顺控程序的设计思路

李思炜

摘 要：顺控程序一般由PLC或DCS系统实现，具体的程序编写和组态工作由系统提供商负责完成，作为设计单位的工作主要是如何把控制要求准确、完整和清晰地表达出来，从而可尽量避免在后期开工调试和生产试运行时再进行反复修改。本文以某化工装置的反冲控制为例，介绍了顺控程序的设计思路、设计过程以及需要注意的地方。

关键词：顺序控制；反冲控制；控制按钮；顺控流程图

自动控制系统一般分为连续量控制系统和断续量控制系统，其中前者以反馈控制系统为主，反馈控制除了简单的单回路控制，常见的还有串级控制、比值控制、分程控制等等，后者主要以顺序控制为主，顺序控制一般分为两类，一类是直接按预先输入的指令。按操作顺序产生操作信号对生产过程进行操作；另一类则是需要检测某些生产过程信号，根据这些生产过程信号的情况和预先输入的指令，顺序控制装置顺序产生操作信号对生产过程进行操作。

在石油化工行业中，自控设计人员接触最多的一般是反馈控制系统，顺序控制系统多数情况下随工艺设备或机械设备由厂家成套集成，在整个装置或整个工程的设计中，自控设计人员一般只是协助业主确认仪表选型，与设备厂家确定分工界面和接口，负责外围的配套设计，但有时候业主从节省投资的角度考虑，希望由设计单位来完成此部分的设计内容。笔者以某化工装置的反应液膜分离系统为例，阐述了在该系统中反冲控制程序的设计思路和方法。

1 项目概况

某新建化工装置的生产过程控制采用分散型控制系统（简称DCS），该装置的反应液膜分离系统的反冲控制部分也由DCS系统执行，现场的执行元件为气动控制阀门。下图是反应液膜分离系统的基本流程（实际流程是6个反应膜），和反冲控制相关的现场仪表只有反冲阀和进料阀，其中反冲阀的工艺参数为：操作温度70℃，操作压力1.2MPa.G，工艺介质是反应清液，工艺管线直径和材质分别是DN50和06Cr19Ni10，出料阀的工艺参数除操作压力为0.6MPa.G外，其它参数和反冲阀一样。控制阀门的选型相对比较简单，笔者选用了气动全通径直通球阀（两位开关型），由于阀门关断时间要求不大于1秒，对阀内件硬度要求较高，因此阀芯和阀座材质要求堆焊司太莱合金。

根据业主提供的反冲控制方案，设计人员的主要工作就是将这份控制方案进行细化，形成一份详细的反冲控制程序说明书，DCS系统的组态工程师根据这份设计文件完成编程和组态工作.。

2 反冲控制程序的设计思路

2.1 工艺过程需求说明

首先应该把用户的需求表达出来，以便让有关人员了解这个程序的用途和需要实现的基本功能，在本文的例子里，就是用户的工艺过程需求。

对工艺过程需求的说明：①反冲对象：反应膜L-101A1、L-101A2、L-101B1、L-101B2、L-101C1、L-101C2，共6个膜。②反冲执行元件：每个膜设有1个反冲阀和1个出料阀。③反冲目的：防止膜管堵塞。④反应膜的运行情况可能有：膜A1/A2、膜B1/B2、膜C1/C2三组单独运行或其中任意两组组合轮流运行。根据投运膜的情况启动不同的反冲程序，1个膜的反冲基本步骤为：关闭出料阀，延时X秒（时间可调），开反冲阀，延时X秒（时间可调）；反冲阀和出料阀同时复位，即反冲阀关，出料阀开，单个膜完成反冲，间隔X分钟后（时间可调），该膜再次反冲。

2.2 操作界面的总体要求

详细的操作界面一般是在项目实施阶段由DCS系统厂商和业主共同制定，但对于一些设计人员认为关键和必要的地方，可在设计文件中增加此部分的说明。对操作界面的总体要求：①能指示顺序控制的步骤，并能查看每一步动作完成的情况。②建立阀门状态列表，能显示每个阀门的开关状态，手动/自动状态等。③具有“自动”和“手动”两种工作模式，其中“手动模式”中，可以在操作站的阀门状态列表内对阀门进行开关动作，工作模式的切换，只允许具有特定操作权限人员进行切换。

