丁為

（中國(guó)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(tái)＋應(yīng)用開發(fā)”的軟件架構(gòu)，平臺(tái)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(kù)、符號(hào)庫(kù)等組件，各版本共用一個(gè)核心平臺(tái)，具有可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、易維護(hù)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。該系統(tǒng)目前在上海石油化工研究院的多套大型實(shí)驗(yàn)裝置中得到了成功應(yīng)用。本文以實(shí)驗(yàn)裝置中典型的4個(gè)控制程序?yàn)槔?，介紹MACS的具體應(yīng)用。

1 壓縮機(jī)控制的程序設(shè)計(jì)方法

在高壓加氫實(shí)驗(yàn)裝置中，需要用壓縮機(jī)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(shí)，壓縮機(jī)啟動(dòng)；壓力達(dá)到上限值時(shí)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(shí)，壓縮機(jī)再次啟動(dòng)，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(jī)控制程序流程示意

對(duì)于此類控制程序設(shè)計(jì)，在 MACS V6.5.0中，通常的思路是使用連續(xù)功能圖語(yǔ)言CFC（continuous function chart）來(lái)編寫［2］。CFC 是一種圖形化的編程語(yǔ)言，沒(méi)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(jì)語(yǔ)言。但在該方案中，由于該語(yǔ)言本身的特性，需要在程序中定義一個(gè)布爾型變量作為判斷壓力上下行過(guò)程的標(biāo)志，即當(dāng)壓力介于上下限值之間時(shí)，如果是增壓過(guò)程，則壓縮機(jī)保持啟動(dòng)狀態(tài)；如果是降壓過(guò)程，則壓縮機(jī)保持停止?fàn)顟B(tài)。該標(biāo)志的判斷過(guò)程會(huì)使得用該語(yǔ)言設(shè)計(jì)的程序結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，給調(diào)試帶來(lái)不便。實(shí)際上，在MACS中，除了連續(xù)功能圖語(yǔ)言外，還有梯形圖語(yǔ)言LD（ladder diagram）和結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言ST（structured text）可以使用［3］。以LD語(yǔ)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(diǎn)、線圈、功能塊和連接線等編程元件組成［4］，通過(guò)水平線和垂直線連接成平面網(wǎng)狀圖。

針對(duì)該方案的控制要求，可以將CFC語(yǔ)言和LD語(yǔ)言結(jié)合使用，便可有效簡(jiǎn)化程序：用CFC語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力上下限值的判斷，用LD語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的啟?？刂啤刹糠殖绦蚍謩e如圖2和圖3所示。

圖2 壓縮機(jī)控制程序1（CFC語(yǔ)言部分）

圖3 壓縮機(jī)控制程序2（LD語(yǔ)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(shí)器模塊。K1，K2為程序自定義的兩個(gè)開關(guān)量?jī)?nèi)部點(diǎn)，分別用于接收壓力p0高于上限值（10）和低于下限值（7）時(shí)TP模塊輸出的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)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(diǎn)，用于控制壓縮機(jī)的啟停。兩部分程序的控制過(guò)程如下：當(dāng)圖2中p0.av＜7時(shí)，K1.DI產(chǎn)生一個(gè)2s脈沖即常開點(diǎn)K1.DV接通2s，此時(shí)圖3中OP＿2.DI輸出為1并自鎖，壓縮機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)圖2中p0.av＞10時(shí)，K2.DI產(chǎn)生一個(gè)2s脈沖，此時(shí)圖3中常閉點(diǎn)K2.DV斷開2s，OP＿2.DI輸出為0，壓縮機(jī)停止；當(dāng)圖2中7＜p0.av＜10時(shí)，K1.DI和K2.DI均不動(dòng)作，即壓縮機(jī)保持原有狀態(tài)不變，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)緩沖罐壓力的區(qū)間控制。由于省去了對(duì)壓力上下行情況的判斷，程序簡(jiǎn)潔易懂。

