基于艾默生DeltaV R6 新功能塊的設(shè)備控制模塊開(kāi)發(fā)

林成東

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

剛果（金）某火法銅冶煉廠采用“側(cè)吹熔煉+多噴槍頂吹吹煉”銅冶煉技術(shù)的處理400 kt/a 銅精礦的粗銅冶煉工程于2019 年底投產(chǎn)運(yùn)行。建設(shè)過(guò)程中考慮到當(dāng)?shù)毓╇娤到y(tǒng)的不穩(wěn)定性及工藝流程聯(lián)鎖關(guān)系的復(fù)雜性，從安全生產(chǎn)的角度，選用艾默生DeltaV系統(tǒng)作為全廠的DCS 控制系統(tǒng)。這是艾默生DCS 系統(tǒng)首次在“側(cè)吹熔煉+頂吹吹煉”銅冶煉工藝中的應(yīng)用， 同時(shí)也是艾默生公司2019 年推出的DeltaV R6版本軟件首次在全球火法銅冶煉工程中的應(yīng)用。

從生產(chǎn)過(guò)程控制的角度看，火法銅冶煉工藝具有以下特點(diǎn)：1）與濕法冶金相比，火法銅冶煉工藝生產(chǎn)操作過(guò)程中設(shè)置的聯(lián)鎖保護(hù)多；2）主工藝流程上下游生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，對(duì)核心設(shè)備操作控制的穩(wěn)定可靠性要求高；3）風(fēng)機(jī)、泵、膠帶輸送機(jī)、電動(dòng)閥等設(shè)備多，且設(shè)備就地/遠(yuǎn)方操作模式有行業(yè)自身特點(diǎn)。 因此， 在DeltaV 系統(tǒng)R6 版本軟件上對(duì)火法銅冶煉工藝進(jìn)行組態(tài)和程序開(kāi)發(fā)時(shí)， 需要重點(diǎn)解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：1）對(duì)新功能塊的功能特點(diǎn)的了解和應(yīng)用；2）結(jié)合控制要求，針對(duì)性地開(kāi)發(fā)設(shè)備控制模塊。本文結(jié)合艾默生DCS 系統(tǒng)首次在“側(cè)吹熔煉”+“頂吹吹煉”銅冶煉工藝中的應(yīng)用實(shí)例，分析基于艾默生DeltaV R6新功能塊的設(shè)備控制模塊開(kāi)發(fā)如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

1 主要新功能塊

DeltaV 系統(tǒng)新推出的R6 版本，相比于之前的R5 版本，提供了更豐富的功能塊[2]，同時(shí)對(duì)基于iFix開(kāi)發(fā)的人機(jī)操作界面進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)， 控制模塊對(duì)應(yīng)的HMI 中的操作面板更人性化。

DeltaV R6 版本中推出了針對(duì)風(fēng)機(jī)、泵、膠帶輸送機(jī)、電動(dòng)閥等開(kāi)關(guān)量控制設(shè)備的新功能塊，即在構(gòu)建控制策略時(shí)，利用新推出的DCC（離散控制條件）功能塊和EDC（增強(qiáng)型設(shè)備控制）功能塊，并結(jié)合其它邏輯功能塊，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的控制模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種開(kāi)關(guān)量控制設(shè)備的控制。DCC 和EDC 功能塊分別如圖1 中所示。

圖1 DCC（左）和EDC（右）功能塊

DCC 塊可搭配EDC 功能塊使用。 DCC 功能塊主要是基于對(duì)允許啟動(dòng)、聯(lián)鎖保護(hù)、強(qiáng)制設(shè)定等條件進(jìn)行選擇與判斷，確定最終的執(zhí)行條件，并發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作執(zhí)行指令。EDC 塊接收DCC 塊發(fā)出的允許啟動(dòng)、聯(lián)鎖保護(hù)、強(qiáng)制設(shè)定信號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作指令。

DCC 功 能 塊 包 括Interlock、Permissive、Force Setpoint 3 種判斷條件，可根據(jù)實(shí)際需求分別創(chuàng)建多個(gè)觸發(fā)條件。功能塊最終將根據(jù)DeltaV 規(guī)定的DCC功能塊內(nèi)部邏輯關(guān)系及條件觸發(fā)順序規(guī)則， 進(jìn)行判斷選擇執(zhí)行符合要求的觸發(fā)條件。 DCC 功能塊通過(guò)I_OUT_D、P_OUT_D、F_OUT_D 參數(shù)， 向EDC 塊發(fā)出對(duì)應(yīng)的聯(lián)鎖、 允許、 強(qiáng)制設(shè)定觸發(fā)信號(hào)， 其中F_OUT_D 輸出為脈沖信號(hào)。EDC 塊具體執(zhí)行的動(dòng)作指令則由DCC 功能塊中I_OUT 和F_OUT 參數(shù)決定。 其中Interlock 將執(zhí)行選中的條件Interlock State欄Named State 中組態(tài)設(shè)定的聯(lián)鎖狀態(tài)輸出值，對(duì)應(yīng)I_OUT 參數(shù)；Force Setpoint 將執(zhí)行選中的條件Force SP Value 欄Named State 中組態(tài)設(shè)定的強(qiáng)制設(shè)定輸出值，對(duì)應(yīng)F_OUT 參數(shù)。

