摘要：本文從控制系統結構入手，探討將一個(gè)復雜的工業(yè)軟件控制系統分解為多個(gè)簡(jiǎn)單的控制單元的實(shí)現方法。對控制單元劃分原則，控制單元的控制字、控制對象的狀態(tài)字的定義等進(jìn)行了初步探討。

    關(guān)鍵詞：系統結構；控制單元；控制字；控制對象；狀態(tài)字

   在信息化社會(huì )的今天，實(shí)現工廠(chǎng)信息化已經(jīng)很普遍，但工廠(chǎng)的信息化必須基于生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，基礎自動(dòng)化系統的設計仍然非常重要。在一個(gè)工業(yè)過(guò)程中，工藝流程、設備功能已經(jīng)確定的情況下，如何規劃制定軟件控制系統實(shí)現方案是決定這個(gè)控制系統優(yōu)劣的關(guān)鍵，特別是在沒(méi)有可直接參考案例的情況下，可能決定了方案是否成敗。

    一個(gè)復雜的生產(chǎn)流程有眾多的設備參與，每個(gè)設備又可能有多個(gè)不同的功能，在進(jìn)行基礎自動(dòng)化系統架構時(shí)，要考慮的有如下三個(gè)方面：一是實(shí)現設備的功能，二是人機交互能力，三是為實(shí)現信息化所需的基礎數據庫。對不同的生產(chǎn)線(xiàn)和企業(yè)，后兩項要求不盡相同，但第一項都是必須的。對于一個(gè)復雜的生產(chǎn)流程，有順序控制和模擬控制，順序控制保證生產(chǎn)過(guò)程的完成，模擬控制一般是為了保證質(zhì)量指標。模擬控制除簡(jiǎn)單的分段控制外，其它如PID控制以及高級的模糊控制等，不宜以簡(jiǎn)單的控制單元來(lái)劃分。本文針對第一項內容，如何將一個(gè)復雜的順序控制系統分解為多個(gè)簡(jiǎn)單的控制單元進(jìn)行探討。

    1 系統結構的選擇

    一個(gè)復雜的控制系統通常按模塊化組織程序。筆者通過(guò)多年的實(shí)踐摸索，在劃分大的模塊結構基礎上，每個(gè)模塊再細分為控制單元，為控制單元配置控制字，控制單元按控制字獨立運行。每個(gè)控制對象配置狀態(tài)字，控制單元加載、加工、釋放被控對象并刷新?tīng)顟B(tài)字信息，作為控制單元間數據接口的載體?？刂谱旨盃顟B(tài)字在系統結構設計階段統一規劃，參與開(kāi)發(fā)的人員按統一的設計要求開(kāi)發(fā)各個(gè)控制單元，讀寫(xiě)控制字和狀態(tài)字，使程序設計易于多人合作開(kāi)發(fā)，后期整合。由于每個(gè)控制單元和控制對象都有明確單一的狀態(tài)信息，使得功能模擬調試、系統測試變得簡(jiǎn)單方便。

    2 控制單元劃分的原則

    劃分系統的控制單元，首先一個(gè)主控單元是必須的，需要從結構上保證整個(gè)系統完整，其次就是規劃每個(gè)具有特定功能的控制單元，一般按如下原則劃分:

    （1）每個(gè)控制單元具有獨立的功能；

   （2）功能動(dòng)作必須連續完成。動(dòng)作之間不允許停頓等待，如停頓就會(huì )造成設備工作的中斷或故障；如果設備和被控對象允許動(dòng)作之間等待，就應再細分控制單元；

   （3）功能動(dòng)作沒(méi)有分支。如果有分支，且分支與之前的動(dòng)作間不允許停頓，則分支動(dòng)作連同之前的動(dòng)作劃分在一個(gè)控制單元中。如機械臂，有三個(gè)動(dòng)作，直行、左轉、右轉，如果允許直行過(guò)程中或完成后判斷左轉或右轉，則左轉右轉劃分為單獨控制單元，如在直行前必須明確左轉或右轉，則分為直行左轉、直行右轉兩個(gè)控制單元；

    （4）外部運行限制條件明確，簡(jiǎn)單；

    （5）運行結果確定，可識別。為使控制系統完整，一般還需要一些輔助單元，如報警、故障處理等。

   3 控制字、狀態(tài)字的設計

    控制字相對于控制單元，控制單元的控制字包括如下標識：加載新控制對象，單元控制功能啟動(dòng)，單元內部每個(gè)獨立動(dòng)作的開(kāi)始、過(guò)程中、完成，全部功能的完成，控制對象的釋放、控制單元的故障狀態(tài)等?？刂谱值膯?dòng)標識由前序控制單元的完成標識刷新。

