专利名称：设备控制系统和过程控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种设备控制系统，特别涉及一种把过程控制器与过程元件相连的方法和一种最终控制元件(受控制的过程元件)所特有的处理方法。
最近，在用于大规模设备的控制系统中，已经广泛使用分布式控制系统，其中多个过程系统的每一个基本上由一个单独的控制计算机控制。例如，在用于热电厂的控制系统中，为各个主要设施，如锅炉系统、汽轮机系统、发电机系统等，提供了多个受一个主计算机监视的过程控制器。因此，实现了改进负荷跟踪性能，并满足向空气排放气体的严格规定。
一般地说，每个直接控制一组过程元件的多个过程控制器连接到每个系统主控制器上。由于每个过程控制器包括一个处理器(CPU)，并且根据处理器执行的处理结果同时控制一组过程元件，所以容易进行复杂的控制或设备的最佳控制。而且，控制器的这种结合还具有减小控制系统大小或降低控制系统生产成本的优点。
然而，如果一个控制器控制多个元件，则当在CPU或控制器内的输入/输出部分中发生某种故障时，该控制器管理的所有元件成为不可控制的，使得难以继续进行设备的操作。
为了解决以上问题，本发明的申请人在日本专利出版物37845/1994(参考文献1)中发明了一种其中提供驱动控制模块(DCM)的控制方法，并且这种方法已经应用于控制系统的实际生产。在这种方法中，控制器通过使用一个CPU直接控制一组过程元件(包括最终控制元件)，并且为控制器提供DCM，DCM的每一个连接到每个受控的元件上并且单独控制受控元件，还包括一个模数输入/输出端口、和一个用来保持当前控制命令值的备份装置，以便当CPU中出现异常时能够用手调节受控的元件。而且，每个DCM包括一个装置，用来当元件中出现异常时锁住到元件的当前控制输入值。
一个主控制单元和一个现存设备控制系统的诸过程控制器建立在一个元件控制室内，以避免现场侧元件振动、噪声、高温和湿度等的影响，并且通过架设电缆连接到现场侧的过程元件上。例如，在热电厂中，元件控制室与现场过程元件之间的距离为几十到几百米。因此，由于各个最终控制元件和仪器连接到各个控制器上，所以电缆数量很大，这需要较多时间架设电缆。这样，改进控制系统的自由度较低，或控制系统的可维护性较差。作为解决这一问题的诸方法之一，JP-A-314505/1996(参考文献2)公开了一种把用来控制每个元件的控制器布置在现场受控元件的每个最终控制元件附近的方法。
由于在参考文献1公开的方法中，通过为控制器控制的每个元件提供一个DCM，能改进控制器的可靠性和可维护性，所以这种方法广泛用于发电厂的控制系统。本发明的申请人已经改进了这种方法，并且已经在上述的DCM中开发了一种可编程控制模块(PCM)，PCM包括一个与最终控制元件的接口、一个CPU、和一个非易失性存储器，PCM具有保护功能以当控制器有故障时操作辅助元件，如在论文“最新热电发技术”(RecentThermal Power Generation Techniques)，Hitachi Hyoron，Vol.79，1997/3，pp29-30中公开的那样。
由每个DCM或每个PCM控制的过程元件一般称作辅元件，例如，最终控制元件，如阀、泵、附属元件等。各种仪器，如用来检测受控变量和与最终控制元件有关的操作变量的检测器、用来检测阀全开或全闭的限位开关、用来监视最终控制元件的执行器的继电器或开关，包括在一组附属元件中。有时，用来输入手动调节所必需的信号或有关最终控制元件的互锁信号的输入装置包括在一组附属元件中。而且，DCM或PCM不仅控制一个最终控制元件，而且还控制一组彼此协同的最终控制元件和其附属元件，例如主(大尺寸)阀和次(小尺寸)阀共同控制由这些阀控制的流体流。
如果进一步添加控制或保护功能以提高控制系统的可靠性和可控制性，则增大输入/输出点的数量，即增大电缆的数量。如果在每个DCM中输入/输出点的布置是固定的，则控制系统的结构、以及需要改变DCM中输入/输出点布置的控制系统改进变得复杂。如果改进，例如即使只有终端端口或仪器的类型改变，需要输入/输出点的增加或减少或重新布置，则不容易实现控制系统的改进，因为这样一种改进伴随着DCM中输入/输出点的连接变化和现场电缆的架设工作。为了增加输入/输出点，标准规格的连接器互换是不可避免的，标准规格的连接器必须适合于用于驱动控制模块的仪表板的尺寸。而且，连接器尺寸的增大直接导致控制器的尺寸增大。
至于参考文献2中公开的方法，由于通过靠近每个最终控制元件安装每个控制器来减小电缆总长度，所以这种方法具有降低控制系统生产成本的优点。然而，这种方法导致一个新的问题，即必须提供附加设施，如空调室，来保护控制器免受现场恶劣环境的影响。如果控制器安装在现场而没有空调，则失效率增大。因此，由于必须通过减小时钟频率来降低计算性能、或使用专门和昂贵零件，以防止失效率的增大，所以这种方法是不实际的。
