三種國外集散控制系統(tǒng)（DCS）功能塊掃描規(guī)則和執(zhí)行順序的分析和總結(jié)

陳朝權(quán)，吳文虎

（西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，成都 610225）

0 引言

變壓吸附（PSA，Pressure Swing Adsorption）是一種新型氣體吸附分離技術(shù)，廣泛應(yīng)用于石油、石化、冶金、化工等各個(gè)行業(yè)。西南化工研究設(shè)計(jì)院公司是國內(nèi)變壓吸附技術(shù)的開創(chuàng)者和引領(lǐng)者，其變壓吸附裝置的規(guī)模和數(shù)量一直處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。

石油、石化、冶金、化工的大型聯(lián)合裝置一般采用全廠統(tǒng)一的大型DCS進(jìn)行自動(dòng)化控制，變壓吸附裝置作為聯(lián)合裝置的一個(gè)單元，同其它工藝單元共用DCS集散控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

大型變壓吸附裝置控制時(shí)序復(fù)雜，自動(dòng)化控制程度高，在DCS上的編程組態(tài)工作，一般由變壓吸附裝置供應(yīng)商的自控工程師負(fù)責(zé)完成。因此，在工作實(shí)踐中，使用了多種國內(nèi)和國外主流品牌DCS進(jìn)行編程組態(tài)工作，隨編程組態(tài)工作的深入和程序版本的不斷優(yōu)化，現(xiàn)對(duì)以下3種DCS功能塊的掃描規(guī)則和執(zhí)行順序進(jìn)行深入地學(xué)習(xí)了解，梳理總結(jié)，方便指導(dǎo)今后編程組態(tài)工作。

圖1 CS3000 DCS輸入處理規(guī)則[1]Fig.1 CS3000 DCS input processing rules[1]

1 橫河 CENTUM CS3000 DCS

橫河CENTUM CS3000 DCS進(jìn)入中國較早，應(yīng)用很廣泛。通過對(duì)橫河CENTUM CS3000 DCS控制站（FCS）中控制器輸入處理、運(yùn)算處理、輸出處理過程的學(xué)習(xí)了解，發(fā)現(xiàn)其具有很強(qiáng)的代表性。DCS控制器CPU有很多系統(tǒng)工作要處理，本文主要討論其中功能塊的掃描規(guī)則和執(zhí)行順序。功能塊按掃描時(shí)間分為高速處理、中速處理、基本周期處理；按執(zhí)行條件分為觸發(fā)執(zhí)行和周期連續(xù)執(zhí)行。實(shí)際中，高速處理、中速處理很少，重點(diǎn)分析基本掃描周期下周期連續(xù)執(zhí)行情況。

1.1 輸入處理規(guī)則

如圖1所示，控制器有過程控制輸入映像區(qū)，在基本掃描周期進(jìn)行批量更新（沒有高中速度功能塊情況下）。基本周期處理功能塊在開始執(zhí)行時(shí)，首先讀取控制器過程控制輸入映像區(qū)數(shù)據(jù)。

1.2 輸出處理規(guī)則

如圖2所示，控制器有過程控制輸出映像區(qū)，在基本掃描周期功能塊處理結(jié)束后寫過程控制輸出映像區(qū)，在基本掃描周期所有功能塊都處理結(jié)束后，針對(duì)有改變的數(shù)據(jù)，過程控制輸出映像區(qū)批量輸出。

1.3 控制圖/功能塊處理規(guī)則

圖2 CS3000 DCS輸出處理規(guī)則[1]Fig.2 CS3000 DCS output processing rules[1]

圖3 CS3000 DCS功能塊處理規(guī)則[1]Fig.3 CS3000 DCS function block processing rules[1]

