CN1011631B - 用于对批处理过程中所用设备进行顺序控制和错误检测的自动系统 - Google Patents

Abstract

用于对批处理过程中使用的分立设备进行控制和错误检测的自动系统，本系统消除了过程控制系统中附加的功能块构造和附加的系统负载。

Description

一般来讲，本发明涉及的是批处理的控制系统，尤其是与在批处理过程中对分立设备提供错误检测和顺序控制的自动系统有关。

批处理是通过对几个步骤的顺序执行来得到特定结果的一个过程。一旦得到结果，批处理就停止，直至此过程从其顺序的第一个步骤起再次被激活。

有几种工业产品采用批处理的方式进行生产。批处理在药品、纸浆和纸张，以及食品加工工业中起着主要的作用。

做为工业生产批处理组成部分的每个单独步骤，都需要对几个不同的分立设备，例如马达和通/断阀门进行操作，并且这些分立设备可以分解成几个简单的装置，例如马达起动触点和马达本身，或通/断阀门所用的阀门限位开关。

目前，这类批处理过程是用分布过程控制计算机系统，例如Bailey    Controls    Co的NETWORK90系统加以控制的，这类过程控制系统是由若干控制元件构成的，这些控制元件可以组成几种不同的控制方案。这些控制元件是由若干微处理器构成的，在微处理器的ROM（只读存储器）中，存储着几种算法。每种算法用于执行一个逻辑或控制功能，每种算法称做一个功能块。典型的功能块包括简单的逻辑块，例如或和与块，以及复杂的控制块，例如PID（比例-积分-微分）控制块。该计算机中的大量微处理器控制元件提供了不同的功能块，以满足各种控制结构的需要。

采用过程控制计算机系统以实现批量控制的现有装置包括：通过 传统的功能块逻辑对分立设备进行控制。通过传统的功能块逻辑对分立设备进行控制需要在每个功能块控制方案和构成分立设备的每个简单装置之间进行一对一的匹配。这样做的原因是每个简单装置都需要有一个反馈逻辑方案，用于产生该装置完成其操作的信号。这一反馈信号用于确定该简单装置是否出现不正常工作，并用于在批处理的这一特定步骤中对其它的分立设备进行激励。

当设备中的某一简单装置出现不正常起动时，对这个分立设备进行控制并向操作人员发出信号通常需要十个或更多的功能块才能予以实现，并且相当麻烦。这就需要使用更多的微处理机资源并浪费计算机存储空间。此外，由于所有这些模块都需要运行，所以处理来自该分立装置的信息的时间就拉长了。如果批处理过程需要使用几个分立设备，则微处理机资源的费用就成为一个大问题。

在批处理中采用传统逻辑去控制分立设备的另一个问题是这种方案要设置两个手动接口按钮。其中一个按钮的作用是设置分立装置为手动或自动模式，另一个按钮的作用是启动或关断分立设备。这就将操作者错误的因素引入了系统。在批处理过程中同时使用几个分立设备，以及每个设备都有两个手动控制按钮的情况下，对操作者来说，试图控制整个过程是困难的。同样，这二个信号（每个信号对应一个按钮）必须发送给控制系统中的其它单元，而不是仅对每个设备发送一个信号。这就给分布式计算机控制系统增加了非常大量的不必要的负载。

由此看来，需要采用自动系统来对批处理中所使用的分立设备进行控制和错误检测，来消除分布式过程控制计算机系统中增大的功能块结构和系统负载。

在顺序式批处理过程中，先有技术是由使用传统逻辑的过程控制计算机来对分立设备进行控制，因而存在不少问题，而这里所描述的本发明对先有技术中存在的所有问题都予以克服。本发明的实现方法是：提供一个新的经过精简的合理的功能块系统，从而在分立设备与称做设备驱动器的新功能块单元中形成一对一的匹配。

