CN1841252A

CN1841252A - 一种柔性控制系统

Info

Publication number: CN1841252A
Application number: CNA2005100247537A
Authority: CN
Inventors: 张红刚; 张建军
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2006-10-04

Abstract

一种柔性控制系统属于工业自动控制领域，特别是一种自动控制系统结构，可应用于乳品、淀粉、制酒、制糖、毛纺、饲料等行业。本发明系统主要包括有：由上位机(IPC)、可编程控制器(PLC)及协议转换模块、前控机智能模块、智能变送模块通过自身的CAN工业现场总线接口连接在一起，构成完善的不依赖上位机的柔性管控一体化控制系统。本发明是设计全新DCS系统结构——不依赖上位机的柔性管控一体化控制系统，将自控系统的运行可靠性、软硬件组态灵活性、开放性提高到一个新的水平。同时造价降到同类系统的60％，运行费用降到同类系统的10％。

Description

一种柔性控制系统

技术领域

本发明属于工业自动控制领域，特别是一种自动控制系统结构，可应用于乳品、淀粉、制酒、制糖、毛纺、饲料等行业。

背景技术

DCS系统在国内外已流行多年。传统的DCS控制系统是由仪表控制发展起来的。一般由上位机与现场控制仪表或前控机(也由计算机担任)相连，现场仪表仅控制一个过程参数，而前控机则控制着生产线的某几段工艺过程或几个对象。前者如果脱离上位机难以对一个局部过程执行完善的控制，或对于一个对象的控制结构过于烦琐(如控制一个啤酒大罐时需要4-5块现场仪表)：后者由于控制范围较大，如果前控机一旦发牛故障，将造成较大面积的失控。由于前控机一般控制着几个对象或一段工艺过程，当其发生问题时会造成较大面积的失控，故障恢复需要较长时间，给生产带来不便和损失。由PLC与上位机构成的系统这一问题更加突出，虽然PLC可靠性很高，但万一CPU模块发生故障将导致整个系统瘫痪。此外，传统DCS系统还存在现场接线繁杂、维护较困难等问题。

随着工业生产过程自动控制技术的普及应用，对系统可靠性、灵活性、可扩展性的要求越来越高，除现场传感器、执行器外，系统总体结构及具体控制单元的构成功能成为系统可靠性、实用性的关键。

发明内容

本发明的目的是设计全新DCS系统结构——不依赖上位机的柔性管控一体化控制系统，将自控系统的运行可靠性、软硬件组态灵活性、开放性提高到一个新的水平。同时造价降到同类系统的60％，运行费用降到同类系统的10％。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

本发明主要包括有：由上位机(IPC)、可编程控制器(PLC)及协议转换模块、前控机智能模块、智能变送模块通过自身的CAN工业现场总线接口连接在一起，构成完善的不依赖上位机的柔性管控一体化控制系统；所述的智能模块通过自身输入隔离通道实时采集现场模拟量和开关量信号和通过自身输出隔离通道输出模拟量和开关量信号和通过通过自身隔离CAN总线与上位机交换信息，独立完成对某个局部过程的控制或某个控制对象工艺过程控制；所述的前控机智能模块可以与某一生产环节的必要的传感器、执行器相连，独立完成该环节生产过程控制：前控机智能模块还可以与某一控制对象的所有必要的传感器、执行器相连；在存在严重干扰源的系统中，前控机智能模块可以与智能变送模块相连，通过单通道智能隔离变送模块采集传感器信号或输出控制信号，实现控制系统冗余输入输出连接；在开关量控制点较多的系统中，前控机智能模块可以与协议转换模块连接实现CAN总线协议到PROFIBUS(符合欧洲标准的工业通讯协议)协议的转换，通过PROFIBUS总线与PLC相连。

本发明系统具有如下优点：

1、过程对象或关键控制点由智能模块独立完成，上位机不参与控制且模块本身具备数据记录功能。即便上位机故障或人为长时间关机也不影响系统的控制运行和数据记录。而当某模块发生故障时仅在短时间影响对应控制或监测对象，由于模块互换性好、接线简单明了、使故障恢复时间变的极短。这样便极大的提升了系统的可靠性。

2、模块核心采用目前速度最快、性能最优越的MCU之一——C51FXXX片上系统(SOC)。可实现应用程序在线下载和升级，速度为当前流行MCU的25倍。优越的性能及丰富的I/O功能是构成高速CAN总线产品的基础。