如圖3所示，CENTUM CS3000 DCS功能塊是放在控制圖中組織的，控制圖默認(rèn)樹形結(jié)構(gòu)，編號(hào)從DR0001～DR0128，其中包含了高速、中速功能塊的控制圖優(yōu)先處理。如沒有高速、中速功能塊，按基本掃描周期從上到下順序進(jìn)行控制圖處理，即圖中a、b、c、d 順序處理。控制圖內(nèi)的功能塊按其在控制圖中統(tǒng)計(jì)列表中從上到下排列順序執(zhí)行，即圖中1、2、3、4 順序處理。其中，用高級(jí)語言編程的順序控制功能塊（SFC），可以調(diào)用自定義子程序SEBOL，SFC塊在基本掃描周期空閑時(shí)間執(zhí)行自定義子程序SEBOL。如空閑時(shí)間不足，全部掃描處理自定義子程序SEBOL，沒處理完的子程序SEBOL將忽略，當(dāng)?shù)诙€(gè)基本掃描周期開始時(shí)，再從頭執(zhí)行。

2 福克斯波羅 I/A Series DCS

I/A Series DCS控制站的處理能力因芯片的型號(hào)而異，其基本處理周期（BPC=Basic Process Cycle），一般默認(rèn)是0.5s。基本處理周期是指再次處理同一個(gè)模塊間隔的時(shí)間。本節(jié)同樣主要分析其功能塊的掃描規(guī)則和執(zhí)行順序。

圖4 I/A Series DCS功能塊處理規(guī)則[2]Fig.4 I/A Series DCS function block processing rules[2]

2.1 I/A Series DCS功能塊處理規(guī)則

如圖4所示，系統(tǒng)的功能塊是放在Compound（組合控制塊）中，在組態(tài)軟件中也是樹形結(jié)構(gòu)從上到下排列，在基本掃描周期，從第一個(gè)Compound開始從上往下逐個(gè)執(zhí)行Compound。當(dāng)一個(gè)BPC到了，它就回到第一個(gè)模塊再依次運(yùn)行一遍，而不管上一次是否還有來不及運(yùn)行的模塊Compound。在Compound的功能塊，按列表目錄的順序從上到下執(zhí)行。如CPU負(fù)荷大，存在Compound的功能塊有不執(zhí)行的情況發(fā)生。

2.2 系統(tǒng)Compound（組合控制塊）的處理周期

其處理周期必須小于或等于它所包含的所有模塊中的最小處理周期，以使所有模塊都能得到處理。一般取默認(rèn)值 "1"， 即它所在的控制處理機(jī)的基本處理周期。在Compound中的功能塊按執(zhí)行順序編號(hào)進(jìn)行順序處理，一般默認(rèn)編號(hào)以添加功能塊的先后順序形成。

2.3 PHASE相位號(hào)

指定該組合模塊的運(yùn)行時(shí)間是否要延遲幾個(gè)基本處理周期，如果CPU的基本處理周期是0.5s，Compound的處理周期是1s，可以選擇0或1相位來分散CPU負(fù)荷，但1相位的要延時(shí)1個(gè)基本處理周期，要比基本掃描周期長，才能選擇相位。

2.4 高級(jí)語言IND順序塊

它是一種特殊的功能塊，有執(zhí)行語句長度設(shè)定，超過設(shè)定條數(shù)中斷執(zhí)行，在下一掃描周期繼續(xù)原位置執(zhí)行。在設(shè)定條數(shù)內(nèi)，如果掃描周期到，未執(zhí)行完也中斷執(zhí)行，在下一掃描周期原位置執(zhí)行。

3 艾默生 DeltaV DCS

DeltaV DCS控制站系統(tǒng)組態(tài)時(shí)也有一個(gè)基本掃描周期，默認(rèn)1s。其MODUL（控制策略模塊）有掃描速率參數(shù)設(shè)定，缺省掃描速率為1，每次基本掃描時(shí)執(zhí)行1次，如果是3，每3次基本掃描時(shí)執(zhí)行一次。

圖5 DeltaV DCS功能塊處理規(guī)則[3]Fig.5 DeltaV DCS function block processing rules[3]

3.1 DeltaV DCS功能塊處理規(guī)則

如圖5所示，系統(tǒng)的功能塊是放在MODUL（控制策略模塊）中，MODUL在組態(tài)軟件中也是樹形結(jié)構(gòu)分廠區(qū)從上到下排列，同樣掃描速率的MODUL執(zhí)行先后順序并不是組態(tài)軟件顯示排列從上到下，是已按下裝到控制器中的排列順序執(zhí)行，不能調(diào)整順序。

4 分析、對(duì)比、總結(jié)

