順控程序的設(shè)計思路

李思煒

摘 要：順控程序一般由PLC或DCS系統(tǒng)實現(xiàn)，具體的程序編寫和組態(tài)工作由系統(tǒng)提供商負(fù)責(zé)完成，作為設(shè)計單位的工作主要是如何把控制要求準(zhǔn)確、完整和清晰地表達(dá)出來，從而可盡量避免在后期開工調(diào)試和生產(chǎn)試運行時再進行反復(fù)修改。本文以某化工裝置的反沖控制為例，介紹了順控程序的設(shè)計思路、設(shè)計過程以及需要注意的地方。

關(guān)鍵詞：順序控制；反沖控制；控制按鈕；順控流程圖

自動控制系統(tǒng)一般分為連續(xù)量控制系統(tǒng)和斷續(xù)量控制系統(tǒng)，其中前者以反饋控制系統(tǒng)為主，反饋控制除了簡單的單回路控制，常見的還有串級控制、比值控制、分程控制等等，后者主要以順序控制為主，順序控制一般分為兩類，一類是直接按預(yù)先輸入的指令。按操作順序產(chǎn)生操作信號對生產(chǎn)過程進行操作；另一類則是需要檢測某些生產(chǎn)過程信號，根據(jù)這些生產(chǎn)過程信號的情況和預(yù)先輸入的指令，順序控制裝置順序產(chǎn)生操作信號對生產(chǎn)過程進行操作。

在石油化工行業(yè)中，自控設(shè)計人員接觸最多的一般是反饋控制系統(tǒng)，順序控制系統(tǒng)多數(shù)情況下隨工藝設(shè)備或機械設(shè)備由廠家成套集成，在整個裝置或整個工程的設(shè)計中，自控設(shè)計人員一般只是協(xié)助業(yè)主確認(rèn)儀表選型，與設(shè)備廠家確定分工界面和接口，負(fù)責(zé)外圍的配套設(shè)計，但有時候業(yè)主從節(jié)省投資的角度考慮，希望由設(shè)計單位來完成此部分的設(shè)計內(nèi)容。筆者以某化工裝置的反應(yīng)液膜分離系統(tǒng)為例，闡述了在該系統(tǒng)中反沖控制程序的設(shè)計思路和方法。

1 項目概況

某新建化工裝置的生產(chǎn)過程控制采用分散型控制系統(tǒng)（簡稱DCS），該裝置的反應(yīng)液膜分離系統(tǒng)的反沖控制部分也由DCS系統(tǒng)執(zhí)行，現(xiàn)場的執(zhí)行元件為氣動控制閥門。下圖是反應(yīng)液膜分離系統(tǒng)的基本流程（實際流程是6個反應(yīng)膜），和反沖控制相關(guān)的現(xiàn)場儀表只有反沖閥和進料閥，其中反沖閥的工藝參數(shù)為：操作溫度70℃，操作壓力1.2MPa.G，工藝介質(zhì)是反應(yīng)清液，工藝管線直徑和材質(zhì)分別是DN50和06Cr19Ni10，出料閥的工藝參數(shù)除操作壓力為0.6MPa.G外，其它參數(shù)和反沖閥一樣?？刂崎y門的選型相對比較簡單，筆者選用了氣動全通徑直通球閥（兩位開關(guān)型），由于閥門關(guān)斷時間要求不大于1秒，對閥內(nèi)件硬度要求較高，因此閥芯和閥座材質(zhì)要求堆焊司太萊合金。

根據(jù)業(yè)主提供的反沖控制方案，設(shè)計人員的主要工作就是將這份控制方案進行細(xì)化，形成一份詳細(xì)的反沖控制程序說明書，DCS系統(tǒng)的組態(tài)工程師根據(jù)這份設(shè)計文件完成編程和組態(tài)工作.。

2 反沖控制程序的設(shè)計思路

2.1 工藝過程需求說明

首先應(yīng)該把用戶的需求表達(dá)出來，以便讓有關(guān)人員了解這個程序的用途和需要實現(xiàn)的基本功能，在本文的例子里，就是用戶的工藝過程需求。

對工藝過程需求的說明：①反沖對象：反應(yīng)膜L-101A1、L-101A2、L-101B1、L-101B2、L-101C1、L-101C2，共6個膜。②反沖執(zhí)行元件：每個膜設(shè)有1個反沖閥和1個出料閥。③反沖目的：防止膜管堵塞。④反應(yīng)膜的運行情況可能有：膜A1/A2、膜B1/B2、膜C1/C2三組單獨運行或其中任意兩組組合輪流運行。根據(jù)投運膜的情況啟動不同的反沖程序，1個膜的反沖基本步驟為：關(guān)閉出料閥，延時X秒（時間可調(diào)），開反沖閥，延時X秒（時間可調(diào)）；反沖閥和出料閥同時復(fù)位，即反沖閥關(guān)，出料閥開，單個膜完成反沖，間隔X分鐘后（時間可調(diào)），該膜再次反沖。