本发明的目的在于解决上述问题，并提供一种过程控制器，其中驱动控制模块中输入/输出点的布置不受受控辅助元件种类和数量的限制，并且能灵活地适应于受控辅助元件的各种组合，及提供一种使用该过程控制器的设备控制系统。
为了实现以上目的，本发明提供了一种设备控制系统，通过在中央元件控制室中安装多个连接到一个网络上的过程控制器和一个连接到网络上的主计算机，来控制过程元件，过程控制器的每一个包括最终控制元件驱动模块，模块的每一个经数据传输装置连接到过程元件的至少一个上。
其中所述数据传输装置是能够双向执行串行/并行数据转换的串行数据信号传输装置，通过在串行数据信号传输装置中提供的一根串行数据信号传输线，向最终控制元件驱动模块输入多个数据信号/从中输出多个数据信号，多个数据信号包括到每个过程元件的一个最终控制元件的一个控制命令信号、和过程元件上过程变量的测量值。
而且，最终控制元件驱动模块包括一个用来存储一个软件的非易失存储器，该软件处理受控最终控制元件(受控过程元件)所特有的功能；和一个用来独立于过程控制器执行该软件的CPU；并且用来处理该功能所必需的数据经串行数据信号传输线输入到最终控制元件驱动模块/从中输出。
每个最终控制元件特有的功能是，例如用来执行受控的最终控制元件的保持操作和/或失效安全操作的保护(互锁)功能、或下述的协同控制功能。
而且，设备控制系统包括一个安装在过程元件附近的远程接线盒模块(称之为RTB)，远程接线盒模块包含用来进行双向串行/并行数据转换和经串行数据信号传输线传输数据信号的串行传输装置、和并联连接到仪器和受控过程元件的驱动装置上用来输入/输出数据信号的输入/输出端口。
远程接线盒模块包括从常规DCM中除去CPU和存储器的硬件电路，这就提高了对现场恶劣环境的耐受力，使得能够把远程接线盒模块安装在过程元件附近。
而且，能够提供两种远程接线盒，即，一种用来传输受控过程元件上的模拟数据信号的模拟式远程接线盒模块、和一种用来以最终控制元件驱动模块传输数字数据信号，如接触信号，的数字式远程接线盒模块，数字数据信号也经串行数据信号传输线传输。在模拟式远程接线盒模块中，一个模数转换装置和一个数模转换装置提供在模拟式远程终端模块中。
在这个实施例中，如果对应于大量的输入/输出点或多种信号提供多个远程接线盒模块，则利用多站方法顺序连接远程接线盒模块。这样，能够容易地适应输入/输出点的数量增大。根据设备的控制周期，由串行数据信号传输装置的传输能力确定输入/输出点数量的上限。
而且，最终控制元件驱动模块能通过双重串行数据传输线连接到远程接线盒模块。这样，进一步提高了控制系统的可靠性。
如果执行由一组最终控制元件协同进行的协同控制，以控制具体的过程变量，则在每个最终控制元件驱动模块中提供的CPU，根据在最终控制元件驱动模块内的存储器中存储的一组用于协同控制的程序，为每个最终控制元件计算一个控制命令值。作为这样一种协同控制的一个例子，已知一种由具有不同开口大小的一个主流阀和一个次流阀进行的双阀协同控制。而且，有时由多个具有不同供给能力的供水泵进行协同控制。
而且，一组保护协同的最终控制元件的程序也存储在存储器中。CPU经串行数据信号传输线接收用来监视每个最终控制元件的异常操作的数据，并且如果在任意一组最终控制元件中检测到异常操作，则在失效安全状态下控制所有或部分最终控制元件。
而且，在本发明中，一个用来控制过程元件的过程控制器具有一个用来执行过程元件的控制计算的第一CPU、和多个经一条总线到第一CPU上的最终控制元件驱动模块，驱动模块经数据传输装置连接到过程元件上，该过程控制器包括一个在每个最终控制元件驱动模块中提供的非易失存储器，可重写地存储实现每个最终控制元件特有的功能的软件；和一个在每个最终控制元件驱动模块中提供的第二CPU，用来独立于第一CPU执行软件；其中数据传输装置是一根串行数据信号传输线，并且经串行数据信号传输线输入或输出第一CPU执行计算所必需的数据、和处理每个最终控制元件特有的功能所必需的数据，该处理由第二CPU执行。
根据本发明的控制系统组成产生如下效果。即，由于最终控制元件驱动模块经串行数据信号传输线与受控过程元件传输数据，所以在每个驱动模块中的输入/输出点的布置不由驱动模块要处理的过程元件的类型或数量固定。因此，通过在驱动模块中改变和设置用于输入/输出端口的地址，能自由地实现输入/输出点的增加/减少或重新布置，并且还能容易地添加元件特有的功能。
例如，如果过程控制器中CPU的操作错误地停止，通过把实现过程元件保护功能的软件存储在最终控制元件驱动模块中，则能够通过来自最终控制元件驱动模块中的CPU的控制命令，保持最终控制元件的当前操作状态；而如果包括最终控制元件的过程元件成为异常，则把最终控制元件操作到失效安全状态。而且，通过一起使用一组最终控制元件而不把最终控制元件组划分成各个元件、并且不把每一个分配给一个控制电路，能够进行协同控制。而且，即使添加过程元件所特有的功能，也不必改变元件控制室与设备现场之间的电缆架设。