3、内嵌专门针对实际应用而设计的软件及控制算法。通过外部参数设置可对流量、压力、温度、液位、密度、速度等变量进行选择控制，实现灵活的软件组态和控制适应性。

4、符合实际操作需求的人机界面，使操作简便灵活，易于掌握。

5、对于不同控制要求，通过IPC与智能模块的不同组合构成相应的专门控制系统。也可通过协议转换模块可实现IPC与PLC再到智能模块的连接。从而实现灵活的硬件组态。

6、带有LED显示功能的智能变送器、操作器作为控制参数的冗余显示，在应急手动时作为操作参考。

7、由智能控制模块和智能变送模块构成双重信号通道隔离，对于严重的信号干扰源(如变频器等)产生极好的隔离效果，将信号通道互扰降到最低。

8、系统造价及运行维护费用分别比流行的DCS系统低40％和90％，具有最佳性能价格比，符合我国国情。

附图说明

附图1控制系统基本结构示意图；

附图2为附图1中单通道模拟量智能控制模块内部结构框图；

附图3为附图1中多通道模拟量智能控制模块内部结构框图；

附图4为为附图1中多通道开关量智能控制模块内部结构框图；

具体技术方案

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

本发明主要包括有：由上位机(IPC)、可编程控制器(PLC)及协议转换模块、前控机智能模块、智能变送模块通过自身的CAN工业现场总线接口连接在一起，构成完善的不依赖上位机的柔性管控一体化控制系统；所述的智能模块通过自身输入隔离通道实时采集现场模拟量和开关量信号和通过自身输出隔离通道输出模拟量和开关量信号和通过通过自身隔离CAN总线与上位机交换信息，独立完成对某个局部过程的控制或某个控制对象工艺过程控制；所述的前控机智能模块可以与某一生产环节的必要的传感器、执行器相连，独立完成该环节生产过程控制；前控机智能模块还可以与某一控制对象的所有必要的传感器、执行器相连；在存在严重干扰源的系统中，前控机智能模块可以与智能变送模块相连，通过单通道智能隔离变送模块采集传感器信号或输出控制信号，实现控制系统冗余输入输出连接；在开关量控制点较多的系统中，前控机智能模块可以与协议转换模块连接实现CAN总线协议到PROFIBUS(符合欧洲标准的工业通讯协议)协议的转换，通过PROFIBUS总线与PLC相连。

2、系统输出输入：

模拟量输入通道：现场传感器产生的(压力、流量、温度、密度等)信号可通过两条途径输入：

(1)、连接到智能隔离变送模块(JWDCS-SCM)的万能输入端AI-101。该类模块本身具备对采样值显示、参数输入等功能，经内嵌智能单元转换、放大、非线性校正、隔离后变为标准输出信号A0-101(4-20MA或0-5V或0-10V等)及CAN总线信号(输入冗余结构)。前者送入前控机模拟量智能模块JWDCS-ASM的输入端AI-201，后者通过自身的CAN接口送入系统总线。(参见图1的虚线部分)。

(2)、直接连接到前控机模拟量智能模块JWDCS-AMM的万能输入端AI-202。前控机模拟量智能模块内嵌针对专门用途的控制软件，具备对输入参数变换、调理、运算、记录、显示等功能。经其处理的数据通过CAN接口将信号送入系统总线。

模拟量输出通道：前控机模拟量智能模块(JWDCS-ASM、JWDCS-AMM)产生总线通讯信号的同时也形成标准模拟量输出信号A0-201、A0-202(4-20MA或0-5V或0-10V)直接控制现场执行器(变频器、调节阀等)或送入智能隔离变送模块JWDCS-SCM(输出冗余结构)的AI-102端，再由该模块隔离后由A0-102输出，控制现场执行器产生控制动作。

开关量输入通道：现场设备(电机、泵、阀等)运行状态(位置)通过输入隔离单元进入前控机开关量智能模块JWDCS-DMM的输入端DI-201，该模块将各设备运行状态实时显示于液晶屏并通过模块自身的CAN接口将运行状态上传到总线。

开关量输出通道：前控机开关量智能模块JWDCS-DMM通过输出端D0-201连接到驱动部分(如继电器等)，驱动现场设备(电机、泵、阀等)。依据控制、报警、互锁逻辑等工艺要求控制这些设备的运行，该模块将各设备控制状态实时显示于液晶屏通过模块自身的CAN接口将其上传到总线。

3、系统CAN总线：

是系统各前控机模块与上位机IPC或PLC连接的纽带，上位机通过它与系统其他部分实现数据交换。

4、系统管理单元：

上位机IPC是系统的管理单元，通过系统CAN总线与JWXX-DCS系统其它各部分相连，构成完整的自控系统。上位机一般由工业控制计算机(IPC)担任，在WINDOWS环境下运行自行设计的管理程序，完成与前控机(JWDCS-XXM智能模块)实时通讯，数据显示、记录、报表打印、支持对系统手动控制操作、LAN及INTERNET远程监测等。具有良好的人机界面。

