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關鍵詞：本機振蕩器直接數字頻率合成自動頻率控制脈內測頻
雷達系統根據其工作頻率一般分為米波雷達、分米波雷達和厘米波雷達，其接收機通常是超外差形式的。分米波雷達和厘米波雷達由于其工作頻率較高，一般都有自動頻率控制（AFC）系統，控制本振頻率自動跟蹤發射頻率的變化，或者控制發射頻率自動穩定在本振頻率對應的頻率點上，保證雷達接收機的中頻頻率穩定。但是傳統的模擬式單環路或雙環路AFC系統由于受模擬電路本身的局限，使得AFC的跟蹤速度慢、跟蹤頻率范圍窄、精度低，甚至有可能出現錯誤跟蹤的情況；此外，控制本振的自頻控雷達由于在本機振蕩器上加裝了頻率調整裝置，影響了本振的頻率穩定度，這對動目標雷達而言是難以接受的。米波雷達由于其工作頻率較低，基本上沒有自動頻率控制系統，但是米波雷達的發射機工作頻率和接收機本機振蕩頻率由于環境溫度、電源電壓和負載變化而發生一定的變化，其變化范圍從幾十千赫茲到數百千赫茲，通常在500～600kHz之間。雖然由此造成的中頻頻率變化量的絕對值不會超出中頻放大器的通頻帶范圍（中頻放大器的通頻帶通常≤1MHz），但是數百千赫茲的變化量使回波信號不能得到最有效的放大，造成雷達接收機技術、戰術性能降低，此時即使加裝DSU（DigitalStableUnit）設備，也由于中頻頻率漂移的影響，使DSU的性能無法得到最有效的發揮。
應用鎖相環頻率合成技術實現雷達自動頻率控制系統已經是比較成熟的技術方案，這種方案的應用解決了非相參雷達的自動頻率跟蹤與本振頻率穩定度之間的矛盾，但是鎖相環固有的大慣性、大步進間隔和非線性誤差卻嚴重地限制著鎖相環自動頻率控制系統的性能，使其無法滿足高速、高頻率分辨率、大帶寬的要求。
DDS技術是近幾年來迅速發展的頻率合成技術，它采用全數字化的技術，具有集成度高、體積小、相對帶寬寬、頻率分辨率高、跳頻時間短、相位連續性好、可以寬帶正交輸出、可以外加調制的優點，并能直接與單片機接口構成智能化的頻率源。基于DDS技術的自適應米波雷達自動頻率控制系統是新一代的自動頻率控制（AFC）系統，它以直接數字頻率合成技術（DDS）為基礎，以單片機為控制核心，通過高速高精度脈內頻率測量模塊對雷達發射頻率進行精確測量，然后由單片機控制DDS，對發射頻率進行搜索和跟蹤。因此它是一種易于實現的數字式智能化自適應頻率控制系統。
圖2DDS頻率合成模塊結構圖
1系統組成及工作原理
基于DDS技術的自適應米波雷達自動頻率控制系統主要由高速脈內頻率測量模塊、DDS頻率合成模塊、單片機和包括頻率顯示、控制鍵盤的人機接口模塊組成，如圖1所示。
系統采用高速高精度實時脈內頻率測量技術，利用頻率穩定度高達10－9的高穩恒溫時標對頻率進行倒計數法測量，由單片機對測量結果進行分析處理，并控制DDS頻率合成模塊，完成對發射頻率的搜索和跟蹤。系統中除了DDS輸出后的濾波、放大電路采用模擬電路外，其它全部采用高速數字電路，并結合了單片機具有的可編程能力，使系統避免了傳統模擬式AFC的缺陷，能夠實現更加靈活的控制。
雷達開機后，系統首先工作于搜索模式：單片機控制DDS頻率合成模塊輸出本振頻率的最低值，與從發射機耦合過來并經過衰減后的發射脈沖頻率混頻，取出下變頻后的中頻信號，經過頻率測量模塊測量后將結果送入單片機，單片機若判斷頻率測量結果不是規定的中頻頻率值，則控制DDS頻率合成模塊將輸出的本振頻率按規定的步長（通常是頻率測量系統的頻率分辨率）調高，重復此過程，直到頻率測量系統測量得到的頻率值為規定的中頻頻率值為止。若搜索過程中本振頻率達到上限時仍未搜索到規定的中頻頻率值，則返回到本振頻率最低值，重新開始新一輪的搜索。系統一旦搜索到規定的中頻頻率值就進入跟蹤狀態。
在跟蹤狀態，頻率測量模塊對每一個發射脈沖頻率與本振頻率下變頻得到的中頻脈沖頻率進行實時精確測量，在發射脈沖結束時將測量結果送入單片機。單片機立即根據測量結果計算出響應的本振頻率調整量，并控制DDS頻率合成模塊調整輸出頻率，保證在目標回波信號到達接收機時，本振信號已經調整到與該發射脈沖頻率對應的頻率點上，使目標回波信號下變頻后的頻率值為準確的中頻頻率值，從而保證目標回波信號能夠得到最有效的放大。
跟蹤模式實質上是一個自適應的控制過程：某一發射脈沖的頻率比前一發射脈沖的頻率升高（降低）在本振頻率不變的條件下，中頻頻率升高（降低）頻率測量模塊的測量結果升高（降低）單片機得到測量結果后控制DDS頻率合成模塊，使之輸出的本振頻率相應升高（降低）中頻頻率降低（升高）到規定值。
2硬件結構
2．1DDS頻率合成模塊
DDS頻率合成模塊以DDS芯片AD9854為核心，包括濾波電路、放大電路和與單片機的接口電路，圖2是其組成框圖。
AD公司推出的AD9854是DDS芯片中的典型代表之一，它具有300MHz的內部時鐘，4～20倍的內部可編程倍頻器使外部輸入的時鐘信號頻率可以從15MHz到75MHz，另外具有100MHz的并行接口總線，內置正交雙通道DAC輸出，具有多種編程工作方式，能產生線性調頻信號和非線性調頻信號等復雜信號。
AD9854采用CMOS結構，工作電壓為3．3V，而單片機AT89C51工作在5V電壓下，其總線電平是5V的TTL電平，為保證AD9854的正常工作，必須經電平轉換后再與AD9854接口，AD9854的時鐘信號也必須經過電平轉換后送到AD9854的時鐘引腳。AD9854有正交雙通道DAC輸出，每一個通道都是反相的互補輸出，經MAX436放大后濾波，然后再經MAX436放大到雷達要求的本振電平。兩路輸出中的一路用于和發射脈沖混頻，將下變頻后的中頻信號送到頻率測量模塊進行頻率測量，系統已經知道DDS頻率合成模塊輸出的本振頻率，測量出發射脈沖的中頻頻率就能計算出發射頻率；另一路作為接收機的本振信號。
根據奈奎斯特采樣定律，當DDS系統的時鐘為300MHz時，其輸出頻率的上限是150MHz，在工程應用中通常只使用到時鐘頻率的40％，即120MHz。某型米波雷達的本振頻率上限略高于120MHz，經查閱AD9854的數據手冊，其輸出頻率能夠達到理論的150MHz；同時經實驗證實，AD9854能夠在雷達本振頻率上限值處穩定工作，且輸出信號質量完全可以滿足雷達系統對本振的要求。
2．2高速高精度脈內頻率測量模塊
高速高精度脈內頻率測量模塊采用倒計數法進行頻率測量，主要由下變頻混頻器、濾波整形電路、計數器T0、計數器T1和時序控制電路組成。圖3是其結構的組成框圖，圖4是倒計數法頻率測量的時序圖。
倒計數法測頻是用被測信號的N個周期形成一個計數門時間T＝N·Tx，在T時間內由時標F0計數，這樣一來測頻就相當于測量門寬T，T的最大量化誤差是T0，Tx的最大量化誤差是T0/N。
某型雷達的發射脈沖的寬度是13μs，考慮到其發射機是單級振蕩式發射機，每個脈沖在起振和停振的過程中振蕩不穩定，因此取中間的10μs作為測頻區間。該型雷達的第一中頻頻率為30MHz，在正常工作時，發射脈沖與本振信號下變頻的輸出頻率應該是準確的30MHz，在10μs的測頻時間內應有300個脈沖，即可取N＝300；高穩定的時標的頻率是100MHz，T0＝10ns，相應的Tx的最大誤差是T0／300＝1／30ns，據此可計算出測頻的分辨率是30kHz，相對于雷達中頻放大器接近1MHz的帶寬而言，此指標完全能夠滿足雷達系統的要求。用頻譜分析儀實際測得的系統跟蹤誤差如表1所示。
表1實際測得的系統跟蹤誤差表
發射頻率/MHz147.000147.500148.000148.500149.000149.500
本振輸出頻率/MHz116.999117.495118.008118.492118.990119.493
跟蹤誤差/kHz-1-5+8-8-10-7