通过使用经过远程接线盒模块的一根串行数据信号通信线，能实现每个最终控制元件驱动模块与受控过程元件之间的电缆架设。而且，由于在用于过程元件的输入/输出点数量增加的情况下，只须另外增加远程接线盒模块，并且利用多站连接方法能逐次连接包括添加的远程接线盒模块，所以通过采用这一实施例的过程控制器能根本解决所需导线量和布线工作的庞大增加问题。
如上所述，按照本发明，由于过程控制器的标准化成为可能，并且能容易地提供最终控制元件特有的互锁功能或协同控制，所以能够改进控制性能和可靠性。而且，由于能显著地减小元件控制室与设备现场之间架设电缆必需的导线量，所以建造、改进、或维护变得相当容易。
图1是根据本发明的一个实施例的设备控制系统的示意方块图。
图2表示应用本发明的动力设备的一个实例。
图3表示图2所示厂房的布置。
图4表示用来监视和控制图2所示整个厂房的监视和控制系统的组成。
图5表示一根串行数据信号传输线的组成和其连接方法的一个实例。
图6是一个实施例的RTB的示意方块图。
图7A和图7B表示PDCM与RTB之间传输的串行数据信号的格式、和处理串行数据信号传输的流程。
图8A和图8B表示RTB中输入/输出数据信号的传输方法，并用来解释数据地址设置方法。
图9是流程图，用来解释PDCM中互锁处理的一个实例。
图10是设备控制系统改进例的示意方块图，其中串行数据信号传输是重复的。
图11是另一个实施例的设备控制系统的示意方块图，其中根据本发明进行协同控制。
图12是曲线图，表示在协同流量控制中用于总流量范围的流量控制如何由一个小尺寸(次要的)阀的控制和一个大尺寸(主要的)阀的控制分担。
图13是流程图，用来解释对于由图11中所示的设备控制系统和图12中所示的控制方法所进行的协同流量控制，由PDCM执行的互锁处理的一个实例。
下文参照附图中所示的实施例将解释本发明的细节。
图2表示一种单轴式组合循环动力设备的组成，作为应用本发明的动力设备的一个实例。一种组合循环动力设备包括一个由一个压气机、一个涡轮机、和一个燃烧室组成的燃气轮机；一个用来回收从燃气轮机排出的热量、并把回收的热量送到汽轮机的废热回收锅炉，汽轮机利用一根单轴直接连接到燃气轮机；和一个发电机；(这些称作主要元件)以及用来操作主要元件或测量主要元件的操作状态的辅助元件。图2中所示的一个控制阀是一个最终控制元件，并且是用于涡轮机的辅助元件之一。
图3表示电站的布置，其中安装了图2所示的组合循环动力设备。在图3所示的电站实例中，一个发电组包括四个轴装置，并且由两个发电组构成电站。其中建造电站的场地的一侧长度约为300米。而且，用于各个设施的设备控制单元通常建立在靠近中央控制室的一个元件控制室中。按照常规，通过各个电缆把元件控制室连接到最终控制元件或辅助元件的仪器上，元件控制室与元件或仪器之间的距离约为几十至几百米。例如，在2组×四轴装置的组合循环电站中，现存的整个电缆架设系统需要几千根电缆。
图4表示用于热电厂的设备控制系统的大致组成。图4中所示的设备控制系统作为用于一组四轴装置而表示。在中央控制室中，布置了一个组控制台、一个大尺寸屏幕、一个组公共控制单元、一个集中维护辅助工作站等。另外，把元件控制室连接到组中的一个网络上，并且一个轴装置主计算机、一个用于每个主元件的控制单元等提供在元件控制室中。根据本发明的过程控制器应用于，例如，一个燃气轮机和汽轮机控制单元、或一个锅炉控制单元，如图4中所示。
图1是第一实施例的设备控制系统的示意方块图，表示过程控制器与要由过程控制器控制的辅助元件之间的连接。
过程控制器100包括一个CPU 101、一个存储器102、一个PI/O(过程输入/输出)接口104(称作I/F)，这些装置通过控制器内的总线彼此连接。CPU 101控制主元件，如锅炉，的全部或部分操作。通常，每个过程控制器100带有一个传输接口103，并且连接到其他过程控制器上。这样，通过这些控制器100进行分配控制。
而且，多个驱动控制模块200-1至200-n经一根P I/O延伸总线106连接到P I/O接口104上。每个驱动控制模块200以电路板的形式提供，该电路板包括安装在一个操纵台上的一个P I/O接口201、一个CPU 202、一个存储器203和一个串行接口204。存储器203是一个可重写非易失存储器，并且存储实现用于每个最终控制元件的保护功能的软件(程序)，这通常由一个硬件电路实现。以下，把上述的可编程驱动模块200称作PDCM(可编程驱动控制模块)。
这个实施例的每个PDCM一个一个地对应于设备现场的一个最终控制元件，并且通过一根串行数据信号传输线300把最终控制元件和最终控制元件的附属元件连接到PDCM。因此，提供串行接口204，以把从CPU 202输出的并行数据转换成串行数据，或者把从串行数据信号传输线300输入的串行数据转换成并行数据。
