莫布林

（韶關(guān)市坪石發(fā)電廠有限公司（B廠），廣東 韶關(guān) 512229）

0 引言

傳統(tǒng)的DCS（分散控制系統(tǒng)）對設(shè)備的信號輸出和數(shù)據(jù)采集，對每個(gè)設(shè)備的每個(gè)信號是單獨(dú)進(jìn)行的，也就是每個(gè)信號單獨(dú)占用DCS的一個(gè)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(shè)備，比如火電廠中的汽輪機(jī)高壓管道疏水閥，只是在機(jī)組啟或停的過程中打開，其它大部分時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣，就沒必要一直采集其狀態(tài)，無需單獨(dú)用一個(gè)輸入通道來監(jiān)視其開或關(guān)的狀態(tài)。目前的設(shè)備控制方式[1-2]，對于信號數(shù)量較多的設(shè)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(shí)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(yuǎn)程I/O站。FCS是近二十幾年發(fā)展起來的新技術(shù)，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(shè)備具有通信功能的智能設(shè)備，采用FCS還需對控制系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行升級改造。采用遠(yuǎn)程I/O站能夠節(jié)省大量電纜，但因成本的問題，遠(yuǎn)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(dāng)前設(shè)備控制方式存在的不足，本文研究一種設(shè)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(shè)備進(jìn)行集中控制，對這些設(shè)備的信號進(jìn)行編碼，用1個(gè)或數(shù)個(gè)輸入或輸出通道對這些設(shè)備的信號進(jìn)行分時(shí)采樣或輸出，讓這些信號共享控制系統(tǒng)的I/O通道，達(dá)到節(jié)省通道和電纜的目的。

以在DCS上實(shí)現(xiàn)的設(shè)備組合控制方式對50臺開關(guān)量型電動(dòng)門的控制為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jìn)行影響其工作的關(guān)鍵時(shí)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(yīng)用及效果進(jìn)行總結(jié)。

1 設(shè)備單獨(dú)控制方式

現(xiàn)有的DCS對開關(guān)量型電動(dòng)門的控制，一般采集和輸出的信號有開到位、關(guān)到位、就地/遠(yuǎn)方、故障、開指令、關(guān)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(dòng)門通過計(jì)算機(jī)屏蔽電纜進(jìn)行連接，共占用6個(gè)通道（DI型4個(gè)，DO型2個(gè)），其信號連接如圖1所示。

圖1 電動(dòng)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(gè)信號占用DCS的1個(gè)DI或DO通道，另外，DCS對各閥門的輸入輸出控制是獨(dú)立進(jìn)行的，這種方式稱為設(shè)備單獨(dú)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(shí)現(xiàn)對電動(dòng)門的自動(dòng)及手動(dòng)控制[6-7]。

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

2 設(shè)備組合控制方式

2.1 方式構(gòu)想

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

2.2 實(shí)現(xiàn)方式

在DCS原有閥門控制塊和閥門操作塊的基礎(chǔ)上，在控制邏輯中增加1個(gè)設(shè)備組合控制塊，該控制塊用于集中處理1組設(shè)備的信號采樣及控制輸出；在監(jiān)控畫面上增加1個(gè)設(shè)備組合操作塊，用于監(jiān)視這組電動(dòng)門的工作狀態(tài)和設(shè)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(yīng)設(shè)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(gè)閥門能夠退出運(yùn)行或被單獨(dú)控制，在每個(gè)閥門的閥門操作塊上設(shè)置退出按鈕和獨(dú)占按鈕。為適應(yīng)設(shè)備在不同的運(yùn)行階段狀態(tài)變化有快有慢的情況，設(shè)置1個(gè)周期參數(shù)進(jìn)行設(shè)備組合控制塊工作周期的設(shè)定。當(dāng)系統(tǒng)停止運(yùn)行等原因?qū)е逻@組閥門不需要監(jiān)視或控制輸出時(shí)，應(yīng)當(dāng)停止設(shè)備組合控制塊的工作，為此需設(shè)立1個(gè)停止按鈕。為了確保該方式具有較高的可靠性，需設(shè)置冗余的I/O通道及進(jìn)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(yīng)當(dāng)優(yōu)先輸出指令信號，以獲得高速的控制反應(yīng)速度。

2.3 工作過程

位于監(jiān)控畫面的設(shè)備組合操作塊和閥門操作塊向運(yùn)行于DPU（分散處理單元）的設(shè)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(shè)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(guān)、停）的輸出請求，并向閥門控制塊傳遞閥門的狀態(tài)信號。設(shè)備組合控制塊通過1組DO點(diǎn)輸出某個(gè)或數(shù)個(gè)信號的二進(jìn)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(gè)繼電器，使其帶電動(dòng)作，繼電器的輔助觸點(diǎn)接通來自某個(gè)閥門的狀態(tài)信號或來自DCS的指令信號，以進(jìn)行DCS的I/O模塊與閥門信號的傳輸。設(shè)備組合控制塊按照設(shè)備組合操作塊和閥門操作塊設(shè)定的方式工作，對該組內(nèi)的閥門指令輸出請求進(jìn)行排隊(duì)，并按先進(jìn)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(jìn)行，采集一遍后按照可設(shè)定的周期自動(dòng)進(jìn)行下一遍。

