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    摘要：本文從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手，探討將一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)軟件控制系統(tǒng)分解為多個(gè)簡(jiǎn)單的控制單元的實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)控制單元?jiǎng)澐衷瓌t，控制單元的控制字、控制對(duì)象的狀態(tài)字的定義等進(jìn)行了初步探討。

    關(guān)鍵詞：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；控制單元；控制字；控制對(duì)象；狀態(tài)字

   在信息化社會(huì)的今天，實(shí)現(xiàn)工廠信息化已經(jīng)很普遍，但工廠的信息化必須基于生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍然非常重要。在一個(gè)工業(yè)過程中，工藝流程、設(shè)備功能已經(jīng)確定的情況下，如何規(guī)劃制定軟件控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案是決定這個(gè)控制系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵，特別是在沒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(fù)雜的生產(chǎn)流程有眾多的設(shè)備參與，每個(gè)設(shè)備又可能有多個(gè)不同的功能，在進(jìn)行基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，要考慮的有如下三個(gè)方面：一是實(shí)現(xiàn)設(shè)備的功能，二是人機(jī)交互能力，三是為實(shí)現(xiàn)信息化所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。對(duì)不同的生產(chǎn)線和企業(yè)，后兩項(xiàng)要求不盡相同，但第一項(xiàng)都是必須的。對(duì)于一個(gè)復(fù)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)過程的完成，模擬控制一般是為了保證質(zhì)量指標(biāo)。模擬控制除簡(jiǎn)單的分段控制外，其它如PID控制以及高級(jí)的模糊控制等，不宜以簡(jiǎn)單的控制單元來劃分。本文針對(duì)第一項(xiàng)內(nèi)容，如何將一個(gè)復(fù)雜的順序控制系統(tǒng)分解為多個(gè)簡(jiǎn)單的控制單元進(jìn)行探討。

    1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇

    一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)通常按模塊化組織程序。筆者通過多年的實(shí)踐摸索，在劃分大的模塊結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，每個(gè)模塊再細(xì)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(dú)立運(yùn)行。每個(gè)控制對(duì)象配置狀態(tài)字，控制單元加載、加工、釋放被控對(duì)象并刷新狀態(tài)字信息，作為控制單元間數(shù)據(jù)接口的載體。控制字及狀態(tài)字在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段統(tǒng)一規(guī)劃，參與開發(fā)的人員按統(tǒng)一的設(shè)計(jì)要求開發(fā)各個(gè)控制單元，讀寫控制字和狀態(tài)字，使程序設(shè)計(jì)易于多人合作開發(fā)，后期整合。由于每個(gè)控制單元和控制對(duì)象都有明確單一的狀態(tài)信息，使得功能模擬調(diào)試、系統(tǒng)測(cè)試變得簡(jiǎn)單方便。

    2 控制單元?jiǎng)澐值脑瓌t

    劃分系統(tǒng)的控制單元，首先一個(gè)主控單元是必須的，需要從結(jié)構(gòu)上保證整個(gè)系統(tǒng)完整，其次就是規(guī)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(dú)立的功能；

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

   （3）功能動(dòng)作沒有分支。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(jī)械臂，有三個(gè)動(dòng)作，直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，如果允許直行過程中或完成后判斷左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，則左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)劃分為單獨(dú)控制單元，如在直行前必須明確左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，則分為直行左轉(zhuǎn)、直行右轉(zhuǎn)兩個(gè)控制單元；

    （4）外部運(yùn)行限制條件明確，簡(jiǎn)單；

    （5）運(yùn)行結(jié)果確定，可識(shí)別。為使控制系統(tǒng)完整，一般還需要一些輔助單元，如報(bào)警、故障處理等。

   3 控制字、狀態(tài)字的設(shè)計(jì)

    控制字相對(duì)于控制單元，控制單元的控制字包括如下標(biāo)識(shí)：加載新控制對(duì)象，單元控制功能啟動(dòng)，單元內(nèi)部每個(gè)獨(dú)立動(dòng)作的開始、過程中、完成，全部功能的完成，控制對(duì)象的釋放、控制單元的故障狀態(tài)等。控制字的啟動(dòng)標(biāo)識(shí)由前序控制單元的完成標(biāo)識(shí)刷新。

    狀態(tài)字相對(duì)于控制對(duì)象，控制對(duì)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，哪些加工程序沒有進(jìn)行，在全部生產(chǎn)過程中的位置。如果控制對(duì)象在某個(gè)環(huán)節(jié)允許重復(fù)加工直至合格或剔除，則還應(yīng)含有再加工或排出加工序列的信息。控制字、狀態(tài)字盡可能使用二進(jìn)制字或字節(jié)，更有利于監(jiān)控和程序運(yùn)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(duì)象的質(zhì)量指標(biāo)信息等也應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)記錄，作為質(zhì)量檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，為順序控制的進(jìn)行提供必要的限制。

    4 控制系統(tǒng)的組織

    整個(gè)控制系統(tǒng)的組織運(yùn)行靠主控單元協(xié)調(diào)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(duì)象被加工完成輸出，同時(shí)不斷有新對(duì)象進(jìn)入流程。當(dāng)一個(gè)對(duì)象進(jìn)入流程等待隊(duì)列時(shí)，就開始賦予狀態(tài)標(biāo)識(shí)，等待加工。

