CN104122870A

CN104122870A - 一种多控制器的dcs控制系统及其控制方法

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Publication number: CN104122870A
Application number: CN201410359278.8A
Authority: CN
Inventors: 蒋明刚
Original assignee: Hunan Three Arrow Automatic Control Science And Technology Ltds
Current assignee: Hunan Three Arrow Automatic Control Science And Technology Ltds
Priority date: 2014-07-27
Filing date: 2014-07-27
Publication date: 2014-10-29

Abstract

本发明涉及DCS控制系统技术领域，公开了一种多控制器的DCS控制系统及其控制方法。该控制系统包括用于DCS控制系统的集中监控的操作站部分；多个与操作站部分并行连接的可移动式现场控制站部分，与每个现场控制站部分连接的至少一个监控终端，监控终端用于显示现场控制参数，现场控制站部分用于将现场控制参数进行信号的转换、处理、运算及控制；还包括与操作站部分和现场控制站部分连接的数据服务器部分，数据服务器部分用于系统数据的共享和管理。本发明实现了数据的并行处理，有效减轻了系统负荷，增加了系统稳定性，消除了数据瓶颈，分散了控制风险；加强了现场控制功能，降低了投资成本，简化了系统接线，方便了故障的检修。

Description

一种多控制器的DCS控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及DCS控制系统技术领域，更具体地说，特别涉及一种多控制器的DCS控制系统及其控制方法。

背景技术

DCS系统即分散控制系统(Distributed Control System)，国内一般习惯称为集散控制系统，主要由操作站和控制站组成，其中控制站是核心部件。

传统DCS控制站一般采用机站式设计，即整个控制站通过模块式插接集中在一个机柜内，通常由电源模块、CPU模块、通讯模块、I/O模块、A/D及D/A模块等组成，通常存在体积较大，成本很高，对防尘、接地、温湿度均有严格要求。鉴于DCS控制系统是20世纪80年代为解决大型控制方案而设计，如今随着应用领域的不断推广，虽不断完善，其不足也依然明显，主要体现在以下几个方面：

1、投资成本较高；控制规模的大小仅是输入输出模块的数量差异，因为对环境的苛刻要求，基础投资依然巨大，不适用于中小规模控制。

2、控制风险较高，尤其是电源模块、CPU模块及通讯模块，必须确保冗余，使得投资成本将增加。

3、单一CPU工作任务繁重；易造成数据瓶颈，导致发热严重、易死机、实时性差等。

4、现场控制能力差；所有控制点均接入控制站，如分散式现场有监控要求，需增加现场机站，低成本条件无法实现。

5、现场仪表采用分散式控制，所有输入输出信号均用线缆接入控制站，造成控制站接线繁琐，现场故障难于判断。

发明内容

本发明的目的在于针对传统DCS控制系统存在成本过高、现场控制能力差、CPU单元任务繁重、控制站接线繁琐、对环境要求苛刻等缺点，提供一种多控制器的DCS控制系统及其控制方法。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：一种多控制器的DCS控制系统，所述DCS控制系统包括用于DCS控制系统的集中监控的操作站部分；多个与操作站部分并行连接的可移动式现场控制站部分，与每个现场控制站部分连接的至少一个监控终端，所述监控终端用于显示现场控制参数，所述现场控制站部分用于将现场控制参数进行信号的转换、处理、运算及控制；以及还包括与操作站部分和现场控制站部分连接的数据服务器部分，所述数据服务器部分用于系统数据的共享和管理。

根据本发明的一优选实施例：所述现场控制站部分包括主控制器及与主控制器连接的多个分控制器，所述主控制器通过系统网络Snet与操作站部分连接，所述多个分控制器通过控制网络Cnet与主控制器连接，所述监控终端与分控制器连接。

根据本发明的一优选实施例：所述主控制器和分控制器的结构一致，均包括控制底板，设置于控制底板内的控制主板，以及安装于控制底板上的多个功能模块，该功能模块与监控终端连接，所述控制底板上还设有电源接口和通讯接口，所述每个功能模块上还设有插线接头；所述分控制器用于根据主控制器的指令来协调和调度各个功能模块，所述主控制器用于根据操作站部分的指令来协调和调度各个分控制器。

