CN219676481U - 一种工业窑炉dcs控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种工业窑炉DCS控制系统，包括主机CPU和备用CPU，所述主机CPU一方面通过第一过程控制网SCnet交换机连接所述工程师站PC机ES‑PC、操作站PC机OS‑PC以及边缘服务器Edge‑PC，另一方面通过第一I/O总线E‑BUS交换机连接所述控制子站SSR；所述备用CPU一方面通过第二过程控制网SCnet交换机连接所述工程师站PC机ES‑PC、操作站PC机OS‑PC以及边缘服务器Edge‑PC，另一方面通过第二I/O总线E‑BUS交换机连接所述控制子站SSR。本实用新型主要基于冗余链路开发设计的DCS系统，能够实现工业窑炉的分散控制和集中管理，提高了控制系统的稳定性和可靠性，更适合在化工和冶炼行业中的应用。

Description

一种工业窑炉DCS控制系统

技术领域

本实用新型涉及工业窑炉控制系统，尤其涉及一种立式炭材烘干窑的DCS控制系统。

背景技术

目前，工业窑炉产业结构不断优化，窑炉生产工艺落后以及环保、能耗不达标的产能不断退出，特别是近几年，多种行业对先进装备愈加重视，一批产能置换、环保搬迁、产业转移等项目，普遍配套单体产能高、工艺装备先进的烘干窑、回转窑、套筒窑、预热炉等工业窑炉设备，其中立式炭材烘干窑因其烘干后的破损率低、节能环保优势明显致其市场占比极高，是工业窑炉中典型的代表。

立式炭材烘干窑采用预热、热风和降温三个不同的烘干区域对物料进行烘干，能有效的防止发生原料爆裂现象和防止二次破损。立式炭材烘干窑的控制系统多采用PLC系统，PLC控制系统是基于单机逻辑控制开发的，系统稳定性依赖唯一控制链路，一旦控制链路中的部分设备故障，整个控制系统必然崩溃。由于化工系统的整体性要求，生产过程一旦中断会造成严重的经济损失。

实用新型内容

根据上述提出的PLC控制系统稳定性和可靠性不佳不适合在化工和冶炼行业中应用的技术问题，而提供一种立式炭材烘干窑的DCS控制系统。本实用新型主要基于冗余链路开发设计的DCS系统，能够实现工业窑炉的分散控制和集中管理，提高了控制系统的稳定性和可靠性，更适合在化工和冶炼行业中的应用。

本实用新型采用的技术手段如下：

一种工业窑炉DCS控制系统，包括：

工程师站PC机ES-PC、操作站PC机OS-PC以及边缘服务器Edge-PC；

过程控制网SCnet交换机系统，所述过程控制网SCnet交换机系统包括第一过程控制网SCnet交换机和第二过程控制网SCnet交换机；

主控制系统，所述主控系统包括主机CPU和备用CPU；

I/O总线E-BUS交换机系统，所述I/O总线E-BUS交换机系统包括第一I/O总线E-BUS交换机和第二I/O总线E-BUS交换机；

以及控制子站SSR；

所述主机CPU一方面通过第一过程控制网SCnet交换机连接所述工程师站PC机ES-PC、操作站PC机OS-PC以及边缘服务器Edge-PC，另一方面通过第一I/O总线E-BUS交换机连接所述控制子站SSR；

所述备用CPU一方面通过第二过程控制网SCnet交换机连接所述工程师站PC机ES-PC、操作站PC机OS-PC以及边缘服务器Edge-PC，另一方面通过第二I/O总线E-BUS交换机连接所述控制子站SSR。

进一步地，系统还包括第三方控制器O-PLC，所述第三方控制器O-PLC分别通过第一I/O总线E-BUS交换机和第二I/O总线E-BUS交换机连接控制子站SSR。

进一步地，所述控制子站SSR包括窑前控制子站、窑顶控制子站、窑底控制子站、窑后控制子站以及低压配电室控制子站。

进一步地，在所述过程控制网SCnet交换机系统中，SCnet网络连接方式采用冗余星型连接。

进一步地，所述I/O总线E-BUS交换机系统中，采用冗余双环型网络方式与多个控制子站SSR环绕相连形成双闭环E-Bus总线。

进一步地，所述窑顶控制子站内配置有ModbusTCP通讯模块，通过所述ModbusTCP通讯模块与CANWeb主站模块实时通信，所述CANWeb主站模块通过轮训方式接收各CANWeb子站模块发送的温度信号，每个所述CANWeb子站模块用于对应采集工业窑炉内一层结构的温度数据。

