高忠仁（中冶焦耐工程技术有限公司，鞍山 114002）
褚昭昂（南京农业大学经济管理学院，南京 210095）
为使焦油均匀化以及防止焦油槽中重组分的沉积，要对A、B二个焦油槽进行搅拌，搅拌方式可以有多种，通常采用的循环搅拌方法是顺序控制过程，通过油泵和控制阀门切换循环往复对焦油储槽内的焦油进行搅拌。
1 控制系统分析
宝钢一期工程焦油工段的焦油循环搅拌控制系统是由日本横河电气工厂设计的，通过日本立石公司特制的步进继电器SR实现脉冲发生功能，配合重复定时器TR和中间继电器系统控制现场电磁阀的开和关，来完成整个循环搅拌过程。原系统由步进继电器SR和时间继电器TR组合完成，SR有2路控制输入端和5路输出端，TR具有输出脉冲时间（脉宽）设定功能，系统产生循环脉冲，下一个脉冲是在上一个脉冲结束后产生的，并且各脉宽相同，主要逻辑见图1。
由于对A、B二个焦油储槽进行操作，每个储槽均可以进行手动和自动操作，2个储槽共用一套控制系统，所以共有4种组合操作模式，分别是：手动操作模式、A自动操作模式、B自动操作模式和自动操作模式。在进行自动化控制系统改造过程中，采用先进的集散控制系统（以下简称DCS)，取消上述模拟器件，借助DCS软件和硬件完成上述控制功能，可以方便维护、减少备件并节省投资。
2 硬件构成
根据现场调研的结果，决定借助于焦油控制系统的改造，利用改造后DCS的硬件，直接用数字量输出（简称DO）的继电器控制现场电磁阀，不再增加其他配套设备，DCS硬件构成见图2。
3 系统功能实现
控制系统具有如下主要功能：
(1) 实时数据采集、处理、显示、控制和报警功能；
(2) 中文过程监控画面，可实时检测和显示相关参数，工艺流程图形象直观、动态显示各工艺参数；
(3) 控制设定值在线修改，异常情况下报警，各操作模式无扰切换；
(4) 对历史趋势数据进行存储和显示。
3.1 DCS功能简介
FOXBORO I/A Series（智能自动化系列）控制系统（简称I/A）是新一代开放式工业控制系统，主要用于生产过程的监视、控制、操作和管理。系统配置冗余通信网络、冗余供电电源、容错过程控制处理机站和高可靠通道隔离I/O卡，控制系统易于维护，操作简便，所有模件具有带电插拔能力，接线方便可靠。
I/A不仅有可靠的硬件，还有先进完善的系统软件和组态软件，该软件具有友好的人机界面，支持以太网络，可以很方便地实现远程监视等功能。
计算模块CALCA是I/A功能比较丰富的模块，它提供逻辑运算、算术运算和延时开关等功能，它的指令类似汇编语言，所有的运算都在一个先进后出的堆栈中进行。
3.2 应用软件构成原则
由于是对已经投产多年的工厂进行改造，操作维护人员非常熟悉原有的继电器控制系统，所以新控制系统设计除功能与原系统一致外，还与原系统在操作和外部特性上保持一致，以便于操作和技术人员对新系统的使用和维护。
3.3 人机界面
根据工艺生产要求，操作人员在原料搅拌控制画面（图3）上，通过按手动、自动、A自动、B自动按钮来选择适合的搅拌操作模式。操作人员也可以设定每次搅拌时间，时间单位是分钟。在手动状态下，可以通过人工点击阀门操作按钮来实现人工开关阀门的操作，这种手动操作一般用于在A、B两个焦油储槽间切换焦油时的操作。
3.4 应用软件的编制
全部应用软件采用CALCA模块完成，按规定的语句进行编制，无需进行编译，直接作为标准的CALCA模块下载到控制器后就可以执行，输入/输出以及运行状态都可以在标准的监视画面自动显示出来。全部CALCA模块由序列脉冲发生模块（T_2101SRSEQ）、A和B槽的脉冲分配和操作模式控制模块（T_2101ASEQ和T_2101BSEQ）以及运行计数模块（T_2101CYC）构成。
（1） 序列脉冲发生模块。序列脉冲发生模块用于产生符合一定顺序的脉冲序列，通过对其他输出通道状态判断，保证同一时刻只有一个通道有脉冲信号输出，逻辑构成见图4。
