《自动化博览》

    摘要：本文从控制系统结构入手，探讨将一个复杂的工业软件控制系统分解为多个简单的控制单元的实现方法。对控制单元划分原则，控制单元的控制字、控制对象的状态字的定义等进行了初步探讨。

    关键词：系统结构；控制单元；控制字；控制对象；状态字

   在信息化社会的今天，实现工厂信息化已经很普遍，但工厂的信息化必须基于生产过程的自动化，基础自动化系统的设计仍然非常重要。在一个工业过程中，工艺流程、设备功能已经确定的情况下，如何规划制定软件控制系统实现方案是决定这个控制系统优劣的关键，特别是在没有可直接参考案例的情况下，可能决定了方案是否成败。

    一个复杂的生产流程有众多的设备参与，每个设备又可能有多个不同的功能，在进行基础自动化系统架构时，要考虑的有如下三个方面：一是实现设备的功能，二是人机交互能力，三是为实现信息化所需的基础数据库。对不同的生产线和企业，后两项要求不尽相同，但第一项都是必须的。对于一个复杂的生产流程，有顺序控制和模拟控制，顺序控制保证生产过程的完成，模拟控制一般是为了保证质量指标。模拟控制除简单的分段控制外，其它如PID控制以及高级的模糊控制等，不宜以简单的控制单元来划分。本文针对第一项内容，如何将一个复杂的顺序控制系统分解为多个简单的控制单元进行探讨。

    1 系统结构的选择

    一个复杂的控制系统通常按模块化组织程序。笔者通过多年的实践摸索，在划分大的模块结构基础上，每个模块再细分为控制单元，为控制单元配置控制字，控制单元按控制字独立运行。每个控制对象配置状态字，控制单元加载、加工、释放被控对象并刷新状态字信息，作为控制单元间数据接口的载体。控制字及状态字在系统结构设计阶段统一规划，参与开发的人员按统一的设计要求开发各个控制单元，读写控制字和状态字，使程序设计易于多人合作开发，后期整合。由于每个控制单元和控制对象都有明确单一的状态信息，使得功能模拟调试、系统测试变得简单方便。

    2 控制单元划分的原则

    划分系统的控制单元，首先一个主控单元是必须的，需要从结构上保证整个系统完整，其次就是规划每个具有特定功能的控制单元，一般按如下原则划分:

    （1）每个控制单元具有独立的功能；

   （2）功能动作必须连续完成。动作之间不允许停顿等待，如停顿就会造成设备工作的中断或故障；如果设备和被控对象允许动作之间等待，就应再细分控制单元；

   （3）功能动作没有分支。如果有分支，且分支与之前的动作间不允许停顿，则分支动作连同之前的动作划分在一个控制单元中。如机械臂，有三个动作，直行、左转、右转，如果允许直行过程中或完成后判断左转或右转，则左转右转划分为单独控制单元，如在直行前必须明确左转或右转，则分为直行左转、直行右转两个控制单元；

    （4）外部运行限制条件明确，简单；

    （5）运行结果确定，可识别。为使控制系统完整，一般还需要一些辅助单元，如报警、故障处理等。

   3 控制字、状态字的设计

    控制字相对于控制单元，控制单元的控制字包括如下标识：加载新控制对象，单元控制功能启动，单元内部每个独立动作的开始、过程中、完成，全部功能的完成，控制对象的释放、控制单元的故障状态等。控制字的启动标识由前序控制单元的完成标识刷新。

    状态字相对于控制对象，控制对象状态字中包含如下信息:本身的编码，需要进行的加工程序，已经完成了哪些加工程序，正在进行哪些加工程序，哪些加工程序没有进行，在全部生产过程中的位置。如果控制对象在某个环节允许重复加工直至合格或剔除，则还应含有再加工或排出加工序列的信息。控制字、状态字尽可能使用二进制字或字节，更有利于监控和程序运算 。

    除了控制字、状态字，各个控制单元的工况信息、控制对象的质量指标信息等也应进行检测记录，作为质量检测的标准，为顺序控制的进行提供必要的限制。

    4 控制系统的组织

    整个控制系统的组织运行靠主控单元协调和控制字状态字信息的传递。

    作为一个生产控制流程，不断的有生产对象被加工完成输出，同时不断有新对象进入流程。当一个对象进入流程等待队列时，就开始赋予状态标识，等待加工。

    流程中控制单元的运行顺序有两种基本的方式，一是串行控制，一是并行控制。串行控制就是相关控制单元施加于控制对象的动作功能按预定顺序完成，前后相关。并行控制是具有相同功能的控制单元同时工作，对几个控制对象同时动作。这两种控制方式的选择，取决于设备功能，看设备是否可以对几个对象同时加工，或几个同样功能的设备同时工作。

    串行控制的各个单元，接收上一个单元发来的启动标志，启动本单元功能，对控制对象进行加工，加工过程中刷新自己的控制字，自我调控单元功能完成。达到预期的控制结果时，将加工结果写入控制对象的状态字中，释放对控制对象，清空自己的控制字，准备接收下一个控制对象。