这个新的功能块单元向分立的现场设备提供控制输入，并接收其反馈信息。然后，此设备驱动器模块根据反馈信息确定此分立设备是否出现不正常工作，并确定是否要向操作人员进行报警。所有这些功能集中到一个功能块中，所以取代了目前通用的十个传统逻辑单元。这个功能块可由批处理过程加以调用。此外，此设备驱动器仅向过程控制计算机系统的其余单元提供一个输出信号，从而将系统负载减到最低程度。

此设备驱动器是新的批处理控制系统的一个部分，这个新的批处理控制系统是自动化的，并使用了最少量的微处理机空间和计算时间。此系统可在已知的分布式过程控制计算机中予以实现。

因此，本发明的一个方面是提供了控制分立设备的自动系统，此自动系统消除了分布式控制计算机中由于使用传统逻辑功能块造成的对微处理机资源的浪费。

本发明的另一方面是提供了功能块单元，此功能块单元能对批控制过程中使用的分立设备进行没有阻碍的控制。

本发明还有另一方面就是提供功能块单元，此功能块单元能对批处理控制过程中使用的分立设备进行没有阻碍的控制，并对该分立设备的监测进行了简化。

本发明还有另一方面就是提供对分立设备进行控制和监测的功能 块单元，由于此功能块单元具有单一的通讯输出，从而精简了整个分布式过程控制系统的通讯量。

图1是采用设备驱动器功能块单元的自动批处理控制系统的原理图。

图2是图1中设备驱动器功能块单元所用控制算法的原理图。现在参考附图，特别地是参考图1，图1提供了一个自动批处理控制系统10，其中包括一个已知的过程控制计算机12，例如Bailey    Controls    co.model    network90控制系统，并且至少包括一个已知的分立现场设备14，例如一个带有限位开关的通/断阀门，计算机12包括现场设备控制系统16，通过线路22和24与现场设备控制系统16相联接的接口系统18、以及沿着线路28和30与接口系统18相联接的辅助逻辑单元26。

由计算机12利用算法完成所有的操作和计算。由于每个算法完成一个特定的功能，所以这些算法就称做功能块单元。这些功能块单元是由微处理机构成的，在这些微处理机中，带有执行所需功能的内部的，不可更改的操作命令。

尤其是：现场设备控制系统16包括设备驱动器功能块单元32，此单元接收来自设备14并通过线路34和36传递来的两个输入信号。此设备驱动器功能块单元32和32′还接收来自序列生成块38通过线路40和40′传递来的一个输入信号，此驱动器块32在两个输出信号，其中一个通过线路42送到设备14，而另一个通过线路46送到监测器功能块单元44。如图所示，单元32′有类似联接。监测器功能块单元44通过线路48向序列确定功能块单元50发送一个输出信号，而序列确定功能块单元50则通 过线路52和54向序列发生功能块单元38发送两个输出信号。然后序列发生块38通过线路22向接口系统18发送一个输出信号。

来自序列发生块38的输出信号是布尔信号多路开关选择器56和接口系统18的实数信号多路分配器58的输入信号。实数信号多路分配器58通过线路28向辅助逻辑单元26发送一个输出信号，而辅助逻辑单元26又通过线路30向布尔信号多路开关选择器56发送一个信号。布尔信号多路开关选择器56通过线路24向序列确定块50发送一个输出信号，从而结束控制循环。

在运行中，现场设备控制系统16使用两种不同类型的控制信号。这些控制信号具有过程控制计算机12中各种功能块所采用的信号的标准类型。第一种类型的控制信号是标准的布尔信号，其取值为1或0，或表示为高和低。第二种类型的控制信号是一个实数信号，它可以是一个整数，或是由浮点十进制表示的分数。

设备驱动器块32接收通过线路40来自序列生成块的布尔控制信号。然后，此设备驱动器块32向设备14通过线路42输出这个控制信号。送到设备14的这个输出信号取值为一个0或一个1。

设备14根据这个控制信号执行它所指定的操作，然后产生一个布尔反馈信号。该设备产生一个反馈信号通过线路34，并产生第二个反馈信号通过线路36。对有一些设备的操作来讲，只需要一个反馈信号。这些反馈信号确定了设备14是否成功地完成了它的操作，而没有出现不正常工作或故障。