根据本发明的一优选实施例：所述功能模块包括模拟量输入模块、模拟量输出模块、开关量输入模块、开关量输出模块、PWM输出模块、CAN通讯模块、485/232通讯模块、WIFI无线通讯模块等特殊功能模块。

根据本发明的一优选实施例：所述数据服务器部分包括数据服务器和服务器，所述数据服务器分别通过系统网络Snet和管理网络Mnet与现场控制站部分和操作站部分连接，所述服务器通过管理网络Mnet与操作站部分连接。

根据本发明的一优选实施例：所述监控终端为上位机、触摸屏或无纸记录仪。

根据本发明的一优选实施例：所述主控制器和分控制器的外侧均设有全密封的金属外壳。

本发明还提供一种实现根据上述的多控制器的DCS控制系统的控制方法，包括以下步骤：

第一步、操作站部分集中控制各个控制站部分的工作；

第二步、每个现场控制站部分连接至少一个监控终端，监控终端实时的监控现场的数据信息，并将数据信息传递至现场控制站部分；

第三步、现场控制站部分对数据信息进行转换、处理和运算，并将运算后的数据传递至数据服务器部分内。

根据本发明的一优选实施例：所述第三步中主要包括：分控制器用于根据主控制器的指令来协调和调度各个功能模块的工作，以及，主控制器用于根据操作站部分的指令来协调和调度各个分控制器的工作。

根据本发明的一优选实施例：所述主控制器(21)、分控制器(22)及功能模块(24)同时工作，各有分工，既简化了控制流程，又真正实现了数据的并行处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过采用功能强大的控制器分散控制，即将传统DCS控制站由固定机站改为多个可移动式的现场控制站部分，各现场控制站部分内的控制器可同时工作，实现了数据的并行处理，有效减轻了系统负荷，增加了系统稳定性，消除了数据瓶颈，分散了控制风险；可适用于各种工业现场，加强了现场控制功能，降低了投资成本，简化了系统接线，方便了故障的检修。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的多控制器的DCS控制系统的原理图。

图2为本发明的多控制器的DCS控制系统中主控制器或分控制器的结构图。

图3为本发明的多控制器的DCS控制系统的应用在煤气发生装置中的结构图。

图4为本发明的多控制器的DCS控制系统所应用的煤气发生装置的工艺流程图。

图5为本发明的多控制器的DCS控制系统所应用的煤气发生装置的阀门动作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例

参阅图1至图2所示，本发明提供的一种多控制器的DCS控制系统，所述DCS控制系统包括用于DCS控制系统的集中监控的操作站部分1；多个与操作站部分1并行连接的可移动式现场控制站部分2，与每个现场控制站部分2连接的至少一个监控终端3，所述的监控终端3用于显示现场控制参数，所述的现场控制站部分2用于将现场控制参数进行信号的转换、处理、运算及控制；以及还包括与操作站部分1和现场控制站部分2连接的数据服务器部分，所述的数据服务器部分用于系统数据的共享和管理，同时，通过将数据上传至管理网络MNet，实现管理层的多级管控。

本发明的原理在于：通过采用功能强大的控制器分散控制，即将传统DCS控制站由固定机站改为多个可移动式的现场控制站部分2，各现场控制站部分2内的控制器可同时工作，实现了数据的并行处理，有效减轻了系统负荷，增加了系统稳定性，消除了数据瓶颈，分散了控制风险；可适用于各种工业现场，加强了现场控制功能，减少了投资成本，简化了系统接线，方便了故障的检修。

所述的现场控制站部分2包括主控制器21及与主控制器21连接的多个分控制器22，所述的主控制器21通过系统网络Snet与操作站部分1连接，多个分控制器22通过控制网络Cnet与主控制器21连接，所述的监控终端3与分控制器22连接。

