基于DCS的設備組合控制方式

莫布林

（韶關市坪石發(fā)電廠有限公司（B廠），廣東 韶關 512229）

0 引言

傳統(tǒng)的DCS（分散控制系統(tǒng)）對設備的信號輸出和數(shù)據(jù)采集，對每個設備的每個信號是單獨進行的，也就是每個信號單獨占用DCS的一個輸入或輸出通道。對于在生產(chǎn)流程中狀態(tài)變化不頻繁的設備，比如火電廠中的汽輪機高壓管道疏水閥，只是在機組啟或停的過程中打開，其它大部分時間處于關閉狀態(tài)，這樣，就沒必要一直采集其狀態(tài)，無需單獨用一個輸入通道來監(jiān)視其開或關的狀態(tài)。目前的設備控制方式[1-2]，對于信號數(shù)量較多的設備或較大的生產(chǎn)流程，需要大量的I/O（輸入/輸出）通道，同時需要大量的電纜來連接其信號。

目前，能夠節(jié)省I/O通道或電纜的方式有采用FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）[3-4]和DCS遠程I/O站。FCS是近二十幾年發(fā)展起來的新技術，相比原來的控制系統(tǒng)能夠節(jié)省大量的I/O通道和電纜，但FCS需要現(xiàn)場設備具有通信功能的智能設備，采用FCS還需對控制系統(tǒng)和現(xiàn)場設備進行升級改造。采用遠程I/O站能夠節(jié)省大量電纜，但因成本的問題，遠程I/O站只適用于信號數(shù)量較大的系統(tǒng)中，存在配置不靈活的問題。

為了改善當前設備控制方式存在的不足，本文研究一種設備組合控制方式，對在同一系統(tǒng)中或位置分布上相近、信號類型和數(shù)量相同的設備進行集中控制，對這些設備的信號進行編碼，用1個或數(shù)個輸入或輸出通道對這些設備的信號進行分時采樣或輸出，讓這些信號共享控制系統(tǒng)的I/O通道，達到節(jié)省通道和電纜的目的。

以在DCS上實現(xiàn)的設備組合控制方式對50臺開關量型電動門的控制為例進行設計，介紹該方式解決面臨問題所采用的功能塊、程序流程及工作模式，并在HOLLiASMACSV6.5.3平臺上開發(fā)出其方便工程組態(tài)調(diào)用的用戶功能塊及操作面板，利用Siemens S7-200PLC平臺對該方式的DCS以外的電路進行影響其工作的關鍵時間參數(shù)的測試，得出合適的程序掃描周期，最后對該方式的應用及效果進行總結(jié)。

1 設備單獨控制方式

現(xiàn)有的DCS對開關量型電動門的控制，一般采集和輸出的信號有開到位、關到位、就地/遠方、故障、開指令、關指令等，這些信號通過DCS的DI（數(shù)字輸入）和DO（數(shù)字輸出）通道與電動門通過計算機屏蔽電纜進行連接，共占用6個通道（DI型4個，DO型2個），其信號連接如圖1所示。

圖1 電動門信號連接

由圖1可以看出，現(xiàn)有的閥門控制方式下，閥門的1個信號占用DCS的1個DI或DO通道，另外，DCS對各閥門的輸入輸出控制是獨立進行的，這種方式稱為設備單獨控制方式。DCS經(jīng)過閥門控制塊組成的控制邏輯和監(jiān)控畫面[5]上的閥門操作塊，實現(xiàn)對電動門的自動及手動控制[6-7]。

對于變化很少或變化緩慢，或?qū)崟r監(jiān)控要求不高的信號，設備單獨控制方式對通道和電纜的利用率都不高。

2 設備組合控制方式

2.1 方式構想

該方式是將多個具有相同信號類型和數(shù)量的設備的信號進行編碼集中控制，讓多個設備共用1個或多個I/O通道，DCS按編碼從小到大的順序，分時對這些設備周而復始地進行信號采樣或控制。

2.2 實現(xiàn)方式

在DCS原有閥門控制塊和閥門操作塊的基礎上，在控制邏輯中增加1個設備組合控制塊，該控制塊用于集中處理1組設備的信號采樣及控制輸出；在監(jiān)控畫面上增加1個設備組合操作塊，用于監(jiān)視這組電動門的工作狀態(tài)和設置其工作方式；在原來的閥門操作塊上增加部分監(jiān)視信息和按鈕，以適應設備組合控制方式的多種工作情況。另外，在DCS以外增加翻譯編碼的譯碼器和用于選擇信號路徑的中間繼電器。

