DCS中的顺序控制组态系统研究

DCS中的顺序控制组态系统研究

姜海涛赵放

江苏斯尔邦石化有限公司江苏连云港222000

摘要：顺序控制既是机械专业教学的重要组成部分，也是与我们的日常生产生活紧密相关的，它广泛应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及生产自动线，不仅提高了生产生活的效率，也给我们的生产生活带来了便利。尤其是近年来，社会经济水平和科学技术得到不断发展，顺序控制得到了更多的应用，发挥着越来越重要的作用，同时，顺序控制对于生产发展的影响十分明显，也对响应“大众创业、万众创新”口号，加强我们的自主研发设计能力具有重大推进作用。提高顺序控制教学实效，既有利于教学水平的提高，也有利于提高学生的应用能力和社会实践能力，对社会生产生活起到积极促进作用。所以，如何提高顺序控制教学实效是当下教师应该高度重视和积极探索的。

关键词：DCS；顺序控制

1顺序控制

1.1顺序控制简介

顺序控制中很多情况使用异步电动机来提供动力，其原理是把电能转换成机械能。也有使用电磁阀，接触器等。所谓顺序控制，是指按照生产工艺中提前设置的顺序，每个执行单元自动地按顺序地进行操作，在工业制造和日常生活中都应用非常多，如搬运机械手的自动控制、包装生产线的自动控制、交通信号灯的自动控制等。同时顺序控制有三个因子：转移条件、转移目标和工作任务。按照先来后到的顺序实现顺序控制的特点，可以将顺序控制分类为逻辑顺序控制，时间顺序控制和条件顺序控制三大类型。逻辑顺序控制是以逻辑先后顺序来执行动作指令，与动作时间无严格关系。时间顺序控制是以动作时间为依据，每个设备的运行停止都与时间有关。条件顺序控制是以动作条件是否满足来执行相应的动作指令。

1.2传统继电器顺序控制系统

传统的由继电器组成的顺序控制系统中，全部的操作和逻辑关系都是由继电器完成的。各种继电器的常开和常闭触点，时间继电器，接触器、开关等元件来完成系统所需要的逻辑功能。在继电器控制系统中，因为继电器机械触点和可靠性限制，此类控制系统的可靠性不是很高，使用寿命短，要更改逻辑关系不是特别方便，只是用在一些老式的或简单的控制系统中就可以了。

2DCS控制算法

国电智深DCS控制系统顺序控制通过步序主控算法块SEQMASTER及可变跳步步序设备算法块SEQDEVICEV来实现。

SEQMASTER算法应用于顺控逻辑，管理SEQDEVICEV设备算法块，实现顺序控制操作功能，SEQMASTER算法按顺序向每个SEQDEVICEV发送指令电平信号，接收SEQDEVICEV的反馈，并根据反馈信号决定是否进行下一个SEQDEVICEV进行操作。SEQDEVICEV算法在SEQMASTER算法管理下，完成单步控制造作功能，接收SEQMASTER发送的步启动指令，执行相应的操作，向受控设备发送脉冲指令，监视受控设备的状态反馈，并将自身状态输出回送给SEQMASTER。

利用SEQMASTER及SEQDEVICEV算法组成顺序控制主流程，在各自步序中根据工艺要求增加辅助逻辑。辅助逻辑主要利用TIMER计时器算法、ONDELAY延时闭合算法、ACCUM模拟量累计算法等完成工艺流程中的计时、延时、物质累计等要求。

3过程控制、顺控、安全联锁全部在DCS系统中完成

顺控是工业控制过程中重要的一环，大量采用离散的开/关信号，执行较复杂的逻辑控制功能来完成间断的、批量的工业生产过程。

安全联锁一般只须要执行较简单的逻辑功能。

过程控制系统要求用模拟信号，完成复杂的数字及逻辑运算功能。

过去，由于技术上的原因，加上传统观念对人们的影响，世界上许多国家的设计资料及规范均要求把过程控制与安全联锁分开，这就造成大量的装置过程控制与顺控，特别是过程控制与安全联锁系统分别采用相互独立的控制系统。随着生产工艺越来越复杂，随着4C技术突飞猛进地发展，DCS已取代了常规控制仪表完成过程控制，PLC取代了继电器完成顺序控制及安全联锁。DCS与PLC无论从硬件结构，还是在软件上都很相似，而现在DCS系统在功能上要比PLC强得多，DCS有很好的操作监视界面，有丰富的管理软件，有很强的控制功能，可利用率已达到99.9999%。用DCS取代PLC，在1套工业装置中即完成过程控制又要完成顺控，特别是安全联锁，这是完全可能的，并且在工业界中已有考虑应用，这也是工业自动化发展的一个方向。

