出统一的标准。

当试验控制器作为整个系统的一部分使用时，它起着多种作用。这取决于不同发动机的特性及用户不同的标准试验过程。在大部分试验过程中，一系列调整需要由操作者来手动完成。但是这些调整指令是根据预先的设计，由计算机预先编制成程序，当试验时在显示器上显示出来，以帮助操作者迅速、有效和准确地进行试验。当发动机以不同转速在不同负荷下运转时，控制器的任务是记录试验过程和发动机性能数据。计算机则在这个过程中按指令操纵发动机，并将同一时刻由各种传感器传回来的电信号换算成相应的读数并记录下来。

从功能中上说，计算机监控试验控制器系统的能力是减少确定一台发动机是否合乎标准所需的时间。发动机操作条件的稳定性和发动机性能的动向，用计算机监察比操作者监视控制盘是快得多。计算机可以大大地减少确定一台发动机质量所需的时间。

将试验中取得的发动机性能数据打印并保存起来，也是生产过程中必需的，这些要求都可以由计算机来完成，这些数据作为将来维修或报废的依据。

由几套计算机和试验台所构成的计算机自动控制网络系统可用于控制几套试验台同时工作。其特点是每个试验台都有各自单独的计算机，每台计算机都与中心计算机连接。如果试验控制器的任何一部分因故障暂时中断工作，则只有一个试验台受影响，因为每个试验台的控制和监督都是由单独的计算机完成的。试验控制器可用于现有试验台的现代化，或成为整个新的试验系统的一部分。每个试验台要有一个控制台。仪器是按标准设计的。设计中有若干套印制板电路用来适应用户不同的要求。

试验台的计算机自动控制网络系统是计算机在工业中的一个典型的应用，目前已在我国得到广泛使用。总之，所有的努力都是为了提高自动化的程度，以使每个工业设备能够发挥100%的生产力。

三、核燃料厂的HRL微机控制称重系统

HRL微机控制称重系统，是给中国宜宾核燃料厂四车间称重装置开发的一套完整的计算机自动监测和控制系统。本系统具有设置称重、实时控制称重与数据采集、数据处理、报表打印、文件处理等多项功能。它能够实时监视和控制现场称重与核燃料装管，显示称重情况，测量称重数据，并随时对工作中的异常情况作出报警，以便工作人员处理，另外，还能输入各种如放行号、芯块批号等信息，作日报表以备存档。

该厂编号为814厂，是制造提供给核电厂原子发应堆的原材料----芯管装核燃料和其他核产品的国家重量级工厂。在四车间，有一套完整的生产线，用于将核燃料装管。其中，有3个工作台，在其上将核燃料装管、贴上条码、并称重。由微机控制称重系统完成装管控制，读条码，称空管和毛管的重量，传输回中心计算机并处理数据等工作。

HRL微机控制称重系统包括二层网络结构，其低层是现场总线将数据采集、设备控制、以及工控机的远程I/O点连接在一起的设备层、上层是将PLC可编程控制器、工控机以及操作员界面连接在一起的控制层，完成管理和信息服务任务。

整套系统完整的装管控制和数据收集过程为：

首先，操作人员打开上位机，运行软件，屏幕出现欢迎画面；操作人员首先进入信息输入设置窗口，依次根据屏幕格式输入QC放行单号、与此放行号相对应的包壳管最大序号与最小序号(如今天操作300根，则为第1根，…，第300根)，及操作者和代班长；再进入实时控制窗口，屏幕上主菜单消失，出现实时称重工况图，并开始实时控制称重过程。

让许多芯管依次上1#空管台，系统读取称台上空管的条码，称出空管的重量，若这两种操作因故障无法完成，系统就会反复作这种操作，并不发出下称台信号，则空管下不了称台，此时就要由工作人员来处理，排除故障。如果一切顺利，则立即发出下称台信号。

这些管子再上2#装管台，在计算机“允许装管”控制开关打开后，一支一支上台装管并读出条码，通常18支为一批，构成该批芯管，一批芯管操作完毕后，计算机会关闭“允许装管”开关并提示要求操作人员输入此时装管的芯块批号。完成后再重新打开“允许装管”开关，进行下一批芯管的装管工作。

管子再随着生产线一支一支地上3#满管台，由系统完成称重和读条码。其工作过程和1#台类似。

称重和装管过程中，若1#台，2#台，3#台的光电开关有信号，说明有故障，则系统立即处理并报警。

计算机上位机除了完成称重控制外，还有数据处理、数据备份、报表输出等功能。

在装管过程中，计算机的屏幕上显示出当前工作情况—“工况图”。“工况图”上对称重情况作了比较详细、直观和实时的描述。图的上部是表示当前各台的工作情况。下部以“序号、批号、棒号、空管重量、棒重量、芯块重量”五个数据描述最近所装完、称完的管子的情况，最多可显示10个管子。

该控制系统实际运行结果表明，系统人机界面良好，运行稳定，系统可靠性高。精度可达到0.1%，其中传感器精度为0.05%，并通过了计量部门的标定。

四、结论

计算机自动控制系统大致由上位机、终端控制设备、传感器等组成。根据不同生产现场的控制要求，设计者先编制出含有信号检测、数据处理、过程控制等内容的管理程序软件，存储于计算机中，再在实际生产过程中，由计算机根据软件收集由终端控制设备传来的各种模拟量和数字量信号，经计算后给终端控制系统发出控制电信号。终端控制设备向上位机输送检测信息，根据上位机的指令输出控制信号，使电器机械设备执行动作，实现实际控制要求。

计算机自动控制技术作为一门日新月异的先进技术，其提供的整套数据采集和自动控制系统以高可靠性、易用性方便了工业现场的使用。在其基础上发展起来的网络化和现场总线技术又进一步促进了工业自动化的发展。计算机自动控制技术建立的系统可以显著提高企业的生产效益，使企业得以实现深层次的信息化，是目前满足我国工业自动化改造与创新发展的一个强大的动力。

作者单位：四川师范大学信息技术学院

参考文献:

[1] 王树青.工业过程控制工程[M]. 北京：化学工业出版社. 2004:128-130.

[2] 付家才，王秀琴著. 现代工业控制基础[M]. 黑龙江:哈尔滨工程大学出版社. 2003:79-82.

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