如图1中所示，串行数据信号传输线300经一个RTB(远程接线盒)与包括最终控制元件的辅助元件传输数据。而且，如图5中所示，串行数据信号传输线300包括一根双扭线串行电缆和两个连接到双扭线电缆两端侧的双扭线电缆连接器302和303，并且通过使用连接器302和303把元件控制室内的PDCM 200连接到RTB 400上。这样，与其中把挤压式端子联接到用于每个输入/输出点的导线上、并且用螺钉把导线固定到每个输入/输出端子上的常规布线和维护工作相比，布线工作和维护工作变得比较容易。
仅通过添加一套另外的电缆301、和连接器302和303，就能容易地实现双重串行数据信号线。如果以不同的路线安装各根双重串行数据信号线，则能把事故，如火灾、地震等，导致的损坏限制到只有诸线的一根，使得恢复控制系统比较容易。
通过使用一根串行双扭线电缆，能够传输在由一个控制计算周期确定的传输能力范围内接收并行/串行转换的多个数据项。而且，如果由于有大量用于要控制的辅助元件的输入/输出点，根据要求使用多个远程接线盒，如图1所示的RTB 400-1和RTB 400-2，则由于这些RTB利用多站连接方法顺序连接，所以不必添加一根用来连接元件控制室与现场的串行数据信号传输线。下面将详细解释RTB 400的组成。
图1所示要控制的辅助元件包括一个其最终控制元件是气动型控制阀的流量控制阀500、和流量控制阀500的附属元件。一个电-气转换器(E/P)503通过用与电流值(E)成比例运动的电磁喷嘴调节由气压源510供给的气流，把从RTB 400-1中的模拟输出部分的一个通道①输出的用于操作变量的控制命令电流值(E)，转换成对应于电流值(E)的气压(P)。还从气压源510向一个阀的气动-位置转换器(P/P)502供给气压，并且转换器P/P 502把阀500的开口调节到一个对应于转换气压(P)的阀位置。由提供在转换器P/P 502处的一个阀开口检测器507检测最终控制元件的阀开口，并且把检测的阀开口输入到模拟输入部分(AI)的一个通道②。而且，由一个流量计501测量由最终控制元件控制的过程流量，并且把测得的流量输入到AI部分的一个通道③。
一个限位开关(SW)检测最终控制元件的全开或全闭，并且把检测的信号输入到RTB 400-2中数字输入部分的一个通道⑥。而且，用来监视气压的压力开关508和509分别监视来自气压源510的两个空气流量，并且如果气压异常降低(空气损失)，则把气压异常信号送给一个数字输出部分(DI)的各自通道⑦和⑧。从RTB 400-2中一个数字输出部分(DO)的一个通道④输出的一个互锁信号操作一个强制操作电磁阀(EMV)504，以完全打开或关闭最终控制元件500。而且，从一个通道⑤输出的一个保持信号操作一个开口保持EMV 505，以保持最终控制元件500的当前开口。
图6表示一个实施例的一个RTB的组成，用来传输模拟信号和数字信号。在这个实施例中，RTB具有一种组成，其中从公开的常规控制模块中，例如在参考文献1和2中，除去由一个CPU和一个存储器完成的功能，并且对于要控制的元件的一个接口功能由硬件电路组成。而且，RTB靠近受控元件安装。
RTB 400包括一个串行接口(I/F)401，用来把经串行数据信号传输线300传输的数据从并行转换成串行数据，反之亦然，(PS双向转换)；诸信号的一个地址设置电路402，管理RTB 400；及一个振荡器403，用来输出操作RTB 400的时钟信号。
RTB 400经一个终端接口420连接到一个受控辅助元件的附属元件上，并且接收其电平由一个电平变换器407改变的DI信号。而且，AI信号经一个第二转换器408接收，并且由一个多路调制器(MPX)406和一个A/D转换器405变换成数字数据。而且，这些输入数据又经串行I/F 401转换成串行数据信号，并且地址设置电路402给每个数据信号设置一个地址。而且，在预置计时时刻把转换的串行数据信号输出给串行数据信号传输线300。
另外，如果顺序连接多个RTB，则在由串行I/F 401接收的串行数据信号中，仅把其地址指定给包括串行I/F本身的RTB 400的数据接收进RTB 400中。在每个DO信号一旦被锁存在一个锁存电路411的对应地址处之后，DO信号，例如互锁信号等，就经一个电平变换器412和一个终端端口420输出到相应的受控元件。到最终控制元件的一个控制命令由一个D/A转换器413转换成模拟信号，并且由一个多路调制器DE-MPX 414选择。而且，选中的模拟信号由一个放大器415放大，并且作为一个AO信号输出。同时，如图1中所示，如果不同的RTB分别分担传输模拟数据信号和数字数据信号，则每个RTB必须仅具有诸上述功能的相应的一个。
