MACS在化工實驗裝置典型程序設(shè)計中的應(yīng)用

丁為

（中國石化上海石油化工研究院，上海201208）

HollYSYS的 MACS（meet all customer's satisfaction）系統(tǒng)采用“平臺＋應(yīng)用開發(fā)”的軟件架構(gòu)，平臺軟件負(fù)責(zé)采集和處理數(shù)據(jù)并提供各種接口和服務(wù)，再根據(jù)不同行業(yè)的特殊需求定制開發(fā)應(yīng)用界面、算法庫、符號庫等組件，各版本共用一個核心平臺，具有可靠性高、擴展性強、易維護、數(shù)據(jù)實時性好等特點。該系統(tǒng)目前在上海石油化工研究院的多套大型實驗裝置中得到了成功應(yīng)用。本文以實驗裝置中典型的4個控制程序為例，介紹MACS的具體應(yīng)用。

1 壓縮機控制的程序設(shè)計方法

在高壓加氫實驗裝置中，需要用壓縮機將原料氫氣和循環(huán)氫氣的壓力保持在設(shè)定的范圍內(nèi)［1］：當(dāng)緩沖罐壓力低于下限值時，壓縮機啟動；壓力達到上限值時停止，此后緩沖罐的壓力由于系統(tǒng)內(nèi)原料氣的不斷消耗而逐漸降低；當(dāng)壓力低于下限值時，壓縮機再次啟動，如此循環(huán)，但高壓罐的壓力始終保持在上下限值之間。程序控制流程如圖1所示。

圖1 壓縮機控制程序流程示意

對于此類控制程序設(shè)計，在 MACS V6.5.0中，通常的思路是使用連續(xù)功能圖語言CFC（continuous function chart）來編寫［2］。CFC 是一種圖形化的編程語言，沒有網(wǎng)絡(luò)限制，擺放元素較為靈活［3］，它是 MACS中最常用的設(shè)計語言。但在該方案中，由于該語言本身的特性，需要在程序中定義一個布爾型變量作為判斷壓力上下行過程的標(biāo)志，即當(dāng)壓力介于上下限值之間時，如果是增壓過程，則壓縮機保持啟動狀態(tài)；如果是降壓過程，則壓縮機保持停止?fàn)顟B(tài)。該標(biāo)志的判斷過程會使得用該語言設(shè)計的程序結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，給調(diào)試帶來不便。實際上，在MACS中，除了連續(xù)功能圖語言外，還有梯形圖語言LD（ladder diagram）和結(jié)構(gòu)化文本語言ST（structured text）可以使用［3］。以LD語言為例，它類似于電氣回路，可以構(gòu)建邏輯開關(guān)，也可以構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)，主要由觸點、線圈、功能塊和連接線等編程元件組成［4］，通過水平線和垂直線連接成平面網(wǎng)狀圖。

針對該方案的控制要求，可以將CFC語言和LD語言結(jié)合使用，便可有效簡化程序：用CFC語言來實現(xiàn)壓力上下限值的判斷，用LD語言來實現(xiàn)壓縮機的啟停控制。兩部分程序分別如圖2和圖3所示。

圖2 壓縮機控制程序1（CFC語言部分）

圖3 壓縮機控制程序2（LD語言部分）

圖2中，LT，GT，TP分別為大于邏輯模塊、小于邏輯模塊、定時器模塊。K1，K2為程序自定義的兩個開關(guān)量內(nèi)部點，分別用于接收壓力p0高于上限值（10）和低于下限值（7）時TP模塊輸出的脈沖信號，脈沖信號的寬度設(shè)置為2s。圖3中，OP＿2為全局變量中所定義的開關(guān)量輸出點，用于控制壓縮機的啟停。兩部分程序的控制過程如下：當(dāng)圖2中p0.av＜7時，K1.DI產(chǎn)生一個2s脈沖即常開點K1.DV接通2s，此時圖3中OP＿2.DI輸出為1并自鎖，壓縮機啟動；當(dāng)圖2中p0.av＞10時，K2.DI產(chǎn)生一個2s脈沖，此時圖3中常閉點K2.DV斷開2s，OP＿2.DI輸出為0，壓縮機停止；當(dāng)圖2中7＜p0.av＜10時，K1.DI和K2.DI均不動作，即壓縮機保持原有狀態(tài)不變，這樣就實現(xiàn)了對緩沖罐壓力的區(qū)間控制。由于省去了對壓力上下行情況的判斷，程序簡潔易懂。