设备驱动器块32接收通过线路34和36的反馈信号，并将这些反馈信号与预定的布尔反馈掩码（未标明）进行比较。此反馈掩码为两位布尔值，可以是00，01，10或11。掩码中的第一位是 线路34中信号的预定反馈，掩码中的第二位是线路36中信号的预定反馈。

设备驱动器块32根据上述比较结果，连续地生成一个实数输出信号通过线路46。若此反馈掩码与通过线路34和36所接收到的反馈信号不相等，则设备驱动器块将产生一个等于1.0的BAD实数信号。如果尚未到达设备14完成预定操作的时间，则设备驱动器块32将产生一个值为2.0的WAITING（等待）实数信号。若反馈掩码60与通过线路34和36所接收到的反馈信号相等，则设备驱动器块32将产生一个值为0.0的GOOD（好）实数信号，通过线路46发送的输出信号也可以送到一个CRT监视器（未标明），以便操作人员能够连续地观察设备的状况，并在设备出现不正常工作的情况下，采取必要的措施。

监测器块44接收来自线路46的信号，同时也接收来自许多其它设备驱动器块32′的实数输出信号，这些设备驱动器块都是在批处理过程中这一步骤所用到的。然后监测器块44就起一个特定的逻辑“与”门的作用。若来自任一设备驱动器块（例如块32、32′）的送到监测器块44的输入为WAITING或BAD，则监测器块产生一个相应的WAITING或BAD实数输出信号通过线路48。若监测器块44接收到的所有输入都是GOOD，则所产生的通过线路48的输出信号就是GOOD。沿线路48输出的信号反映设备（例如设备14）的整个系统的状况，这些设备都是在批处理过程中这一特定步骤中所用到的。

由监测器块44通过线路48发送的这一实数信号由序列确定块50加以接收，序列确定块50对这一信息进行处理后，得出在批处 理过程中下一步应做什么工作。若通过线路48发送的信号表明所有设备都是GOOD，则序列确定块50将输出此序列的下一个“正常”步骤序号，此序列是由本批处理过程加以采用的。这一序列可称做一个处方。若线路48中的信号表明一个BAD情况，则序列确定块50将输出一个对应于“故障”步骤的步骤序号。此“故障”步骤启动批处理控制循环中的特定装置，以达到故障保护的目的，使批处理过程停止运转。

序列确定块50通过线路52向序列发生块输出这一信号，这一信号确定了在批处理过程中下一个应予以激励的步骤。序列确定块50的输出是一个实数信号。此实数信号与批处理过程中的一个步骤相对应。例如，如果此实数信号值为3.0，就是它通知序列发生块38运行批处理过程的第三步。

序列确定块50还接收一个由接口系统18的布尔信号多路开关选择器56通过线路24发送来的步骤启动信号。这个通过线路24发送的步骤启动信号激励序列确定块50，以通过线路52输出相应于批处理过程下一步骤的下一个实数输出信号。在序列确定块50接收到来自线路24的信号之后，就将这一步骤启动信号通过线路54发送到序列发生块38，此时已经选定了适当的步骤。线路24传送的步骤启动信号和线路54传送的步骤启动信号几乎是同步出现的。

序列确定块50还可以由操作人员通过I/O计算机终端（未示出）设置成其它两种特定的自动模式。第一种模式不需要线路24传送的步骤启动信号。在采用这种模式的情况下，步骤启动信号通过线路54发送到序列发生块38，当序列确定块50接收到通过线路48传送来的GOOD信号时，就选定适当的步骤，并通过线路52 输出。第二种特定模式不需要通过线路48发送的GOOD信号，当序列确定块50接收到来自线路24的步骤启动信号时，就通过线路52和54发送适当的输出信号。

序列确定块50可以设置成半自动模式，在半自动模式下，在序列确定块通过线路52和54输出适当的信号，以达到批处理过程的下一步骤之前，需要操作人员通过I/O计算机终端（未示出）输入一个激励信号。

