順控程序的設計思路

李思煒

摘 要：順控程序一般由PLC或DCS系統實現，具體的程序編寫和組態工作由系統提供商負責完成，作為設計單位的工作主要是如何把控制要求準確、完整和清晰地表達出來，從而可盡量避免在后期開工調試和生產試運行時再進行反復修改。本文以某化工裝置的反沖控制為例，介紹了順控程序的設計思路、設計過程以及需要注意的地方。

關鍵詞：順序控制；反沖控制；控制按鈕；順控流程圖

自動控制系統一般分為連續量控制系統和斷續量控制系統，其中前者以反饋控制系統為主，反饋控制除了簡單的單回路控制，常見的還有串級控制、比值控制、分程控制等等，后者主要以順序控制為主，順序控制一般分為兩類，一類是直接按預先輸入的指令。按操作順序產生操作信號對生產過程進行操作；另一類則是需要檢測某些生產過程信號，根據這些生產過程信號的情況和預先輸入的指令，順序控制裝置順序產生操作信號對生產過程進行操作。

在石油化工行業中，自控設計人員接觸最多的一般是反饋控制系統，順序控制系統多數情況下隨工藝設備或機械設備由廠家成套集成，在整個裝置或整個工程的設計中，自控設計人員一般只是協助業主確認儀表選型，與設備廠家確定分工界面和接口，負責外圍的配套設計，但有時候業主從節省投資的角度考慮，希望由設計單位來完成此部分的設計內容。筆者以某化工裝置的反應液膜分離系統為例，闡述了在該系統中反沖控制程序的設計思路和方法。

1 項目概況

某新建化工裝置的生產過程控制采用分散型控制系統（簡稱DCS），該裝置的反應液膜分離系統的反沖控制部分也由DCS系統執行，現場的執行元件為氣動控制閥門。下圖是反應液膜分離系統的基本流程（實際流程是6個反應膜），和反沖控制相關的現場儀表只有反沖閥和進料閥，其中反沖閥的工藝參數為：操作溫度70℃，操作壓力1.2MPa.G，工藝介質是反應清液，工藝管線直徑和材質分別是DN50和06Cr19Ni10，出料閥的工藝參數除操作壓力為0.6MPa.G外，其它參數和反沖閥一樣。控制閥門的選型相對比較簡單，筆者選用了氣動全通徑直通球閥（兩位開關型），由于閥門關斷時間要求不大于1秒，對閥內件硬度要求較高，因此閥芯和閥座材質要求堆焊司太萊合金。

根據業主提供的反沖控制方案，設計人員的主要工作就是將這份控制方案進行細化，形成一份詳細的反沖控制程序說明書，DCS系統的組態工程師根據這份設計文件完成編程和組態工作.。

2 反沖控制程序的設計思路

2.1 工藝過程需求說明

首先應該把用戶的需求表達出來，以便讓有關人員了解這個程序的用途和需要實現的基本功能，在本文的例子里，就是用戶的工藝過程需求。

對工藝過程需求的說明：①反沖對象：反應膜L-101A1、L-101A2、L-101B1、L-101B2、L-101C1、L-101C2，共6個膜。②反沖執行元件：每個膜設有1個反沖閥和1個出料閥。③反沖目的：防止膜管堵塞。④反應膜的運行情況可能有：膜A1/A2、膜B1/B2、膜C1/C2三組單獨運行或其中任意兩組組合輪流運行。根據投運膜的情況啟動不同的反沖程序，1個膜的反沖基本步驟為：關閉出料閥，延時X秒（時間可調），開反沖閥，延時X秒（時間可調）；反沖閥和出料閥同時復位，即反沖閥關，出料閥開，單個膜完成反沖，間隔X分鐘后（時間可調），該膜再次反沖。

2.2 操作界面的總體要求

詳細的操作界面一般是在項目實施階段由DCS系統廠商和業主共同制定，但對于一些設計人員認為關鍵和必要的地方，可在設計文件中增加此部分的說明。對操作界面的總體要求：①能指示順序控制的步驟，并能查看每一步動作完成的情況。②建立閥門狀態列表，能顯示每個閥門的開關狀態，手動/自動狀態等。③具有“自動”和“手動”兩種工作模式，其中“手動模式”中，可以在操作站的閥門狀態列表內對閥門進行開關動作，工作模式的切換，只允許具有特定操作權限人員進行切換。