為使得一組閥門中的某個閥門能夠退出運行或被單獨控制，在每個閥門的閥門操作塊上設置退出按鈕和獨占按鈕。為適應設備在不同的運行階段狀態(tài)變化有快有慢的情況，設置1個周期參數(shù)進行設備組合控制塊工作周期的設定。當系統(tǒng)停止運行等原因?qū)е逻@組閥門不需要監(jiān)視或控制輸出時，應當停止設備組合控制塊的工作，為此需設立1個停止按鈕。為了確保該方式具有較高的可靠性，需設置冗余的I/O通道及進行譯碼電路和通道的正確性檢測。在閥門控制指令輸出和信號采集中，應當優(yōu)先輸出指令信號，以獲得高速的控制反應速度。

2.3 工作過程

位于監(jiān)控畫面的設備組合操作塊和閥門操作塊向運行于DPU（分散處理單元）的設備組合控制塊或閥門控制塊傳遞命令或接收狀態(tài)信號，設備組合控制塊也接收來自閥門控制塊的閥門控制指令（開、關、停）的輸出請求，并向閥門控制塊傳遞閥門的狀態(tài)信號。設備組合控制塊通過1組DO點輸出某個或數(shù)個信號的二進制編碼，該編碼通過電纜傳送到位于現(xiàn)場閥門中心的譯碼器，經(jīng)過譯碼后選中某一個繼電器，使其帶電動作，繼電器的輔助觸點接通來自某個閥門的狀態(tài)信號或來自DCS的指令信號，以進行DCS的I/O模塊與閥門信號的傳輸。設備組合控制塊按照設備組合操作塊和閥門操作塊設定的方式工作，對該組內(nèi)的閥門指令輸出請求進行排隊，并按先進先出的方式逐一輸出閥門的指令，對閥門狀態(tài)的采集是按照這些閥門信號的編碼按從低到高的順序進行，采集一遍后按照可設定的周期自動進行下一遍。

3 工程實現(xiàn)

3.1 設備組合控制塊的實現(xiàn)

3.1.1 工作模式

設備組合控制塊在DCS的組態(tài)軟件中編程[8]，并在DPU中運行實現(xiàn)，實現(xiàn)類型按照一次能夠采集或輸出各類型信號的數(shù)量分為信號級、閥門級、信號-閥門級和多倍閥門級。信號級即各閥門的各類型信號（DI和DO）以信號為單位進行輸入和輸出控制；閥門級即閥門內(nèi)的各信號同時采樣或輸出，一次編碼輸出，可以采集和輸出1臺閥門的全部信號；信號-閥門級即一次采集或輸出的信號數(shù)量大于等于1、且小于等于1臺閥門的最大信號數(shù)量，一次采集或輸出的信號數(shù)量介于信號級和閥門級之間；多倍閥門級即一次采集或輸出信號數(shù)是1臺閥門信號總數(shù)的1倍或多倍，即1次控制1臺或數(shù)臺閥門。

3.1.2 DPU工作特點

DPU的工作特點影響到程序的結(jié)構和編程方式。DPU 1個掃描周期的工作流程如圖2所示。在讀輸入階段，DPU讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應單元內(nèi)，在這個周期內(nèi)，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。在邏輯控制程序執(zhí)行階段，DPU按先左后右，自上而下的順序依次地掃描程序。在寫輸出階段，DPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應的外設[9-10]。

圖2 DPU工作流程

設備組合控制塊在采集設備信號時，需先由DO模塊輸出設備的編碼去選中對應的繼電器，信號才能經(jīng)過繼電器傳輸?shù)捷斎肽K。當不采用立即輸入輸出指令時，因為DO輸出在DPU掃描周期的末階段，所以信號的采樣只能在下一周期進行。信號的采樣需延后編碼輸出1個周期，編程時需考慮這一特點。

3.1.3 程序功能塊

根據(jù)閥門控制面臨的問題，得出設備組合控制塊主要程序功能包括：初始化參數(shù)塊（初始化內(nèi)部參數(shù)、設定及優(yōu)化設備參數(shù)）、時間定時塊（產(chǎn)生不同周期的時間定時信號）、內(nèi)部狀態(tài)掃描塊（掃描設備組合操作塊、閥門操作塊、閥門控制塊的指令請求情況）、通道及譯碼電路測試塊（輸出全“1”、全“0”編碼，分別檢測反饋狀態(tài)是否為預期值）、停止處理塊（編碼輸出為“0”）、通道及譯碼出錯處理塊（若測試結(jié)果不是預期值，則切換I/O通道并發(fā)出故障信息，若切換通道后測試仍然不是預期值，則編碼輸出為“0”）、指令存儲輸出塊（將全部的指令入隊列、每個DPU掃描周期出隊1個或數(shù)個指令并輸出）、獨占處理塊（設備組合控制塊找到并單獨控制某閥）、退出處理塊（過濾退出的閥門，采集未退出閥門的狀態(tài)）、完全掃描塊（按從低到高的閥門信號的編號順序來掃描采集全部閥門的信號）。程序流程如圖3所示。