本发明在使用时，用户可根据控制需求，选择任意数量的现场控制站部分2(控制器集群)，各控制器可中央集群，也可分布至控制现场，同时采用了总线通讯的方式，使接线简单明了；而现场控制站部分2内的多控制器同时工作，数据并行处理，系统负荷较轻，控制风险也随之分散，通过多控制器的运用，使产品具有不同于同类产品的特性，也使传统DCS各项性能随之优化。

参阅图2所示，所述的主控制器21和分控制器22的结构一致，采用同一结构的物理器件，均包括控制底板23，设置于控制底板23内的控制主板，以及安装于控制底板23上的多个功能模块24，所述的控制底板23上还设有电源接口25和通讯接口26；不同的是，分控制器22设计4个通讯接口，主控制器21设计6个通讯接口，因为主、分控制器分工不同，分控制器22主要用于底层控制，主控制器21主要负责上层管理，亦即是说，一个主控制器21最多可负责6个分控制器22的调度管理。所述的每个功能模块24上还设有插线接头27；所述的分控制器22用于根据主控制器21的指令来协调和调度各个功能模块24，所述的主控制器21用于根据操作站部分1的指令来协调和调度各个分控制器22，所述主控制器21和分控制器22均能与监控终端3连接。

每个分控制器22适配相应功能模块24即可组成基本控制单元，可适配各种总线操控终端，可安装于各种控制现场，而各分控制器22间采用总线连接，既可组成单独的DCS系统，也可通过集群设计组成强大的DCS综合自控系统。

各个分控制器22功能强大，分控制器22上的四个通讯接口均可加配监控终端3，所以现场控制站部分2内任何一个节点都可组成一个DCS控制系统，比如：分控制器22加配监控终端3即组成一个现场DCS操控平台，而主控制器21只有在分控制器22超过一定数量时才选配，即当系统的点数较少时，分控制器22可直接接入系统网络SNet，与操作站部分1对接；总之，本发明的DCS控制系统中采用了多个控制器，使控制任务合理分配，数据并行处理，消除了传统DCS系统控制站内单一CPU运算的数据瓶颈，极大增强系统稳定性，实现了真正的集中管理、分散控制；同时，也为现场控制提供更多选择，使自控方案更加灵活、实用、经济，从而更具市场推广性。

所述的功能模块24包括模拟量输入模块(AI模块，每个模块适配3通道信号输入)、模拟量输出模块(AO模块，每个模块适配3通道信号输出)、开关量输入模块(DI模块，每个模块适配4通道信号输入)、开关量输出模块(DO模块，每个模块适配4通道信号输出)和备用模块(SP模块)。

所述数据服务器部分包括数据服务器5和服务器6，所述数据服务器6分别通过系统网络Snet和管理网络Mnet与现场控制站部分2和操作站部分1连接，所述服务器5通过管理网络Mnet与操作站部分1连接。

本发明中所述的监控终端3可以为上位机、触摸屏或无纸记录仪等。所述的主控制器21和分控制器22整体无散热孔，在外侧均设有全密封的金属外壳，电源接口25和通讯接口26也全部采用防水型插接装置，以保证全方位的防尘、防水、防静电和抗干扰。

第一步、操作站部分1集中控制各个控制站部分2的工作；

第二步、每个现场控制站部分2连接至少一个监控终端3，监控终端3实时的监控现场的数据信息，并将数据信息传递至现场控制站部分2；

第三步、现场控制站部分2对数据信息进行转换、处理和运算，并将运算后的数据传递至数据服务器部分内；具体为：分控制器22用于根据主控制器21的指令来协调和调度各个功能模块24的工作，以及，主控制器21用于根据操作站部分1的指令来协调和调度各个分控制器22的工作。

下面结合图3和图4来介绍本发明的DCS控制系统在煤气发生装置中的具体应用；图4中的各个部件名称和功能如下：

F1～F10：开关阀，只有开启和关闭两种状态，由电磁阀控制；

T1、T2：温度检测点，T1为炉顶温度，T2为炉底温度；

P1、P2：压力检测点，P1为入炉蒸汽压力，P2为入炉空气压力；

KV1、KV2：调节阀，可线性调节开启度，KV1为蒸汽调节阀，KV2为风量(即空气)调节阀。

在该煤气发生装置中，炉体中间装满煤炭，炉顶通过加入适当温度和压力的水蒸汽与炉体内高温燃烧的煤层反应，生成煤气；炉底部分则通过加入适当压力的空气使炉体维持高温燃烧的条件。具体工艺流程及各开关阀的工作过程详见附图(工艺流程图4及阀门动作图5)。