上述控制逻辑适合由继电器等常规器件构成的模拟控制系统，但是对于循环扫描的数字控制系统就不一样了。经测试发现，在第4通道脉冲输出结束后，有一个控制周期（设定为0.5s）系统所有输出通道会全部关闭，虽然由于阀门动作的滞后，现场气动阀门不会瞬间全部关闭，但是也不完全符合原系统要求。经分析，DCS与模拟控制系统不同，存在扫描周期，系统按顺序执行，每个扫描周期从第1通道到第4通道的顺序进行脉冲输出，如果在一个扫描周期恰好结束第4通道的脉冲输出，不能立即对第1通道进行脉冲输出，需要等到下一扫描周期才能完成对第1通道的脉冲输出，在此期间，所有通道都会没有脉冲输出。由于按顺序扫描时间周期问题的存在，需要进一步改进程序，补充第4个脉冲周期后，对第1通道进行脉冲输出的判断，考虑4通道脉冲宽度相等，同时对第一次输出的脉宽进行调整。序列脉冲发生模块（T_2101SRSEQ）主要程序清单如下，经检验程序完全满足生产要求。
NAME = 1TAR_I:T_2101SRSEQ
STEP01 = CST
STEP02 = MUL RI01 60.0
STEP03 = STM M01
STEP04 = OUT RO01
STEP05 = DEC
STEP06 = STM M02
STEP07 = SUB RI08 1
STEP08 = STM M03
STEP09 = BIN 46
STEP10 = AND ~BO03 ~BO04
STEP11 = AND ~BO02
STEP12 = OSP M02
STEP13 = OUT BO01
STEP14 = AND ~BO03 ~BO04
STEP15 = AND ~BO01
STEP16 = OSP M01
STEP17 = OUT BO02
STEP18 = AND ~BO01 ~BO02
STEP19 = AND ~BO04
STEP20 = OSP M01
STEP21 = OUT BO03
STEP22 = AND ~BO01 ~BO02
STEP23 = AND ~BO03
STEP24 = OSP M01
STEP25 = OUT BO04
STEP26 = AND ~BO02 ~BO03
STEP27 = AND ~BO04
STEP28 = OSP 1
STEP29 = BIF 31
STEP30 = OUT BO01
…
STEP50 = END
END
（2）脉冲分配模块。由脉冲分配和操作模式控制模块（T_2101ASEQ和T_2101BSEQ）来完成脉冲分配和操作模式控制功能，能对上一模块产生的脉冲进行自动分配，通过判断操作模式来分配各DO通道脉冲的输出，输出的脉冲直接驱动现场电磁阀。
（3）操作模式控制模块。4种操作模式间的切换考虑尽量简单而少的操作步骤。原系统从自动状态切换到手动操作后，系统只能在人工预定的开关状态下工作，新系统结合现场多年实际操作情况，为保证在切换瞬间是无扰动的，一般情况下，搅拌阀输出会停留在切换前的状态，但从任何状态切换到A（或B）自动模式，无论切换前A（或B）槽搅拌阀处于什么状态，切换后都自动关闭A（或B）槽搅拌阀。
通过设定一个整型枚举量代表各种工作模式的操作和显示，每种操作不重复而且具有唯一的一个标识，为操作方便，在人机界面（图3）上还分别设计了4个快捷操作按钮。
（4）运行计数模块。原继电器系统没有自动循环运行统计功能，本次改造增加对自动切换操作次数进行统计的功能，用以监视搅拌阀切换次数，自动累积系统处于自动状态时的循环次数，可以克服现场反馈信号故障时对操作人员的影响。采用单脉冲触发，在自动状态能连续计数，在手动模式停止计数并清零。
4 运行效果
由于实施前已经对程序进行严格分析和测试，并经操作人员模拟操作检验合格，自2007年1月系统在上海宝钢化工分公司投入运行以来，用户反映完全满足要求，操作简单可靠。实际运行表明，该系统性能稳定、功能齐全、控制精度高。
5 结束语
计算机技术的飞速发展，不但使复杂的过程控制成为可能，而且系统构成更加方便与灵活。现代控制系统为用户提供多种开发手段，如果充分利用这些资源，通过常规和简单的办法，可以简化开发过程，提高应用软件开发效率，还可以实现非常规的复杂控制功能。模拟控制和基于顺序扫描的数字控制设备在实际应用过程中会有差异，特别是进行循环逻辑回路的数字控制时会受采样和顺序扫描方式的制约，在应用软件开发过程中要充分考虑上述因素的影响。