3.1.4 信號級方式

信號級的信號連接方式如圖4所示。圖4中的全“1”譯碼檢測和全“0”譯碼檢測用于檢測通道、編碼傳輸線路和譯碼電路的錯誤，當編碼為全“1”或全“0”時的輸入值均與期望值相符，說明三者均無出錯。

圖3 程序流程

圖4 信號級信號連接

3.1.5 閥門級方式

閥門級的信號連接方式如圖5所示。

3.1.6 應用特點

對比圖4和圖5，可以看出信號級實現(xiàn)方式占用較少的通道和電纜，但所有閥門的狀態(tài)采集和指令輸出完成1遍所需的時間較長；閥門級實現(xiàn)方式占用較多的通道和電纜，但是所需的時間較短。信號-閥門級實現(xiàn)方式介于以上兩者之間。多倍閥門級實現(xiàn)方式用的通道及電纜數(shù)最多，但工作速度最快。因此，采用何種方式應根據(jù)實際應用需求做出選擇。

3.1.7 方式選擇

在設備組合控制塊的4種工作方式中，對于信號-閥門級實現(xiàn)方式：當一次采集或輸出的各類型信號的數(shù)量均為1時，則演化為信號級；當信號的數(shù)量等于1臺閥門的信號數(shù)量時，則演化為閥門級；當信號的數(shù)量等于多臺閥門的信號數(shù)量時，則演化為多倍閥門級。對于多倍閥門級方式：當倍數(shù)等于1時，演化為閥門級；當倍數(shù)等于組內(nèi)閥門總數(shù)時，則控制效果等同于現(xiàn)有的閥門控制方式。屬于哪一種方式，由閥門的輸入信號總數(shù)、輸出信號總數(shù)、用到的輸入/輸出點數(shù)等參數(shù)來決定。用戶通過設定這幾個參數(shù)來選擇其中一種工作方式，設備組合控制塊的程序會自動生成與參數(shù)對應的方式，并由閥門總數(shù)及這幾個參數(shù)自動計算出編碼輸出所需的DO點數(shù)，然后按該方式的程序控制設備。

3.1.8 實現(xiàn)界面

在HOLLiASMACSV6.5.3平臺上利用自定義功能塊和操作面板的定義功能進行程序編程及畫面組態(tài)[11]，實現(xiàn)的設備組合控制塊和單臺設備參數(shù)設置塊如圖6、圖7所示。用戶可以根據(jù)工程邏輯組態(tài)進行調(diào)用。

圖5 閥門級信號連接

圖6 設備組合控制塊

3.2 設備組合操作塊及閥門操作塊的實現(xiàn)

為有效進行閥門的控制，設置了有狀態(tài)監(jiān)視點和參數(shù)設置窗口，有停止和故障復位按鈕。其中，故障復位按鈕用于當出現(xiàn)通道及譯碼電路故障并排除故障后，復位故障信號以便重新進行故障測試。在HOLLiASMACSV6.5.3平臺上實現(xiàn)的操作面板和閥門操作塊如圖8、圖9所示。

圖7 設備信號參數(shù)設置塊

圖8 設備組合操作塊

圖9 改進后的閥門操作塊

4 外部電路測試

4.1 信號采樣時間

采用Siemens S7-200PLC為試驗平臺[12]，由應用廣泛的歐姆龍MY繼電器與PLC連接組成測試電路，測試程序與測試電路分別如圖10、圖11所示。

圖10 信號采樣反應時間測試程序

圖11 信號采樣反應時間測試電路

測試時，VW0的值從1開始并以1為增幅逐漸增加，每個VW0數(shù)值測試20次，每次觀察Q0.1指示燈情況，測試記錄如表1所示。

表1 信號采樣反應時間測試結(jié)果

測試中，PLC的掃描周期顯示是1 ms，因為PLC的輸入和輸出延時時間相比少得多，在此忽略不計，則由表1數(shù)據(jù)得到信號采樣外部電路的反應時間為（15±1）ms，確保能夠正常采樣的值是大于等于16 ms。

4.2 繼電器復位時間

由圖12程序的試驗結(jié)果得到MY繼電器的復位時間為大于等于14 ms。

圖12 復位時間測試程序

4.3 指令響應時間

由歐姆龍MY繼電器組成的自鎖電路（Q0.0輸出用一個MY繼電器隔離）和圖13的測試程序，得出可靠動作最少時間是19 ms。

圖13 外部電路指令響應測試程序

由信號采樣時間的測試結(jié)果（包含繼電器動作和信號輸入2個過程的時間）間接得出歐姆龍MY繼電器動作時間低于16 ms。由于信號采樣時間、繼電器的動作和復位時間以及外部電路的指令響應時間中最大為19 ms，且譯碼器的傳輸延遲時間為納秒級，可以忽略不計，所以，組成設備組合控制塊的外部電路能夠正常工作于50 ms及以上的程序掃描周期。