2.3 控制按鈕說明

業主提供的反沖控制方案，缺少對人工控制部分的說明，經過設計人員與業主的反復溝通，逐項討論每個具體的操作步驟，明確了業主對人工干預和人工操作的要求。

由于反沖控制程序需要設置較多的控制按鈕，因此需要對控制按鈕的數量、類型、功能、儀表位號、各個階段的狀態等方面做詳細的定義，必要時可舉例說明具體的操作過程。對控制按鈕的定義：

2.3.1 控制按鈕分以下幾種類型

啟動按鈕（瞬時型）：反沖程序執行。

停止按鈕（瞬時型）：停止反沖程序，并將閥門復位到初始狀態（出料閥開，反沖閥關）。

手動開閥/關閥按鈕（交替型，調試用）：可以手動打開或關閉反沖閥和出料閥，進行手動反沖。

手動/自動切換按鈕（交替型）：當切換到手動狀態時，啟動按鈕不可用；當切換到自動狀態時，閥門復位到初始狀態，手動開閥/關閥按鈕不可用。

2.3.2 反沖控制程序啟動按鈕有6個

①L-101A1/A2單獨運行（XAS-101A）。

②L-101A1/A2 和L-101B1/B2輪流運行（XAS-101AB）。

③（其余4個按鈕編制方法相同，在此省略）。

2.3.3 反沖控制程序停止按鈕為6個，對應各自的啟動按鈕

①L-101A1/A2停止單獨運行（XSS-101A）。

②L-101A1/A2 和L-101B1/B2停止輪流運行（XSS-101AB）。

③其余4個按鈕編制方法相同，在此省略）。

2.3.4 手動開閥/關閥按鈕為12個

①L-101A1反沖液進口管開關閥XV-101A手動遙控（HS-101A）。

②L-101A1反應清液出口管開關閥XV-101B手動遙控（HS-101B）。

③L-101A2反沖液進口管開關閥XV-101C手動遙控（HS-101C）。

④L-101A2反應清液出口管開關閥XV-101D手動遙控（HS-101D）。

⑤L-101B1反沖液進口管開關閥XV-102A手動遙控（HS-102A）。

⑥L-101B1反應清液出口管開關閥XV-102B手動遙控（HS-102B）。

⑦（其余6個按鈕編制方法相同，在此省略）。

2.3.5 手動/自動切換按鈕為3個

①L-101A1/A2反沖控制手動/自動切換（HAK-101A）。

②L-101B1/B2反沖控制手動/自動切換（HAK-101B）。

③L-101C1/C2反沖控制手動/自動切換（HAK-101C）。

2.3.6 控制按鈕的各種狀態

初始狀態：手動/自動切換按鈕位于自動狀態并且可用，啟動按鈕可用，手動開/關閥按鈕不可用，停止按鈕在任何狀態下都可用而不管按下該停止按鈕的動作是否有意義（但應有提示）。

自動運行狀態：當按下某一啟動按鈕后，所有的啟動按鈕不可用，對應的手動/自動切換按鈕不可用。只有停止該反沖程序后，所有的啟動按鈕和對應的手動/自動切換按鈕才恢復可用。例如，按下反應膜L-101A1/A2 和L-101B1/B2輪流運行啟動按鈕XAS-101AB后，所有的啟動按鈕不可用（包括XAS-101AB），對應的手動/自動切換按鈕HAK-101A和HAK-101B不可用，只有按下反應膜L-101A1/A2 和L-101B1/B2停止輪流運行按鈕XSS-101AB后，所有的啟動按鈕和對應的手動/自動切換按鈕才恢復可用。

手動操作狀態：首先要將手動/自動切換按鈕切換到手動狀態，這時候相關的啟動按鈕不可用，相關的手動開閥/關閥按鈕可用。例如：按下反應膜L-101A1/A2反沖控制手動/自動切換按鈕HAK-101A，啟動按鈕XAS-101A、XAS-101AB、XAS-101AC不可用，手動開閥/關閥按鈕HS-101A/B/C/D可用，繼續按下反應膜L-101B1/B2反沖控制手動/自動切換按鈕HAK-101B，啟動按鈕XAS-101B、XAS-101BC也不可用，手動開閥/關閥按鈕HS-102A/B/C/D可用。需要恢復自動狀態的時候，如果先將HAK-101A復位到自動狀態，則啟動按鈕XAS-101A、XAS-101AC恢復可用，XAS-101AB由于前面按下了HAK-101B，所以仍然不可用。