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

2 聯(lián)鎖復(fù)位的程序設(shè)計(jì)方法

實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)生聯(lián)鎖時(shí)，相關(guān)設(shè)備會(huì)停止運(yùn)行；聯(lián)鎖解除后，必須按下復(fù)位按鈕進(jìn)行確認(rèn)才能重新啟動(dòng)設(shè)備。這樣設(shè)計(jì)是為了保證實(shí)驗(yàn)裝置的安全運(yùn)行［5－6］，否則，一旦聯(lián)鎖條件解除，設(shè)備將自動(dòng)運(yùn)行，極易造成危險(xiǎn)。因此，聯(lián)鎖復(fù)位程序的設(shè)計(jì)頗為關(guān)鍵，對(duì)于該程序，可以利用 MACS軟件中的RS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。RS觸發(fā)器的真值表見(jiàn)表1所列。

表1 RS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器真值

設(shè)計(jì)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?jī)?nèi)部點(diǎn)，RESET ＝1時(shí)，TP模塊產(chǎn)生一個(gè)寬度為2s的脈沖信號(hào)；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(shí)，Q1＝1，壓縮機(jī)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(shí)，壓縮機(jī)保持前一個(gè)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(shí)，Q1＝0，壓縮機(jī)啟動(dòng)，此時(shí)松開復(fù)位按鈕，即RESET ＝0，Q1＝0時(shí)，壓縮機(jī)仍將保持前一個(gè)狀態(tài)，即運(yùn)行狀態(tài)，直到聯(lián)鎖條件再次滿足，即K3＝1時(shí)停止。

圖4 聯(lián)鎖復(fù)位程序1

實(shí)際設(shè)計(jì)中，電氣控制柜面板上還要再安裝一個(gè)復(fù)位按鈕，以便在現(xiàn)場(chǎng)也能實(shí)現(xiàn)復(fù)位，因而需要再定義一個(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn)，對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)復(fù)位按鈕所對(duì)應(yīng)的開關(guān)量輸入點(diǎn)，和軟件界面上的按鈕RESET互為“或”的關(guān)系。兩個(gè)按鈕中任意一個(gè)按下，均可實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)鎖設(shè)備的復(fù)位。

圖5 聯(lián)鎖復(fù)位程序2

3 時(shí)間累計(jì)模塊的設(shè)計(jì)方法

在實(shí)驗(yàn)裝置的順控程序和多段升溫程序設(shè)計(jì)中，需要對(duì)程序運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行累計(jì)［7－8］，可以通過(guò)自定義模塊的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)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(duì)話框中，將模塊名稱命名為“JISHI”，“類型”選“功能塊FB”，“語(yǔ)言”選“連續(xù)功能圖CFC”。

功能塊內(nèi)部的程序設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(gè)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(gè)輸入值，即TOTAL＝0。

完成功能塊的內(nèi)部程序設(shè)計(jì)后，便可在“程序PRG”中對(duì)其進(jìn)行調(diào)用，計(jì)時(shí)模塊調(diào)用如圖7所示。

圖6 功能塊內(nèi)部程序設(shè)計(jì)

圖7 計(jì)時(shí)模塊的調(diào)用

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

4 泵的順控程序設(shè)計(jì)方法

泵在化工實(shí)驗(yàn)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(jìn)行組合設(shè)計(jì)，程序繁鎖復(fù)雜，容易出錯(cuò)且不利于調(diào)試。對(duì)于此類程序，可以用MACS系統(tǒng)提供的順控模塊來(lái)設(shè)計(jì)，使程序簡(jiǎn)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(cè)對(duì)順控模塊中各管腳的功能做了簡(jiǎn)單說(shuō)明，結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置的具體應(yīng)用，設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下幾個(gè)方面：

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

2）L2和L3管腳信號(hào)比L4和L5管腳信號(hào)的保護(hù)級(jí)別更高，主要針對(duì)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(dòng)開／關(guān)所要滿足的一系列條件的邏輯組合信號(hào)。以L5為例，它通常用在設(shè)備需要正常關(guān)機(jī)的條件下。對(duì)于一些大型設(shè)備而言，在停機(jī)前必須要滿足一定的條件；如果突然關(guān)機(jī)，可能會(huì)引起設(shè)備故障乃至事故發(fā)生，因而需L5＝1時(shí)才能停機(jī)。同理L4信號(hào)指的是所有的開機(jī)條件達(dá)到后才能啟動(dòng)設(shè)備，即L4＝1時(shí)才能開機(jī)。