實際上，該程序也適用于除壓力外其他對象的控制，比如實驗裝置氣液分離中常用的自動放液系統(tǒng)，其對于液位的控制也有類似的要求，只要把控制對象由壓縮機換成氣動球閥即可。

2 聯(lián)鎖復(fù)位的程序設(shè)計方法

實驗裝置發(fā)生聯(lián)鎖時，相關(guān)設(shè)備會停止運行；聯(lián)鎖解除后，必須按下復(fù)位按鈕進行確認(rèn)才能重新啟動設(shè)備。這樣設(shè)計是為了保證實驗裝置的安全運行［5－6］，否則，一旦聯(lián)鎖條件解除，設(shè)備將自動運行，極易造成危險。因此，聯(lián)鎖復(fù)位程序的設(shè)計頗為關(guān)鍵，對于該程序，可以利用 MACS軟件中的RS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來實現(xiàn)。RS觸發(fā)器的真值表見表1所列。

表1 RS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器真值

設(shè)計的聯(lián)鎖復(fù)位程序如圖4所示。

圖4中，K3，RESET均為自定義的開關(guān)量內(nèi)部點，RESET ＝1時，TP模塊產(chǎn)生一個寬度為2s的脈沖信號；當(dāng)K3＝1，聯(lián)鎖條件滿足；K3＝0，聯(lián)鎖條件不滿足。當(dāng)RESET＝1，軟件界面上的復(fù)位按鈕按下；RESET＝0，軟件界面上的復(fù)位按鈕彈起。根據(jù)表1，當(dāng)聯(lián)鎖條件滿足且復(fù)位按鈕未按下，即K3＝1，RESET＝0時，Q1＝1，壓縮機停止；當(dāng)聯(lián)鎖條件解除且復(fù)位按鈕未按下，即K3＝0，RESET＝0時，壓縮機保持前一個狀態(tài)，即停止?fàn)顟B(tài)；只有當(dāng)聯(lián)鎖條件解除且復(fù)位按鈕按下后，即K3＝0，RESET＝1時，Q1＝0，壓縮機啟動，此時松開復(fù)位按鈕，即RESET ＝0，Q1＝0時，壓縮機仍將保持前一個狀態(tài)，即運行狀態(tài)，直到聯(lián)鎖條件再次滿足，即K3＝1時停止。

圖4 聯(lián)鎖復(fù)位程序1

實際設(shè)計中，電氣控制柜面板上還要再安裝一個復(fù)位按鈕，以便在現(xiàn)場也能實現(xiàn)復(fù)位，因而需要再定義一個開關(guān)量輸入點，對應(yīng)現(xiàn)場復(fù)位按鈕的輸入。圖4的聯(lián)鎖復(fù)位程序可修改為如圖5所示，其中RESET0即為現(xiàn)場復(fù)位按鈕所對應(yīng)的開關(guān)量輸入點，和軟件界面上的按鈕RESET互為“或”的關(guān)系。兩個按鈕中任意一個按下，均可實現(xiàn)對聯(lián)鎖設(shè)備的復(fù)位。

圖5 聯(lián)鎖復(fù)位程序2

3 時間累計模塊的設(shè)計方法

在實驗裝置的順控程序和多段升溫程序設(shè)計中，需要對程序運行時間進行累計［7－8］，可以通過自定義模塊的設(shè)計來實現(xiàn)。MACS系統(tǒng)為用戶提供了自定義模塊制作的功能，制作完的自定義模塊可以直接在程序中調(diào)用。在“添加POU”對話框中，將模塊名稱命名為“JISHI”，“類型”選“功能塊FB”，“語言”選“連續(xù)功能圖CFC”。

功能塊內(nèi)部的程序設(shè)計如圖6所示。

其中，START是自定義全局變量類型的內(nèi)部開關(guān)量點，TOTAL是自定義WORD類型的全局變量，ADD和SEL分別是加法模塊和選擇模塊。圖6程序?qū)崿F(xiàn)的功能是：程序每掃描一次，ADD模塊的數(shù)值加1。當(dāng)START ＝1，ADD模塊的ENO＝1，SEL模塊輸出給TOTAL變量的是第2個輸入值，即程序的掃描次數(shù)。當(dāng)START＝0，ADD模塊的ENO＝0，SEL模塊輸出給TOTAL變量的是第1個輸入值，即TOTAL＝0。

