一种多控制器的dcs控制系统及其控制方法
【专利摘要】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。
【专利说明】-种多控制器的DCS控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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 ：
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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】
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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 属夕卜壳。
[0017] 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：
[0018] 第一步、操作站部分集中控制各个控制站部分的工作；
[0019] 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；
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 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。
[0025] 图1为本发明的多控制器的DCS控制系统的原理图。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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】
[0030] 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。
[0031] 实施例
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036] 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。
[0037] 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。
[0038] 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。
[0039] 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（A0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（D0模块，每个模块适配4通道信号输 出）和备用模块（SP模块）。
[0040] 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。
[0041] 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。
[0042] 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：
[0043] 第一步、操作站部分1集中控制各个控制站部分2的工作；
[0044] 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 ;
[0045] 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。
[0046] 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：
[0047] F1?F10 :开关阀，只有开启和关闭两种状态，由电磁阀控制；
[0048] ΤΙ、T2 :温度检测点，T1为炉顶温度，T2为炉底温度；
[0049] P1、P2 :压力检测点，P1为入炉蒸汽压力，P2为入炉空气压力；
[0050] 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。
[0051] 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)。
[0052] S1 (上吹制气）：该阶段中？1、？34748打开，水蒸汽通过？143从下往上通过炉 体内燃烧的炭层，生成水煤气（C0和H 2的混合气体）。化学反应式：C+H20 = C0+H2 - Q4， 式中，炭（C)和水分子（H20)反应，生成一氧化碳（C0)和氢气（H2)，该反应为吸热反应（一 Q4)，生成的水煤气经F7、F8送至后工段。
[0053] 32(下吹制气）：该阶段中？14246、？8打开，水蒸汽通过？142从上往下通过炉 体内燃烧的炭层，生成水煤气（C0和H 2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。
[0054] 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、H 2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FI、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。
[0055] S4(煤气吹净）：因为SI、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+0 2 = C02+Q12C+02 = 2C0+02，式中，加压空气通过F4、F5 通入炉体底部，空气中的氧（〇2)与炭（C)与反应，发生燃烧，生成一氧化碳（C0)或二氧化碳 (C0 2)，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。
[0056] 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13放空，吹风阻力最小，升温效率最商。
[0057] 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。
[0058] 图3中所示的控制方案中各个部件的名称和功能如下：
[0059] 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；
[0060] D01?D010 :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；
[0061] All?AI4:4路模拟量输入，分别为11、了2、？1、？2信号输入；
[0062] A01、A02 :2路模拟量输出，分别控制调节阀KV1、KV2信号输出。
[0063] 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All?AI4分别接入AI模块（每个模块最多接3点输入），模 拟量输出A01、A02接入A0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D01?D010接入D0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。
[0064] 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。
[0065] 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。
【权利要求】
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￠)、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. -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。
【文档编号】G05B19/418GK104122870SQ201410359278
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月27日 优先权日:2014年7月27日
【发明者】蒋明刚 申请人:湖南三箭自控科技有限公司