3 工程實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)備組合控制塊的實(shí)現(xiàn)

3.1.1 工作模式

設(shè)備組合控制塊在DCS的組態(tài)軟件中編程[8]，并在DPU中運(yùn)行實(shí)現(xiàn)，實(shí)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(jìn)行輸入和輸出控制；閥門級即閥門內(nèi)的各信號同時(shí)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(diǎn)

DPU的工作特點(diǎn)影響到程序的結(jié)構(gòu)和編程方式。DPU 1個(gè)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(yīng)單元內(nèi)，在這個(gè)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(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)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(yīng)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(dòng)相應(yīng)的外設(shè)[9-10]。

圖2 DPU工作流程

設(shè)備組合控制塊在采集設(shè)備信號時(shí)，需先由DO模塊輸出設(shè)備的編碼去選中對應(yīng)的繼電器，信號才能經(jīng)過繼電器傳輸?shù)捷斎肽K。當(dāng)不采用立即輸入輸出指令時(shí)，因?yàn)镈O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(jìn)行。信號的采樣需延后編碼輸出1個(gè)周期，編程時(shí)需考慮這一特點(diǎn)。

3.1.3 程序功能塊

根據(jù)閥門控制面臨的問題，得出設(shè)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(shè)定及優(yōu)化設(shè)備參數(shù)）、時(shí)間定時(shí)塊（產(chǎn)生不同周期的時(shí)間定時(shí)信號）、內(nèi)部狀態(tài)掃描塊（掃描設(shè)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(yù)期值）、停止處理塊（編碼輸出為“0”）、通道及譯碼出錯(cuò)處理塊（若測試結(jié)果不是預(yù)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(yù)期值，則編碼輸出為“0”）、指令存儲輸出塊（將全部的指令入隊(duì)列、每個(gè)DPU掃描周期出隊(duì)1個(gè)或數(shù)個(gè)指令并輸出）、獨(dú)占處理塊（設(shè)備組合控制塊找到并單獨(dú)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(cuò)誤，當(dāng)編碼為全“1”或全“0”時(shí)的輸入值均與期望值相符，說明三者均無出錯(cuò)。

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(yīng)用特點(diǎn)

對比圖4和圖5，可以看出信號級實(shí)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(shí)間較長；閥門級實(shí)現(xiàn)方式占用較多的通道和電纜，但是所需的時(shí)間較短。信號-閥門級實(shí)現(xiàn)方式介于以上兩者之間。多倍閥門級實(shí)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(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求做出選擇。

3.1.7 方式選擇

在設(shè)備組合控制塊的4種工作方式中，對于信號-閥門級實(shí)現(xiàn)方式：當(dāng)一次采集或輸出的各類型信號的數(shù)量均為1時(shí)，則演化為信號級；當(dāng)信號的數(shù)量等于1臺閥門的信號數(shù)量時(shí)，則演化為閥門級；當(dāng)信號的數(shù)量等于多臺閥門的信號數(shù)量時(shí)，則演化為多倍閥門級。對于多倍閥門級方式：當(dāng)倍數(shù)等于1時(shí)，演化為閥門級；當(dāng)倍數(shù)等于組內(nèi)閥門總數(shù)時(shí)，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(diǎn)數(shù)等參數(shù)來決定。用戶通過設(shè)定這幾個(gè)參數(shù)來選擇其中一種工作方式，設(shè)備組合控制塊的程序會(huì)自動(dòng)生成與參數(shù)對應(yīng)的方式，并由閥門總數(shù)及這幾個(gè)參數(shù)自動(dòng)計(jì)算出編碼輸出所需的DO點(diǎn)數(shù)，然后按該方式的程序控制設(shè)備。

3.1.8 實(shí)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(jìn)行程序編程及畫面組態(tài)[11]，實(shí)現(xiàn)的設(shè)備組合控制塊和單臺設(shè)備參數(shù)設(shè)置塊如圖6、圖7所示。用戶可以根據(jù)工程邏輯組態(tài)進(jìn)行調(diào)用。

圖5 閥門級信號連接

圖6 設(shè)備組合控制塊

3.2 設(shè)備組合操作塊及閥門操作塊的實(shí)現(xiàn)

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

圖7 設(shè)備信號參數(shù)設(shè)置塊

圖8 設(shè)備組合操作塊

圖9 改進(jìn)后的閥門操作塊

4 外部電路測試

4.1 信號采樣時(shí)間

采用Siemens S7-200PLC為試驗(yàn)平臺[12]，由應(yīng)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(yīng)時(shí)間測試程序

圖11 信號采樣反應(yīng)時(shí)間測試電路

測試時(shí)，VW0的值從1開始并以1為增幅逐漸增加，每個(gè)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(yīng)時(shí)間測試結(jié)果