一旦序列发生块38接收到由序列确定块50发送的通过线路52传送来的步骤序号信号以及通过线路54传送来的步骤启动信号，就对应于这一特定的步骤序号通过线路40发送一个布尔控制信号。

通过线路40发送的信号实际上是由序列发生块38输出的布尔掩码的一部分。各个步骤的布尔掩码互不相同。例如，第一步骤的掩码可以表现为：1000，而第二步骤的掩码可以表现为：0100。掩码中的每一位都输出到某一特定的设备驱动器块，例如块32。因此，如果设备驱动器块32由掩码中的第一位加以控制，在批处理过程中的第一步骤时，送到设备驱动器块32的输出就是1，而在批处理过程中的第二步骤时，送到设备驱动器块32的输出就是0。

辅助逻辑单元26提供了对批处理过程中各个步骤所需要的变量进行控制和设置的装置。这些变量包括：设置点控制，反馈控制，原料输入，以及计时函数。辅助逻辑单元利用这些变量去确定批处理过程中某个步骤完成的时间。

辅助逻辑单元由通用的功能块单元构成，这些通用功能块单元用于实现所需要的变量。对应批处理过程中的每个步骤，在辅助逻辑单 元26中，都有一个单独的功能块。例如，当批处理过程中达到某一温度设置点时，步骤3应该转换到步骤4，那么就由单元26中对应于步骤3的通用功能块逻辑对设置点进行计算，并测定到达设置点的时间。这些通用逻辑功能块构造都被称做过程控制算法。

序列确定块50和序列发生块38通过接口系统18与辅助逻辑单元26进行通讯。接口系统18确定正在执行的是批处理过程中的哪一步骤，并通知辅助逻辑单元26去激励与这一步骤相对应的通用功能块，当辅助逻辑单元26对某一变量进行计算或检测后，确定这一步骤已经完成，就通过线路24向序列确定块50输出一个步骤启动信号。

在操作中，接口系统18同时在布尔信号多路开关选择器56和实数信号多路分配器58的两个进口端通过线路22接收到一个实数信号。这一实数信号来自线路22，并与批处理过程中必须予以运行的当前步骤序号相对应，这一实数信号是序列发生块38的一个输出信号。如果序列确定块确定批处理过程中的步骤3是应予运行的下一步骤，则通过线路22输出3.0。

当实数信号多路转换器接收到来自线路22的这一实数输出时，就通过线路28向辅助逻辑单元26输入一个布尔掩码。对应每个步骤序号都有各自不同的布尔掩码。在本例中，用于步骤3的布尔掩码就去激励运行步骤3所需要的通用功能块逻辑。步骤3打开一个蒸汽或热气阀，直至温度达到预期的设置点。

各个步骤所用的通用功能块逻辑都在辅助逻辑单元26通过线路30发送的布尔输出中占据一位。当用于某一步骤的通用功能块逻辑已经结束时，对应于这一步骤的那一位就发送一个1，否则此位就总 是0。当用于步骤3的通用逻辑表明已经达到温度设置点，通过线路30向布尔信号多路开关选择器56发送的布尔输出就表现为：

00100000

布尔信号多路开关选择器56接收来自线路22的实数信号和来自线路30的布尔信号。如果对应于这一实数输入的布尔输入的相应位从0变到1，那么多路开关选择器56通过线路24输出一个步骤启动信号。在本例中，多路开关选择器接收到来自线路22的实数输入值为3.0。当来自辅助逻辑单元的布尔输入表现为如上所述的形式时，布尔信号多路开关选择器就将通过线路24发送一个步骤启动信号。此步骤启动信号通知序列确定块50进行到批处理过程的下一步骤。

现在参考图2，图2提供了设备驱动器块32所用算法的流程图64。在流程图64中，不同形状的框代表设备驱动器块算法中的步，称做步或模式。流程图64中包括几个特定的模式，在这些模式中，设备驱动器块32可以由操作人员通过I/O终端加以设置。这些特定模式包括超控模式66。手动输入模式68，以及通用功能块输入模式70。