發射頻率/MHz150.000150.500151.000151.500152.000152.500
本振輸出頻率/MHz119.995120.490120.990121.510122.005122.500
跟蹤誤差/kHz-5-10-10+10+50
模塊的工作過程是：當雷達觸發脈沖到來時，時序控制電路打開計數器T，發射脈沖隨后到來，經下變頻、濾波、整形后轉換成TTL方波作為計數器T的時鐘。當計數器T計到第32個脈沖時，時序控制電路打開計數器T0，T0開始對高穩定時標計數；當計數器T計到第332個脈沖時，時序控制電路關閉計數器T和T0，并通知單片機已經完成一次頻率測量，單片機取走測量結果，并對硬件電路復位，準備下一個周期的測量。
2．3高穩定度恒溫時鐘模塊
本機振蕩器的頻率穩定度是影響雷達接收機性能的關鍵性指標。由于DDS頻率合成方法的輸出頻率穩定度僅僅取決于其時鐘的頻率穩定度，因此選用頻率穩定度高達10－9的恒溫晶體振蕩器作為整個系統的時鐘。恒溫晶體振蕩器輸出的100MHz高穩正弦波經放大后整形為標準的TTL方波，一路作為頻率測量模塊的時間標準，另一路經F161分頻為25MHz的TTL方波，經電平轉換后作為AD9854的外部時鐘信號，利用AD9854內部的可編程倍頻器倍頻12倍使AD9854工作在300MHz的內部時鐘頻率下。高穩定度恒溫時鐘模塊組成框圖如圖5所示。
3軟件結構
單片機是整個系統的控制核心，可以充分利用軟件可編程控制的優勢對系統進行靈活有效的控制。圖6是單片機的軟件框圖。
通電以后單片機首先進行初始化，然后設置DDS模塊的工作模式等參數，再進行時序控制電路的復位并對所有計數器進行清零操作。隨后單片機不斷查詢測量完成信號。當時序控制電路在雷達觸發脈沖的作用下完成一次測量時?熏就通過該信號通知單片機，單片機一旦查詢到測量完成便立即讀入測量結果。然后進行分析，是標準中頻頻率時不進行本振頻率的調整，直接準備下一脈沖周期的測量，若不是則計算所需的頻率調整量，控制DDS頻率合成模塊進行頻率調整，然后再準備下一脈沖周期的測量。
搜索和跟蹤過程的區別主要在于計算頻率調整量的方法不同，其它流程基本一致。
關鍵詞：PLC，現場總線以太網，組態軟件
1 前言
安鋼高線水處理系統采用了工業自動化技術與計算機網絡技術，利用組態王、PROFIBUS總線和PLC技術完成水處理遠程監控控制。論文參考，現場總線以太網。在完善提高基礎自動控制同時，將各系統的設備監測信號及生產數據連接起來，對壓力波動、溫度變化和液位等現場數據進行實時監視和分析處理，實現集過程控制與生產管理于一體的現代化高效管理。論文參考，現場總線以太網。
2 水處理工藝流程
高線水處理系統大體分為凈循環水系統、濁循環水系統、軟水系統、事故水系統以及給排水系統。水處理系統的工藝流程：冷卻水由凈循環供水泵組、濁循環供水泵組加壓后送至各用水點，經過現場冷卻設備后水溫升高到約50℃并含有大量污油、鐵鱗、污泥等，經過沖氧化鐵皮供水泵組將水經沖渣溝至旋流池，在旋流池內沉淀、由平流池供水泵組加壓后送至平流沉淀池、經過二次去油、去渣，由過濾器后送至冷卻塔、冷卻后溫度低于35℃。流回濁循環水池，再由凈循環、濁循環泵組加壓后送用水點循環使用。
3 水處理PLC控制系統硬件設計
根據水處理系統規模，系統主要有上位監控機、SIMENSS7-300可編程控制器、DX220無紙記錄儀、prfibus-DP總線通訊設備、ethernet通訊設備等。論文參考，現場總線以太網。論文參考，現場總線以太網。
基礎自動控制系統采用SIMENS S7-300 CPU 318-2（6SE7 318-2AJ00-0AB0）可編程序控制器，二個中央槽架之間由UR0的IM360（6SE7360-3AA01-0AA0）與UR1上的IM361（6SE7 361-3CA01-0AA0）模塊相連接，現場配有9臺ET200M，PLC和工控機之間通過PROFIBUS-DP總線進行通訊。過程量采集使用兩臺DX220無紙記錄儀，與工控機之間通過ethernet通訊。上位機采用DELL GX－240（P4 1.7G/256M/80G）主機，構成一套完整的控制與監控配置方案。
水處理控制系統通過帶有PROFIBUS-DP主/從接口的中央處理單元，采用分布式I/O、PROFIBUS-DP現場總線控制，同遠程ET200站構成分布式控制系統，結合組態王操作畫面，實現遠程控制；通過工業以太網與DX220無紙記錄儀的通訊，實現組態王過程參數畫面監控，進而達到了現場工藝生產要求。
控制系統采用就地手動、上位機點操和集中自動監控系統三種控制方法相組合，現場采用33塊6ES7321-1BL00-0AA0輸入模板，輸入點數998點，輸出采用22塊6ES7322-1BH00-0AA0輸出模板，輸出點數503點，有關硬件組態及模塊安裝位置見附圖1，主要用于操作方式的選擇、水泵運行、壓力、水位、電動蝶閥限位、水泵起停、電動蝶閥開閉，備用泵自投以及指示燈顯示和遠程畫面等。兩臺DX220無紙記錄儀均為16通道模擬量輸入回路，主要采集水溫、水流量、水壓等參數，用于畫面的報警與顯示。
圖1 系統構成示意圖
4 水處理控制系統軟件設計
水處理控制系統軟件按照工藝過程和控制設計，編程軟件采用西門子STEP7編程軟件，其最大的特點是采用了塊結構的方式。對于許多工藝控制條件相同的設備，只編制一個功能塊(FBs)，在組織塊中通過調用賦予不同數據塊的功能塊，來控制相對應的同類設備，在程序的調試和修改中，只需修改FB，即可實現對同類所有設備控制的修改。
5 實時監控
上位機軟件采用Windows2000操作系統，組態平臺為工控組態軟件KingView6.0。上位機實現的功能為：數字顯示水處理系統中的液位、管道壓力、進出水流量實時值與累積值、水溫度。論文參考，現場總線以太網。按照水處理自動化的要求，對一些實時參數以及歷史數據進行匯總記錄，生成各類組態王報表，或者將數據輸出到SQL數據庫中進行記錄。各設備的運行、故障等狀態顯示，各設備的啟動、停止操作，并進行操作記錄，以便查詢；出現每個設備故障時發出聲音報警并記錄故障情況（故障時刻、故障類型等），方便進行事故分析。論文參考，現場總線以太網。重要參數、報警、故障都可以報表打印。
6 結語
該系統自投入運行以來，穩定可靠，在線修改和調試方便，給操作人員和維護人員帶來很大方便，在高產穩產、降低能耗和安全環保等方面發揮了很大作用，進一步推動了水處理自動控制系統的廣泛應用。
參考文獻：
[1]廖常初主編，PLC編程及應用，機械工業出版社，2002。
[2]鄭晟、鞏建平、張學主編，現代可編程控制器原理與應用，科學出版社，1999。
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關鍵詞：工業以太網；工廠流水線；自動化控制；系統設計
中圖分類號：TH166 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）03-0027-02
在自動化控制領域，占絕對統治地位的是現場總線技術。盡管現場總線具有眾多優勢，但是隨著生產規模的一再擴大，現場機電裝備越來越多，需要實時監測和自動化控制的設備也越來越多，在這種背景下，現場總線已經無法完全滿足現場眾多機電裝備的監控需求，而且由于現場總線是具有針對性的工業自動化控制總線，往往使得各個機電裝備成為了“自動化控制孤島”，彼此無法兼容通訊，給設備的后期維護管理帶來不便。
隨著以太網通信技術的飛速發展，工業以太網逐漸以其低廉的組網價格、兼容性較好的通信協議，以及一體化的聯網技術而受到普遍應用，成為目前能夠替代現場總線的最好選擇之一。本論文主要結合汽車整車焊裝PLC自動化控制流水線生產控制系統，對基于工業以太網的自動化控制系統進行設計研究，以期能夠從中找到面向工廠流水線生產控制的工業以太網自動控制應用方式，并以此和廣大同行分享。