2.2 操作界面的總體要求

詳細(xì)的操作界面一般是在項目實施階段由DCS系統(tǒng)廠商和業(yè)主共同制定，但對于一些設(shè)計人員認(rèn)為關(guān)鍵和必要的地方，可在設(shè)計文件中增加此部分的說明。對操作界面的總體要求：①能指示順序控制的步驟，并能查看每一步動作完成的情況。②建立閥門狀態(tài)列表，能顯示每個閥門的開關(guān)狀態(tài)，手動/自動狀態(tài)等。③具有“自動”和“手動”兩種工作模式，其中“手動模式”中，可以在操作站的閥門狀態(tài)列表內(nèi)對閥門進行開關(guān)動作，工作模式的切換，只允許具有特定操作權(quán)限人員進行切換。

2.3 控制按鈕說明

業(yè)主提供的反沖控制方案，缺少對人工控制部分的說明，經(jīng)過設(shè)計人員與業(yè)主的反復(fù)溝通，逐項討論每個具體的操作步驟，明確了業(yè)主對人工干預(yù)和人工操作的要求。

由于反沖控制程序需要設(shè)置較多的控制按鈕，因此需要對控制按鈕的數(shù)量、類型、功能、儀表位號、各個階段的狀態(tài)等方面做詳細(xì)的定義，必要時可舉例說明具體的操作過程。對控制按鈕的定義：

2.3.1 控制按鈕分以下幾種類型

啟動按鈕（瞬時型）：反沖程序執(zhí)行。

停止按鈕（瞬時型）：停止反沖程序，并將閥門復(fù)位到初始狀態(tài)（出料閥開，反沖閥關(guān)）。

手動開閥/關(guān)閥按鈕（交替型，調(diào)試用）：可以手動打開或關(guān)閉反沖閥和出料閥，進行手動反沖。

手動/自動切換按鈕（交替型）：當(dāng)切換到手動狀態(tài)時，啟動按鈕不可用；當(dāng)切換到自動狀態(tài)時，閥門復(fù)位到初始狀態(tài)，手動開閥/關(guān)閥按鈕不可用。

2.3.2 反沖控制程序啟動按鈕有6個

①L-101A1/A2單獨運行（XAS-101A）。

②L-101A1/A2 和L-101B1/B2輪流運行（XAS-101AB）。

③（其余4個按鈕編制方法相同，在此省略）。

2.3.3 反沖控制程序停止按鈕為6個，對應(yīng)各自的啟動按鈕

①L-101A1/A2停止單獨運行（XSS-101A）。

②L-101A1/A2 和L-101B1/B2停止輪流運行（XSS-101AB）。

③其余4個按鈕編制方法相同，在此省略）。

2.3.4 手動開閥/關(guān)閥按鈕為12個

①L-101A1反沖液進口管開關(guān)閥XV-101A手動遙控（HS-101A）。

②L-101A1反應(yīng)清液出口管開關(guān)閥XV-101B手動遙控（HS-101B）。

③L-101A2反沖液進口管開關(guān)閥XV-101C手動遙控（HS-101C）。

④L-101A2反應(yīng)清液出口管開關(guān)閥XV-101D手動遙控（HS-101D）。

⑤L-101B1反沖液進口管開關(guān)閥XV-102A手動遙控（HS-102A）。

⑥L-101B1反應(yīng)清液出口管開關(guān)閥XV-102B手動遙控（HS-102B）。

⑦（其余6個按鈕編制方法相同，在此省略）。

2.3.5 手動/自動切換按鈕為3個

①L-101A1/A2反沖控制手動/自動切換（HAK-101A）。

②L-101B1/B2反沖控制手動/自動切換（HAK-101B）。

③L-101C1/C2反沖控制手動/自動切換（HAK-101C）。

2.3.6 控制按鈕的各種狀態(tài)

初始狀態(tài)：手動/自動切換按鈕位于自動狀態(tài)并且可用，啟動按鈕可用，手動開/關(guān)閥按鈕不可用，停止按鈕在任何狀態(tài)下都可用而不管按下該停止按鈕的動作是否有意義（但應(yīng)有提示）。

自動運行狀態(tài)：當(dāng)按下某一啟動按鈕后，所有的啟動按鈕不可用，對應(yīng)的手動/自動切換按鈕不可用。只有停止該反沖程序后，所有的啟動按鈕和對應(yīng)的手動/自動切換按鈕才恢復(fù)可用。例如，按下反應(yīng)膜L-101A1/A2 和L-101B1/B2輪流運行啟動按鈕XAS-101AB后，所有的啟動按鈕不可用（包括XAS-101AB），對應(yīng)的手動/自動切換按鈕HAK-101A和HAK-101B不可用，只有按下反應(yīng)膜L-101A1/A2 和L-101B1/B2停止輪流運行按鈕XSS-101AB后，所有的啟動按鈕和對應(yīng)的手動/自動切換按鈕才恢復(fù)可用。