    流程中控制單元的運(yùn)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(duì)象的動(dòng)作功能按預(yù)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(duì)幾個(gè)控制對(duì)象同時(shí)動(dòng)作。這兩種控制方式的選擇，取決于設(shè)備功能，看設(shè)備是否可以對(duì)幾個(gè)對(duì)象同時(shí)加工，或幾個(gè)同樣功能的設(shè)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)來的啟動(dòng)標(biāo)志，啟動(dòng)本單元功能，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行加工，加工過程中刷新自己的控制字，自我調(diào)控單元功能完成。達(dá)到預(yù)期的控制結(jié)果時(shí)，將加工結(jié)果寫入控制對(duì)象的狀態(tài)字中，釋放對(duì)控制對(duì)象，清空自己的控制字，準(zhǔn)備接收下一個(gè)控制對(duì)象。

    當(dāng)幾個(gè)控制單元并行控制時(shí)，某個(gè)控制單元空閑下來時(shí)，再次啟動(dòng)不由上一個(gè)環(huán)節(jié)傳遞控制字標(biāo)識(shí)，而是捕捉進(jìn)入生產(chǎn)流程中特定對(duì)象群體（或全部對(duì)象）中每一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)信息，找到第一個(gè)滿足需要被本單元加工要求的對(duì)象，加載該對(duì)象并開始工作，直到工作完成，釋放這個(gè)對(duì)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(duì)象重復(fù)加工或作為廢品剔除，重復(fù)加工則根據(jù)對(duì)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，離開生產(chǎn)線。

    當(dāng)控制字狀態(tài)字設(shè)置使用充分合理，各個(gè)控制單元之間通過控制字和狀態(tài)字傳遞信息，整個(gè)控制系統(tǒng)可以高效有序的運(yùn)轉(zhuǎn)，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(jié)合起來，保證結(jié)構(gòu)完整。出現(xiàn)特例時(shí)，由主控單元處理。

    5 控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

    在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)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(tǒng)流程不會(huì)停下來。很明顯，采用何種控制方式更多的受設(shè)備功能限制，但在設(shè)備條件允許的情況下，軟件系統(tǒng)應(yīng)使設(shè)備最大限度發(fā)揮能力。

    一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足較好的維護(hù)、監(jiān)控性能，以及良好的運(yùn)行穩(wěn)定性能。盡可能細(xì)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(jiān)控，及時(shí)直接的發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)流程中存在的問題。以控制字狀態(tài)字作為各單元間接口數(shù)據(jù)，使的各控制單元的工作處于滿足條件即啟動(dòng)，加載控制對(duì)象，完成工作即釋放對(duì)象這樣一種狀態(tài)，條件明確單一，使得系統(tǒng)測(cè)試簡(jiǎn)單有效，最大限度發(fā)現(xiàn)并減少影響系統(tǒng)運(yùn)行的因素，提高控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性能。系統(tǒng)需要時(shí)，全流程控制對(duì)象狀態(tài)字的應(yīng)用也為高級(jí)系統(tǒng)提供了全面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

    6 實(shí)施案例

    按照上述控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，我們?cè)O(shè)計(jì)了高爐上料控制系統(tǒng)。圖1所示是一個(gè)高爐上料系統(tǒng)槽下部分的示意圖，在這個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)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(shè)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(xù)另外兩個(gè)礦批，一個(gè)焦批，以符號(hào)表示為OOCOOC。料批組成、排放順序及配料重量等信息存儲(chǔ)在備料表中，備料表設(shè)置料批指針，隨料批循環(huán)前移返回。

    上料時(shí)，總要提前準(zhǔn)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(zhǔn)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斗，下部的中間礦斗一旦有排空的，立即將a、b、c料種按規(guī)定的順序排放到空的中間斗中，等待排放。焦批的準(zhǔn)備少一個(gè)環(huán)節(jié)，直接排放到焦炭稱量斗等待排放。按料批循環(huán)需要上某批料時(shí)，打開對(duì)應(yīng)的礦中斗或焦稱斗，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，上一批料離開料斗一段距離后，下一批料就開始排放。

    在設(shè)計(jì)這個(gè)系統(tǒng)時(shí)，每個(gè)礦稱斗、焦稱斗、中間斗的裝料、排料控制設(shè)計(jì)為獨(dú)立的控制單元。每批料作為控制對(duì)象，其中礦批進(jìn)入到中間斗前，每個(gè)料種又是獨(dú)立的控制對(duì)象。向稱斗中備料的計(jì)量是模擬量控制，參與稱斗的裝料控制。

    為控制循環(huán)上料，設(shè)計(jì)有專門的指針控制單元。

    稱斗裝料控制字有允許裝料、開始裝料、正在裝料、裝料完成、故障狀態(tài)等。

    稱斗排料控制字有允許排料、開始排料、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、開始裝料、正在裝料、料滿、故障狀態(tài)等。

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

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

    新的一批準(zhǔn)備備料時(shí)，所需礦料和焦炭以新的控制對(duì)象進(jìn)入備料序列，從備料表中讀取備料信息寫入各自料種狀態(tài)字中。包括料批號(hào)、料種類別、重量等。隨著備料進(jìn)行，使用的礦倉號(hào)、中斗號(hào)，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。通過控制字及狀態(tài)字，各控制單元協(xié)調(diào)工作，主控單元從結(jié)構(gòu)上將各個(gè)控制單元及外圍設(shè)備的控制組織在一起，并對(duì)預(yù)設(shè)的特例情況如料批表的變化，人工干預(yù)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(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，曾獲中鋼協(xié)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。   

    摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第四期