趙志剛

（橫新軟件工程（無(wú)錫）有限公司）

DCS新型配方批量控制應(yīng)用的研究與實(shí)現(xiàn)

趙志剛

（橫新軟件工程（無(wú)錫）有限公司）

根據(jù)某造紙廠熱敏涂料間歇式生產(chǎn)工藝控制需求，在現(xiàn)有橫河分布式控制系統(tǒng)CENTUM VP配方管理和批量控制功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行新型配方架構(gòu)應(yīng)用的優(yōu)化研究、設(shè)計(jì)和組態(tài)，以達(dá)到生產(chǎn)上柔性操作和監(jiān)控的目的。

優(yōu)化；間歇式批量生產(chǎn)工藝；DCS

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)分布式控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）在操作靈活性、柔韌性、安全性、信息存儲(chǔ)記錄等方面有了較高的需求[1]。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝要求，除基本控制功能外，工程技術(shù)人員也肩負(fù)著如何有效利用和充分發(fā)揮DCS功能的任務(wù)。

1 生產(chǎn)工藝控制要求

熱敏涂料生產(chǎn)采用間歇式批量生產(chǎn)工藝，由于工藝較復(fù)雜，操作步驟多且繁雜，若自動(dòng)化程度低，工藝人員的勞動(dòng)強(qiáng)度將會(huì)較大[2]，為此，除基本的操作和監(jiān)控功能外，用戶在配方的組建和操作上提出如下附加控制要求：

1)DCS操作層面可以自行增加原料和生產(chǎn)配方，即根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要組合設(shè)備單元操作并設(shè)定（程序操作）參數(shù)；同時(shí)可保存生產(chǎn)新增配方；

2)生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)部門可按實(shí)際需要進(jìn)行配方步驟的修改和調(diào)整；

3)配方列表與歷史記錄區(qū)放在不同的存儲(chǔ)區(qū)域，配方列表存儲(chǔ)的配方可拷貝復(fù)用；

4)配方列表與歷史配方需以目錄形式列出，當(dāng)操作人員選擇需要的配方目錄時(shí)，只要雙擊即可打開(kāi)此配方頁(yè)面，且配方列表中打開(kāi)的配方頁(yè)面可修改再用，而歷史配方目錄中打開(kāi)的為歷史配方，只供查閱，不可修改；

5)配方列表和歷史記錄儲(chǔ)存容量需足夠大；

6)創(chuàng)建配方時(shí)可以手動(dòng)選擇，或自動(dòng)添加，增加從配方列表拷貝功能。

2 系統(tǒng)配置

2.1 系統(tǒng)硬件要求及配置

通過(guò)對(duì)熱敏涂料生產(chǎn)工藝及其操作數(shù)據(jù)量的分析，可采用通用架裝式機(jī)柜AFV30D現(xiàn)場(chǎng)控制站，數(shù)據(jù)庫(kù)選用擴(kuò)展類型，采用雙冗余CPU、雙冗余總線通訊卡；控制總線為橫河Vnet/IP協(xié)議，監(jiān)視層采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊。

系統(tǒng)配置簡(jiǎn)圖如圖1所示，常規(guī)配置包括工程師站（ENG）、人機(jī)接口站（HIS）、批量控制服務(wù)器和配方管理PC。若考慮成本可省去配方管理PC和批量控制服務(wù)器，通過(guò)軟件可將其功能集成到工程師站來(lái)管理和運(yùn)行主配方。但從數(shù)據(jù)安全、功能分開(kāi)、操作和管理方便角度，單獨(dú)配置還是必要的，視生產(chǎn)規(guī)模而定。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用軟件要求

在以微處理器為基元的控制系統(tǒng)中，其控制功能可通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。按照要求熱敏涂料生產(chǎn)控制系統(tǒng)應(yīng)配備如下軟件包（CENTUMVP）：基本監(jiān)控和操作、基本組態(tài)軟件（包括人機(jī)界面）、現(xiàn)場(chǎng)控制站基本功能、批量組態(tài)、配方管理、批量過(guò)程管理、長(zhǎng)周期趨勢(shì)儲(chǔ)存、報(bào)表、EXAOPC、功能測(cè)試軟件包等，操作系統(tǒng)采用Windows7。

