WO2012055165A1

WO2012055165A1 - 一种控制器分层的分散控制系统

Info

Publication number: WO2012055165A1
Application number: PCT/CN2011/001777
Authority: WO
Inventors: 傅坚; 郑尧富; 屠勤; 虞为慈
Original assignee: 京仪华文自动化系统工程（上海）有限公司
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2012-05-03
Also published as: CN101957619B; CN101957619A

Description

一种控制器分层的分散控制系统技术领域

本发明涉及一种自动控制系统，特别涉及一种用于流程工业的控制器分层的分散控制系统。背景技术

目前，常规流程工业控制最常用的是如图 1所示的分散控制系统（以下简称 DCS系统），其一般包含通过冗余的以太网络依次连接的 HMI (人机界面，即操作员站、工程师站等）、 DPU (数字处理单元）及 I/O部件（输入输出单元）。 I/O部件还通过信号电缆与现场设备连接，将设备上安装的常规仪表或检测装置上采集到的数据输送至 DPU。 _¾

作为 DCS系统中的关键部件， DPU将数据发送至 HMI层，使技术人员能够通过操作员站进行实时监控，或可进一步通过工程师站进行控制参数的设定修改操作；之后 DPU根据预设或 HMI给出的指令来输出控制信号，经由 I/O部件、信号电缆来调整现场设备的工作状态。

然而，由于上述 HMI、 DPU及 I/O部件均放置在中央控制室内；并且现场,设置的常规仪表及检测装置向 I/O部件给出的是模拟信号，每个模拟信号的传输需要一对电缆，因此，需要耗费大量的电缆，同时也需要中央控制室的空间足够庞大，来容纳引入其中的所述电缆及大量 I/O部件。所以，现有的分散控制系统（DCS) 的设置成本高、占地面积大，尤其在控制设备多、现场与控制室距离远的情况下更为突出。

为了解决该问题，现有在流程工业还使用了如图 2所示的另一种控制系统，即现场总线控制系统（以下简称 FCS系统）。其对 DCS系统的现场侧进行了改进：在现场设备上使用具有 PID (比例、微分、积分）调节功能的智能型仪表及检测装置，能够将现场的温度、压力、流量等模拟信号转变成数字信号后，直接与 DPU进行数字信号的传输，从而取消了在 DCS中使用的大部分 I/O部件，同时可以减少电缆的用量达 60%，中央控制室的面积也可

1

确认本相应减少。

但是，目前 FCS系统尚存在下述缺点：

1. FCS系统中所使用的自带调节及数字通讯功能的仪表及检测装置造价昂贵，所以控制系统总的造价并没有下降，根据现有文献记载，反而成本有所上升。

2.目前总线不支持冗余功能，在一条现场总线上连接了大量所述仪表，若任意一条总线发生故障都将影响整个系统的运行，降低了 FCS系统的可靠性。

3.在某些场合中， FCS还无法提供 DCS已有的控制功能。由于软硬件水平的限制，其功能块的功能还不是很强，品种也不够齐全；用现场仪表还只能组成一般的控制回路如单回路、串级、比例控制等，对于复杂的、先进的控制算法还无法在仪表中实现，对于单回路内有多输入、多输出的情况缺乏好的解决方案。

所以尽管现场总线的概念已提出十余年了，但上述原因限制了 FCS系统在过程控制领域的应用。

另外，现有 DCS和 FCS系统中，所述 DPU都是单层平面布置的：以火力发电厂锅炉的控制为例，其中若 '干对 DPU用于控制锅炉，每对 DPU需要同时控制锅炉的多个附属设备;另外若干对 DPU用于控制汽轮机侧的附属设备，即所有 DPU的作用与实现的功能都处在同等的地位，同时 DPU的功能设计布局没有清晰的划分，控制效率低；而且一旦某对 DPU发生故障，会影响多个设备的运行，造成整个系统失控的严重后果。发明的公开

本发明的目的是提供一种控制器分层的分散控制系统，将传统 DCS系统及 FCS系统的优点相结合，将现有 DPU分布立体化，如分成 MCU (主控器）及 FCU (现场控制单元），分别完成对控制单元组及控制单元子组的控制，实现了对现场设置的常规仪表、执行器、驱动设备进行的现场总线及工业以太网技术升级，从而节省控制电缆、桥架、控制室造价，并提高系统控制可靠性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种控制器分层的分散控制系统，设置有若干层控制单元，分别对应监控以工艺或功能划分的若干个受控设备功能组；