在RTB 400中的上述信号输入处理和输出处理，分别由一个输入控制电路404和一个输出控制电路410控制。控制电路404和410通过由振荡器403输出的时钟信号逐步操作，并且根据预置顺序执行每个电路的操作。尽管利用过程控制器100能非同步地进行RTB 400的操作，但根据过程控制器100的控制周期，同步地调节在所有顺序连接的RTB中执行的信号传输周期。同时，由于RTB 400、和在RTB 400处提供的部件和电路不包括软件，所以即使在设备现场的高温、灰尘、或噪声环境中，RTB 400也很少发生故障。
如上所述，由于通过采用没有CPU和存储器的硬件组成，实现本实施例的RTB，所以提高了RTB的环境耐受力。因此，在现场受控元件附近不提供空调室就能建立RTB。而且，由于利用多站连接方法通过把添加的RTB顺序连接到现存的RTB上，能添加RTB，所以按照用户要求能容易地增加输入/输出点的数量。这样，控制系统的构造或改进、和RTB中电路的变化变得更加灵活。
如下，将解释第一实施例的设备控制系统的操作。首先，解释串行数据信号的传输处理。图7A和图7B分别表示串行数据的格式和传输处理的流程。如图7A中所示，在串行数据信号中，在包括一个起始标志、过程数据、一个地址、一个异常标志、和一个结束标志的数据块之后，添加一个通过倒置前面串行数据信号块得到的倒置串行数据信号块。在PDCM 200与RTB 400之间，通过在相互交替数据信号的串行I/F 204和串行I/F 401中使用的专用LSI，执行数据传输处理(称作交替数据传输)。
如图7B中所示，PDCM 200在步骤101开始数据信号传输处理，在步骤102形成一个要发送的串行数据信号，并在步骤103把该串行数据信号发送到RTB 400。当RTB 400在步骤104接收到串行数据信号时，执行数据信号接收过程，其中在步骤105执行接收串行数据信号的合理性检验。在合理性检验时，在步骤1051进行倒置数据信号的比较处理、检验异常标志、及确定中断状态。如果接收的数据信号正常，则在步骤1052把数据信号转移到一个相应地址，否则，在步骤1053丢弃该数据信号。在这个步骤之后，在步骤106自动开始以交替数据传输从RTB 400向PDCM 200发送一个数据信号。RTB 400在步骤107形成要发送的一个串行数据信号，并在步骤108把该串行数据信号发送到PDCM 200。当PDCM 200在步骤109接收到发送的串行数据信号时，进行与在步骤105进行的相同的合理性检验，并且如果接收的串行数据信号正常，则在步骤110把数据信号接收到一个相应地址。
图8A和图8B用来解释设置地址。如果利用一种串行数据信号传输方法把PDCM 200连接到RTB 400上，则设置要输入/输出的一个数据信号的地址，例如如图8B中的表所示。即，从PDCM 200发送到RTB 400-1的输出地址1和2是用于RTB(1)中输出1和2的输出地址，表示在图8B中。例如，输出数据地址1对应于用于一个最终控制元件的控制命令值。不使用输出数据地址3和4，并留作空白。另一方面，从RTB 400-1发送到PDCM 200的输入地址1和2是用于RTB(1)中输入1和2的输入地址，表示在图8B中。例如，输入数据地址1对应于一个过程变量的测量值。
根据上述地址对应表给每个串行数据信号设置一个地址，并且按地址的顺序发送串行数据信号。通常，由于把AI和AO模拟信号转换成多位数字数据，所以在串行数据信号的一帧中设置对应于一个地址的一个数据信号。另一方面，就DI和DO数字信号而论，经常在串行数据信号的一帧中设置对应于多个地址的各种数字数据。
图9表示由PDCM 200执行的保护操作的处理流程。一个用来完成保护操作的程序存储在PDCM 200内的一个存储器203中，并且由CPU 202执行。如果正常地进行普通的自动控制，则CPU 202在每个控制周期进行如下过程。
首先，在步骤201通过检验用来指示过程控制器100的正常操作的、从CPU 101发送出的一个信号，判定过程控制器100的操作是否正常。如果正常，则在步骤202通过检验阀开口检测器507的一个测量值，对于测量的阀开口信号执行RTB正常性诊断。RTB正常性诊断等效于上述的每个接收串行数据信号的合理性检验。如果阀开口信号正常，则在步骤203检查阀500是否按照其控制命令值正确的操作。如果该阀正确地操作，则在步骤204通过检验从用于最终控制元件500的阀开口的限位开关506发送的信号，对于限位开关506的信号执行RTB正常性诊断。如果该信号正常，在步骤205检查限位开关506的信号是否指示正常状态(赋值1或0)。如果该信号指示正常状态，则在步骤206通过检验从气压监视压力开关508和509发送的测量值，对于从气压监视压力开关508和509发送的测量值执行RTB正常性诊断。如果该测量值正常，则在步骤207检查气压是否正常。如果正常，则结束这一控制周期的处理。