进一步地，所述低压配电室控制子站内配置一ProfiNet通讯模块，所述ProfiNet通讯模块与变频器VVVF通讯实现对电动机驱动速度的调节。

本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型公开的DCS控制系统是基于冗余链路进行开发设计的，主要特征是分散控制集中管理，兼顾分而自治和综合协调的设计理念，其稳定性和可靠性更高，更适合在化工和冶炼行业中的应用，易于满足我国国家的工程项目控制系统验收规范要求。

2、本实用新型应用冗余双星型和冗余双环型相结合的网络技术，增强了工业窑炉智能化实际应用的技术储备。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一种工业窑炉DCS控制系统硬件架构图。

图中：101、主机CPU；102、备用CPU；103、工程师站PC机ES-PC；104、操作站PC机OS-PC；105、边缘服务器Edge-PC；106-A、第一过程控制网SCnet交换机SC-Switch；106-B、第二过程控制网SCnet交换机SC-Switch；107-A、第一I/O总线E-BUS交换机E-Switch；107-B、第二I/O总线E-BUS交换机E-Switch；108、控制子站SSR；108-1、窑前控制子站；108-2、窑顶控制子站；108-3、窑底控制子站；108-4、窑后控制子站；108-5、低压配电室控制子站；109、第三方控制器O-PLC；110、变频器VVVF；111、CANWeb子站模块；112、CANWeb主站模块；113、ModbusTCP通讯模块；114、ProfiNet通讯模块。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型公开的工业窑炉DCS控制系统实际物理连接如图1所示，以立式烘干窑为例的工业窑炉硬件网络架构图，包括：主机CPU101、备用CPU102、工程师站PC机ES-PC103、操作站PC机OS-PC104、边缘服务器Edge-PC105、过程控制网SCnet交换机SC-Switch106、I/O总线E-BUS交换机E-Switch107、控制子站SSR108、第三方控制器O-PLC109。其中，过程控制网SCnet交换机SC-Switch106按A/B网又分为过程控制A网SCnet交换机SC-Switch106-A和过程控制B网SCnet交换机SC-Switch106-B；I/O总线E-BUS交换机E-Switch107按A/B网又分为I/O总线E-BUS交换机E-Switch107-A和I/O总线E-BUS交换机E-Switch107-B。

主机CPU101和备用CPU102控制器选用中控ECS-700系列产品，该系统是中控InPlant整体解决方案的核心平台，具有管理大型联合装置的一体化能力，ECS-700系统应用冗余的供电系统、冗余的通信网络、互为备用的操作员站、冗余控制站和全冗余的输入/输出模块来保证系统的连续正常运行。任一路电源故障不会影响系统的整体供电，任意单一部件的故障不影响系统的正常运行，在冗余配置情况下，模块可以快速在线无扰切换，无需任何人工干预，这大大提高了本工业窑炉控制系统的稳定性。同时，ECS-700系统具备灵活的系统结构，支持持续的在线系统扩容和并网，实现了系统的无扰动在线扩容，这又为未来项目扩展提供了便利。

主机CPU101和备用CPU102控制器，具备掉电保护功能，配备的电池保证在控制器掉电之后的一段时间内控制器中的组态数据、过程数据不会丢失，控制器的SCnet口用以太网线连接至过程控制网SCnet交换机SC-Switch106，在该交换机上同时连接工程师站PC机ES-PC103、操作站PC机OS-PC104、边缘服务器Edge-PC105。SCnet网络连接方式采用冗余星型。该种网络结构非常适合工控机集中布置的项目工程，对操作员站、历史站和数据站的扩展有较为灵活的适用性。

主机CPU101和备用CPU102是控制站执行控制任务的核心部件，依据工业窑炉设备要求对现场对象进行实时控制，实现连续控制、顺序控制、逻辑控制等各种类型的回路控制任务，并可实现数据采集、故障检测与报警、信息传送等功能。将收集到的现场信息与三台PC机进行数据交互，完成工业窑炉生产过程设备的基本控制。工程师站PC机ES-PC103用于系统组态与编程的维护平台，通过工程师站可进行项目组态、组态发布、组态网络同步、组态备份和还原，工程师站配置硬盘镜像以增强组态数据安全性。