1 工業以太網概述
工業以太網在工業生產制造領域中，主要是作為生產制造自動化控制的基礎平臺，通過底層安裝的傳感設備，將機電裝備的工作狀態參數、工藝參數以及現場環境參數等關鍵參數檢測出來，并通過工業以太網所支持的網絡通信協議上傳到工業以太網中進行網絡傳輸。隨著工業自動化技術的日益發展與進步，很多工業生產流水線都逐漸提出了更高的自動化控制的要求，例如要求實現監測與控制的一體化，要求實現無人值守等等，這些高難度控制要求的提出，在一定程度上都促進了工業以太網在工廠自動化控制領域中的應用，尤其是將工業以太網與PLC控制相結合，能夠實現很多工廠自動化控制系統的功能建設需求。本課題重點以工業以太網和PLC相結合，以工廠流水線自動化控制為具體研究對象，深入探討工業以太網在工廠流水線自動化控制系統中的應用。
2 基于工業以太網的流水線自動控制系統設計
2.1 功能模塊設計
本論文以汽車整車焊裝作為具體的研究對象來探討工業以太網在流水線自動控制中的應用。汽車整車焊裝具有較多的工藝流程，而且機電裝備離散度較大，需要實時監測與控制的參數變量較大，因此采用工業以太網相較于采用現場總線具有很多優勢。縱觀整車焊裝的流水線工藝流程，基于工業以太網實現的流水線自動控制系統應當具有以下幾個主要功能：
①產品生產任務分派及調度。能夠根據生產進度適當的調整生產資源分配，根據任務變化自動完成對流水線生產工藝的更改，以適應不同車型的自動焊裝。
②電氣控制和分析。通過在底層安裝傳感監測設備，實現對流水線焊裝工藝流程的各個環節的監測與控制，并通過工藝數據庫的分析，實現相關生產工藝參數的自動匹配和優化。
③順序和邏輯控制功能。按照流水線自動化焊裝的工藝流程，對整個焊裝工藝流程實施順序控制，利用PLC作為順序邏輯控制器，實現眾多機電設備在流水線自動焊裝工藝過程中的順序聯動、啟停控制及互鎖等控制功能和邏輯判斷功能。
④監視報警功能、顯示功能。通過在監控終端開發專用的監控畫面，為用戶提供直觀的監控界面，通過人機交互接口的設計實現用戶對現場焊裝流水線的遠程自動化控制。
2.2 基于工業以太網的流水線自動控制系統設計
2.2.1 系統結構設計
由于整個流水線的設備量大、信號類型多、控制地點分散，不適合采用傳統的繼電器和控制開關為主要實現方式的本地控制模式，而且這種控制模式并不利于設備的后期維護管理，同時對于系統的擴容升級而言是十分不利的，為此，必須借助于工業以太網實現分布式控制管理模式（DCS模式），通過三級DCS功能的合理劃分與配置，能夠很方便的實現對整車焊裝流水線自動控制的遠程控制模式。本論文擬采用監控終端、本地PLC站和底層傳感設備三個層次的DCS控制模式實現基于工業以太網的整車焊裝流水線自動化控制。
①監控終端。監控終端設置在中央控制室內，供值班人員對全廠流水線自動化控制的工藝進行實時監控。監控終端內運行的是專門開發的上位機程序，通過友好的人機交互接口實現遠程控制，并且通過工業以太網實現與本地PLC站的數據信息的交互。
②本地PLC站。主要通過對開關量的檢測實現流水線生產工藝流程中各個環節的電氣監測，諸如限位開關、行程開關、電磁閥等。本地PLC站能夠通過對設備的工作狀態參數、工藝參數和環節參數的檢測和A/D轉換，將相關參數變量轉換為數字量進入工業以太網傳輸，從而實現上位機與下位機的一體化通信。
③底層傳感設備。現場傳感器主要是用以檢測現場監控點物理參數信號，變送器將采樣數據轉換成
4～20 mA的電流信號，經屏蔽電纜送到各子系統的PLC內。控制信號由PLC輸出后以4～20 mA電流形式送到執行機構。執行機構主要有氣動和電動執行機構等。
2.2.2 系統控制模式設計
①遠程遙控方式。在現場設備控制箱，將控制方式置于“遙控”控制方式，中央控制室的操作人員可以通過計算機監控軟件對現場設備進行遙控啟停。在這種控制方式下，監視界面可顯示設備的運行狀態及相關的工藝參數，操作員可根據選擇“手動或者自動”控制方式，通過設備控制按鈕啟停遠程設備，并能判斷設備運行是否正常，監測故障并發出報警提示，統計工藝數據，顯示模擬量趨勢曲線，打印故障報警及日志報表等。全部操作由中央控制室的操作人員通過鍵盤和鼠標完成。
②本地控制方式。在現場設備控制箱，將控制方式置于“本地”控制方式下，通過控制操作箱上的啟動/停止按鈕，對現場設備手動啟停控制。本地控制方式為系統的基本保留方式，在與中央控制室斷開聯系等任何情況下都可以完成整車焊接處理工藝要求的控制功能。
2.3 PLC自動系統設計
根據整車焊接處理廠工藝特點和現場的焊接設備分布及焊接機器人的作業范圍，可以將整車焊接車間流水線PLC下位機系統劃分為兩個PLC站點，各自負責不同的工藝流程。為此，需要統計全廠的I/O點分布情況，詳見表1。
由于本系統中的下位機PLC選用的西門子公司的S7-300系列的PLC產品，其網絡通訊功能的最大特色便是集成了MODBUS/TCP以太網通信協議。為此，本系統中下位機PLC控制系統的網絡通訊就基于MODBUS/TCP以太網通信協議實現，進而進一步降低了本自動控制系統的網絡通信集成成本。
2.4 工業以太網網絡系統設計
2.4.1 網絡拓撲結構選擇
本系統選用環型網絡拓撲結構，當某一節點出現故障時，它會自動旁路，而不影響環型網絡的信息傳輸。環型網絡結構的顯著特點是環路上的工作站在發送信息時，只能按照順序依次傳輸，所以不存在沖突問題。在光纖傳輸介質成本降低的今天，工業以太網的傳輸介質選用光纖組成雙環路雙冗余網絡是比較合適的方法。
2.4.2 系統組網方案設計
基于工業以太網的整車焊接流水線綜合自動化控制網絡系統可以劃分為三層：信息管理層、網絡傳輸層、傳感檢測及執行機構層。
①信息管理層。信息管理層主要是實現對整個工業以太網自下而上傳輸過來的流水線生產工藝的各個參數的管理，包括狀態參數的實時監測、越限報警；生產工藝參數的自動存儲、報表分析；設備控制指令的自動/聯動派發等等，這些功能的實現依賴于在信息管理層所開發的人機交互接口良好的專用自動化控制監控程序，通常可以采用組態程序實現。
②網絡傳輸層。網絡傳輸層就是指基于工業以太網所搭建起來的工業以太網傳輸網絡系統，同時通過配置交換機、操作站等輔助設備，能夠實現操作人員在網絡現場對網絡傳輸層的檢查、維護和管理。網絡傳輸層作為整個自動化控制網絡系統的數據傳輸平臺，對于整個系統的功能實現具有至關重要的作用。
③傳感監測及執行機構層。傳感監測及執行機構層主要有兩個作用，第一是通過傳感檢測設備，將流水線工藝流程中的各個參數實時檢測出來并發送到工業以太網上進行通訊，第二是通過安裝電氣開關、電磁閥等開關動作執行元件，接受來自頂層的中央信息管理層的遠程控制指令，實現對現場機電裝備或者流水線工藝流程的遠程自動化控制，傳感監測及執行機構層是面向整車焊接流水線生產和自動化控制的最底層，主要包括車間現場的各種監測、控制子系統，如焊接機器人控制子系統，滾床控制子系統，帶式輸送機控制子系統等。
3 結 語
隨著工業以太網在工廠自動化控制領域中的逐步廣泛應用，逐漸取代了過去傳統的以現場總線為基礎的自動控制模式。本論文對基于工業以太網的整車焊接流水線綜合自動化控制網絡系統展開了設計與研究，通過對網絡通信實時性的理論分析，建立了基于工業以太網的整車焊接流水線綜合自動化控制網絡系統，分別從下位機PLC自動化控制系統和上位機DCS以太網網絡系統兩個角度詳細探討構建了整個綜合自動化網絡控制系統的設計與實現，對于工業以太網在工廠自動化控制方面的應用，無論是在理論研究還是在實踐應用方面，都是具有較好的指導借鑒意義。
參考文獻：
[1] 吳文秀，吳修德.基于工業以太網的數控機床網絡控制系統[J].石油天然氣學報，2005，（6）：803-805.