S1(上吹制气)：该阶段中F1、F3、F7、F8打开，水蒸汽通过F1、F3从下往上通过炉体内燃烧的炭层，生成水煤气(CO和H₂的混合气体)。化学反应式：C+H₂O＝CO+H₂－Q4，式中，炭(C)和水分子(H₂O)反应，生成一氧化碳(CO)和氢气(H₂),该反应为吸热反应(－Q4)，生成的水煤气经F7、F8送至后工段。

S2(下吹制气)：该阶段中F1、F2、F6、F8打开，水蒸汽通过F1、F2从上往下通过炉体内燃烧的炭层，生成水煤气(CO和H₂的混合气体)经F6、F8送至后工段。S2反应过程与S1相同，也是吸热反应，只是炉体内气体的流向完全相反。

S3(二次上吹)：该阶段与S1完全相同，目的是确保安全，因为S2阶段，蒸汽由炉体上部吹入，炉体底部生成水煤气，因为水煤气中CO、H₂均为易燃易爆气体，遇氧气将发生爆炸。但从S1至S3，全部是吸热反应，为积蓄炉体内热量，确保炭层有足够的反应温度，必须加氧升温，S3正是为了保证炉底加入空气前将管道内水煤气置换而新增的工序，时间很短，目的也很明确，即通过开启F1、F3将蒸汽从炉体底部输入，置换掉S2期间炉体底部生成的水煤气。为炉体底部通入空气(富氧)创造安全的工艺环境(因为水蒸汽不与氧气反应)。同样，生成的产品气经F7、F8送入后工段，该阶段同样为吸热反应。

S4(煤气吹净)：因为S1、S2、S3均为吸热反应，所以S4通入空气，补充炉体内热量，维持反应平衡。化学反应式：C+O₂＝CO₂+Q12C+O₂＝2CO+O₂，式中，加压空气通过F4、F5通入炉体底部，空气中的氧(O₂)与炭(C)与反应，发生燃烧，生成一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO₂)，同时放出热量(+Q1)，因为S3阶段炉体顶部还有些水煤气存留，为回收这些产品气，所以打开F7、F8将气体送入后工段，完成煤气吹净过程。该阶段为放热反应。

S5(吹风制热)：该阶段F4、F5打开，加压空气进入炉体底部，从下至上经过炭层，空气中氧与炭反应，温度快速提升，F9打开，尾气经烟囱放空，化学反应过程与S4相同，不同的是S4为回收S3阶段产生的半水煤气而打开F7、F8，进入后工段。S5阶段尾气直接由烟囱放空，吹风阻力最小，升温效率最高。

S1(上吹制气)：经S4、S5升温后，炉体内炭层积蓄了足够的热量，又符合了制造半水煤气的工艺条件，再次进入S1阶段，开始下一循环的生产过程。

图3中所示的控制方案中各个部件的名称和功能如下：

DI1～DI10：10路开关量输入，分别为阀门F1～F10的阀位检测，即检测各阀门当前的状态；

D01～DO10：10路开关量输出，分别为阀门F1～F10的控制信号，即控制各阀门是否动作；

AI1～AI4：4路模拟量输入，分别为T1、T2、P1、P2信号输入；

AO1、AO2：2路模拟量输出，分别控制调节阀KV1、KV2信号输出。

如图3所示，在整个控制方案的接线上，其要求为，4路模拟量输入，2路模拟量输出，10路开关量输入，10路开关量输出，要求现场监控，并预留一路以太网接口。按煤气发生装置的要求将模拟量输入AI1～AI4分别接入AI模块(每个模块最多接3点输入)，模拟量输出AO1、AO2接入AO模块(每个模块最多接3点输出)，开关量输入DI1～DI08接入DI模块(每个模块接4点输入)，开关量输出DO1～DO10接入DO模块(每个模块接4点输出)，因分控制器22带有4路通讯接口，1路用于操控终端，其余3路(其中有1路以太网接口)预留使用。