可用和不可用狀態：按鈕有可用狀態和不可用狀態，應通過不同的顯示來區分（例如不同的顏色或其它方式）。啟動按鈕的不可用狀態分三種，第一種是由于自動運行導致的不可用，第二種是由于手動操作導致的不可用，第三種是由于自動運行和手動操作同時導致的不可用，這三種狀態應能通過不同的顯示來區分（例如不同的圖標、文字說明或其它方式）。

先自動運行后手動操作狀態：舉例說明，按下反應膜L-101A1/A2 和L-101B1/B2輪流運行啟動按鈕XAS-101AB后，所有啟動按鈕不可用，對應的手動/自動切換按鈕HAK-101A和HAK-101B不可用，如果接著按下手動/自動切換按鈕HAK-101C，手動開閥/關閥按鈕HS-103A/B/C/D可用，當需要恢復啟動按鈕可用時，如果先按下的是反應膜L-101A1/A2 和L-101B1/B2停止輪流運行按鈕XSS-101AB，則啟動按鈕XAS-101A、XAS-101B和XAS-101AB恢復可用，XAS-101C、XAS-101AC和XAS-101BC由于前面按下了HAK-101C，所以仍然不可用。

先手動操作后自動運行狀態不再做舉例說明。

2.4 順序控制過程的表達

邏輯功能圖、順控流程圖、順序控制系統時序圖是用符號表達出被控對象的動作順序、邏輯關系以及利用各種功能實現控制要求的順序圖。這是一種原理性圖，其特點是順序關系表達清晰明了，對編程、調試、檢查、排錯具有指導作用。對于順序控制來說，邏輯功能圖、順控流程圖、順序控制系統時序圖是邏輯功能設計階段表達邏輯關系的必要表達手段。

根據反沖控制程序的自身特點，筆者選擇了順控流程圖做為表達手段， 以L-101A1/A2單獨運行為例，見圖2。

2.5 反沖控制的故障監控

在反沖控制程序里，每個膜的出料閥關閉后，反沖閥才能打開，反之也是如此，設計人員經過和業主溝通后，認為即使兩個閥短時間同時打開，也不會對生產過程造成危險，因此在順控流程圖里并沒有加入這個判斷條件，只設置了報警功能，報警條件是當進料閥和反沖閥的閥位回迅同時都沒有顯示關到位時，DCS系統操作站上發出報警信號，提醒操作人員及時處理。

反沖過程中，反沖罐液位如果長時間沒有變化，就表示反沖程序可能出現了故障，因此操作人員通過定時觀察反沖罐液位的趨勢圖，也能及時發現是否有反沖故障。

3 結束語

DCS系統的工程師根據反沖控制程序說明書，比較順利地完成了整個控制程序的編程和組態工作，基本達到了設計文件預期的效果。

對于順序控制方案，順序控制部分在工藝包或業主方工藝人員提供的控制方案文檔中會描述得比較清楚，但對于人工控制部分往往沒有涉及或不夠具體，甚至業主也并不清楚自己需要怎樣的操作方式，這時候就需要設計人員先和業主進行初步的交流和溝通，在消化理解了整個控制流程和控制要求后，寫出詳細的控制說明書，說明書中應有具體的操作方式和操作步驟，對于一些較難理解的地方，還可舉出實際的操作例子進行說明，在此控制說明書的基礎上，設計人員和業主再做進一步的討論并最終確定整個控制方案和流程。筆者將上述的設計過程和思路寫出來，供讀者在遇到類似的項目時做參考。

參考文獻：

[1]孫洪程，翁唯勤.過程控制工程設計[M].北京：化學工業出版社，2001.

[2]隋欣.淺談聚丙烯裝置中PDS控制系統的設計[J].石油化工自動化，2016，52（01）：23-24.