每个受控设备功能组中包含控制参数相关联且相互配合工作的若千所述受控设备，每个所述受控设备下还设有下一级的若干附属的受控设备。

所述若干个受控设备功能组对应包含若干控制单元组，以及每个控制单元组下的若干控制单元子组；

所述若干层控制单元包含对应所述若干控制单元组设置并控制其工作的若干主控制器，以及对应所述若干控制单元子组设置并控制其工作的若干现场控制器；

每个所述主控制器通过子网，与若干所述现场控制器分别连接，并根据该若干现场控制器发送的监测数据，对该若干现场控制器进行协调控制。

所述若干主控制器通过主干网与人机界面连接，并与所述人机界面一起放置在控制室内; .

所述主控制器还通过主干网与其他主控制器相互连接并进行控制信息的交换，以实现控制单元组级别的协调控制；

所述若干主控制器还分别向所述人机界面发送监测数据，并接收所述人机界面返回的操作指令。

所述人机界面设置的若干操作员站、工程师站，分别通过冗余的两条线路与所述主干网连接；所述主干网是冗余设置的两路 100M/1000M工业以太网。

所述主控制器包含与所述主干网连接的通讯控制模块，以及与所述通讯控制模块连接的计算处理模块；

所述通讯控制模块还与若干数据传输模块连接，并通过每个数据传输模块上设有的若干光口及电口，与所述子网上的若千接口相匹配且相连接；所述通讯控制模块将所述主干网上的操作指令和所述子网上的监测数据发送至所述计算处理模块，由所述计算处理模块进行运算分析后，返回控制信号至通讯控制模块，再经由数据传输模块输出至所述子网。

所述主控制器还包含数据同步模块，使一对冗余设置的所述主控制器，通过各自设置的该数据同步模块相互连接并进行数据备份；

所述数据同步模块与所述计算处理模块和通讯控制模块分别连接，并与冗余设置的另一所述主控制的计算处理模块连接。

每个所述现场控制器，通过 I/O总线与若干 I/O部件连接，并一起放置在工业现场，所述控制单元子组的受控设备附近；

若千所述 I/O部件与所述控制单元子组的受控设备对应连接，通过 I/O 总线向所述现场控制器反馈所述控制单元子组采集的监测数据，并输出现场控制器的驱动命令至所述控制单元子组，形成独立的控制回路。

所述现场控制器包含多端口存储器，以及分别与该多端口存储器双相连接并可同时异步访问的主处理器和辅处理器；

所述辅处理器设置有若干总线通讯接口分别与 I/O总线连接，接受所述控制单元子组的受控设备通过所述 I/O部件反馈的现场监测数据，并存入所述多端口存储器；

所述主处理器设置有若干子网通讯接口分别与子网连接，并根据其接受的所述主控制器的控制信号，及存储的现场监测数据进行计算处理，给出驱动信号并存入所述多端口存储器;

所述辅处理器读取所述驱动信号，并通过所述若干总线通讯接口向 I/O 总线上连接的 I/O部件输出。

连接所述主控制器与现场控制器的所述子网，包含冗余设置的两路

10M/100M工业以太网；连接所述现场控制器与若干 I/O部件连接的所述子网，包含冗余设置的两路现场总线。

所述现场控制器还包含与所述辅处理器连接的硬件同步模块，以及与所述主处理器分别连接的同步动态存储器和同步网通讯接口，使一对冗余设置的现场控制器，通过各自设置的所述硬件同步模块和同步网通讯接口相互连接，并进行数据备份。

与现有技术相比，本发明所述的控制器分层的分散控制系统（FPCS)，将现有平面布置的控制器分层，将原先由一对 DPU完成的一个控制单元组所要完成的多个任务，功能细分为多级单元子组后，分散到若干与现场设备对应的 FCU中，并由 MCU对本控制单元组内的 FCU进行协调控制， '从而实现相关设备的配合工作。