完成功能塊的內(nèi)部程序設(shè)計后，便可在“程序PRG”中對其進行調(diào)用，計時模塊調(diào)用如圖7所示。

圖6 功能塊內(nèi)部程序設(shè)計

圖7 計時模塊的調(diào)用

圖7中，ST為自定義的內(nèi)部開關(guān)量點，用于累計的啟停。根據(jù)圖7所設(shè)計的程序，當(dāng)ST＝1時，模塊進行程序掃描次數(shù)的累計，COUNT即為所累計的程序掃描次數(shù)，將COUNT和程序運行周期相乘，便得到程序總運行時間；當(dāng)ST ＝0時，累計值清0，即COUNT＝0。

4 泵的順控程序設(shè)計方法

泵在化工實驗裝置中必不可少，泵的啟停、聯(lián)鎖往往有一系列的要求［9－10］，如果用邏輯模塊進行組合設(shè)計，程序繁鎖復(fù)雜，容易出錯且不利于調(diào)試。對于此類程序，可以用MACS系統(tǒng)提供的順控模塊來設(shè)計，使程序簡潔高效。泵的順控程序如圖8所示，其中HSSCS5為順控模塊。

圖8 泵的順控程序

MACS系統(tǒng)提供的編程手冊對順控模塊中各管腳的功能做了簡單說明，結(jié)合實驗裝置的具體應(yīng)用，設(shè)計時需要注意以下幾個方面：

1）L0管腳接收來自泵本身的故障信號，若泵出現(xiàn)故障，模塊將輸出信號使泵停止。

2）L2和L3管腳信號比L4和L5管腳信號的保護級別更高，主要針對廠區(qū)可能存在的一些不安全因素。

3）L4和L5管腳接收泵自動開／關(guān)所要滿足的一系列條件的邏輯組合信號。以L5為例，它通常用在設(shè)備需要正常關(guān)機的條件下。對于一些大型設(shè)備而言，在停機前必須要滿足一定的條件；如果突然關(guān)機，可能會引起設(shè)備故障乃至事故發(fā)生，因而需L5＝1時才能停機。同理L4信號指的是所有的開機條件達到后才能啟動設(shè)備，即L4＝1時才能開機。

4）L6和L7管腳一般用在聯(lián)鎖保護方面，L6在設(shè)備已停機的情況下起作用，比如系統(tǒng)檢測到壓力過低，需要泵啟動增壓即令L6＝1，則DV＝1；同理L7在設(shè)備運行的情況下起作用，比如系統(tǒng)檢測到壓力過高，需要停泵即令L7＝1時，則RV＝1。

5）L8管腳接收模塊初始化脈沖信號，即當(dāng)L8＝1時，順控模塊開始運行，會自動檢測各個輸入管腳的條件是否滿足。

6）SD管腳接收遠程和就地的選擇信號。SD＝0表示遠程，即由DCS控制；SD＝1表示就地，由現(xiàn)場機泵柜來控制。

7）V1和V2管腳用于接收設(shè)備運行和停止的信號。只要將輸入到V1管腳的信號取反接入V2管腳即可。泵啟動后，經(jīng)過短暫延時，若V1，V2的狀態(tài)反饋到位，模塊就認(rèn)為泵運行正常，否則模塊將認(rèn)為泵出現(xiàn)故障而輸出停止信號。

需要注意的是，圖8中L6和L7的輸入信號采用了延時2s再接通的設(shè)計方法，這里主要考慮到泵在實際運行中，可能會因為打雷或強電壓等因素的干擾使得作為聯(lián)鎖條件的油壓出現(xiàn)突然的波動，而該波動通常持續(xù)1～2s后又會恢復(fù)正常。該情況下沒有必要啟動對泵的聯(lián)鎖，因而加上2～3s延時對這些干擾進行屏蔽。程序中，變量JIESUO表示軟件解鎖按鈕，用于摘除或啟用泵的聯(lián)鎖。

5 結(jié)束語

在化工實驗裝置中，上述4個DCS控制程序具有較強的典型性，MACS系統(tǒng)為設(shè)計人員提供了功能強大的平臺實現(xiàn)程序的設(shè)計。這些程序經(jīng)過上海石油化工研究院實驗裝置的驗證，運行穩(wěn)定可靠，完全達到控制要求，且易于調(diào)試和維護。在其他型號DCS的設(shè)計中，也可以參考這4個程序的設(shè)計思路和方法，達到舉一反三，觸類旁通的效果。

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