5、系统控制组态变化：

JWXX-DCS柔性控制系统在其总体结构不变的情况下，对于不同的应用场合，派生出以下3点所述的具体组态变化，可满足中小型自动化生产线工艺过程控制的大部分要求。

(1)、冗余隔离输入输出组态：如前所述，工业现场信号既可以先经过智能变送模块隔离、调理后送入前控机智能模块，也可以直接送入前控机智能模块；输出控制信号也是如此。

当系统中控制设备包含有变频器等强干扰源时，前一种连接可有效的克服其对输入信号的干扰及各信号通道间的互扰(如乳粉、淀粉生产线)。同时由于智能变送模块配备了LED显示器，在系统发生故障时，操作人员仍可根据其显示值进行手动模拟量控制操作。提高了系统的实用性。

(2)、高度可靠的一对一DCS监控组态：由于前控机智能模块内嵌专门控制软件、数据记录功能、独立输出输入通道，在控制过程中仅担任某一个环节的控制(如乳粉、淀粉等生产线)或一个对象的控制任务(如啤酒大罐发酵过程)，因此，可以不依赖上位机独立完成控制，使系统总体可靠性得到很大的提升。

(3)、包含PLC的低成本、高可靠性混合DCS监控组态。在某些应用场合(如开关量控制点较多而模拟量点数较少)，利用PLC对开关量控制的优势同时最大限度降低控制系统成本而采用这种结构(见图1：当‘组态开关’转向位置‘2’时的情况)。

在此模式下，开关量控制由PLC完成，模拟量采样及控制由JWDCS-XXX模块完成。JWDCS-XXX模块通过协议转换模块(JWDCS-ACM)与具有其它协议(如PROFIBUS)的PLC通讯。

由以上叙述可以看出，根据不同需要，系统组态灵活多变，可大可小、可简可繁。系统上位机可由IPC担任。但IPC仅作为管理机完成实时数据及历史数据管理、参数及曲线显示、打印、屏幕操作等，不参与控制。前控机模块本身具有数据连续记录功能，因此上位机可任意时刻在线或离线，也不需要双机冷备或热备。

三、本发明系统前控机智能模块：

(一)、原理概述

前控机智能模块JWDCS-ASM(单路模拟量输出输入)、JWDCS-AMM(多路模拟量输出输入)、JWCS-DMM(多路开关量输出输入)是针对专门应用，完全自主设计的系列产品。

每一个模块内部嵌入了功能齐备的系统软件，其本身就是一个完整的、可独立完成某工艺参数(如鲜奶密度)控制或一个对象(如一个啤酒大罐)工艺全过程控制的微型控制系统。

模块核心器件采用美国SYGNAL公司的C8051FXXX系列芯片，它包含8路12位A/D、2路12位D/A、16位PWM、32K FALES、2K RAM、32个I/O、内置WDT、JTAG仿真接口等。运行速度是目前常规单片机的25倍，是一种高速度、高集成度的片上系统(SOC)。

图1、2、3分别是三种模块内部结构框图。其工作原理基本相同：

模块输入通道可以接收热电偶、热电阻、压力、流量、液位、密度等(0-10MA、4-20MA、0-5V、0-10V)传感器信号。现场传感器信号由模块输入通道输入，经转换、隔离、放大后进入单片机C8051FXXX(MCU)，通过MCU内部程序控制进行12位AD转换变为数字量参与运算，并根据预定的工艺控制逻辑结合先进的控制算法形成合理的输出值，送到模块输出单元，经过输出单元电路隔离、转换后变为标准输出信号(4-20MA、0-10MA、0-5V、0-10V等)驱动现场执行器(如调节阀、变频器、电动执行器等)。对于有开关量控制要求的场合，MCU内嵌程序根据工艺要求通过开关量输出输入单元送出控制信号并实时监测设备运行状态，发现故障立即报警、记录、上传故障状态、进行故障处理。

与此同时，MCU不断通过I2C总线读取系统硬时钟以满足工艺对时间的要求；定时记录采样值、输出值、工作状态到EEPROM中；定时将存储于EEPROM之中的工艺映射到内部RAM；实时扫描键盘输入信号(如手动控制命令、工艺输入、参数改变、运行状态转换命令等)；将采样值、输出值、运行状态(报警状态、手自动状态、工艺标识)、运行时间送到、历史曲线送到LCD上进行显示。

EEPRMO可以记录4000-25000多个数据，可实时或在必要的时候由上位机读出。

通过CAN总线接口，MCU实时接受上位机的请求，上传数据；与系统中其它智能模块交换数据。

JTAG接口用于非浸入式程序升级、仿真调试，为保护知识产权加密程序等。

(二)、模块结构示意

1、JWDCS-ASM模拟量输出输入智能模块：本模块类型适用于对工艺过程中某一环节的控制，辅助变量输入通道的配置是为了配合内嵌控制算法，以产生更好的控制效果。开关量通道配置作为报警输出及现场联络信号输入。