    狀態(tài)字相對于控制對象，控制對象狀態(tài)字中包含如下信息:本身的編碼，需要進(jìn)行的加工程序，已經(jīng)完成了哪些加工程序，正在進(jìn)行哪些加工程序，哪些加工程序沒(méi)有進(jìn)行，在全部生產(chǎn)過(guò)程中的位置。如果控制對象在某個(gè)環(huán)節允許重復加工直至合格或剔除，則還應含有再加工或排出加工序列的信息?？刂谱?、狀態(tài)字盡可能使用二進(jìn)制字或字節，更有利于監控和程序運算 。

    除了控制字、狀態(tài)字，各個(gè)控制單元的工況信息、控制對象的質(zhì)量指標信息等也應進(jìn)行檢測記錄，作為質(zhì)量檢測的標準，為順序控制的進(jìn)行提供必要的限制。

    4 控制系統的組織

    整個(gè)控制系統的組織運行靠主控單元協(xié)調和控制字狀態(tài)字信息的傳遞。

    作為一個(gè)生產(chǎn)控制流程，不斷的有生產(chǎn)對象被加工完成輸出，同時(shí)不斷有新對象進(jìn)入流程。當一個(gè)對象進(jìn)入流程等待隊列時(shí)，就開(kāi)始賦予狀態(tài)標識，等待加工。

    流程中控制單元的運行順序有兩種基本的方式，一是串行控制，一是并行控制。串行控制就是相關(guān)控制單元施加于控制對象的動(dòng)作功能按預定順序完成，前后相關(guān)。并行控制是具有相同功能的控制單元同時(shí)工作，對幾個(gè)控制對象同時(shí)動(dòng)作。這兩種控制方式的選擇，取決于設備功能，看設備是否可以對幾個(gè)對象同時(shí)加工，或幾個(gè)同樣功能的設備同時(shí)工作。

    串行控制的各個(gè)單元，接收上一個(gè)單元發(fā)來(lái)的啟動(dòng)標志，啟動(dòng)本單元功能，對控制對象進(jìn)行加工，加工過(guò)程中刷新自己的控制字，自我調控單元功能完成。達到預期的控制結果時(shí)，將加工結果寫(xiě)入控制對象的狀態(tài)字中，釋放對控制對象，清空自己的控制字，準備接收下一個(gè)控制對象。

    當幾個(gè)控制單元并行控制時(shí)，某個(gè)控制單元空閑下來(lái)時(shí)，再次啟動(dòng)不由上一個(gè)環(huán)節傳遞控制字標識，而是捕捉進(jìn)入生產(chǎn)流程中特定對象群體（或全部對象）中每一個(gè)對象的狀態(tài)信息，找到第一個(gè)滿(mǎn)足需要被本單元加工要求的對象，加載該對象并開(kāi)始工作，直到工作完成，釋放這個(gè)對象。因此，并行控制的幾個(gè)單元可以同時(shí)工作。

    有些生產(chǎn)流程允許控制對象重復加工或作為廢品剔除，重復加工則根據對象的狀態(tài)字信息，自動(dòng)返回等待序列，再次加工，剔除則進(jìn)入剔除控制單元，離開(kāi)生產(chǎn)線(xiàn)。

    當控制字狀態(tài)字設置使用充分合理，各個(gè)控制單元之間通過(guò)控制字和狀態(tài)字傳遞信息，整個(gè)控制系統可以高效有序的運轉，這時(shí)，主控單元的作用主要是形式上將各個(gè)控制單元結合起來(lái)，保證結構完整。出現特例時(shí)，由主控單元處理。

    5 控制系統的優(yōu)化設計

    在設計控制系統結構時(shí)，盡可能多使用并行控制方式。

    串行控制方式下，一個(gè)控制環(huán)節停止工作，至少前序流程將停止工作。而并行方式，僅僅是降低了生產(chǎn)效率，系統流程不會(huì )停下來(lái)。很明顯，采用何種控制方式更多的受設備功能限制，但在設備條件允許的情況下，軟件系統應使設備最大限度發(fā)揮能力。

    一個(gè)控制系統設計，應滿(mǎn)足較好的維護、監控性能，以及良好的運行穩定性能。盡可能細致的劃分控制單元并采用控制字狀態(tài)字的方式，可以做到全程監控，及時(shí)直接的發(fā)現生產(chǎn)流程中存在的問(wèn)題。以控制字狀態(tài)字作為各單元間接口數據，使的各控制單元的工作處于滿(mǎn)足條件即啟動(dòng)，加載控制對象，完成工作即釋放對象這樣一種狀態(tài)，條件明確單一，使得系統測試簡(jiǎn)單有效，最大限度發(fā)現并減少影響系統運行的因素，提高控制系統運行穩定性能。系統需要時(shí)，全流程控制對象狀態(tài)字的應用也為高級系統提供了全面的實(shí)時(shí)數據。