EDC 功能塊相比R5 版本中的DC 功能塊，增加了INTERLOCK_STATE、FORCE_SP_D、FORCE_SP_VALVE 輸入?yún)?shù)， 分別與DCC 塊的輸出參數(shù)I_OUT、F_OUT_D、F_OUT 相對(duì)應(yīng)。 R6 版本中DCC塊向EDC 塊的動(dòng)作指令傳遞， 均是通過(guò)系統(tǒng)組態(tài)過(guò)程中創(chuàng)建相應(yīng)的命名符Named Set 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 通過(guò)對(duì)EDC 功能塊中States Masks（狀態(tài)掩碼）、Named Sets（命名符）、Device Options（設(shè)備選項(xiàng)）進(jìn)行相應(yīng)的組態(tài)設(shè)置，在控制策略中開(kāi)發(fā)各種設(shè)備相應(yīng)的控制模塊。

2 設(shè)備控制模塊的開(kāi)發(fā)

在項(xiàng)目進(jìn)行編程組態(tài)構(gòu)建控制策略時(shí)，發(fā)現(xiàn)DeltaV R6 版自帶的，基于DCC 與EDC 塊搭建的開(kāi)關(guān)量控制設(shè)備控制模塊的標(biāo)準(zhǔn)模板，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的操作控制要求，需要根據(jù)項(xiàng)目確定的風(fēng)機(jī)、泵、膠帶輸送機(jī)、電動(dòng)閥等設(shè)備的控制要求，有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)控制模塊。

2.1 風(fēng)機(jī)、泵等設(shè)備控制模塊開(kāi)發(fā)

風(fēng)機(jī)、泵、膠帶機(jī)等設(shè)備通常由控制系統(tǒng)通過(guò)1路DO 輸出來(lái)控制設(shè)備啟動(dòng)/停止，控制要求如下：1）現(xiàn)場(chǎng)控制箱上轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)由Remote 切至Local 模式后，設(shè)備應(yīng)該處于停止?fàn)顟B(tài)， 切換后操作權(quán)限在就地。Local 模式下，可從控制室人機(jī)界面上跟蹤設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，但從安全角度考慮，此時(shí)DCS 系統(tǒng)中該設(shè)備控制模塊對(duì)應(yīng)的最終硬件通道DO 輸出要置安全位，即設(shè)備控制模塊指令為Stop。2）現(xiàn)場(chǎng)控制箱上轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)從Local 切至Remote 模式后，設(shè)備應(yīng)該處于停止?fàn)顟B(tài)， 切換后操作權(quán)限在控制室。 3）在Remote 模式下運(yùn)行中的設(shè)備，若DCS 接收的設(shè)備運(yùn)行信號(hào)突然丟失，控制模塊要在設(shè)置的延遲時(shí)間（1～2 s）后，再給出Stop 指令。 4）少數(shù)設(shè)備根據(jù)生產(chǎn)需要， 要實(shí)現(xiàn)Local/Remote 切換過(guò)程設(shè)備狀態(tài)保持不停設(shè)備，由電氣硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)此功能。

上述控制要求確保了DCS 系統(tǒng)在Remote 模式下操作的安全可靠性。 控制室操作人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的非常規(guī)操作； 避免設(shè)備人為切換到Local 模式后繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)， 監(jiān)控疏忽導(dǎo)致后續(xù)有聯(lián)鎖觸發(fā)時(shí)對(duì)設(shè)備失控；同時(shí)避免在切至Remote 模式時(shí)設(shè)備自動(dòng)啟動(dòng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

通過(guò)仿真測(cè)試及單機(jī)試車過(guò)程中的優(yōu)化完善，最后基于R6 版本開(kāi)發(fā)的風(fēng)機(jī)、泵、膠帶輸送機(jī)等設(shè)備控制模塊如圖2 所示。