手動操作狀態(tài)：首先要將手動/自動切換按鈕切換到手動狀態(tài)，這時候相關(guān)的啟動按鈕不可用，相關(guān)的手動開閥/關(guān)閥按鈕可用。例如：按下反應(yīng)膜L-101A1/A2反沖控制手動/自動切換按鈕HAK-101A，啟動按鈕XAS-101A、XAS-101AB、XAS-101AC不可用，手動開閥/關(guān)閥按鈕HS-101A/B/C/D可用，繼續(xù)按下反應(yīng)膜L-101B1/B2反沖控制手動/自動切換按鈕HAK-101B，啟動按鈕XAS-101B、XAS-101BC也不可用，手動開閥/關(guān)閥按鈕HS-102A/B/C/D可用。需要恢復(fù)自動狀態(tài)的時候，如果先將HAK-101A復(fù)位到自動狀態(tài)，則啟動按鈕XAS-101A、XAS-101AC恢復(fù)可用，XAS-101AB由于前面按下了HAK-101B，所以仍然不可用。

可用和不可用狀態(tài)：按鈕有可用狀態(tài)和不可用狀態(tài)，應(yīng)通過不同的顯示來區(qū)分（例如不同的顏色或其它方式）。啟動按鈕的不可用狀態(tài)分三種，第一種是由于自動運行導(dǎo)致的不可用，第二種是由于手動操作導(dǎo)致的不可用，第三種是由于自動運行和手動操作同時導(dǎo)致的不可用，這三種狀態(tài)應(yīng)能通過不同的顯示來區(qū)分（例如不同的圖標(biāo)、文字說明或其它方式）。

先自動運行后手動操作狀態(tài)：舉例說明，按下反應(yīng)膜L-101A1/A2 和L-101B1/B2輪流運行啟動按鈕XAS-101AB后，所有啟動按鈕不可用，對應(yīng)的手動/自動切換按鈕HAK-101A和HAK-101B不可用，如果接著按下手動/自動切換按鈕HAK-101C，手動開閥/關(guān)閥按鈕HS-103A/B/C/D可用，當(dāng)需要恢復(fù)啟動按鈕可用時，如果先按下的是反應(yīng)膜L-101A1/A2 和L-101B1/B2停止輪流運行按鈕XSS-101AB，則啟動按鈕XAS-101A、XAS-101B和XAS-101AB恢復(fù)可用，XAS-101C、XAS-101AC和XAS-101BC由于前面按下了HAK-101C，所以仍然不可用。

先手動操作后自動運行狀態(tài)不再做舉例說明。

2.4 順序控制過程的表達(dá)

邏輯功能圖、順控流程圖、順序控制系統(tǒng)時序圖是用符號表達(dá)出被控對象的動作順序、邏輯關(guān)系以及利用各種功能實現(xiàn)控制要求的順序圖。這是一種原理性圖，其特點是順序關(guān)系表達(dá)清晰明了，對編程、調(diào)試、檢查、排錯具有指導(dǎo)作用。對于順序控制來說，邏輯功能圖、順控流程圖、順序控制系統(tǒng)時序圖是邏輯功能設(shè)計階段表達(dá)邏輯關(guān)系的必要表達(dá)手段。

根據(jù)反沖控制程序的自身特點，筆者選擇了順控流程圖做為表達(dá)手段， 以L-101A1/A2單獨運行為例，見圖2。

2.5 反沖控制的故障監(jiān)控

在反沖控制程序里，每個膜的出料閥關(guān)閉后，反沖閥才能打開，反之也是如此，設(shè)計人員經(jīng)過和業(yè)主溝通后，認(rèn)為即使兩個閥短時間同時打開，也不會對生產(chǎn)過程造成危險，因此在順控流程圖里并沒有加入這個判斷條件，只設(shè)置了報警功能，報警條件是當(dāng)進料閥和反沖閥的閥位回迅同時都沒有顯示關(guān)到位時，DCS系統(tǒng)操作站上發(fā)出報警信號，提醒操作人員及時處理。

反沖過程中，反沖罐液位如果長時間沒有變化，就表示反沖程序可能出現(xiàn)了故障，因此操作人員通過定時觀察反沖罐液位的趨勢圖，也能及時發(fā)現(xiàn)是否有反沖故障。

3 結(jié)束語

DCS系統(tǒng)的工程師根據(jù)反沖控制程序說明書，比較順利地完成了整個控制程序的編程和組態(tài)工作，基本達(dá)到了設(shè)計文件預(yù)期的效果。

對于順序控制方案，順序控制部分在工藝包或業(yè)主方工藝人員提供的控制方案文檔中會描述得比較清楚，但對于人工控制部分往往沒有涉及或不夠具體，甚至業(yè)主也并不清楚自己需要怎樣的操作方式，這時候就需要設(shè)計人員先和業(yè)主進行初步的交流和溝通，在消化理解了整個控制流程和控制要求后，寫出詳細(xì)的控制說明書，說明書中應(yīng)有具體的操作方式和操作步驟，對于一些較難理解的地方，還可舉出實際的操作例子進行說明，在此控制說明書的基礎(chǔ)上，設(shè)計人員和業(yè)主再做進一步的討論并最終確定整個控制方案和流程。筆者將上述的設(shè)計過程和思路寫出來，供讀者在遇到類似的項目時做參考。

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