亞菲懷孕42周時(shí)寶寶還沒(méi)有動(dòng)靜，也不去醫(yī)院，因?yàn)樗图胰硕加X(jué)得“瓜熟蒂落”最自然，寶寶在肚子里養(yǎng)得久，生出來(lái)就會(huì)越皮實(shí)、越好養(yǎng)。蘇珊37周產(chǎn)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)羊水少、寶寶不太好，產(chǎn)科醫(yī)生建議馬上住院引產(chǎn)。但是，她和家人都覺(jué)得寶寶離40周預(yù)產(chǎn)期還有20多天，這么早生出來(lái)怕養(yǎng)不活，堅(jiān)決要求把寶寶放在肚子里再養(yǎng)兩周。后來(lái)她們分娩時(shí)都發(fā)現(xiàn)羊水嚴(yán)重胎糞污染，寶寶出現(xiàn)新生兒窒息、胎糞吸入綜合征，被送進(jìn)了NICU（新生兒重癥監(jiān)護(hù)病房），經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)重不說(shuō)，寶寶還留下了肺炎后遺癥。

3 方案設(shè)計(jì)與分析

配方管理主要完成主配方的建立、編輯、存儲(chǔ)和

配方啟動(dòng)、下裝模式，設(shè)備及配方通用數(shù)據(jù)參數(shù)的設(shè)定以及在線配方修改等。針對(duì)以上新型配方控制要求，原有常規(guī)的組態(tài)方法已無(wú)法滿足，本文提出如下解決方案：

1)包括參數(shù)在內(nèi)的配方可根據(jù)生產(chǎn)需要自行增減和修改，前提是DCS控制設(shè)備和儀表不變，即生產(chǎn)單元操作程序是固定的，如加熱、冷卻、壓力控制、攪拌、延時(shí)、混合液制備、清洗、卸料等，項(xiàng)目執(zhí)行階段可由DCS供應(yīng)商配置，并編排序列號(hào)（設(shè)為k）；

圖1 系統(tǒng)配置簡(jiǎn)圖

2)需要確認(rèn)涂料產(chǎn)品主配方操作流程和最大可能操作步數(shù)（設(shè)為i），根據(jù)產(chǎn)品特性和設(shè)備屬性決定使用駐留式還是非駐留式單元儀表；

3)使用單獨(dú)SFC模塊組態(tài)和編譯具體的通用操作程序，SFC模塊的數(shù)量為操作程序的最大編號(hào)數(shù)k，而附屬于單元儀表的OPSFC模塊用以讀取和調(diào)用當(dāng)前畫面所選擇的目標(biāo)SFC模塊及其所設(shè)定的過(guò)程參數(shù)來(lái)執(zhí)行當(dāng)前操作，OPSFC的模塊數(shù)目為最大的可能步數(shù)i；

4)一個(gè)產(chǎn)品至少配置一張批量生產(chǎn)操作畫面，生產(chǎn)操作人員可通過(guò)預(yù)先組態(tài)的畫面在此選擇、組合、定義、備份和啟動(dòng)配方，并配置必要的暫停、重啟操作按鈕；

5)除工藝流程畫面和批量操作畫面外，還需配備罐區(qū)列表、數(shù)據(jù)配方存儲(chǔ)列表、產(chǎn)品及其屬性參數(shù)、控制分組和趨勢(shì)分組畫面；

6)關(guān)于歷史記錄的保存，由于內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)緩存區(qū)容量的限制，可將歷史記錄以數(shù)據(jù)報(bào)表（電子表格EXCEL）的形式存儲(chǔ)，即在該批次生產(chǎn)結(jié)束時(shí)自動(dòng)打印數(shù)據(jù)報(bào)表的產(chǎn)品名稱、批號(hào)、生產(chǎn)日期、對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)項(xiàng)的設(shè)定、過(guò)程數(shù)據(jù)等，實(shí)際生產(chǎn)中只需考慮存儲(chǔ)報(bào)表的PC硬盤大小，定期備份即可。配方列表的存儲(chǔ)需考慮控制站數(shù)據(jù)緩存區(qū)最大限量，例如一個(gè)擴(kuò)展類型控制站最大單元儀表數(shù)量為60個(gè)（按需要也可自定義調(diào)配）。

通過(guò)以上分析，組態(tài)及操作簡(jiǎn)易流程如圖2所示。結(jié)合控制要求，單元儀表后臺(tái)SFC循環(huán)運(yùn)行監(jiān)控流程如圖3所示，若外部手動(dòng)終止該模塊將停止工作。

圖2 組態(tài)及操作簡(jiǎn)易流程圖

圖3 單元儀表后臺(tái)運(yùn)行監(jiān)控流程圖

4 組態(tài)和系統(tǒng)測(cè)試

4.1 組態(tài)流程

組態(tài)流程測(cè)試步驟：

1)用戶需提供產(chǎn)品配方流程圖，視產(chǎn)品屬性按照非駐留式單元儀表或駐留式單元儀表組態(tài)配方操作流程框架；批量過(guò)程管理軟件，用于定義通用數(shù)據(jù)塊及主配方數(shù)據(jù)，并定義與主配方相聯(lián)系的設(shè)備和參數(shù)，此外可對(duì)應(yīng)產(chǎn)品配方組配置指定批量控制服務(wù)器和客戶端操作站；