因此，可以看到本发明有以下优点：

1.数字控制单元与设备的对应关系相当清晰，控制器在物理上更加分散，控制风险也就更为分散，同时可以有效降低数据传输网络上的负荷率，因而能够提高了系统的可靠性，提升系统响应速度。

2.本发明中 MCU、 FCU等各个部件，以及每层通讯网络均采用冗余方式设置，并实时进行数据的同步跟踪。因此，在故障时可以自动无扰地切换到后备线路的控制系统上工作。

3.由于 FCU与下属的现场设备形成独立的控制回路，当一对冗余的 MCU, 或是 FCU与该对 MCU的连接网络发生故障时， FCU也能够像普通现场总线系统（FCS) 中使用的智能仪表那样自行完成控制功能，实现对本单元子组的控制对象的调节，进一步提高了本发明所述 FPCS系统的可靠性。

4.在现场布置中，设备往往与集控室较远。而在 FPCS系统中这段距离采用光纤连接，不受电磁干扰；而由于 FCU与 I/O部件'均放置在设备附近，控制电缆大大縮短，也可大大降低电磁信号对系统的干扰。这也大大提高了本系统的抗干扰性能。 ^_

5.由于将本发明的 FCU与 I/O部件均放置在设备现场，现场测量仍采用常规仪表，从而不会在仪表的选择方面增加用户的费用，且符合传统的工程设计的基本原则。相比同样控制规模和距离的现有控制系统，本发明仅需在现场的较短距离下使用电缆，而在现场的 FCU与控制室的 MCU之间的较长距离使用工业以太网传输，可以节省 60%以上的电缆费用，降低了现场设备的造价，'控制室的面积也有效减少，整个控制系统的造价将大大降低。

6.本发明中的 FCU部件具有强大的数据处理功能，可以在就地实现较为复杂的控制算法。

7.本发明克服了目前现场总线不支持冗余总线的缺点，同时支持 HART、 P OFIBUS, FF等现场智能仪表的通讯，为用户提供现场总线控制和一次设备管理系统（EAM) 等功能。

在本系统中工程师可以通过 FPCS组态软件在工程师站上直接对 MCU 及 FCU进行离线组态、在线组态、在线修改及下载，实现了信息管理系统的数字化，为将来控制系统的积木化设计打下基础。附图的简要说明

图 1是现有分散控制系统（DCS) 的总体结构示意图; 图 2是现有现场总线控制系统（FCS) 的总体结构示意图;

图 3是本发明控制器分层的分散控制系统（FPCS) 的总体结构示意图；图 4是本发明控制器分层的分散控制系统（FPCS) 的网络拓扑结构图；图 5是本发明控制器分层的分散控制系统（FPCS) 中冗余设置的一对主控制器（MCU) 的结构示意图；

图 6是本发明控制器分层的分散控制系统（FPCS) 中冗余设置的一对现场控制器（FCU) 的结构示意图。实现本发明的最佳方式

如图 3所示，本发明涉及一种控制器分层的分散控制系统（以下简称 FPCS系统），从流程工业过程控制受控设备的基本需求与基本原理出发，将受控设备根据工艺细分为控制单元组、控制单元子组、控制单元二子组等若干设备控制级。即每个控制单元组下连接有若干个控制单元子组，该若干控制单元子组的控制参数又是相互关联的，以此类推至各个设备控制级子组。

本发明所述 FPCS系统，将现有控制系统中的数字处理单元（DPU) 进行立体化分层处理，设置若干层控制单元来对应监控上述若干设备控制级。以下，以具有两层控制单元的所述 FPCS系统为例，说明本发明的具体实施方式，其系统布置及控制方法可扩展至控制单元子组下设置二级、三级等更多级子组的控制系统。

配合参见图 3、图 4所示，所述 FPCS系统的控制单元包含根据所述控制单元组数量对应配置的若干主控器（以下简称 MCU), 以及根据所述控制单元子组对应配置的若干现场控制器（以下简称 FCU)。

MCU及 FCU均为冗余方式设置，每一对 FCU完成一个控制单元子组中单元设备的控制功能；若干对 FCU连接到一对 MCU, 由该对 MCU协调各控制单元子组之间的关系，并与若干对 FCU配合，共同完成一个控制单元组的全部功能。