論文摘要：探討了電氣及自動化專業控制類相關課程關系及地位，結合控制類課程的問題進行深入的分析與研究，從教學內容、方法及形式、教材建設、實踐教學等方面進行全方位、多層次的改革探索和實踐，將對教學質量和人才培養方面有明顯效果。
對于電氣及自動化信息類專業學生來講，控制類相關課程具有重要地位，主要包含“自動控制理論”、“現代控制理論”、“運動控制理論”、“儀表及過程控制”、“計算機控制”等相關課程。“自動控制理論”和“現代控制理論”課程是研究自動控制系統的共同規律，為自動控制系統的分析和綜合提供基本理論、基本方法的一門專業基礎課該課程，是一門重要的控制類專業的基礎課，具有較強的理論性，對于工程實踐具有重要的指導作用，因而受到人們的廣泛重視。目前不只是控制類專業，越來越多的非控制類專業也都把自動控制理論作為一門重要的專業基礎課來學習。但是“自動控制理論”、“現代控制理論”課程數學計算和理論分析比重大，是本科生遇到的最抽象、難度最大的課程之一，加之未接觸專業課，沒有具體應用的物理模型，僅以數學模型為基線講，學生往往會認為“自動控制理論”與專業無關而無學習興趣，這是多年來常規教學始終感到困惑的原因。而后續“運動控制理論”、“儀表及過程控制”、“計算機控制”專業課是以電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執行機構，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統。如何講授“強理論性”課程，使學生真正認識到學好理論可獲得對電氣信息類多門專業課的理論支撐，從而學好后續專業課程是教學改革的主要目的。需結合“自動控制理論”、“現代控制理論”專業基礎理論課程與“運動控制理論”、“儀表及過程控制”，“計算機控制”專業課程的問題進行深入的分析與研究，從教學內容、方法及形式、教材建設、實踐教學等方面進行全方位、多層次的改革探索和實踐，將對教學質量和人才培養方面有明顯效果。
本項目探討了如何更新和重組控制理論相關課程的教學內容，保證教學內容的系統性、先進性和實用性，以適應形勢發展的需要。提出如何學習和掌握這些課程，包含“自動控制理論”、“現代控制理論”、“運動控制理論”、“儀表及過程控制”、“計算機控制”等控制類課程的教學內容的一些方法和措施。
一、教學內容、方法及形式改革
1.教學設計
近年來，不斷更新觀念，壓縮精簡陳舊過時的教學內容，加強現論及現代方法的內容，很好地解決先修課程和后續課程的銜接問題，避免內容的重復，進一步優化課程體系。建立一套適應性強的包括理論講授、計算機輔助設計、實踐教學和強化訓練等方面在內的全方位教學新體系。
2.教學方法
將課堂教學、實驗教學、課程研討、網絡教學等有機地結合起來，并充分利用多媒體教學手段提高教學效率、創造視覺的新感受、激發學生的學習興趣和熱情。內容取材時，不僅體現控制理論課程內知識點之間的內在聯系，還體現課程群之間的相互關系。
3.教學手段
在教學組織過程中，積極采用現代信息技術改進傳統的教學手段，在多媒體教學、網絡課程等方面努力探索。統一制作“自動化概論”、“自動控制理論”、“現代控制理論”、“運動控制理論”、“過程控制理論”、“計算機控制”電子教案和CAI課件，并將授課課件在課程網頁上，可供學生課余預習、瀏覽、復習等。另外，教學大綱、授課計劃、實驗指導書、學習指導以及教材和參考文獻均可通過網絡方便查閱。在課程開始即公布授課教師的信箱和電話號碼等聯系方式，密切授課教師與同學之間的聯系，使學生有問題可及時獲得老師的輔導答疑，也可通過網上答疑相互交流，打破班級與時間的束縛，在平行班級中實行聽課和答疑共享。
4.教學改革與教學研究
精簡教材和教學內容，教學組定期進行集體備課，加大對該課程與前后各門課程之間的銜接研究，避免內容上的重復，使其與其他相關課程融合為一個有機的整體。建設可用于大多數工科專業的“控制理論”平臺課程。不斷改進和完善本課程的新體系結構，充分體現其基礎性、應用性、前沿性和系統性；配合新的教材和課程體系，研究并建立配套的新實驗體系，強化自主性、設計性、綜合性和創新性；以MATLAB軟件為基礎，構造開放式小車倒立擺綜合實驗平臺，將分析、設計、仿真、虛擬實驗、模擬實驗融為一體；開發先進的多媒體課件，將MATLAB平臺和虛擬實驗融入到教學過程中，使教學更為直觀生動，更具趣味性和吸引力；完善了課程網站，完成了課程輔助教材的修改和編寫，各類題庫建設、網絡統計功能、遠程教學管理系統、虛擬實驗內容的擴展及網絡版的開發等；使其真正成為學生自主學習、師生互動、雙向交流的園地；教考分離，采用試題庫出題，統一考試，流水閱卷，考后進行詳細的試卷分析。
二、實踐教學改革
實踐性教學環節是學生能力培養中的重要環節。工科學生除要掌握一定的工程技術知識外，還要有較強的實際動手能力。
1.改革實驗課教學，建立體化實驗教學體系
實驗教學是“控制理論”課程的重要組成部分。通過實驗不僅能夠培養學生分析問題和解決問題的能力，驗證所學理論，而且對所學內容能夠提出一些新的見解。為了適應教學改革的需要，在實驗室建設方面的指導思想是：將傳統的模擬實驗與MATLAB環境下的仿真實驗相結合，將基礎理論驗證類實驗與自主型、綜合型、設計型實驗相結合，將基本實驗與創新實驗相結合，建立一個立體化的實驗教學體系，從而滿足不同階段實踐教學的需要，為激發學生的創新意識提供硬件平臺。
由于實驗課內容和形式的多元化，大大激發了學生做實驗的主動性、積極性和創新性，學生可以通過預約或上網自主地開展多項實驗，進行理論驗證、性能分析和綜合設計，對提高學生的實踐能力和本課程的學習都將起到良好的作用。
課程組織形式與教師指導方法，對于教學大綱規定的必做實驗，由任課教師和實驗教師共同指導完成；對于設計性、綜合性、創新性實驗，學生自己利用課余時間完成，可以預約指導教師給予宏觀上的指導。
2.積極開展大學生科研實訓活動、參與教師科研項目
引導學生積極參加大學生科研實訓項目，吸引有興趣的學生參與教師的科研活動，培養學生嚴謹的科學態度、創新意識、創業和團隊合作精神，提高學生初步的科學研究能力以及工程實踐能力，培養學生獲取知識及撰寫論文的能力。
三、控制理論專題授課方案
根據“自動控制理論”、“現代控制理論”、“運動控制理論”、“儀表及過程控制”課程大綱的要求，在適當時候，以某一專題講座的方式授課。將各種教材進行比較、處理、揉合，組織成各個專題，以高質量、高水平、高效率來達到最佳教學效果。由于專題授課具有綜合性、整體性和探討性，使其信息量得以加大，知識在綜合和分析中得到延伸，既提升授課內容，使之濃縮為精華，又吸引了學生的注意力和參與興趣。
四、應用現代教育技術
開發研制了計算機輔助教學課件。教學課件以教材為藍本，包含簡明、清晰的授課講義、重點、難點、例題演示、控制系統計算機仿真和控制系統分析計算等內容，既有課本內容的直接再現，又增加很多有助于講解理論和計算方法的表現手段。課件以計算機為載體，既可用于課堂教學，又可通過上網，供學生進行自學和課后復習使用。控制理論的分析方法有很多圖解法，如頻域分析、根軌跡法、狀態空間法等。利用計算機強大的計算能力仿真能力和豐富的色彩，可輕而易舉地準確繪制出清晰美觀的畫面。采用動畫技術后，圖形的來龍去脈可用動態演示。計算機的圖形演示與教師的講授相結合，使教學內容形象化、具體化和生動化，增進學生的理解，提高學生的學習興趣。