圖2 風(fēng)機(jī)、泵等設(shè)備控制模塊

為使組態(tài)過(guò)程中搭建控制模塊更高效方便，在Control Module Classes 中創(chuàng)建控制模塊的模板，便于調(diào)用。 設(shè)備的部分現(xiàn)場(chǎng)接入信號(hào)通過(guò)創(chuàng)建Input Parameter 的方式進(jìn)行調(diào)用，如創(chuàng)建F_IN（對(duì)應(yīng)設(shè)備故障信號(hào)）、LR_IN（對(duì)應(yīng)設(shè)備Local/Remote 信號(hào)），屬性中參數(shù)類型均選擇External Reference。 F_IN 參數(shù)作為DCC 塊中Interlock 條件欄聯(lián)鎖判斷條件，具備條件時(shí)發(fā)出Interlock State=Passive 動(dòng)作指令。LR_IN 參數(shù)作為Force Setpoint 條件欄的強(qiáng)制設(shè)定判斷條件， 并將LR_IN 參數(shù)直接連接到EDC 塊的PERMISSIVE_D 參數(shù)， 實(shí)現(xiàn)Local 模式下HMI 上設(shè)備操作面板禁用，并使SP 值為Stop。

在DCC 塊Force Setpoint 條件欄中編寫(xiě)語(yǔ)句：'^/LR_IN.CV'=0.， 即Remote 切至Local 時(shí)觸發(fā)脈沖信號(hào)。 組態(tài)EDC 塊， 在DEVICE_OPT 屬性窗口勾選“Force Setpoint in Auto”選項(xiàng)，并且不勾選“TRK_IN_D and SP Track on Tracking”選項(xiàng)。通過(guò)上述勾選設(shè)置，SP 值將不受TRK_IN_D 參數(shù)值為T(mén)rue 時(shí)的影響，當(dāng)EDC 塊接收DCC 塊發(fā)出Force SP Value=Passive動(dòng)作指令時(shí)，SP 值將置為Stop 并保持。 Local 切Remote 時(shí)，也同樣執(zhí)行SP 值為Stop 的指令。

將LR_IN 的CV 值取反，Local 模式時(shí)EDC 模塊TRK_IN_D 參數(shù)置為T(mén)rue，實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制要求1中人機(jī)界面運(yùn)行狀態(tài)跟蹤。 同時(shí)利用OND 功能塊（上升沿延時(shí)觸發(fā)）設(shè)置1～2 s 延時(shí)，避免在同一個(gè)信號(hào)采集周期內(nèi)當(dāng)LR_IN 的CV 值變化時(shí)，EDC 功能塊同時(shí)接收PERMISSIVE_D 和TRK_IN_D 指令，而由于EDC 塊中設(shè)備運(yùn)行信號(hào)變化的延時(shí)，造成人機(jī)界面上發(fā)出設(shè)備讀寫(xiě)錯(cuò)誤報(bào)警。

對(duì)EDC 塊的TRIP_TIME 參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，從而滿足控制要求3。 考慮到激活TRK_IN_D 參數(shù)時(shí)，就地模式功能塊輸出參數(shù)F_OUT_D1 跟蹤設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，因此將LR_IN 與F_OUT_D1 參數(shù)進(jìn)行邏輯與門(mén)判斷后，通過(guò)DO 功能塊（DO_OUT）的輸出連接到DO 輸出硬件通道，從而滿足設(shè)備控制要求1 和2 中的相關(guān)要求。

2.2 電動(dòng)閥控制模塊開(kāi)發(fā)

火法銅冶煉廠除了風(fēng)機(jī)、泵、膠帶輸送機(jī)等由控制系統(tǒng)1 路DO 輸出控制啟停的設(shè)備外，常見(jiàn)的還有煙道電動(dòng)閥等需要控制系統(tǒng)多路DO 輸出進(jìn)行控制的設(shè)備。 這類電動(dòng)閥相比風(fēng)機(jī)、泵等設(shè)備，控制要求的區(qū)別在于：1）電動(dòng)閥有中間狀態(tài)位，閥門(mén)可介于開(kāi)到位和關(guān)到位之間狀態(tài)。 2）閥開(kāi)到位、關(guān)到位后，控制模塊對(duì)應(yīng)的DO 通道輸出值由True 變False。3）Remote 切Local 模式時(shí)，DCS 發(fā)出Stop 指令。4）Local切Remote 模式時(shí)，DCS 發(fā)出與當(dāng)前閥門(mén)實(shí)際狀態(tài)位一致的閥門(mén)動(dòng)作方向指令。

以3 路DO 輸出（打開(kāi)/停止/關(guān)閉）電動(dòng)閥為例，基于R6 版本開(kāi)發(fā)的電動(dòng)閥控制模塊如圖3 所示。

結(jié)合電動(dòng)閥控制要求4，控制模塊中DCC 塊未利用LR_IN 的CV 值設(shè)置Force Setpoint 條件，而是將LR_IN 參數(shù)直接連接EDC 塊的PERMISSIVE_D、SHUTDOWN_D 參數(shù)，實(shí)現(xiàn)Local 模式時(shí)人機(jī)界面操作面板禁用并使SP 值為Stop。