若干对 MCU 向上通过主干网与 HMI (人机界面）连接。所述主千网是冗余设置的两路 100M/1000M工业以太网（A网、 B网），每对工业以太网最多可连接 64对 MCU。在正常情况下通过 A网工作，并与 B网数据实时同步，并在故障时直接切换至 B网工作。本发明涉及冗余、 A网、 B网的描述时， HMI中设置的若干操作员站、工程师站等，分别通过冗余的两条线路与主干网的 A网、 B网连接，每条线路与 MCU可进行双向的信号传输。由 MCU向 HMI发送现场采集的监测数据，并根据 HMI返回的操作指令，调整其向下方 FCU发送的控制信号。

所述 MCU与 HMI—起放置在控制室内。每对 MCU通过子网 A'、 B' 与若干对 FCU连接，进行数字信号的双向传输。使用冗余的两路 10M/100M 工业以太网构成所述子网 A，、B '，则每对 MCU最多可连接并支持 32对 FCU。

每对 FCU通过冗余的 I/O总线 A"、 B"，最多可连接并支持 512个 I/O 部件。该 FCU与 I/O部件，均采用一 40°C ~ 85°C的宽温工作环境及高防护等级的结构设计，一起放置在工业现场的受控设备附近。 FCU通过 I/O部件直接与受控设备的常规仪表、执行器或驱动设备连接，形成独立的控制回路。

配合参见图 4、图 5所示，一对冗余设置的 MCU_A、 MCU_B，结构相同且相互连接。 MCU_A设有一通讯控制模块 12，对外，与主干网 A连接，还通过若干数据传输模块 13与子网 A'连接；对内，与计算处理模块 11连接。

若干数据传输模块 13相互串联，以串行方式与子网 A'进行数据交换，所以，可根据每对 MCU下驱动的 FCU数量，以及子网 A'的接口类型和数量，决定使用的数据传输模块 13的数量。每个数据传输模块 13设有 4个光口和 3个电口，可通过光口与光纤等连接来传输数字信号，或是通过电口与电缆连接传输模拟信号。

通讯控制模块 12具有路由分析功能，将其接收的 HMI输出到主干网 A 上的操作指令，或是子网 A，上由 FCU反馈的现场监测数据等，向所述计算处理模块 11输出。由该计算处理模块 11进行运算分析，还返回控制信号至通讯控制模块 12，经由数据传输模块 13输出至子网 A'，用以调整 FCU的 PID参数设定。

MCU_A的计算处理模块 11和通讯控制模块 12还分别与一数据同步模块 14连接，将输出的控制信号、接收的指令及监测数据等，分别通过该数据同步模块 14输出至 MCU_B上的计算处理模块 11，进行实时的数据备份。因此， MCU_A的计算处理模块 11还设有一端口与 MCU_B的数据伺步模块 14连接。该数据同步模块 14还设置有调试用的电口。所述计算处理模块 11可使用 X86或 ARM9, 通讯控制模块 12可使用 ARM9的芯片实现，因此，所述 MCU可设置交流 220V转直流 24V的电源管理模块 15进行供电。，

配合参见图 4、图 6所示，冗余设置的 FCU_A、 FCU_B结构相同且相互连接。 FCU_A设置有一共享式的多端口存储器 21，以及分别与该多端口存储器 21双相连接的主处理器 22和辅处理器 23。该多端口存储器 21可使用双口 RAM, 以支持所述主处理器 22、辅处理器 23同时进行的异步访问。

所述辅处理器 23，通过两个总线通讯接口 242分别与冗余的 I/O总线 A"、 B"连接，接收由 I/O部件发送的现场监测数据，并将其存入多端口存储器 21。所述主处理器 22，通过两个子网通讯接口 241分别与子网 A，、 B，连接，根据其接收的由 MCU发送的控制信号，并读取所述现场监测数据，进行计算处理后，给出现场驱动命令，并输出至多端口存储器 21保存。辅处理器 23控制该现场驱动命令从多端口存储器 21的读取,到经过总线通讯接口 242输出至 I/O总线 A"、 B"的过程。