    当几个控制单元并行控制时，某个控制单元空闲下来时，再次启动不由上一个环节传递控制字标识，而是捕捉进入生产流程中特定对象群体（或全部对象）中每一个对象的状态信息，找到第一个满足需要被本单元加工要求的对象，加载该对象并开始工作，直到工作完成，释放这个对象。因此，并行控制的几个单元可以同时工作。

    有些生产流程允许控制对象重复加工或作为废品剔除，重复加工则根据对象的状态字信息，自动返回等待序列，再次加工，剔除则进入剔除控制单元，离开生产线。

    当控制字状态字设置使用充分合理，各个控制单元之间通过控制字和状态字传递信息，整个控制系统可以高效有序的运转，这时，主控单元的作用主要是形式上将各个控制单元结合起来，保证结构完整。出现特例时，由主控单元处理。

    5 控制系统的优化设计

    在设计控制系统结构时，尽可能多使用并行控制方式。

    串行控制方式下，一个控制环节停止工作，至少前序流程将停止工作。而并行方式，仅仅是降低了生产效率，系统流程不会停下来。很明显，采用何种控制方式更多的受设备功能限制，但在设备条件允许的情况下，软件系统应使设备最大限度发挥能力。

    一个控制系统设计，应满足较好的维护、监控性能，以及良好的运行稳定性能。尽可能细致的划分控制单元并采用控制字状态字的方式，可以做到全程监控，及时直接的发现生产流程中存在的问题。以控制字状态字作为各单元间接口数据，使的各控制单元的工作处于满足条件即启动，加载控制对象，完成工作即释放对象这样一种状态，条件明确单一，使得系统测试简单有效，最大限度发现并减少影响系统运行的因素，提高控制系统运行稳定性能。系统需要时，全流程控制对象状态字的应用也为高级系统提供了全面的实时数据。

    6 实施案例

    按照上述控制系统设计原则，我们设计了高炉上料控制系统。图1所示是一个高炉上料系统槽下部分的示意图，在这个系统中，存放在料仓中的多种原料按照一定的配比和顺序分批次循环输送到高炉顶部。
   
                      
                                               图1 高炉上料系统示意图

    ａ、ｂ、ｃ等多种含铁原料存放在各自矿仓中，ｄ、ｅ为焦炭（燃料）存放在焦炭仓中。在高炉上料时以料批循环的形式周期上料，每批料可以是矿批（以O表示）或焦批（以Ｃ表示），其中矿批由ａ、ｂ、ｃ三种料以每批不同的配比组成，焦批由ｄ或ｅ或ｄ、ｅ混合组成，一个上料循环一般由至少四批料组成或更多，如两个矿批插入一个焦批，再接续另外两个矿批，一个焦批，以符号表示为OOCOOC。料批组成、排放顺序及配料重量等信息存储在备料表中，备料表设置料批指针，随料批循环前移返回。

    上料时，总要提前准备好将要输送的料批，一般提前备好两个焦批两个矿批。准备矿批时首先将所需a、b、c料种按配料重量排放到各自的矿称斗，下部的中间矿斗一旦有排空的，立即将a、b、c料种按规定的顺序排放到空的中间斗中，等待排放。焦批的准备少一个环节，直接排放到焦炭称量斗等待排放。按料批循环需要上某批料时，打开对应的矿中斗或焦称斗，将料排放到皮带上输送至高炉顶部。为加快上料速度且不造成料批的混淆，在上料皮带上，上一批料离开料斗一段距离后，下一批料就开始排放。

    在设计这个系统时，每个矿称斗、焦称斗、中间斗的装料、排料控制设计为独立的控制单元。每批料作为控制对象，其中矿批进入到中间斗前，每个料种又是独立的控制对象。向称斗中备料的计量是模拟量控制，参与称斗的装料控制。

    为控制循环上料，设计有专门的指针控制单元。

    称斗装料控制字有允许装料、开始装料、正在装料、装料完成、故障状态等。

    称斗排料控制字有允许排料、开始排料、正在排料、排料完成、故障状态等。

    中间斗的装料控制字有允许装料、开始装料、正在装料、料满、故障状态等。

    中间斗的排料控制字有允许排料、开始排料、正在排料、料空、故障状态等。

    料批的状态字有料批号、允许准备、料在称斗中、中斗中、皮带上的位置，以及料正在排放到上述三个设备过程中等信息，附加的信息还有配料种类、重量、排放时间等。

    新的一批准备备料时，所需矿料和焦炭以新的控制对象进入备料序列，从备料表中读取备料信息写入各自料种状态字中。包括料批号、料种类别、重量等。随着备料进行，使用的矿仓号、中斗号，排放时间等都是状态信息。

   为了加快备料进程，在不同料仓中的同一种料的控制是并行控制，其它流程为串行控制。通过控制字及状态字，各控制单元协调工作，主控单元从结构上将各个控制单元及外围设备的控制组织在一起，并对预设的特例情况如料批表的变化，人工干预等进行处理。

    胡宝成（1967-）

   男，副高工，主要从事冶金自动化系统的设计开发，曾获中钢协科技进步二等奖。   

    摘自《自动化博览》2012年第四期