1）通過以上DCS的功能塊掃描規(guī)則和執(zhí)行順序分析可以看出，其三者有些相似之處。如橫河的控制圖（DR0001），艾默生的控制策略模塊（MODUL），福克斯波羅的組合功能塊（COMPAND）都可以理解成是基本功能塊的“容器”，功能塊在“容器”中通過連線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，通過不同功能塊實(shí)現(xiàn)算法邏輯處理，功能塊在“容器”中的執(zhí)行順序可按默認(rèn)順序執(zhí)行，也可以編輯執(zhí)行順序。“容器”可以在基本掃描周期執(zhí)行，也可以比基本掃描周期慢。常規(guī)功能塊模板搭建儀表回路、調(diào)節(jié)閥、控制閥、馬達(dá)等，默認(rèn)都是基本掃描周期定期連續(xù)執(zhí)行的。

2）掃描規(guī)則和執(zhí)行順序分析，他們的不同之處也很多。“容器”的執(zhí)行順序就不同，橫河控制圖（DR0001～0128）和福克斯波羅的組合功能塊（COMPAND）從上到下執(zhí)行，福克斯波羅的組合功能塊（COMPAND）還能直接調(diào)整上下順序，而橫河控制圖(DR0001～0128)順序不能變，只能調(diào)整控制圖中所包含的內(nèi)容。艾默生的控制策略模塊（MODUL）執(zhí)行順序資料不明確，可通過改變掃描系數(shù)，改變模塊（MODUL）執(zhí)行的優(yōu)先級(jí)，并且其控制策略模塊（MODUL）中的功能塊（BLOCK）執(zhí)行順序可調(diào)整。

3）三種DCS高級(jí)語言編程部分。橫河的順控功能塊（SFC），福克斯波羅的獨(dú)立運(yùn)行塊（IND）都是由手動(dòng)或自動(dòng)觸發(fā)運(yùn)行，優(yōu)先級(jí)比周期定期執(zhí)行功能塊低。在一個(gè)基本掃描周期執(zhí)行不完的情況下，橫河的順控功能塊（SFC）中包含的子程序SEBOL被忽略不執(zhí)行；福克斯波羅的獨(dú)立運(yùn)行塊（IND），一個(gè)基本掃描周期執(zhí)行不完的情況下，被中斷，并在下一個(gè)基本掃描周期中斷位置繼續(xù)執(zhí)行；艾默生的動(dòng)作塊（ACTIVE）也可以執(zhí)行高級(jí)語言編程，但優(yōu)先級(jí)和其它常規(guī)功能塊一樣，定期連續(xù)執(zhí)行，一個(gè)基本掃描周期執(zhí)行完畢，但其大小有限制，不能嵌套調(diào)用子程序。

5 結(jié)束語

通過橫河 CENTUM CS3000 DCS，福克斯波羅 I/A Series DCS，艾默生 DeltaV DCS三種DCS功能塊掃描規(guī)則和執(zhí)行順序的對(duì)比分析，更能深刻地理解這三種主流DCS功能塊掃描規(guī)則和執(zhí)行順序的相似處和不同之處，對(duì)于今后進(jìn)行這三種DCS編程組態(tài)、系統(tǒng)維護(hù)以及分析查找問題上都有重要的幫助作用。

在高級(jí)語言編程的功能塊中，為保證在數(shù)據(jù)讀取一致性和程序運(yùn)算處理正確性上，其基本掃描周期的空閑時(shí)間要足夠，才能保證全部順控功能塊在基本掃描周期都能執(zhí)行。實(shí)際功能塊運(yùn)算處理時(shí)，DCS中建立的全局變量統(tǒng)一更新和傳遞，在程序塊中使用局部臨時(shí)變量時(shí)，運(yùn)算開始就已統(tǒng)一讀入已傳遞的全局變量等數(shù)據(jù)。這樣，不僅減少了高級(jí)語言功能塊的掃描執(zhí)行時(shí)間，也對(duì)在執(zhí)行時(shí)效性要求不高的基本掃描控制時(shí)，不用特別關(guān)注其執(zhí)行順序，系統(tǒng)也能保證其邏輯運(yùn)算的正確性與統(tǒng)一性。