5 效果分析

5.1 反應時間

一般的DPU的掃描周期是十幾毫秒到幾十毫秒，假設將DPU的掃描周期設定為100 ms，則信號級設備組合控制塊1 s可以輸出10個指令或采集10個狀態(tài)。仍以50臺開關量型電動門的控制為例，則50個指令連續(xù)輸出需要5 s，200個狀態(tài)的采樣需要20 s，加上狀態(tài)采樣中1個周期的采樣延遲，以及全部指令輸出和全部狀態(tài)采樣后需要的通道及譯碼電路測試的3個掃描周期的消耗，共4個掃描周期額外消耗，共需約26 s，即每臺電動門的控制與采樣最大工作周期大約26 s，可以滿足一般電動門的控制時間要求。

5.2 功能設置

在設備組合操作塊和閥門操作塊上設置信息顯示欄、參數(shù)設定窗口和控制按鈕，可以根據(jù)應用情況方便地進行閥門的監(jiān)視和控制。當參數(shù)設置為設備級工作方式時，可以作為原有控制方式使用，應用適應性強。

5.3 適用場合

該方式的“反應速度”是否滿足控制對象的“實時性”要求是判斷該方式是否適用的重要標準之一。由于DPU能夠高速運行控制程序，具有較完善的監(jiān)視和控制手段，設備組合控制方式與設備單獨控制方式的控制效果相差不多，在外部看起來幾乎一樣。該方式能夠勝任于實時監(jiān)控要求不高的設備，如火電廠的鍋爐定期排污電動門、鍋爐蒸汽吹灰器、汽輪機本體、高壓管道疏水閥、開/閉式循環(huán)水電動門、除灰系統(tǒng)輸灰氣動門、除塵系統(tǒng)脈沖吹灰器、脫硝系統(tǒng)尿素噴槍、脫硫工藝水系統(tǒng)電動門以及輔網(wǎng)化學制水系統(tǒng)閥門及泵、小系統(tǒng)設備等。

5.4 方便擴展

當系統(tǒng)需增加同類型的設備時，在編碼輸出不滿的時候（DO點組能輸出的編碼數(shù)大于已用的編碼數(shù)），不用增加電纜，只需增加少量繼電器并修改參數(shù)即可實現(xiàn)。

5.5 節(jié)省比率

由圖1得出設備單獨控制方式下控制1臺電動門所需的通道數(shù)為6個，電纜芯數(shù)為12芯。由圖4可以看出，設備組合控制方式只需少量的編碼輸出DO點和1個通道切換DO點。對于信號級實現(xiàn)方式的指令輸出，甚至不需要DO點，直接在信號路徑繼電器的輔助觸點短接即可。用于傳輸編碼信號和設備信號的電纜也是很少的。以被控設備為開關量型電動門為例，設備單獨控制方式和設備組合控制方式（信號級）所用的I/O通道數(shù)和電纜數(shù)如表2所示，表中設備組合控制方式使用的電纜近似統(tǒng)計到現(xiàn)場譯碼傳輸中心。

表2 信號級設備組合控制塊設備節(jié)省比率

由表2看出，設備組合控制方式較傳統(tǒng)的設備單獨控制方式具有很高的設備節(jié)省率。假設該方式應用于新建2×660 MW燃煤機組，以可適用20%的設備控制及平均節(jié)省率85%估算，單控制電纜材料費這一項就可以節(jié)省220.745萬元[13]。

6 結(jié)論

（1）設備組合控制方式的工作速度受限于CPU的掃描周期和中間繼電器的反應時間，若兩者能夠降低，則該方式的工作速度將會得到提高，可以更接近于當前的設備單獨控制方式的效果。

（2）該方式同樣適用于與DCS功能類似的PLC，也能夠在PLC平臺上實現(xiàn)及應用。

（3）在DCS或PLC的基礎上實現(xiàn)的設備組合控制方式，兼容并完善了原有的設備單獨控制方式，用戶可以根據(jù)不同的應用情況選擇使用，能夠合理利用I/O通道及電纜。該方式拓展了DCS和PLC對設備的控制能力，能夠控制電動門及與電動門有類似信號組成的電動機、電磁閥等，對某些具有模擬量信號且實時監(jiān)視要求不高的設備也適用，甚至適用于信號類型和數(shù)量有差異的設備組，只是控制設備的利用率有所降低。該方式利于系統(tǒng)的設備擴展，在某些應用場合比原有方式節(jié)省I/O通道和電纜。