4）L6和L7管腳一般用在聯(lián)鎖保護(hù)方面，L6在設(shè)備已停機(jī)的情況下起作用，比如系統(tǒng)檢測(cè)到壓力過(guò)低，需要泵啟動(dòng)增壓即令L6＝1，則DV＝1；同理L7在設(shè)備運(yùn)行的情況下起作用，比如系統(tǒng)檢測(cè)到壓力過(guò)高，需要停泵即令L7＝1時(shí)，則RV＝1。

5）L8管腳接收模塊初始化脈沖信號(hào)，即當(dāng)L8＝1時(shí)，順控模塊開始運(yùn)行，會(huì)自動(dòng)檢測(cè)各個(gè)輸入管腳的條件是否滿足。

6）SD管腳接收遠(yuǎn)程和就地的選擇信號(hào)。SD＝0表示遠(yuǎn)程，即由DCS控制；SD＝1表示就地，由現(xiàn)場(chǎng)機(jī)泵柜來(lái)控制。

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

需要注意的是，圖8中L6和L7的輸入信號(hào)采用了延時(shí)2s再接通的設(shè)計(jì)方法，這里主要考慮到泵在實(shí)際運(yùn)行中，可能會(huì)因?yàn)榇蚶谆驈?qiáng)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(dòng)，而該波動(dòng)通常持續(xù)1～2s后又會(huì)恢復(fù)正常。該情況下沒(méi)有必要啟動(dòng)對(duì)泵的聯(lián)鎖，因而加上2～3s延時(shí)對(duì)這些干擾進(jìn)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(yǔ)

在化工實(shí)驗(yàn)裝置中，上述4個(gè)DCS控制程序具有較強(qiáng)的典型性，MACS系統(tǒng)為設(shè)計(jì)人員提供了功能強(qiáng)大的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)程序的設(shè)計(jì)。這些程序經(jīng)過(guò)上海石油化工研究院實(shí)驗(yàn)裝置的驗(yàn)證，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，完全達(dá)到控制要求，且易于調(diào)試和維護(hù)。在其他型號(hào)DCS的設(shè)計(jì)中，也可以參考這4個(gè)程序的設(shè)計(jì)思路和方法，達(dá)到舉一反三，觸類旁通的效果。

［1］賴紅軍，魏高升.加氫裂化裝置DCS復(fù)雜控制功能的實(shí)現(xiàn)［J］.石油化工自動(dòng)化，2005，41（02）：45－47.

［2］丁為.酯氣相連續(xù)加氫模試裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2014，41（06）：614－615.

［3］電力行業(yè)熱工自動(dòng)化技術(shù)委員會(huì).和利時(shí) MACSV6系統(tǒng)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2012：105－109.

［4］王錦標(biāo).和利時(shí)PLC技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：60－65.

［5］劉超明.石油化工裝置本質(zhì)安全設(shè)計(jì)［J］.石油化工自動(dòng)化，2010，46（01）：4－5.

［6］王超然.關(guān)于石化裝置安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)的探討［J］.中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2014，56（07）：249－250.

［7］丁為，李煊.MACS V的CFC語(yǔ)言在程序升溫設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2014，172（02）：92－93.

［8］趙學(xué)全，孫洪濤.Hollias MACS V系統(tǒng)在無(wú)水酒精中的應(yīng)用［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2012，39（09）：1200－1202.

［9］武平麗，高國(guó)光.國(guó)產(chǎn)大型DCS MACS V在鹽化工流程控制中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化儀表，2008，25（09）：23－26.

［10］宋燕.利用聯(lián)鎖邏輯實(shí)現(xiàn)互為備用泵自動(dòng)啟動(dòng)的方法［J］.石油化工自動(dòng)化，2013，49（06）：60－61.