DEVICE_OPT 屬性窗口勾選“Passive when Active Confirm”，來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)閥控制要求2。 但在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)R6 版本EDC 塊在Remote 模式能正常實(shí)現(xiàn)此功能。 例如，閥門(mén)開(kāi)到位時(shí)模塊對(duì)應(yīng)的輸出通道O_F_OUT_D2（對(duì)應(yīng)Open 指令）參數(shù)值將由True 變False；但切至Local 模式時(shí)，由于使用TRK_IN_D 狀態(tài)跟蹤的原因，閥門(mén)處于開(kāi)到位，O_F_OUT_D2 參數(shù)值會(huì)自動(dòng)變?yōu)門(mén)rue；切回Remote 模式時(shí)，參數(shù)值繼續(xù)保持為T(mén)rue 不變，控制面板出現(xiàn)錯(cuò)誤報(bào)警。 本項(xiàng)目在開(kāi)發(fā)多路DO 輸出電動(dòng)閥控制模塊過(guò)程中，最終未使用TRK_IN_D 參數(shù)，而是通過(guò)對(duì)States Masks 進(jìn)行設(shè)置（圖4），并結(jié)合ACT 功能塊編寫(xiě)條件判斷語(yǔ)句（圖5），從而滿足電動(dòng)閥控制要求2。

圖3 電動(dòng)閥控制模塊

圖4 EDC 功能塊States Masks 設(shè)置

圖5 ACT 功能塊SP 值跟蹤閥位狀態(tài)語(yǔ)句編寫(xiě)

閥門(mén)執(zhí)行Open/Close 指令時(shí)， 判斷閥位反饋信號(hào)，Stop 指令時(shí)不判斷反饋信號(hào)狀態(tài)。 當(dāng)從Local 切到Remote 模式時(shí)， 若此時(shí)閥門(mén)狀態(tài)為開(kāi)到位，則EDC 塊SP 值切換為Open；若閥門(mén)狀態(tài)為關(guān)到位，則EDC 塊SP 值切換為Close；若Input 為圖4 中State0狀態(tài)，此時(shí)SP 值為Stop，不需要?jiǎng)幼鳌?/p>

由于閥門(mén)開(kāi)到位或關(guān)到位后，S_F_OUT_D1 （對(duì)應(yīng)Stop 指令）輸出通道會(huì)保持為T(mén)rue 狀態(tài)，操作過(guò)程中執(zhí)行Stop 指令需滿足電動(dòng)閥控制要求2。 通過(guò)CND 功能塊編寫(xiě)條件表達(dá)式：'^/EDC1/F_IN_D1．CV'=0 AND'^/EDC1/F_IN_D2．CV'=0．進(jìn)行邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)在閥門(mén)狀態(tài)既不是開(kāi)到位也不是關(guān)到位時(shí)，通過(guò)DO功能塊（DO_OUT_STOP）的輸出STOP 脈沖指令，連接到DO 輸出硬件通道。

結(jié)合上述控制要求開(kāi)發(fā)出的風(fēng)機(jī)、泵、膠帶輸送機(jī)、電動(dòng)閥等設(shè)備控制模塊，邏輯關(guān)系清晰，結(jié)構(gòu)合理。 在調(diào)試過(guò)程中，經(jīng)過(guò)幾次參數(shù)調(diào)整，在系統(tǒng)控制器復(fù)合正常前提下， 將設(shè)備控制模塊的掃描周期設(shè)置在500 ms，系統(tǒng)穩(wěn)定且響應(yīng)快，很好地滿足了現(xiàn)場(chǎng)的操作需要。

3 結(jié)論

基于艾默生DeltaV 系統(tǒng)R6 版本軟件開(kāi)發(fā)的設(shè)備控制模塊在火法銅冶煉得到成功的應(yīng)用。 利用DeltaV R6 版本提供的新功能塊，結(jié)合火法銅冶煉工藝的特點(diǎn)，針對(duì)性地開(kāi)發(fā)出了風(fēng)機(jī)、泵、膠帶輸送機(jī)、電動(dòng)閥的控制模塊。 開(kāi)發(fā)的程序控制邏輯清晰且結(jié)構(gòu)合理，功能上滿足控制要求，達(dá)到了過(guò)程控制穩(wěn)定可靠、聯(lián)鎖保護(hù)安全合理、人機(jī)界面友善直觀的預(yù)期目標(biāo)。系統(tǒng)投運(yùn)后一直穩(wěn)定運(yùn)行，未出現(xiàn)因?yàn)樵O(shè)備控制模塊程序引起的控制操作問(wèn)題。