測試中，PLC的掃描周期顯示是1 ms，因?yàn)镻LC的輸入和輸出延時(shí)時(shí)間相比少得多，在此忽略不計(jì)，則由表1數(shù)據(jù)得到信號采樣外部電路的反應(yīng)時(shí)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(fù)位時(shí)間

由圖12程序的試驗(yàn)結(jié)果得到MY繼電器的復(fù)位時(shí)間為大于等于14 ms。

圖12 復(fù)位時(shí)間測試程序

4.3 指令響應(yīng)時(shí)間

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

圖13 外部電路指令響應(yīng)測試程序

由信號采樣時(shí)間的測試結(jié)果（包含繼電器動(dòng)作和信號輸入2個(gè)過程的時(shí)間）間接得出歐姆龍MY繼電器動(dòng)作時(shí)間低于16 ms。由于信號采樣時(shí)間、繼電器的動(dòng)作和復(fù)位時(shí)間以及外部電路的指令響應(yīng)時(shí)間中最大為19 ms，且譯碼器的傳輸延遲時(shí)間為納秒級，可以忽略不計(jì)，所以，組成設(shè)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(yīng)時(shí)間

一般的DPU的掃描周期是十幾毫秒到幾十毫秒，假設(shè)將DPU的掃描周期設(shè)定為100 ms，則信號級設(shè)備組合控制塊1 s可以輸出10個(gè)指令或采集10個(gè)狀態(tài)。仍以50臺開關(guān)量型電動(dòng)門的控制為例，則50個(gè)指令連續(xù)輸出需要5 s，200個(gè)狀態(tài)的采樣需要20 s，加上狀態(tài)采樣中1個(gè)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(gè)掃描周期的消耗，共4個(gè)掃描周期額外消耗，共需約26 s，即每臺電動(dòng)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(dòng)門的控制時(shí)間要求。

5.2 功能設(shè)置

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

5.3 適用場合

該方式的“反應(yīng)速度”是否滿足控制對象的“實(shí)時(shí)性”要求是判斷該方式是否適用的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。由于DPU能夠高速運(yùn)行控制程序，具有較完善的監(jiān)視和控制手段，設(shè)備組合控制方式與設(shè)備單獨(dú)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(shí)時(shí)監(jiān)控要求不高的設(shè)備，如火電廠的鍋爐定期排污電動(dòng)門、鍋爐蒸汽吹灰器、汽輪機(jī)本體、高壓管道疏水閥、開/閉式循環(huán)水電動(dòng)門、除灰系統(tǒng)輸灰氣動(dòng)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(dòng)門以及輔網(wǎng)化學(xué)制水系統(tǒng)閥門及泵、小系統(tǒng)設(shè)備等。

5.4 方便擴(kuò)展

當(dāng)系統(tǒng)需增加同類型的設(shè)備時(shí)，在編碼輸出不滿的時(shí)候（DO點(diǎn)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(shí)現(xiàn)。

5.5 節(jié)省比率

由圖1得出設(shè)備單獨(dú)控制方式下控制1臺電動(dòng)門所需的通道數(shù)為6個(gè)，電纜芯數(shù)為12芯。由圖4可以看出，設(shè)備組合控制方式只需少量的編碼輸出DO點(diǎn)和1個(gè)通道切換DO點(diǎn)。對于信號級實(shí)現(xiàn)方式的指令輸出，甚至不需要DO點(diǎn)，直接在信號路徑繼電器的輔助觸點(diǎn)短接即可。用于傳輸編碼信號和設(shè)備信號的電纜也是很少的。以被控設(shè)備為開關(guān)量型電動(dòng)門為例，設(shè)備單獨(dú)控制方式和設(shè)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(shè)備組合控制方式使用的電纜近似統(tǒng)計(jì)到現(xiàn)場譯碼傳輸中心。

表2 信號級設(shè)備組合控制塊設(shè)備節(jié)省比率

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

6 結(jié)論

（1）設(shè)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(yīng)時(shí)間，若兩者能夠降低，則該方式的工作速度將會(huì)得到提高，可以更接近于當(dāng)前的設(shè)備單獨(dú)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(shí)現(xiàn)及應(yīng)用。

（3）在DCS或PLC的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的設(shè)備組合控制方式，兼容并完善了原有的設(shè)備單獨(dú)控制方式，用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)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(shè)備的控制能力，能夠控制電動(dòng)門及與電動(dòng)門有類似信號組成的電動(dòng)機(jī)、電磁閥等，對某些具有模擬量信號且實(shí)時(shí)監(jiān)視要求不高的設(shè)備也適用，甚至適用于信號類型和數(shù)量有差異的設(shè)備組，只是控制設(shè)備的利用率有所降低。該方式利于系統(tǒng)的設(shè)備擴(kuò)展，在某些應(yīng)用場合比原有方式節(jié)省I/O通道和電纜。