計算機仿真技術在實驗教學中的應用為實驗教學帶來極大的方便。仿真實驗具有建模方法簡單、參數調整方便、結果可視性好等優點，克服常規實驗內容單調、缺乏變化、元器件制約參數調整以及實驗設備數量有限等不足。在教學中適當介紹并應用MATLAB軟件，并設計出計算機輔助實驗教學軟件包，提供一個方便易用的圖形用戶界面，將MATLAB控制工具箱的相關功能集成一體。
網絡教學平臺開發。網絡教學能真正體現學生的主體作用。在網絡中，學生可以利用網絡的交互性、檢索性等特點來選擇自己需要的內容進行獨立學習。學生可以在任何時間進行自主學習，并且與教師在網上交流，探討問題，在教學中發揮積極作用。
五、建立科學、有效的教學信息回饋
堅持洛陽理工學院本科畢業班所有學生中，實施“‘控制理論’相關課程的學習調查”制度。不定期進行相關問卷，包含這門課程是否易學、學習難點、學習方法、是否能學以致用等幾個方面的內容，充分了解學生學習這門課的基本情況，為課程改革提供必要的依據，收到良好的效果。
六、結束語
在新世紀中，控制類學科將具有更加光明的前景，控制類研究內容將具有挑戰性，研究的范圍將更加廣闊，電氣自動化專業控制類課程的內容將不斷地發展和更新，電氣自動化專業控制類課程設置及教學內容改革研究也將進一步進行下去。
參考文獻：
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【關鍵字】西門子，STEP7，編程軟件，使用方法
中圖分類號： TP311.5 文獻標識碼： A 文章編號：
一．前言
西門子STEP7編程軟件是一種通用型的現代PLC軟件系統。西門子STEP7編程軟件在現代社會中的使用十分的普遍，我們隨處都可以看到人們熟練的使用該項編程軟件，在工作中，學習中，生活中都得到了巨大的應用和推廣。西門子STEP7編程軟件是一種新的編程軟件系統，它本質上是對編程語言的一種修改和創新，該項軟件較多的將現代型的自動化的項目和方式應用到該款編程軟件之中。根據目前的使用和推廣情況，它的應用還是比較的廣泛的，但是從大多數用戶的反映中，我們發現，較多的用戶還是對這款編程軟件比較大哦陌生，對它的使用方法還不夠熟練，用戶在使用中也表現出煩惱和憂慮。為了使廣大用戶和學者能夠輕松的掌握這款軟件的操作方法，本文采取實例的方法來幫助大家掌握如何使用這款軟件。
二．西門子STEP7編程軟件的示例項目
筆者下面就會通過一個具體的實例，來幫助初學者了解如何使用西門子STEP7編程軟件的使用方法，希望初學者能夠盡快掌握該種方法，這樣才打到了本文作者的目的。
1.西門子STEP7編程軟件的控制要求
西門子STEP7編程軟件安裝的是自動控制系統，改變了過去手動控制的模式。在自動控制模式下，電動機進行正反的轉點運動，同時該電動機還可以進行手動和自動的相互轉換。手動模式下的電動機可以自主進行，自自動控制下，用戶就可以點一下按鈕就可以實現機器的自動運轉，要想使其停止運轉，用戶可以按一下停止按鈕，機器就自動停止了，操作起來比較的方便。
2．在西門子STEP7編程軟件上創建一個項目項目
首先開始為該電動機的良好運轉在西門子STEP7編程軟件上創建一個項目，我們可以把這個項目叫做My-project。
緊接著就要在工具欄中選擇菜單，或者可以點擊工具條中的圖標，然后可以打開準備建立項目的對話框，然后就在已經打開的對話框中，輸入我們剛剛取的項目的名稱。當我們輸入完畢后，系統會自動彈出一個對話框，從而來幫助我們建立一個項目。然后我們就單擊執行菜單的命令，再單擊頁面選項卡，選擇保存我們項目的一個存儲路徑，這樣就基本完成了項目的建立工作，可以開始下一步的進行了。
3.啟動西門子STEP7編程軟件，在其上插入一個站
建立了項目以后，我們就在系統上插入一個站，單擊執行菜單命令，在系統上插入一個站，當將這個站插入后，系統就會自動為這個站取一個名字，我們可以隨時修改這個站名。
接下來就要執行菜單命令，啟動硬件組態編輯器，或者是直接點擊圖標啟動硬件組態編輯器。打開以后就會顯示出硬件組態并且將其存盤，存盤的過程中，應當注意電源以及插槽的注意要點，盡量按照系統彈出的對話框的步驟進行，這樣就可以進行下一步的程序。
5.后續程序的跟進方式和方法
緊接著，我們就要在新建項目中插入西門子STEP7編程軟件，插入該軟件，我們可以單擊菜單，執行菜單命令進行，也可以直接點擊圖標進行插入，插入后，我們可以對其名稱作出修改。接下來我們就要測試接線了，測試接線，我們可以使用工具Monitor，來檢測是否將數字量和輸出模塊連接起來，這一環節十分重要。
我們需要在系統上建立符號表，建立符號表的好處就是可以使系統程序更輕松的理解每個符號的意思，這樣就會使程序的運行比較快捷。建立符號表，可以直接單擊圖標，就會彈出一個對話框，然后就可以在上面建立符號表了。如圖一所示，編輯符號表后，就可以通過菜單命令，將符號表所列的進行排序，排序可以使升序，也可以使降序的。
圖一 1電動機的正反轉控制
接著我們就要打開變量表，通過變量表來測試系統接線，這樣就可以保證程序的繼續運行。可以單擊執行菜單命令在程序上打開變量表，如圖二所示，就可以通過變量表進行接線測試了。
圖二 利用變量表測試接線
三．編制自動控制程序
現在我們就要進行自動程序的編制了，首先我們要在程序中創建FC1和FC2，雙擊FC1或者是FC2，我們就可以進行自動程序的編制了。我們選擇在FC1上編寫自動控制程序，如圖三所示，上升時就會啟動系統，當閉合式就會關閉系統，這些動作通過開關9K34 就可以了，我們可以選擇手動模式，當然也可以選擇自動模式，我們在選擇操作模式的時候，我們就需要通過
按鈕9K36 來完成。如果我們要改變模式或者是要停止時，以前所選擇的模式將會自動取消。
圖三 FC1電動機的模式選擇程序
然后再來編寫自動控制程序， 自動控制需要在自動模式下進行操作，操作時，通過啟動電動機使其正轉右行，然后閉合，它就自動停止了，接著再按按鈕使其自動左行，然后閉合，使其停止，只有這樣反復的測試才能確認程序運轉正常。
接著要在OB1中調用FC1和FC2，同時還要下載程序，我們可以雙擊打開OB1的編程窗口，也可以在圖標中直接打開，根據彈出對話的指示，選擇邏輯指令、程序控制指令、定時器、計數器、數據處理和運算指令、功能和功能塊等，接著我們就可以來調試FC1了，將FC1調試好以后，我們可以用同樣的方法來調試FC2。
前面的步驟完成后，我們就要開始測試制作的程序了。程序中的一些邏輯錯誤或者是其他指令性錯誤只有通過對程序的不斷調試，才能夠試驗出來，這樣才能保證所制作的程序是可以使用的。西門子STEP7編程軟件提供了對程序進行跟蹤調查的功能。打開程序檢測窗口后，單擊按鈕，我們就進入了程序的檢測環節，這種檢測不同于其他的檢測，檢測窗口中會顯示出檢測的質量和信號，以及檢測的狀態都可以在檢測窗口中實時表現出來。檢測完成后，我們基本上就完成了程序的制作，也基本上對西門子STEP7編程軟件的使用方法有了全面的了解和掌握。