另一方面，如果在步骤201用来指示控制器正常操作的信号指示“异常”，则判定控制器异常，并在步骤208输出一个开口保持信号。这样，最终控制元件500的开口由开口保持EMV 505保持为当前开口，并且在步骤211使手动操作模式成为可能。而且，如果在步骤202执行的RTB正常性诊断结果指示“异常”(②)，则判定RTB为异常，并且在步骤209输出一个互锁信号。这样，由强制操作EMV 504在失效安全方向(全开或全闭)上操作最终控制元件500。而且，如果在步骤203、205、和207的任意一个处指示“异常”，则判定最终控制元件500为异常，并且在步骤210输出一个互锁信号。这样，在失效安全方向(全开或全闭)上操作最终控制元件500，并且能防止事故的发生或扩大。
如上所述，在过程控制器有故障时，PDCM 200内的CPU 202独立地进行控制计算、和最终控制元件的互锁操作。在上述处理中，能由提供在串行I/F 204内的专用LSI执行RTB正常性诊断等。而且，通过在图4所示的集中维护辅助工作站内的CRT上，显示等效于由存储器203中存储的软件实现的保护功能的一个电路，能看到该保护功能，并且能容易地监视该保护功能的操作。
按照上述第一实施例，通过采用串行数据信号传输方法，PDCM内的输入/输出点布置是不固定的。因此，通过自由地布置PDCM内的输入/输出点，能够对应各种功能，如互锁、保持等，其每一个功能对于各个最终控制元件都是特有的，并且能够灵活地设计控制系统。而且，由于利用多站连接方法能顺序连接多个RTB，所以能够灵活地对应受控辅助元件的输入/输出点的数量、或最终控制元件或仪器的类型的变化。这样，由于基本上由一根串行数据信号传输线把PDCM连接到现场的最终控制元件上，所以能显著减小要用的电缆量。
自然，连接PDCM与辅助元件的串行数据信号传输线的数量不限于一根。如以前解释的那样，能使用双重串行数据信号传输线。而且，在设备控制系统中，过程变量的测量仪器由一个双重仪器系统实现，以避免过程数据测量功能的完全失去，这种情况严重影响设备控制系统。
图10表示另一个实施例的设备控制系统的示意方块图，其中PDCM由多根串行数据信号传输线连接到辅助元件。与图1所示第一实施例的不同点在于，由双重过程流量检测器501a和501b测量的各个变量(AI)经各自专用的RTB 400-1和400-2、及各自的PDCM 200-1a和200-1b输入到过程控制器100。
在这个实施例中，与受控辅助元件有关的所有输入/输出信号不由一个PDCM处理，而用来处理特定信号的专用PDCM是单独提供的，并且经各根专用串行数据信号传输线连接到各个专用的RTB。即使在这一实施例中，与常规设备控制系统相比，也显著减小了电缆量，并且能保证设备控制系统的可靠性。而且，由于由一个PDCM执行具体的保护功能，并且保护功能必需的输入/输出点的布置不是固定的，所以能够灵活地对应于改进或增加功能、或受控辅助元件类型的变化。
通过复制串行数据信号传输线，即使在一根复制线(一根主线)中发生线中断之类的异常，使用另一根线也能执行使用异常线完成的功能。如果为防备未来事故以不同的路线架设各根复制线，则进一步提高了设备控制系统的可靠性。按照这一实施例，由于显著减小了电缆量，并且输入/输出点不是固定的，所以上述的冗余系统组成变得可能。
如下，将解释根据本发明第二实施例的一种设备控制系统。在第一实施例中，PDCM对应于一个受控辅助元件，并且由过程控制器100计算的控制命令经该PDCM输出到对应的最终控制元件。然而，有时，一个控制功能由多个最终控制元件配合实现。例如，为了准确地控制整个大范围的流量，必须提供一个大尺寸阀(主阀)和一个小尺寸阀(次阀)，并且协同操作这两个阀。顺便说明，在烧煤的火电厂中，某些量由三个阀协同控制。
按照常规，对于这样一种协同控制，一个过程控制器计算到一组协同用于一个控制功能的最终控制元件的每一个的控制命令，并经每个驱动控制模块输出。即，尽管控制一个控制功能，但把用来实现该控制功能的最终控制元件组划分成分开的元件，把其每一个分配给每个动控制模块。在这一实施例中，由一个PDCM按如下执行对一个控制功能进行的上述协同控制。
图11表示一种设备控制系统的示意方块图，其中进行双阀协同控制。尽管控制系统的基本组成与图1所示的控制系统相同，但两个最终控制元件由PDCM控制，即一个大尺寸阀600和一个小尺寸阀700。每个阀的附属元件没有表示在本图中，但这些附属元件几乎等效于图1所示的那些。
当PDCM 200从过程控制器100接收到总流量的控制命令时，PDCM200执行一个双阀协同控制程序，并且通过经串行数据信号传输线300和RTB 400-1至400-4向每个阀输出一个开口命令，来控制大尺寸阀600和小尺寸阀700。RTB 400-1(AI/O)和RTB 400-2(DI/O)连接到大尺寸阀600和阀600的附属元件上，而RTB 400-3(AI/O)和RTB 400-4(DI/O)连接到小尺寸阀700和阀700的附属元件上。