所述 FCU_A的辅处理器 23还通过一硬件同步模块 251，与 FCU_B中的硬件同步模块 251连接； FCU_A的主处理器 22，还分别与一同步动态存储器 252 连接，并通过一同步网通讯接口 253，与 FCU_B中的同步网通讯接口 253连接，进行数据的实时备份更新。

该主处理器 22还与一 FLASH存储器 26连接，在其中存放初始状态参数等静态信息。 . . 以下是本发明所述控制器分层的分散控制系统（FPCS), 在大型火力发电厂的一个具体实施例，其受控设备从宏观方面来讲包含锅炉、汽轮机、发电机及其附属设备。从控制理论的角度，将锅炉、汽轮机、发电机对应设为三个控制单元组，因此本实施例中对应设置有三对 MCU。而控制单元组下各个附属设备的控制对应设为控制单元子组。

如对于锅炉而言，所述附属设备有送风机、引风机、给水设备等，相互间配合工作，以保证锅炉的正常运行。其中送风机的控制除了与操作人员的给定值有关外，还与引风机的工作状况、锅炉燃烧工况有关。

所以，相应的控制单元子组就包含送风机的启停及转速的控制、引风机的启停及转速的控制、给水全程控制、蒸汽温度及流量的控制等。若这些设备还有其附属设备的话，就可进一步设定控制单元二级子组。

因此，将所述 FCU与 I/O部件采取适当的防护措施及低功耗设计（全密封、抗高温）后放置在现场，可仍通过常规仪表将送风机、引风机、给水设备的压力、温度、流量等状态参数，经对应的 I/O部件进行模数转换后，送至同一个 MCU下的若千 FCU进行 PID调节处理。

每个 FCU还通过冗余的子网向 MCU发送现场采集的参数数据，由 MCU 负责与连接到本 MCU的其他 FCU交换信息，实现单元子组级别的协调控制。 MCU还可通过主干网与其他 MCU交换系统级别的控制信息，实现控制单元组级别的协调控制或接受来自 HMI的操作指令等。

MCU结合状态参数和给定指令进行处理，并输出控制信号给相应的 FCU, FCU输出驱动信号，来调整其下属现场设备的具体工作状态。

综上所述，本发明所述 FPCS系统，将现有平面布置的控制器分层，将原先一个控制单元组所要完成的多个任务，功能细分为多级单元子组后，分散到若干的 FCU中，并由 MCU协调控制，从而实现相关设备的配合工作。因此在本发明中，数字控制单元与设备的对应关系相当清晰，控制器在物理上更加分散，可以有效降低数据传输网络上的负荷率，控制风险就更为分散，系统抗干扰性能大大提高，因而能够提高了系统的可靠性，提升系统响应速度。

而且，本发明中 MCU、 FCU等各个部件，以及每层通讯网络均采用冗余方式设置，并实时进行数据的同步跟踪。因此，在故障时可以自动无扰地切换到后备线路的控制系统上工作。

同时，由于 FCU与下属的现场设备形成独立的控制回路，当一对冗余的 MCU, 或是 FCU与该对 MCU的连接网络发生故障时， FCU也能够像传统现场总线系统（FCS) 中使用的智能仪表那样自行完成 PID调节的功能，实现对本单元子组的控制对象的 PID调节，进一步提高了本发明所述 FPCS系统的可靠性。

另外，由于将本发明的 FCU与 I/O部件均放置在现场，测量仍采用常规仪表，从而不会在仪表的选择方面增加用户的费用，且符合传统的工程设计的基本原则。相比同样控制规模和距离的现有控制系统，本发明仅需在现场的较短距离下使用电缆，而在现场的 FCU与控制室的 MCU之间的较长距离使用工业以太网传输，可以节省 60%以上的电缆费，控制室的面积也有效减少，整个控制系统的造价将大大降低。

本发明克服了目前现场总线不支持冗余总线的缺点，本发明支持 HART、 PROFIBUS、 FF等现场总线协议的通讯，为用户提供现场总线 ¾制和一次设备管理系统（EAM) 等功能，工程师可以通过 FPCS组态软件在工程师站上直接对 MCU及 FCU进行离线组态、在线组态、在线修改及下载，实现了信息管理系统的数字化，为将来控制系统的积木化设计打下基础。