四．結束語
西門子STEP7編程軟件是目前最新的一款程序編制軟件，它的使用方法并不是那么深不可測，只要基本掌握其使用的每一個步驟，基本上就可以很熟練的使用西門子STEP7編程軟件了。
參考文獻：
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[4]于洋來 燕菁 基于西門子840D的信號模擬裝置的設計與應用 [期刊論文] 《制造技術與機床》 ISTIC PKU -2011年3期
關鍵詞：電氣控制；PLC技術；自動化；無人值守
1 引言
隨著可編程邏輯控制器（PLC）技術的逐漸發展，很多工業生產要求實現自動化控制的功能，都采用PLC來構建自動化控制系統，尤其是對于一些電氣控制較為復雜的電氣設備和大型機電裝備，PLC在電氣化和自動化控制方面具有獨到的優勢，如順序控制，可靠性高，穩定性好，易于構建網絡化和遠程化控制，以及實現無人值守等眾多優點。基于此，PLC技術逐漸成為工業電氣自動化控制的主要應用技術。
本論文主要結合數控機床的電氣化功能的改造，詳細探討數控機床電氣化改造過程中基于PLC技術的應用，以及PLC技術在實現數控機床自動化控制功能上的應用，以此和廣大同行分享。
2 數控機床的電氣化改造概述
2.1 數控機床的主要功能
數控機床是實現機械加工、制造和生產中應用的最為廣泛的一類機電設備。數控機床依托數控化程序，實現對零部件的自動切削和加工。但是目前我國仍然有超過近1000萬臺的數控機床，主要依靠手動控制完成切削加工，無法實現基本的電氣化和自動化控制。為此，本論文的主要的目的是基于PLC控制技術，實現數控機床的電氣化改造，主要實現以下功能：
（1） 數控機床的所有電機、接觸器等實現基于PLC的自動化控制；
（2）數控機床的進給運動由PLC控制自動完成，無需人工手動干預；
（3） 自動檢測零部件切削過程中的相關參數，如加工參數、狀態參數等等；
（4） 結合上位機能夠實現對數控機床的遠程控制，以達到無人值守的目的。
2.2 電氣化改造的總體方案
結合上文對于數控車床的電氣化、自動化改造的功能要求，確定了采用上位機與下位機結合的自動化改造方案。該方案總體結構分析如下：
（1） 上位機借助于工控機，利用工控機強大的圖像處理能力，重點完成數控車床的生產組態畫面顯示，以及必要的生產數據的傳輸、保存、輸出，同時還要能夠實現相關控制指令的下達，確保數控車床能夠自動完成所有切削加工生產任務。
（ 2）下位機采用基于PLC技術的電氣控制模式，由傳感器、數據采集板卡負責采集數控車床的生產數據、環境數據、狀態數據等所有參數，由PLC實現對相關數據的計算，并傳輸給上位機進行相關數據的圖形化顯示和保存；另一方面，PLC控制系統還接收來自于上位機的控制指令，實現對數控車床的遠程控制。
（3） 對于數控車床最為關鍵的控制――進給運動的控制，利用PLC+運動控制板卡的模式實現電氣化和自動化的控制。具體實現方式為：選用合適的運動控制板卡，配合PLC的順序控制，對進給軸電機實現伺服運動控制，從而實現對數控車床進給運動的自動化控制。
3 數控車床電氣化自動控制改造的實現
3.1 系統改造結構設計
數控車床的電氣化自動控制改造，其整體結構如下圖1所示，其整體結構主要由以下幾個部分構成：
3.1.1 底層設備
底層設備主要包括兩個方面，首先是實現數控車床自動切削加工運轉等基本功能的必要電氣、機電設備，如電源模塊、電機模塊等，這些機電設備能夠保證數控車床的基本功能的穩定可靠的實現；其次，底層設備還包括各類傳感器，比如監測電機轉速、溫度的速度傳感器和溫度傳感器，監測進給軸運動進給量的光柵尺等，這些傳感類和數據采集類設備為實現數控車床自動化控制提供了基礎數據源。
3.1.2 本地PLC站
本地PLC站主要負責接收底層傳感設備傳送過來的傳感參數、狀態參數及其他檢測參數，通過內部程序的運算，判斷整個數控車床的工作狀態，并將其中的重點參數上傳到遠程控制終端進行數據的圖形化顯示、存儲、輸出打印等操作；另一方面，本地PLC站同時還接收來自于遠程控制終端所下達的控制指令，比如停機、啟動等控制指令，PLC站通過對相應執行器（比如電機）的控制，從而實現自動化控制的功能。
3.1.3 遠程控制終端
遠程控制終端主要是依賴于工控機實現的上位機數據管理和狀態監控，需要專門開發一套面向數控車床加工、生產和自動控制的軟件程序，以實現對數控車床的遠程化、網絡化、自動化控制，真正實現無人值守的功能。
基于PLC的數控車床電氣自動化改造框圖
3.2 PLC電氣控制系統的設計實現
本研究論文以CK6140普通數量機床為具體研究對象，詳細探討其電氣化、自動化控制的改造。通過上文對機床改造方案和結構功能的分析，可以確定整個機床電氣化、自動化改造，一共需要實現14個系統輸入，9個系統輸出。結合控制要求，這里選用日本三菱公司的FX2N-48MR型PLC，輸入回路采用24V直流電源供電方式。根據對數控機床的各模塊控制功能的分析，選用合適的接觸器、繼電器、開關、輔助觸點等電氣控制元件，與PLC共同實現對電氣設備的控制，比如PLC通過接觸器控制電機模塊，PLC通過繼電器控制電磁閥等部件，從而完成基于PLC控制的數控車床電氣化改造。
4 結語
隨著電氣設備的越來越復雜，工業生產對于電氣控制的要求也越來越高，基于PLC的自動化控制技術得到了廣泛的應用，逐漸成為了當前工業自動化生產控制中的主流技術之一。采用PLC技術最大的優勢在于實現自動化控制同時具有較高的可靠性和抗干擾能力，極大的避免了由于采用單片機技術而造成的系統不穩定現象。本論文結合電氣控制詳細探討了PLC自動化技術的應用，給出了具體的系統設計實例，對于進一步提高PLC自動化技術的工業化應用具有很好的指導和借鑒意義。
論文摘要： 對當前自動控制理論實驗教學方法與實驗儀器進行分析，提出教學方法和教學儀器的改革措施。通過開設新的實驗內容和研制新的教學儀器，使學生更好地完成自動控制理論實驗的學習任務，提高學生的綜合能力和創新能力。
“自動控制理論”課程是研究自動控制系統的共同規律，為自動控制系統的分析和綜合提供基本理論和基本方法的一門專業基礎課[1]。該課程是一門重要的測控類專業的基礎課，具有較強的理論性，與前續課程聯系緊密，知識面廣，學生不易理解掌握[2-3]。學好這門課程不僅可以為后續專業課的掌握打下良好的理論基礎，而且能在今后從事專業工作時，直接運用它去分析和解決實際技術問題。對于工程實踐具有重要的指導作用，受到人們的廣泛重視。在本課程的教學中，實驗教學對理論知識的理解、掌握、鞏固具有重要的作用。
1 當前實驗教學的不足
長期以來，傳統的實驗教學被一種固定的模式所束縛，教學內容陳舊，教學方法呆板，在一定程度上限制了學生的主動性和積極性，難以激發他們獨立分析問題、解決問題的興趣和激情，沒有體驗過從失敗中自己尋找成功之路的經歷，抑制了學生個性的發展，這樣不利于對學生創新能力的培養[4]。
1.1 實驗內容固定
傳統的實驗主要是按章節進行驗證性實驗，實驗儀器功能固定，實驗只能按照實驗指導書設計好的步驟進行, 學生被束縛在驗證性實驗中，對出現的相關問題缺少系統、多角度的分析，不利于學生創新能力的培養。