从系统结构上看。从系统硬件构成来看，DCS系统是由上位管理计算机，操作站和控制站等组成，而有些DCS系统还设立了专门的逻辑控制站，(即PLC)如TDC-3000的LM。1个控制站(包括独立的逻辑控制站)就相当于1台PLC，其硬件结构也与PLC基本相同，包括I/O模件、通讯模件(站内部)、存贮模件和CPU运算模件。从软件及通讯上来看DCS的基本出发点就是分散控制，每一个控制站与控制站，控制站与操作站、上位机之间是相对独立的，不论哪一个站出现故障都不会对其他站造成影响，如果选用高分散型的控制站还可进一步把危险分散。因此从系统结构上看DCS的一个现场控制站对整个系统可以说是独立的，其可靠性完全可以和1台PLC相比，仅受本站内故障的影响。

可靠性。由于DCS系统采用了容错、纠错，从电源、I/O到通讯以及存贮运算等一系列的冗余，甚至四重镜面CPU等多种高可靠性措施，加上今天的电子元器件，集成电路可靠性大幅度提高，整个系统平均无故障时间MTBF高达10万d，平均修复时间MTTR为10-2d，利用率A高达99.9999%，即使假设目标故障率H为每年0.01%，对DCS要求的故障率D为100次/a，系统的利用率为：U=H/D则U=(0.01%)/100=0.00001%，可利用率=1-U=99.9999%。

从DCS与PLC的发展过程来看，DCS，PLC都经历了4~5代，已完全成熟，从硬件选型到制造工艺，DCS和PLC厂家都是精益求精，选用最先进的CPU(32BITMC68020~MC68040)，采用最先进的表面贴装技术，在软件方面采用成熟的可靠的操作系统。总之都利用了当今世界上最先进优秀的手段，PLC没有任何优势可言，而DCS第2代产品中就采用了分散，冗余等先进手段。

由DCS完成安全联锁有利于把事故消除在萌芽状态。把生产的安全可靠性提到重要地位上来，寻求更完善可靠的安全控制策略，要求对不正常情况的出现进行自动检测、诊断、控制。随着生产工艺的大型化、复杂化及精密化，单纯的安全联锁系统不论从及时性、可靠性，还是从经济性的角度考虑，都存在很多不足之处，难以处理复杂的情况。而在DCS内可以采用故障检测和诊断技术，可以在故障的萌芽阶段就被发现，这样可以及时处理，避免事故扩大，并减少停车损失。国外已有了安全性检测和保护系统的软件商品，这也只有在DCS系统中才能很好地运行(需要各种信息)。

4程序设计过程中几个关键问题

（1）时序问题。单个SEQMASTER控制算法块可连接最多15个SEQDEVICEV算法块，由于顺控过程中步序较多，采用多个SEQMASTER算法块级联。SEQMASTER及其所控制的SEQDEVICEV算法的执行顺序必须正确，SEQMASTER步号应最小，SEQDEVICEV算法步号依次递增，级联的SEQMASTER的执行顺序也要正确，跨页时要保证页间的执行顺序。这样就要求在逻辑编译过程中，及时调整单页中算法的时序和控制区中的跨页逻辑的时序，避免逻辑执行时的时序错误。

（2）暂停功能。过滤机在运行过程中可以手动或当过滤机出现故障时切换到“暂停状态”同时报警提示。切换到“暂停状态”时，关闭相应设备的所有阀门，停止相应过程的时间累计。当故障处理完后人工切换到“继续状态”，相应阀门和泵按开启顺序重新开启按照暂停是的状态继续运行。

逻辑初始设计时，采用记忆暂停时相关设备阀门状态，继续运行时按照记忆状态恢复设备阀门的状态。调试过程中发现，当暂停发生在设备阀门状态切换过程中时，如阀门由开状态切换到关状态时，不能识别阀门状态。

（3）排队等待问题。当多台过滤机主流程逻辑进入添加助滤剂、回流过程、进水反吹过程、排浓浆过程等需要调用公用设备的步序时需根据先后顺序排队等待。在逻辑设计中，三台过滤机分别设置TIMER计时器，只要过滤机主流程逻辑在初步进料及恒压过滤过程中就触发TIMER计时器算法，再将三个计时器算法利用COMPARE比较算法两两比较，判断出三台过滤器优先关系。

结束语

经过逻辑优化后的过滤系统，实现了过滤过程的自动控制。系统设备按照设定的工艺顺序执行动作，完成过滤过程全自动控制，并能实现故障时自动暂停，待故障处理完毕后，可自暂停时步序继续运行，完成整个过滤流程全自动控制，实际应用效果非常好。

参考文献

[1]郁汉琪.可编程序控制器原理及应用北京：中国电力出版社，2004.

[2]陈小飞.可编程控制器郑州：黄河水利出版社，2012.

[3]李道霖.电气控制与PLC原理及应用北京：电子工业出版社，2009.