尽管本发明的内容己经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

权利要求

1. 一种控制器分层的分散控制系统，其特征在于，设置有若干层控制单元，分别对应监控以功能或工艺划分的若干个受控设备功能组；

每个受控设备功能组中包含控制参数相关联且相互配合工作的若干所述受控设备，每个所述受控设备下还设有下一级的若干附属的受控设备。

2. 如权利要求 1所述控制器分层的分散控制系统，其特征在于，所述若干个受控设备功能组对应包含若干控制单元组，以及每个控制单元组下的若干控制单元子组；

3. 如权利要求 2所述控制器分层的分散控制系统，其特征在于，所述若干主控制器通过主干网与人机界面连接，并与所述人机界面一起放置在控制室内；

4. 如权利要求 3所述控制器分层的分散控制系统，其特征在于，所述人机界面设置的若干操作员站、工程师站，分别通过冗余的两条线路与所述主干网连接；所述主干网是冗余设置的两路 100M/1000M工业以太网。

5. 如权利要求 3或 4所述控制器分层的分散控制系统，其特征在于，所述主控制器包含与所述主干网连接的通讯控制模块（12)，以及与所述通讯控制模块（12) 连接的计算处理模块（11 );

所述通讯控制模块（12) 还与若干数据传输模块（13 ) 连接，并通过每个数据传输模块（13 ) 上设有的若干光口及电口，与所述子网上的若干接口相匹配且相连接；

所述通讯控制模块（12) 将所述主干网上的操作指令和所述子网上的监测数据发送至所述计算处理模块（11 )，由所述计算处理模块（11 ) 进行运算分析后，返回控制信号至通讯控制模块 ( 12)，再经由数据传输模块（13 ) 输出至所述子网。

6. 如权利要求 5所述控制器分层的分散控制系统，其特征在于，所述主控制器还包含数据同步模块（14)，使一对冗余设置的所述主控制器，通过各自设置的该数据同步模块（14) 相互连接并进行数据备份；

所述数据同步模块（14) 与所述计算处理模块（11 ) 和通讯控制模块（12) 分别连接，并与冗余设置的另一所述主控制器的计算处理模块 ( 11 ) 连接。

7. 如权利要求 6所述控制器分层的分散控制系统，其特征在于，每个所述现场控制器，通过 I/O总线与若干 I/O部件连接，并一起放置在工业现场，所述控制单元子组的受控设备附近；

若干所述 I/O部件与所述控制单元子组的受控设备对应连接，通过 I/O总线向所述现场控制器反馈所述控制单元子组采集的监测数据，并输出现场控制器的驱动命令至所述控制单元子组，形成独立的控制回路。

8. 如权利要求 7所述控制器分层的分散控制系统，其特征在于，所述现场控制器包含多端口存储器（21 )，以及分别与该多端口存储器（21 ) 双相连接并可同时异步访问的主处理器（22) .和辅处理器（23 );

所述辅处理器（23 ) 设置有若干总线通讯接口（242) 分别与 I/O总线连接，接受所述控制单元子组的受控设备通过所述 I/O部件反馈的现场监测数据，并存入所述多端口存储器（21 );

所述主处理器（22) 设置有若干子网通讯接口（2'41 ) 分别与子网连接，并根据其接受的所述主控制器的控制信号，及存储的现场监测数据进行计算处理，给出驱动信号并存入所述多端口存储器（21 );

所述辅处理器（23 ) 读取所述驱动信号，并通过所述若干总线通讯接口（242) 向 I/O总线上连接的 I/O部件输出。

9. 如权利要求 8所述控制器分层的分散控制系统，其特征在于，连接所述主控制器与现场控制器的所述子网，包含冗余设置的两路 10M 00M工业以太网；连接所述现场控制器与若干 I/O部件连接的所述子网，包含冗余设置的两路现场总线。

10.如权利要求 9所述控制器分层的分散控制系统，其特征在于，所述现场控制器还包含与所述辅处理器（23 )连接的硬件同步模块（251 )，以及与所述主处理器（22) 分别连接的同步动态存储器（252) 和.同步网通讯接口

(253 ),使一对冗余设置的现场控制器，通过各自设置的所述硬件同步模块（251 ) 和同步网通讯接口（253 ) 相互连接，并进行数据备份。