PDCM 200除执行以上的双阀协同控制外，还执行用来控制互锁逻辑的计算，并且当时机需要时保护设备。于是，用于双阀协同控制和互锁逻辑的过程作为程序存储在存储器中。
图12表示双阀协同控制中操作特性的一个实例。如果要求流量小于50％，则只有小尺寸阀700的开口按要求流量成比例地被操作，而在这种控制模式期间完全关闭大尺寸阀600。另一方面，如果要求的流量等于或大于50％，则完全打开小尺寸阀700，并且只有大尺寸阀600的开口按要求的流量成比例地被操作。在这个实施例中，PDCM根据从过程控制器100输出的主控制命令，为大尺寸阀600和小尺寸阀700计算各自的开口需要量，并且通过串行数据信号传输装置把各自的开口需要量输出到各个阀600和700。这样，对于0至100％的范围能精确地控制流量。
图13表示图11所示实施例中执行的处理互锁逻辑流程。如果控制系统处于普通自动控制状态，则首先通过检查用来指示控制器正常操作的信号，判定过程控制器100是否正常。如果该控制器异常，则在步骤308和312，把开口保持命令输出到各个阀，及把每个阀的操作变化到手动操作模式。另一方面，如果控制器100正常，则在步骤300，根据对于与各个最终控制元件有关的各个测量信号的RTB正常性诊断结果，执行互锁逻辑的如下检验。
首先，检验小尺寸阀700的操作。通过检查小尺寸阀700的测量开口，在步骤302根据控制命令检验小尺寸阀700是否操作。如果阀700操作正常，则通过检查阀700的限位开关信号，在步骤303检验阀700是否正确地操作，满足协同限制。如果限位开关信号正常，则通过检查气压源开关信号，在步骤304检验气压源是否正常。如果在步骤302至304的任一个处检测到阀700的异常，则在步骤310开始对小尺寸阀700最终控制元件中发生的异常的计数器动作，通过向EMV输出完全关闭(或打开)大尺寸阀和小尺寸阀的控制命令，执行失效安全操作。如果对于小尺寸阀700的以上检验的所有结果都正常，则在步骤305至307，通过与用来检验小尺寸阀700的操作相同的过程，检验大尺寸阀600的操作。如果在步骤305至307检测到任何异常，则类似地执行到EMV的失效安全操作。然而，有时，仅对用于协同控制的最终元件的一个执行失效安全操作。
用来处理互锁逻辑的以上过程存储在存储器203中。如果需要，则能够通过把互锁逻辑转换成时序图或逻辑电路图、且在图4所示的维护辅助工作站中的CRT上显示这些图，来监视处理互锁逻辑的状态。
如上所述，在这个实施例中，利用存储在一个PDCM中的程序，计算用于相同流量控制功能中共同使用的多个流量控制阀的每一个的控制命令，并且根据从PDCM经串行数据信号传输线发送的控制命令，由多个流量控制阀进行协同控制。而且，用于两个阀的各个互锁功能由存储在PDCM中的一个逻辑程序共同实现。这样，能容易地组成一个控制系统，而不用把用来实现相同控制功能的最终控制元件组划分成各个元件，其每一个由一个单独的驱动电路控制。因此，能改善设备控制系统的控制性能，并且还能容易地实现失效安全设计。
尽管在这个实施例中作为实例解释了大尺寸阀和小尺寸阀的协同控制，但本发明的应用不限于这一实例。例如，在热电厂中，对于大尺寸辅助元件，如供水泵、再循环泵、控制油泵、燃料供给泵、重油泵等，与其附属元件一起进行这种大尺寸辅助元件的类似协同控制。本发明可用于这样一种大尺寸辅助元件的协同控制，并且能产生与双阀控制的这个实施例所产生的相同的效果。
同时，对于包括保护操作的协同控制需要多个输入/输出点，例如大于20，如本实施例中所示。然而，在根据这一实施例的PDCM中，由于通过采用串行数据信号传输方法能够设置多个输入/输出点，所以不必使用特殊规格的连接器，尽管在常规控制系统中使用特殊规格的连接器是不可避免的。这样，包括协同控制的设备控制系统的设计变得容易，并且还能改善设备控制系统的可维护性。
按照本发明，由于在每个连接到过程控制器的最终控制元件驱动模块中，提供了用来与受控辅助元件传输数据的一个串行I/F，并且最终控制元件驱动模块用一根串行数据信号传输线连接到一个受控辅助元件，所以能实现电缆量的显著减小、最终控制元件的标准化等，这使得建造设备控制系统比较容易，并且降低了设备控制系统的生产成本。
而且，按照本发明，在每个最终控制元件驱动模块中安装一个CPU的情形下，CPU独立于过程控制器执行控制计算，并且实现每个辅助元件特有的功能，例如互锁功能，由于对于最终控制元件和其附属元件，最终控制元件驱动模块中输入/输出点的布置不是固定的，在硬件连接方法方面不同，所以通过自由地重新布置输入/输出点，添加或改进控制功能变得容易，这能改善设备控制系统的可控制性和可靠性。
而且，按照本发明，在通过一组最终控制元件的协同实现一个控制功能的情形下，由于通过一个最终元件驱动模块能完成控制功能，而不用把最终控制元件组划分成各个元件，其每一个由一个单独的驱动电路控制，所以能改善设备控制系统的控制性能，并且使设备控制系统的失效安全设计变得容易。