操作站PC机OS-PC104是操作人员监视、控制生产过程、维护设备和处理事故的人机接口，对生产过程进行集中操作与监视。操作员站直接从控制站获得实时数据，以流程图、趋势图等形式动态显示实时/历史数据，操作人员通过连接到操作站的鼠标、键盘等操作终端向控制站发送操作命令。

边缘服务器Edge-PC105为控制系统中部署的本地服务器，用于大数据分析特征计算及提取，数据降维去噪计算，分析分类学习，智能预警模型的生成及优化、存储，结果信息数据与同处在过程控制网SCnet上的CPU、OS-PC进行实时交互，达到智能预警的目的。在边缘服务器Edge-PC105中进行数据边缘计算，是由硬件和软件组成的开放系统，可以灵活地执行基于高级语言的封装应用程序；直观的集成工厂功能，用于针对自动化采集、处理和交换数据，在工厂的基础上实现数据的智能使用。边缘服务器Edge-PC105的功能实现方式可参考申请号为2021110279622的中国专利申请。

主机CPU101和备用CPU102控制器的I/O总线E-BUS口用以太网线连接至I/O总线E-BUS交换机E-Switch107，交换机采用冗余双环型网络方式与多个控制子站SSR108环绕相连形成双闭环E-Bus总线，对第三方控制器O-PLC109采用A/B网络直连方式。根据最终用户的要求我们可以选择集中控制方式和远程子站方式两种，因集中布置方案控制子站是并排相邻放置，无需光电转换介质；远程子站方式将控制子站108放在工业窑炉生产现场和配电室内，此时I/O总线E-BUS需采用光纤等传输介质，最大传输距离可达20km。采用远程子站现场布置方式时，子站间通讯采用千兆光纤连接，现场信号采集电缆较子站集中布置大量缩短，信号采集质量明显提高，但设备维护工作量会适当增加。两种方案的选择可依工程现场设备布局情况和业主工作生产模式的习惯择优选用。

本开发的工业窑炉方案中，以立式炭材烘干窑为例，控制子站SSR108分为窑前控制子站108-1、窑顶控制子站108-2、窑底控制子站108-3、窑后控制子站108-4、低压配电室控制子站108-5。窑前控制子站108-1完成原料焦炭储仓料位、窑前称重皮带、窑前运输大倾角皮带机、沸腾炉燃烧系统的压力和温度、沸腾炉前给煤机等信号的采集和气动卸料阀电磁阀的控制；窑顶控制子站108-2完成窑顶料位、窑进口掺冷风阀、窑进出口6个温度等信号的采集和电动蝶阀的控制，因窑体本身为14层结构设计的环形布料方式，每圈设置8个温度检测，合计112个温度检测点，选用CANWeb现场总线网络模块对现场112个温度进行轮询检测，每一层8个温度检测点对应设置一个8通道温度检测CANWeb子站模块111总计14块，设置1个带有ModbusTCP接口的CANWeb主站模块112实现与主系统控制子站内配置的ModbusTCP通讯模块113的实时通讯，如此配置可节约主系统控制子站AI模块的配置数量，数据通讯速率极大提升，项目成本也大幅下降；窑底控制子站108-3完成窑底出灰闸板开度驱动、窑底环四区温度、出料温度、出料水分检测、出料振动给料机、出料皮带等信号采集和液压出料系统电磁阀的控制；窑后控制子站108-4完成袋式除尘器系统风机、卸灰阀、入口压力和温度、提升缸等信号的采集和电磁阀类的控制；低压配电室控制子站108-5完成皮带机、振动给料机、鼓风机、主抽排气风机等动力回路的信号采集和输出控制，在本子站内配置一ProfiNet通讯模块114与变频器VVVF110通讯实现对电动机驱动速度的调节。

第三方控制器O-PLC109，完成对工业窑炉如环境除尘系统、循环水、空压站等辅助系统设备的信号采集与控制，采用以太网通讯方式与主机CPU101和备用CPU102进行数据交换。

过程控制网SCnet交换机SC-Switch106和I/O总线E-BUS交换机E-Switch107采用冗余星型和冗余双环型相结合的方式，两种网络设备处于不同的工业以太网网段，实现了网络的隔离，各自网络内部的实时交互数据不相互干扰。其中过程控制网SCnet交换机SC-Switch106连接的设备主要完成对工业窑炉生产的管理控制功能；I/O总线E-BUS交换机E-Switch107连接的设备主要完成对工业窑炉现场的数据采集、逻辑控制功能。边缘服务器Edge-PC105基于开放式的工业以太网通讯，兼容多种以太网通讯协议，支持TCP、UDP、ISO-On-TCP、I-Device、S7-Routing通信协议，同时支持SNMP、Web、FTP、NTP等IT通信服务，可方便的将本预警系统的数据处理和算法模块等功能直接移植对接到类似的其他工业控制系统中。