1.2 實驗時間限制
一般的實驗都要求在實驗室2個學時內完成，學生很難全面深入地把握實驗主要內容和方法，對實驗的目的、實驗原理無法理性地理解，更別提實驗中出現故障的排解分析，限制了學生的設計和創新，不利于鍛煉學生的綜合能力。
1.3 實驗儀器制約
實驗儀器過于固化，儀器設置上未給學生留下設計性和探究問題的空間。儀器組成以理論驗證為主，缺少實際控制系統各環節，特別是反饋部分的傳感部分，更不具備跟隨學科發展而開拓新實驗的延伸性。
1.4 實驗方法落后
實驗技術水平和內容更多地滿足于基礎性實踐環節，缺乏系統的綜合性、設計性和研究性實驗環節，以及缺少在利用多種現代實驗手段、方法和工具對實驗過程中的結果和現象進行深入分析研究方面對學生的引導。實驗過程主要完成連線操作、數據記錄等簡單的工作。
2 實驗教學改進
針對目前實驗教學的現狀，摒棄以往按部就班完成指定實驗步驟操作驗證形式，按照學生對科學的自然認知進度設置靈活變換的實驗內容。對實驗設置按多層次，從簡到難，逐步引導學生自主學習、合作學習、研究性學習，逐步走向從問題出發的探究、創新。同時，研究新的實驗教學儀器，開發配套軟件，保證實驗硬件滿足新環境下的要求。結合靈活的教學儀器改變教學方法，充分調動學生動手的積極性，引導其創新。
2.1 實驗內容設置
開設不同層次的實驗內容，既要滿足實驗教學的驗證、演示等基本功能，又要激發學生的興趣。
基礎實驗：根據給定實驗任務、方案和步驟，選擇并完成一定數量基本實驗；同時，通過調整實驗參數得到不同結果，增加思考空間。
綜合實驗：將各個基礎實驗環節有機結合在一起，各課程之間關聯內容綜合。
設計實驗：以任務的形式，給定實驗題目，允許學生按照自己思路選擇設計性實驗內容，引導學生學會設計和研究的方法。
創新實驗：自行命題實驗，將學生的構想通過儀器現有功能模塊來實現，在探究式學習中培養學生創新能力。
2.2 實驗儀器的改進
根據實驗內容的要求，開發適合本專業的教學儀器。儀器具有控制系統需要驗證的各種典型環節模塊、信號發生器模塊等基本功能，還結合工程實際將傳感器引入反饋環節，增加執行器件，構成完整的閉環系統。避免教學儀器箱只能完成信號源作為激勵，控制環節構成系統的不足。同時，儀器上的控制效果通過便于觀看的形式展示出來，讓控制過程可視化。儀器要預留出擴展接口，便于在實驗中添加新的模塊。儀器在結合計算機完成實驗的同時，又能獨立完成實驗內容，實驗配套軟件要能對硬件平臺對的實驗內容進行仿真和虛擬實驗。學生可以根據測試參量的不同選擇相應的傳感器，完成非電量到電量的轉換，對信號進行處理，結合控制理論完成創新性、設計性的實驗。
2.3 實驗方法的轉變
1）以學生為主體，開辟新知識領域，重視實踐能力的鍛煉；2）培養學生的綜合能力；3）科學知識和實驗能力培養上，建立系統、科學且開放的實驗教學體系，注重課程之間縱向和橫向的聯系。
結合開發的教學儀器，在實驗方法上除了基本的驗證性實驗，其他實驗按任務的形式給出，不對學生做過多的限制，留出學生思考、動手、創新的空間。充分利用計算機的計算、分析功能以及儀器配套軟件（采用數學工具matlab編寫的程序）在實驗前完成必要的仿真分析，讓實驗有的放矢，理論指導實踐。實驗既做到軟硬精密結合，又能相互獨立，兩者相輔相成。克服當前實驗中儀器平臺不能脫離計算機，配套軟件不能獨立工作，學生只能在實驗課中有限的時間內完成實驗的不足，讓實驗內容通過軟件可以在任意計算機上完成。
3 總結
對當前實驗教學過程中存在的問題進行分析和總結，從實驗內容設置、實驗儀器、實驗方法3個方面提出改進方法。自動控制理論來源于實踐，反過來指導實踐[5]。結合當前人才培養的趨勢，理論聯系實際，提高學生實踐能力，在實踐中發現問題、解決問題進而培養創新能力。
參考文獻
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【關鍵詞】電氣；自動控制；控制方式
中圖分類號：TM92文獻標識碼A文章編號1006-0278（2013）06-183-01
一、概述
一個理想的控制系統，在其控制過程中應始終使被控量等于給定值。但是，由于系統中儲能元件的存在以及能源功率的限制，使得運動部件的加速度受到限制，其速度和位置難以瞬時變化。所以，當給定值變化時，被控量不可能立即等于給定值，而需要經過一個過渡過程，即瞬態過程。所謂瞬態過程就是指系統受到外加信號作用后，被控量隨時間變化的全過程。瞬態過程可以反映系統內在性能的好壞，而常見的評價系統優劣的性能指標也是從瞬態過程定義出來的。對系統性能的基本要求有三個方面：穩定性、快速性、準確性。
自動控制理論研究的是如何接受控制對象和環境特征，通過能動地采集和運用信息，施加控制作用，使系統在變化或不確定的條件下正常運行并具有預定功能。它是研究自動控制共同規律的技術科學，其主要內容涉及受控對象、環境特征、控制目標和控制手段以及它們之間的相互作用。具有“自動”功能的裝置自古有之，瓦特發明的蒸汽機上離心調速器是比較自覺地運用反饋原理進行設計并取得成功的首例。麥克斯韋對它的穩定性進行分析，于1868年發表的論文當屬最早的理論工作。從20世紀20年代到40年代形成了以時域法、頻率法和根軌跡法為主要內容的“經典”控制理論。60年代以來，隨著計算機技術的發展和航天等高科技的推動，又產生了基于狀態空間模型的“現代”控制理論。隨著自動化技術的發展，人們力求使設計的控制系統達到最優的性能指標，為了使系統在一定的約束條件喜下，其某項性能指標達到最優而實行的控制稱為最優控制。當對象或環境特性變化時，為了使系統能自行調節，以跟蹤這種變化并保持良好的品質，又出現了自適應控制。
二、自動控制系統的基本構成及控制方式
（一）開環控制
控制裝置與受控對象之間只有順向作用而無反向聯系時，稱為開環控制。開環控制的特點是系統結構和控制過程很簡單，但抗擾能力差、控制精度不高，故一般只能用于對控制性能要求較低的場合。
（二）閉環控制
控制裝置與受控對象之間，不但有順向作用，而且還有反向聯系，既有被控量對控制過程的影響，這種控制稱為閉環控制，相應的控制系統稱為閉環控制系統。閉環控制系統又被稱為反饋控制或按偏差控制。閉環控制系統是通過給定值與反饋量的偏差來實現控制作用的，故這種控制常稱為按偏差控制，或稱反饋控制。此類系統包括了兩種傳輸信號的通道：由給定值至被控量的通道稱為前向通道；由被控量至系統輸入端的通道稱為反饋通道。閉環系統能減小或消除作用，但若設計調試不當，易產生震蕩設置不能正常工作。自動控制原理中所討論的系統主要是閉環控制系統。
（三）復合控制
反饋控制是在外部的作用下，系統的被控量發生變化后才做出相應調節和控制的，在受控對象具有較大時滯的情況下，其控制作用難以及時影響被控量，進而形成快速有效的反饋控制。前饋補償控制，則在測量出外部作用的基礎上，形成與外部作用相反的控制量，該控制量與相應的外部作用共同作用的結果，使被控量基本不受影響，即在偏差產生之前就進行了防止偏差產生的控制。在這種控制方式中，由于被控量對控制過程不產生影響，故它也屬于開環控制。前饋補償控制與反饋控制相結合，就構成了復合控制。復合控制有兩種基本形式：按輸入前饋補償的復合控制和按擾動前饋補償控制的復合控制。