2)用戶需提供具體操作邏輯流程圖，使用單獨(dú)SFC組態(tài)該操作，由該單元儀表管理的OPSFC讀取并調(diào)用；

3)組態(tài)以上單元儀表后臺(tái)監(jiān)控程序，實(shí)現(xiàn)配方的啟動(dòng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和配方的組合或重復(fù)調(diào)用；

4)使用流程圖組態(tài)軟件包組態(tài)必要的工藝流程畫面，結(jié)合后臺(tái)監(jiān)控程序組態(tài)以上所要求的操作畫面；

5)按照用戶提出的數(shù)據(jù)要求和格式，組態(tài)批量生產(chǎn)報(bào)表作為配方歷史記錄。

4.2 測(cè)試

通過(guò)批量控制主界面，除了與流程畫面、配方列表、產(chǎn)品列表、罐區(qū)列表畫面的切換，生產(chǎn)技術(shù)人員

主要完成配方和參數(shù)的選擇設(shè)定、配方數(shù)據(jù)下裝、配方啟動(dòng)、暫停重啟、配方的存儲(chǔ)以及生產(chǎn)后的清屏等操作，并實(shí)時(shí)監(jiān)控配方運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)和信息確認(rèn)等內(nèi)容。從操作安全角度，可通過(guò)用戶權(quán)限劃定操作和監(jiān)控范圍；并且為每個(gè)操作配備故障中斷和后臺(tái)設(shè)備監(jiān)控程序，一旦發(fā)生設(shè)備故障或過(guò)程異常情況，及時(shí)暫停或中斷正在運(yùn)行的主程序，并報(bào)警故障信息以待處理。批量控制主界面如圖4所示。

圖4 批量控制主界面

4.3 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)與用戶逐一仿真測(cè)試，確認(rèn)以上設(shè)計(jì)方案和組態(tài)可滿足其所提控制要求。在當(dāng)下新型的控制站、操作站、批量控制服務(wù)器和Vnet/IP的配置下，只需考慮產(chǎn)品的數(shù)量、系統(tǒng)的容量和控制站CPU負(fù)載，在邏輯或復(fù)雜程度方面，DCS完全可以實(shí)現(xiàn)以上新型配方的批量控制。

5 結(jié)語(yǔ)

在工業(yè)自動(dòng)化水平日益提高的今天，人們逐漸認(rèn)識(shí)到應(yīng)用軟件在批量生產(chǎn)過(guò)程和管理中的重要性，在現(xiàn)有生產(chǎn)線設(shè)備的基礎(chǔ)上，應(yīng)用軟件的優(yōu)化與開(kāi)發(fā)可提高產(chǎn)品質(zhì)量，協(xié)調(diào)全廠生產(chǎn)及安全，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多樣化和系列化。面對(duì)靈活多變的市場(chǎng)需求，在化工特別是精細(xì)化工、醫(yī)藥以及食品飲料行業(yè)中，對(duì)于一個(gè)批量生產(chǎn)過(guò)程的工廠，對(duì)其控制進(jìn)行研究后建立較柔性的生產(chǎn)操作，在節(jié)省資源、節(jié)約成本上更具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。

[1]宋建成.間歇過(guò)程計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1999:206.

[2]鄒志云,劉興紅,于魯平,等.精細(xì)化工過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2012,29(1):56-60.

[3]高峰.HOLLiASMACS系統(tǒng)在精細(xì)化工間歇式批量生產(chǎn)項(xiàng)目中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽,2009,26(11):65-70.Research and Realization ofBatch Control Application of a New DCS Recipe Model

Zhao Zhigang
(Yokogawa Software Engineering (Wuxi) Co., Ltd.)

In accordance with process control requirement of temperature-sensitive paint production in a papermaking plant, based on existed recipe and batch control function of Yokogawa DCS using CENTUM VP, perform optimizing application research, design and configuration have been done for new model of recipe frame building so as to accomplish flexible operation and monitoring in the process of production.

Optimizing; Batch Production Process; DCS

趙志剛，男，1972年生，碩士學(xué)位，高級(jí)工程師，主要研究方向：國(guó)內(nèi)外制藥行業(yè)、食品、精細(xì)化工和石油化工領(lǐng)域DCS間歇式批量生產(chǎn)控制工程軟件的設(shè)計(jì)、組態(tài)、測(cè)試等相關(guān)工作。E-mail: zhig_zhao@126.com