冗余控制系统具有极佳的控制性能：生产运维的高可用性，避免停产；避免非计划的生产中断，非计划停机会导致生产中的产品损坏；减少维护成本；防止数据丢失，保持数据的完整性，减少失效后长时间等待重启；无人值守，维护计划可以更好的规划。

扁平化的网络结构设计，将I/O总线E-BUS与过程控制网SCnet进行不同网段上的隔离，保证了系统数据传输的稳定性；使用全数字式实时以太网技术，保证数据的高度一致性；在CPU中设置专用的智能预警用的数据独立存储区，数据打包传送至边缘服务器Edge-PC105，进一步保证了数据的高度一致性。

我们开发的工业窑炉DCS控制系统，主要针对的是立式炭材烘干窑，其中部分相关技术可部分应用扩展至套筒预热窑、回转窑等控制系统，该部分技术也在本方案保护范围内，均受此技术方案的约束。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种工业窑炉DCS控制系统，其特征在于，包括：

工程师站PC机ES-PC(103)、操作站PC机OS-PC(104)以及边缘服务器Edge-PC(105)；

过程控制网SCnet交换机系统，所述过程控制网SCnet交换机系统包括第一过程控制网SCnet交换机(106-A)和第二过程控制网SCnet交换机(106-B)；

主控制系统，所述主控制系统包括主机CPU(101)和备用CPU(102)；

I/O总线E-BUS交换机系统，所述I/O总线E-BUS交换机系统包括第一I/O总线E-BUS交换机(107-A)和第二I/O总线E-BUS交换机(107-B)；

以及控制子站SSR(108)；

所述主机CPU(101)一方面通过第一过程控制网SCnet交换机(106-A)连接所述工程师站PC机ES-PC(103)、操作站PC机OS-PC(104)以及边缘服务器Edge-PC(105)，另一方面通过第一I/O总线E-BUS交换机(107-A)连接所述控制子站SSR(108)；

所述备用CPU(102)一方面通过第二过程控制网SCnet交换机(106-B)连接所述工程师站PC机ES-PC(103)、操作站PC机OS-PC(104)以及边缘服务器Edge-PC(105)，另一方面通过第二I/O总线E-BUS交换机(107-B)连接所述控制子站SSR(108)。

2.根据权利要求1所述的一种工业窑炉DCS控制系统，其特征在于，系统还包括第三方控制器O-PLC(109)，所述第三方控制器O-PLC(109)分别通过第一I/O总线E-BUS交换机(107-A)和第二I/O总线E-BUS交换机(107-B)连接控制子站SSR(108)。

3.根据权利要求1或2所述的一种工业窑炉DCS控制系统，其特征在于，所述控制子站SSR(108)包括窑前控制子站(108-1)、窑顶控制子站(108-2)、窑底控制子站(108-3)、窑后控制子站(108-4)以及低压配电室控制子站(108-5)。

4.根据权利要求1所述的一种工业窑炉DCS控制系统，其特征在于，在所述过程控制网SCnet交换机系统中，SCnet网络连接方式采用冗余星型连接。

5.根据权利要求1所述的一种工业窑炉DCS控制系统，其特征在于，所述I/O总线E-BUS交换机系统中，采用冗余双环型网络方式与多个控制子站SSR(108)环绕相连形成双闭环E-Bus总线。

6.根据权利要求3所述的一种工业窑炉DCS控制系统，其特征在于，所述窑顶控制子站(108-2)内配置有ModbusTCP通讯模块(113)，通过所述ModbusTCP通讯模块(113)与CANWeb主站模块(112)实时通信，所述CANWeb主站模块(112)通过轮训方式接收各CANWeb子站模块(111)发送的温度信号，每个所述CANWeb子站模块(111)用于对应采集工业窑炉内一层结构的温度数据。

7.根据权利要求3所述的一种工业窑炉DCS控制系统，其特征在于，所述低压配电室控制子站(108-5)内配置一ProfiNet通讯模块(114)，所述ProfiNet通讯模块(114)与变频器VVVF(110)通讯实现对电动机驱动速度的调节。