2.3 控制按钮说明

业主提供的反冲控制方案，缺少对人工控制部分的说明，经过设计人员与业主的反复沟通，逐项讨论每个具体的操作步骤，明确了业主对人工干预和人工操作的要求。

由于反冲控制程序需要设置较多的控制按钮，因此需要对控制按钮的数量、类型、功能、仪表位号、各个阶段的状态等方面做详细的定义，必要时可举例说明具体的操作过程。对控制按钮的定义：

2.3.1 控制按钮分以下几种类型

启动按钮（瞬时型）：反冲程序执行。

停止按钮（瞬时型）：停止反冲程序，并将阀门复位到初始状态（出料阀开，反冲阀关）。

手动开阀/关阀按钮（交替型，调试用）：可以手动打开或关闭反冲阀和出料阀，进行手动反冲。

手动/自动切换按钮（交替型）：当切换到手动状态时，启动按钮不可用；当切换到自动状态时，阀门复位到初始状态，手动开阀/关阀按钮不可用。

2.3.2 反冲控制程序启动按钮有6个

①L-101A1/A2单独运行（XAS-101A）。

②L-101A1/A2 和L-101B1/B2轮流运行（XAS-101AB）。

③（其余4个按钮编制方法相同，在此省略）。

2.3.3 反冲控制程序停止按钮为6个，对应各自的启动按钮

①L-101A1/A2停止单独运行（XSS-101A）。

②L-101A1/A2 和L-101B1/B2停止轮流运行（XSS-101AB）。

③其余4个按钮编制方法相同，在此省略）。

2.3.4 手动开阀/关阀按钮为12个

①L-101A1反冲液进口管开关阀XV-101A手动遥控（HS-101A）。

②L-101A1反应清液出口管开关阀XV-101B手動遥控（HS-101B）。

③L-101A2反冲液进口管开关阀XV-101C手动遥控（HS-101C）。

④L-101A2反应清液出口管开关阀XV-101D手动遥控（HS-101D）。

⑤L-101B1反冲液进口管开关阀XV-102A手动遥控（HS-102A）。

⑥L-101B1反应清液出口管开关阀XV-102B手动遥控（HS-102B）。

⑦（其余6个按钮编制方法相同，在此省略）。

2.3.5 手动/自动切换按钮为3个

①L-101A1/A2反冲控制手动/自动切换（HAK-101A）。

②L-101B1/B2反冲控制手动/自动切换（HAK-101B）。

③L-101C1/C2反冲控制手动/自动切换（HAK-101C）。

2.3.6 控制按钮的各种状态

初始状态：手动/自动切换按钮位于自动状态并且可用，启动按钮可用，手动开/关阀按钮不可用，停止按钮在任何状态下都可用而不管按下该停止按钮的动作是否有意义（但应有提示）。

自动运行状态：当按下某一启动按钮后，所有的启动按钮不可用，对应的手动/自动切换按钮不可用。只有停止该反冲程序后，所有的启动按钮和对应的手动/自动切换按钮才恢复可用。例如，按下反应膜L-101A1/A2 和L-101B1/B2轮流运行启动按钮XAS-101AB后，所有的启动按钮不可用（包括XAS-101AB），对应的手动/自动切换按钮HAK-101A和HAK-101B不可用，只有按下反应膜L-101A1/A2 和L-101B1/B2停止轮流运行按钮XSS-101AB后，所有的启动按钮和对应的手动/自动切换按钮才恢复可用。