2、JWDCS-AMM模拟量输出输入智能模块：本模块类型适用于对工艺过程中某一段或某一完整的控制对象的控制，可采集六路模拟量、输出两路控制模拟量、三路开关量输出及三路开关量输入通道配置作为报警输出、现场联络信号输入、部分设备启停控制及运行监测。

3、JWDCS-DMM开关量输出输入智能模块：本模块类型适用于工艺过程中开关量控制点数较多的场合。16路输出输入开关量通道配置作为报警输出、现场联络信号输入、设备启停控制及运行监测。

(三)、模块性能一览表

序号

名称

内容

1	双(或三)回路模拟量智能控制模块JWDCS-ASM	1、内核为C8051FXXX高性能SOC芯片2、128*64点阵图形液晶显示器LCD实现多参数显示及操作3、双(或三)回路万能模拟量隔离输入、双(或三)回路模拟量隔离输出，可直接面对现场传感器、执行器或驳接智能变送器4、两路隔离开关量输出及输入、5、内嵌专家控制算法，独立完成控制对象的环节控制6、CAN高速隔离总线。通过CAN总线与上位机连网或通过协议转器与PLC连网进行信息交换，构成开放的控制网络。节点数量为1-256个。7、24V AC或DC供电，安全可靠
1	双(或三)回路模拟量智能控制模块JWDCS-ASM		2	多回路模拟量智能控制模块JWDCS-AMM	1、内核为C8051FXXX高性能SOC芯片2、128*64点阵图形液晶显示器LCD实现多参数显示及操作3、多路万能模拟量隔离输入、多路模拟量隔离输出，可直接面对现场多个传感器、执行器或驳接多个智能变送器4、六路隔离开关量输出及输入、5、内嵌专家控制算法，独立完成控制对象的多回路控制6、CAN高速隔离总线。通过CAN总线与上位机连网或通过协议转换器与PLC连网进行信息交换，构成开放的控制网络。节点数量为1-256。7、24V AC或DC供电，安全可靠

3	多回路开关量智能控制模块JWDCS-DMM	1、内核为C8051FXXX高性能SOC芯片2、128*64点阵图形液晶显示器LCD，实现多参数显示及操作3、16路隔离开关量输出及输入、5、内嵌控制算法，可完成现场设备的可编程(如启停和连锁控制等)6、CAN高速隔离总线。通过CAN总线与上位机连网或通过协议转换器与PLC连网进行信息交换，构成开放的控制网络。8、24V AC或DC供电，安全可靠
3	多回路开关量智能控制模块JWDCS-DMM		4	智能隔离变送器JWDCS-SCM	1、内核为C8051FXXX高性能SOC芯片2、五位LED显示器，实现多参数显示及操作3、高精度(0.05％)隔离变送，内嵌多种矫正算法4、万能模拟量隔离输入、模拟量隔离输出，可作为输出、输入两用变送模块。直接面对现场传感器、执行器。可与各种模拟量信号调理模块配接5、CAN高速隔离总线。通过CAN总线可直接与上位机连网或通过协议转换器与PLC连网进行信息交换。
5	协议转换模块JWDCS-ACM	将智能模块现行通讯协议转换为符合某些PLC执行的通讯协议。如：MPI、PROFIBUS等	4	智能隔离变送器JWDCS-SCM

Claims

1、一种柔性控制系统，其特征在于，主要包括有：由上位机(IPC)、可编程控制器(PLC)及协议转换模块、前控机智能模块、智能变送模块通过自身的CAN工业现场总线接口连接在一起，构成完善的不依赖上位机的柔性管控一体化控制系统。

2、根据权利要求1所述的一种柔性控制系统，其特征在于，所述的智能模块通过自身输入隔离通道实时采集现场模拟量和开关量信号和通过自身输出隔离通道输出模拟量和开关量信号和通过通过自身隔离CAN总线与上位机交换信息，独立完成对某个局部过程的控制或某个控制对象工艺过程控制。

3、根据权利要求1所述的一种柔性控制系统，其特征在于，所述的前控机智能模块可以与某一生产环节的必要的传感器、执行器相连，独立完成该环节生产过程控制。

4、根据权利要求1所述的一种柔性控制系统，其特征在于，前控机智能模块还可以与某一控制对象的所有必要的传感器、执行器相连。

5、根据权利要求1所述的一种柔性控制系统，其特征在于，在存在严重干扰源的系统中，前控机智能模块可以与智能变送模块相连，通过单通道智能隔离变送模块采集传感器信号或输出控制信号，实现控制系统冗余输入输出连接。

6、根据权利要求1所述的一种柔性控制系统，其特征在于，在开关量控制点较多的系统中，前控机智能模块可以与协议转换模块连接实现CAN总线协议到PROFIBUS(符合欧洲标准的工业通讯协议)协议的转换，通过PROFIBUS总线与PLC相连。