三、自動控制系統的分類
自動控制系統的分類方法較多，常見的有以下幾種：線性系統和非線性系統。由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統為線性系統；由非線性方程所描述的系統稱為非線性系統；定常系統和系統，從系統的數學模型來看，若微分方程的系數不是時間變量的函數則稱此類系統為定常系統。否則稱為是系統。若系統既是線性的又是定常的，則稱之為線性定常系統；連續系統、離散系統和采樣系統，從系統中的信號來看，若系統各部分的信號都是時間的連續函數即模擬量，則稱此系統為連續系統，若系統中有一處或多處信號為時間的離散函數，如脈沖或數碼信號，則稱之為離散系統。若系統中既有模擬量也有離散信號，則又稱為采樣系統；恒值系統、隨動系統和程序控制系統，若系統的給定值為一定值，而控制任務就是克服騷動，使被控量保持恒值，此類系統稱為恒值系統。若系統給定值按照事先不知道的時間函數變化，并要求被控量跟隨給定值的變化，則此類系統稱為隨動系統。若系統的給定值按照一定時間函數變化，并要求被控量隨之變化，則此類系統稱為程序控制系統。此外，根據組成系統的物理部件的類型，可分為機電控制系統、液壓控制系統、氣動系統以及生物系統等。根據系統的的被控量，又可分為位置控制系統、速度系統、溫度控制系統等。
關鍵詞：控制系統；控制方式；自動控制；太陽能；熱水工程
中圖分類號：TP13 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）05-1149-02
太陽能是典型的綠色可再生能源，研究、開發與應用太陽能資源具有全球性的戰略意義。在太陽能資源的應用中，太陽能熱水項目是目前技術比較成熟、經濟效益較高、環保效益與社會效益較好的項目。隨著太陽能熱水的廣泛使用，市場對太陽能熱水的系統特別是控制系統提出了越來越高的要求。該文以太陽能熱水工程的控制系統作為研究對象，根據北方高寒地區氣候特點和多年的工程設計、施工、維護經驗，切合市場反應及用戶需求研究、設計了太陽能熱水工程控制系統。
1 太陽能熱水工程概述
太陽能熱水工程是利用太陽能集熱器收集太陽能量，通過循環系統，將太陽能集熱器的熱量傳遞給水，將水加熱后根據控制系統的數據設定收集存儲于儲熱單元中，為用戶提供所需要的熱水。當天氣條件影響或其他原因使得系統儲存熱水不能滿足供熱指標時，可以通過輔助熱源系統加熱使水溫提高供用戶使用。為了減少管路熱損失，防止惡劣天氣條件管路凍堵，改善熱效，北方高寒地區還要有相應的保溫防凍系統。太陽能熱水工程主要由控制系統、集熱系統、儲熱水箱、循環系統、輔助熱源、保溫防凍系統等部分組成，見圖1。集熱系統是太陽能系統的能量積累轉換中心，其接收太陽輻射的能量，并將太陽的輻射能量轉化為水的熱能。儲熱水箱將太陽能所產熱水集中存儲，并通過管路供應至用水單元。循環系統是集熱器至儲熱水箱及輔助熱源至儲熱水箱的循環管道以及相關的水泵、電磁閥門等。輔助熱源主要是在太陽能產熱水能力供不應求時輔助加熱。北方高寒地區太陽能還需要有保溫防凍系統和，以減少管路熱量損失，防止低溫凍堵，保證系統在高寒條件下正常運行。
圖1 太陽能熱水工程系統組成
2 控制系統設計
2.1控制系統功能與組成
控制系統是太陽能熱水工程的中樞系統，其通過電氣控制的方式，提供智能的人機交互界面、實時采集顯示相關水溫、水位信號，實時監測相關運行信息，自動控制集熱器進行能量交換、自動控制循環系統的泵閥工作、自動控制輔助熱源按需加熱，確保系統正常運行。控制系統能夠根據用戶現場設定數據及實時監測到的水壓、水位、水溫等參數自動控制加水泵閥、伴熱防凍、循環泵閥、輔助熱源、排空泵閥、供水泵及變頻器等設備的啟停，滿足用戶熱水需求。因此控制系統需有水位水溫監測顯示、數據輸入、運行信息指示、上水控制、集熱控制、供水控制、防凍控制、輔熱控制、排空控制等功能，見圖2。
圖2 控制系統結構與功能
2.2控制信號分析
控制系統根據用戶指令和輸入信號進行判斷、分析，從而輸出信號驅動相應的泵閥、熱水設備進行工作。據圖2所示系統，輸入信號有集熱器水溫[T1]、管道水溫[T2] 、儲熱水箱水溫[T3]、供水水溫[T4]、水位信號[H1]、水壓信號[P]等，輸出信號有上水泵閥控制信號、循環泵閥控制信號、輔助熱源控制信號、供水泵閥控制信號、防凍伴熱控制信號、排空泵閥控制信號、變頻供水控制信號等。
2.3控制方式分析
在太陽能熱水工程的控制系統中，根據運行原理和適用場合的不同，常用的有手動控制、溫差控制、定時控制、定溫控制等四種控制模式。
1）手動控制是最為基礎的控制方式，也是比較受大家認可的一種由操作人員根據實際需要手動控制上水、集熱循環、供水、防凍加熱、輔助加熱、排空等控制方式。在緊急情況或特殊情況時可以啟用手工模式進行控制。
2）溫差控制即系統適時監測集熱器水溫（[T1]）和儲熱水箱水溫（[T3]），并且將二者送到控制系統進行分析，當溫差（[ΔT=T1-T3]）大于設定值（[Δt0]）時（5～20℃），控制核心輸出信號啟動循環供水泵將集熱系統的熱量傳輸到儲熱水箱；當溫差（[ΔT=T1-T3]）小于設定值（[Δt0]）時（2～10℃），控制核心不再輸出信號循環泵停止工作。同時當溫差（[ΔT=T1-T3]）等于設定值（[Δt0]）時（50～60℃），控制核心輸出信號停止循環供水泵以保護低溫水進入集熱器造成集熱管炸裂；當溫差（[ΔT=T1-T3]）小于設定值（[Δt0]）時（20～30℃），控制核心再次輸出信號啟動循環泵開始工作。
3）定溫控制模式是系統適時監測集熱器水溫（[T1]），并且將其送到控制系統進行分析比較，當集熱器水溫（[T1]）大于等于設定值（[t1]）時，控制核心輸出信號啟動控制電磁閥或循環水泵，冷水進入集熱器將熱水壓入儲熱水箱；當集熱器水溫（[T1]）小于設定值（[t1]）時，控制核心不再輸出信號，控制電磁閥或循環水泵停止工作。
4）定時控制是效率較低的一種控制模式，操作人員根據實際需要，預先設定系統啟停、運行時間或排空時間，系統在設定時間啟動泵閥或停止循環泵。
2.4控制系統構建
據以上分析，結合北方地區氣候特點及用戶需求構建了以凱盈電子有限公司的KING-C型太陽能集熱工程控制器為核心，輔以SA136型數碼溫差控制器進行超溫保護、SB252型數碼定時器做定時排空控制、SC393電子探極式液位繼電器做液位雙重保護、水溫水位傳感器等器件的適合北方地區應用的太陽能熱水工程控制系統，見圖3所示。該系統綜合手動、溫差、定溫、定時四種控制方式，具有水位監測顯示、水溫監測顯示、數據輸入、運行信息顯示、自動與手動運行控制、上水控制、集熱循環控制、供水控制、防凍控制、輔助燃氣鍋爐或電加熱控制、恒溫控制、排空控制、自動保護等功能，適合北方高寒地區使用。
圖3 太陽能熱水工程控制系統簡圖
3 結束語
本系統應用于實際工程，經過現場調試、運行及參數測試，系統運行穩定、智能化程度高、保護措施完善，通過對數據的分析計算得到系統產熱量穩定、經濟效益與環保效益較高，適合在北方高寒地區使用。
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