    6 實(shí)施案例

    按照上述控制系統設計原則，我們設計了高爐上料控制系統。圖1所示是一個(gè)高爐上料系統槽下部分的示意圖，在這個(gè)系統中，存放在料倉中的多種原料按照一定的配比和順序分批次循環(huán)輸送到高爐頂部。
   
                      
                                               圖1 高爐上料系統示意圖

    ａ、ｂ、ｃ等多種含鐵原料存放在各自礦倉中，ｄ、ｅ為焦炭（燃料）存放在焦炭倉中。在高爐上料時(shí)以料批循環(huán)的形式周期上料，每批料可以是礦批（以O表示）或焦批（以Ｃ表示），其中礦批由ａ、ｂ、ｃ三種料以每批不同的配比組成，焦批由ｄ或ｅ或ｄ、ｅ混合組成，一個(gè)上料循環(huán)一般由至少四批料組成或更多，如兩個(gè)礦批插入一個(gè)焦批，再接續另外兩個(gè)礦批，一個(gè)焦批，以符號表示為OOCOOC。料批組成、排放順序及配料重量等信息存儲在備料表中，備料表設置料批指針，隨料批循環(huán)前移返回。

    上料時(shí)，總要提前準備好將要輸送的料批，一般提前備好兩個(gè)焦批兩個(gè)礦批。準備礦批時(shí)首先將所需a、b、c料種按配料重量排放到各自的礦稱(chēng)斗，下部的中間礦斗一旦有排空的，立即將a、b、c料種按規定的順序排放到空的中間斗中，等待排放。焦批的準備少一個(gè)環(huán)節，直接排放到焦炭稱(chēng)量斗等待排放。按料批循環(huán)需要上某批料時(shí)，打開(kāi)對應的礦中斗或焦稱(chēng)斗，將料排放到皮帶上輸送至高爐頂部。為加快上料速度且不造成料批的混淆，在上料皮帶上，上一批料離開(kāi)料斗一段距離后，下一批料就開(kāi)始排放。

    在設計這個(gè)系統時(shí)，每個(gè)礦稱(chēng)斗、焦稱(chēng)斗、中間斗的裝料、排料控制設計為獨立的控制單元。每批料作為控制對象，其中礦批進(jìn)入到中間斗前，每個(gè)料種又是獨立的控制對象。向稱(chēng)斗中備料的計量是模擬量控制，參與稱(chēng)斗的裝料控制。

    為控制循環(huán)上料，設計有專(zhuān)門(mén)的指針控制單元。

    稱(chēng)斗裝料控制字有允許裝料、開(kāi)始裝料、正在裝料、裝料完成、故障狀態(tài)等。

    稱(chēng)斗排料控制字有允許排料、開(kāi)始排料、正在排料、排料完成、故障狀態(tài)等。

    中間斗的裝料控制字有允許裝料、開(kāi)始裝料、正在裝料、料滿(mǎn)、故障狀態(tài)等。

    中間斗的排料控制字有允許排料、開(kāi)始排料、正在排料、料空、故障狀態(tài)等。

    料批的狀態(tài)字有料批號、允許準備、料在稱(chēng)斗中、中斗中、皮帶上的位置，以及料正在排放到上述三個(gè)設備過(guò)程中等信息，附加的信息還有配料種類(lèi)、重量、排放時(shí)間等。

    新的一批準備備料時(shí)，所需礦料和焦炭以新的控制對象進(jìn)入備料序列，從備料表中讀取備料信息寫(xiě)入各自料種狀態(tài)字中。包括料批號、料種類(lèi)別、重量等。隨著(zhù)備料進(jìn)行，使用的礦倉號、中斗號，排放時(shí)間等都是狀態(tài)信息。

   為了加快備料進(jìn)程，在不同料倉中的同一種料的控制是并行控制，其它流程為串行控制。通過(guò)控制字及狀態(tài)字，各控制單元協(xié)調工作，主控單元從結構上將各個(gè)控制單元及外圍設備的控制組織在一起，并對預設的特例情況如料批表的變化，人工干預等進(jìn)行處理。

    胡寶成（1967-）

   男，副高工，主要從事冶金自動(dòng)化系統的設計開(kāi)發(fā)，曾獲中鋼協(xié)科技進(jìn)步二等獎。   

    摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第四期