由此可见，一个由分控制器22组成的现场DCS控制系统即可投入使用；并且通过系统网络SNet，控制器与操作站及工程站实现了通讯及数据共享，可参与远程控制及多级控制，可根据需求进行灵活额选配，另外，控制器在结构上采用耐温耐腐蚀设计，全密封式的金属外壳，抗干扰能力及现场适用能力也由此得到充分的保证。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多控制器的DCS控制系统，其特征在于：所述DCS控制系统包括用于DCS控制系统的集中监控的操作站部分(1)；多个与操作站部分(1)并行连接的可移动式现场控制站部分(2)，与每个现场控制站部分(2)连接的至少一个监控终端(3)，所述监控终端(3)用于显示现场控制参数，所述现场控制站部分(2)用于将现场控制参数进行信号的转换、处理、运算及控制；以及还包括与操作站部分(1)和现场控制站部分(2)连接的数据服务器部分，所述数据服务器部分用于系统数据的共享和管理。

2.根据权利要求1所述的多控制器的DCS控制系统，其特征在于：所述现场控制站部分(2)包括主控制器(21)及与主控制器(21)连接的多个分控制器(22)，所述主控制器(21)通过系统网络Snet与操作站部分(1)连接，所述多个分控制器(22)通过控制网络Cnet与主控制器(21)连接，所述监控终端(3)与分控制器(22)连接。

3.根据权利要求2所述的多控制器的DCS控制系统，其特征在于：所述主控制器(21)和分控制器(22)的结构一致，均包括控制底板(23)，设置于控制底板(23)内的控制主板，以及安装于控制底板(23)上的多个功能模块(24)，所述控制底板(23)上还设有电源接口(25)和通讯接口(26)，所述每个功能模块(24)上还设有插线接头(27)；所述分控制器(22)用于根据主控制器(21)的指令来协调和调度各个功能模块(24)，所述主控制器(21)用于根据操作站部分(1)的指令来协调和调度各个分控制器(22)，所述主控制器(21)和分控制器(22)均能与监控终端(3)连接。

4.根据权利要求3所述的多控制器的DCS控制系统，其特征在于：所述功能模块(24)包括模拟量输入模块、模拟量输出模块、开关量输入模块、开关量输出模块和PWM输出模块、CAN通讯模块、485/232通讯模块、WIFI无线通讯模块。

5.根据权利要求2所述的多控制器的DCS控制系统，其特征在于：所述主控制器(21)与分控制器(22)、控制站(2)与操作站(1)、主控制器(21)与一数据服务器(6)、操作站(1)与一服务器(5)的连接总线，全部采用光纤通讯。

6.根据权利要求2所述的多控制器的DCS控制系统，其特征在于：所述监控终端(3)为上位机、触摸屏或无纸记录仪。

7.根据权利要求2所述的多控制器的DCS控制系统，其特征在于：所述主控制器(21)和分控制器(22)的外侧均设有全密封的金属外壳。

8.一种实现根据权利要求1至7任意一项所述的多控制器的DCS控制系统的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步、操作站部分(1)集中控制各个控制站部分(2)的工作；

第二步、每个现场控制站部分(2)连接至少一个监控终端(3)，监控终端(3)实时的监控现场的数据信息，并将数据信息传递至现场控制站部分(2)；

第三步、现场控制站部分(2)对数据信息进行转换、处理和运算，并将运算后的数据传递至数据服务器部分内。

9.根据权利要求8所述的多控制器的DCS控制系统的控制方法，其特征在于：所述第三步中主要包括：分控制器(22)用于根据主控制器(21)的指令来协调和调度各个功能模块(24)的工作，以及，主控制器(21)用于根据操作站部分(1)的指令来协调和调度各个分控制器(22)的工作。

10.根据权利要求9所述的多控制器的DCS控制系统的控制方法，其特征在于：所述主控制器(21)、分控制器(22)及功能模块(24)同时工作。