在正常的操作情况下，正如图1所示的，设备驱动器块32接收由序列发生块38通过线路40发送来的布尔输入。这一布尔输入在图2中由输入步72表示。此布尔输入转移为输出步74，并输出到设备14。

在时间步78之后，设备14以布尔形式发送反馈信号76返回到流程图64。若时间步78尚未结束，第一确定步80就向输出步82发送一个实数2.0，它表示WAITING。在经过时间步78之后，反馈信号76就与预定的反馈掩码84在处理步骤86中进行比较。若反馈信号76与反馈掩码 84相等，则处理步86就向输出步发送等于实数0.0的GOOD信号。若反馈信号76不等于反馈掩码84，处理步86就向输出步82发送等于实数1.0的BAD信号。当输出步82接收到任一实数信号时，就将这一信息通过线路46发送到批处理控制系统10的其余部分。

在操作人员激励超控模式66的情况下，就向第二个制定步发送布尔信号1。若第二个判定步88以超控模式66接收布尔信号1，在经过时间步78后，就总是向输出步82发送GOOD信号。所有来自处理步86的BAD信号都加以拒绝，并将其转变为GOOD信号。在操作人员认定由反馈信号76反映的设备14出现不正常工作的结论是无关重要的，以反不希望因此而关闭整个批处理过程的情况下，就采用上述的超控模式。

如果操作人员希望设备14的手动模式68或通用逻辑输入模式70的方式运行，容错步90就向第三个判定步92输出布尔值1。若判定步90接收到布尔值1时，它就允许手动模式68或通用逻辑模式70向输出步74发送控制信号。在发现批处理控制计算机12的任一部分出现错识，或存在其它各种原因的情况下，都可以由操作人员采用模式68或70对设备14进行控制。

在通过对本发明的特定实施方案进行图示和详细说明，以求对此发明原理的应用做出具体说明之后，就可以理解，可以根据本发明的原则以其它方式进行实施。

Claims (6)

1、对顺序控制批处理过程所用的分立设备(14、14′)进行控制和监测的自动系统(10)，特征在于该系统包括：

至少两个分立设备(14、14′)；

至少两个设备驱动器功能块装置(32、32′)，分别接到所述的分立设备(14、14′)并对它们进行控制，同时还监测该分立设备的操作状态，并产生指示该状态的信号(46)；

监视器块装置(44)，接到设备驱动器功能块装置(32、32′)，并对所有这些功能块装置的状态信号(46)进行监视，同时还产生一个控制信号(48)，指示分立设备(14，14′)的正常或非正常顺序操作；

序列控制装置(50、38)，它响应监视器块装置(44)的控制信号(48)，向设备驱动器功能块装置(32，32′)发出输出信号(40、40′)，从而控制所述的分立设备(14、14′)。

2、权利要求1的系统（10），特征在于顺序控制装置（50、38）包括一个人工输入装置（I/O），以便操作员控制分立设备（14、14′）的顺序。

3、权利要求1中的系统（10），特征在于序列控制装置（50、38）包括一个序列确定块装置（50），它与监视器块装置（44）相连，还包括一个序列产生块装置（38），它与每个设备驱动器功能块装置（32、32′）相连，其中序列确定块装置（50）对序列产生块装置（38）输出一信号（52），表示完成一个序列步骤，相应地，序列产生块装置（38）对设备驱动器块装置（32、32′）输出一个信号（40、40′），以产生下个序列步骤。

4、权利要求3中的系统（10），特征在于每个设备驱动器功能块装置（32、32′）对其相连的分立设备（14、14′）提供一控制信号（42、42′），以使分立设备（14、14′）响应于序列产生器块装置（38）的下一序列步骤信号产生操作。

5、权利要求4中的系统（10），特征是还包括一个实数信号多路分配器（58）和一个布尔信号多路开关选择器（56），它与序列产生块装置（38）相连，接收表示序列中当前步骤的一个信号（22）。

6、权利要求5中的系统（10），特征是还包括一个辅助逻辑装置（26），它接在实数信号多路分配器（58）和布尔信号多路开关选择器（56）之间，以便控制并设置过程变量。

Images