手动操作状态：首先要将手动/自动切换按钮切换到手动状态，这时候相关的启动按钮不可用，相关的手动开阀/关阀按钮可用。例如：按下反应膜L-101A1/A2反冲控制手动/自动切换按钮HAK-101A，启动按钮XAS-101A、XAS-101AB、XAS-101AC不可用，手动开阀/关阀按钮HS-101A/B/C/D可用，继续按下反应膜L-101B1/B2反冲控制手动/自动切换按钮HAK-101B，启动按钮XAS-101B、XAS-101BC也不可用，手动开阀/关阀按钮HS-102A/B/C/D可用。需要恢复自动状态的时候，如果先将HAK-101A复位到自动状态，则启动按钮XAS-101A、XAS-101AC恢复可用，XAS-101AB由于前面按下了HAK-101B，所以仍然不可用。

可用和不可用状态：按钮有可用状态和不可用状态，应通过不同的显示来区分（例如不同的颜色或其它方式）。启动按钮的不可用状态分三种，第一种是由于自动运行导致的不可用，第二种是由于手动操作导致的不可用，第三种是由于自动运行和手动操作同时导致的不可用，这三种状态应能通过不同的显示来区分（例如不同的图标、文字说明或其它方式）。

先自动运行后手动操作状态：举例说明，按下反应膜L-101A1/A2 和L-101B1/B2轮流运行启动按钮XAS-101AB后，所有启动按钮不可用，对应的手动/自动切换按钮HAK-101A和HAK-101B不可用，如果接着按下手动/自动切换按钮HAK-101C，手动开阀/关阀按钮HS-103A/B/C/D可用，當需要恢复启动按钮可用时，如果先按下的是反应膜L-101A1/A2 和L-101B1/B2停止轮流运行按钮XSS-101AB，则启动按钮XAS-101A、XAS-101B和XAS-101AB恢复可用，XAS-101C、XAS-101AC和XAS-101BC由于前面按下了HAK-101C，所以仍然不可用。

先手动操作后自动运行状态不再做举例说明。

2.4 顺序控制过程的表达

逻辑功能图、顺控流程图、顺序控制系统时序图是用符号表达出被控对象的动作顺序、逻辑关系以及利用各种功能实现控制要求的顺序图。这是一种原理性图，其特点是顺序关系表达清晰明了，对编程、调试、检查、排错具有指导作用。对于顺序控制来说，逻辑功能图、顺控流程图、顺序控制系统时序图是逻辑功能设计阶段表达逻辑关系的必要表达手段。

根据反冲控制程序的自身特点，笔者选择了顺控流程图做为表达手段， 以L-101A1/A2单独运行为例，见图2。

2.5 反冲控制的故障监控

在反冲控制程序里，每个膜的出料阀关闭后，反冲阀才能打开，反之也是如此，设计人员经过和业主沟通后，认为即使两个阀短时间同时打开，也不会对生产过程造成危险，因此在顺控流程图里并没有加入这个判断条件，只设置了报警功能，报警条件是当进料阀和反冲阀的阀位回迅同时都没有显示关到位时，DCS系统操作站上发出报警信号，提醒操作人员及时处理。

反冲过程中，反冲罐液位如果长时间没有变化，就表示反冲程序可能出现了故障，因此操作人员通过定时观察反冲罐液位的趋势图，也能及时发现是否有反冲故障。

3 结束语

DCS系统的工程师根据反冲控制程序说明书，比较顺利地完成了整个控制程序的编程和组态工作，基本达到了设计文件预期的效果。

对于顺序控制方案，顺序控制部分在工艺包或业主方工艺人员提供的控制方案文档中会描述得比较清楚，但对于人工控制部分往往没有涉及或不够具体，甚至业主也并不清楚自己需要怎样的操作方式，这时候就需要设计人员先和业主进行初步的交流和沟通，在消化理解了整个控制流程和控制要求后，写出详细的控制说明书，说明书中应有具体的操作方式和操作步骤，对于一些较难理解的地方，还可举出实际的操作例子进行说明，在此控制说明书的基础上，设计人员和业主再做进一步的讨论并最终确定整个控制方案和流程。笔者将上述的设计过程和思路写出来，供读者在遇到类似的项目时做参考。

参考文献：

[1]孙洪程，翁唯勤.过程控制工程设计[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2]隋欣.浅谈聚丙烯装置中PDS控制系统的设计[J].石油化工自动化，2016，52（01）：23-24.