权利要求
1.一种设备控制系统，通过在中央元件控制室中安装多个连接到一个网络上的过程控制器、和一个连接到所述网络上的主计算机，来控制过程元件，所述过程控制器的每一个包括至少一个最终控制元件驱动模块，所述模块经一个数据传输装置连接到所述过程元件的至少一个上；其中所述数据传输装置是能够双向执行串行/并行数据转换的串行数据信号传输装置，它提供在所述最终控制元件驱动模块处，通过在所述串行数据信号传输装置中提供的一根串行数据信号传输线，能向所述最终控制元件驱动模块输入多个数据信号/从中输出多个数据信号，多个数据信号包括到每个过程元件的一个最终控制元件的一个控制命令信号、和过程元件上过程变量的测量值。
2.根据权利要求1所述的设备控制系统，其中所述最终控制元件驱动模块包括一个用来存储一个软件的非易失存储器，该软件处理所述受控最终控制元件所特有的一个功能；和一个用来独立于所述过程控制器实现所述软件的CPU；并且经所述串行数据信号传输线，向所述最终控制元件驱动模块输入处理所述功能所必需的数据/从中输出这些数据。
3.根据权利要求2所述的设备控制系统，其中所述受控最终控制元件所特有的所述功能是用来执行所述受控最终控制元件的保持操作和/或失效安全操作的保护功能。
4.根据权利要求1至3之一所述的设备控制系统，还包括一个远程接线盒模块，安装在所述过程元件附近，包含用来进行双向串行/并行数据转换、和经所述串行数据信号传输线传输数据信号的串行数据信号传输装置；和一个输入/输出端口，并联连接到仪器和所述过程元件的驱动装置上，用来输入/输出所述数据信号。
5.根据权利要求4所述的设备控制系统，其中提供多个根据权利要求4的远程接线盒模块，并且所述多个远程接线盒模块包括模拟式远程接线盒模块，用来传输所述过程元件上的模似信号；和数字式远程接线盒模块，用来传输包括接触信号的数字数据信号，接触信号经所述串行数据信号传输线传输。
6.根据权利要求4所述的设备控制系统，其中所述远程接线盒模块仅包括没有CPU和存储器的硬件电路。
7.根据权利要求4所述的设备控制系统，其中如果对应于输入/输出点或信号种类的数量提供多个根据权利要求4的远程接线盒模块，则利用多站连接方法顺序连接所述多个所述远程接线盒模块。
8.根据权利要求4所述的设备控制系统，其中通过一根双重串行数据传输线，把所述受控最终控制元件驱动模块连接到所述远程接线盒模块上。
9.一种设备控制系统，通过在中央元件控制室中安装多个连接到一个网络上的过程控制器、和一个连接到所述网络上的主计算机，来控制过程元件，所述控制器的每一个包括至少一个最终控制元件驱动模块，所述模块经一个数据传输装置连接到所述过程元件的至少一个上；所述设备控制系统包括一个非易失存储器，提供在所述最终控制元件驱动模块中，用来存储处理所述受控最终控制元件所特有的一个功能的一个软件；一个CPU，提供在所述最终控制元件驱动模块中，用来独立于所述过程控制器实现所述软件；及串行数据信号传输装置，提供在所述最终控制元件驱动模块中，能进行双向串行/并行数据转换；其中在所述存储器中存储一组进行协同控制的程序，在协同控制中一个特定的过程变量由一组最终控制元件协同控制，所述CPU根据所述组所述程序计算用于所述组所述最终控制元件的每一个的控制命令，并且通过所述串行数据信号传输装置，把计算的控制命令串行传输到所述组所述最终控制元件的每一个。
10.根据权利要求9所述的设备控制系统，其中一组保护所述组所述协同最终控制元件的程序存储在所述存储器中，所述CPU经所述串行数据信号传输装置，接收用来监视每个最终控制元件的异常操作的数据，并且如果在任意一个所述组所述最终控制元件中检测到异常操作，则至少把一部分最终控制元件控制到失效安全状态。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的设备控制系统，其中所述过程控制器包括监视装置，用来通过观察进行协同控制和保护所述组所述最终控制元件的程序组的至少一个，监视每个最终控制元件驱动模块中所述CPU的处理状态，程序组存储在所述相应最终控制元件驱动模块内的所述存储器中，用于每个最终控制元件驱动模块中所述CPU的所述监视装置连接到所述中央元件控制室的所述网络上，并且由所述主计算机管理。
12.根据权利要求9所述的设备控制系统，其中所述组所述最终控制元件是一组具有不同开口尺寸的阀、和一组具有不同流量的泵。
13.一种用来控制多个过程元件的过程控制器，具有一个用来执行计算以控制所述多个所述过程元件的第一CPU、和多个经一根总线到所述第一CPU上的最终控制元件驱动模块，所述多个所述最终控制元件驱动模块的每一个连接到所述过程元件的至少一个上，所述过程控制器包括一个非易失存储器，提供在所述最终控制元件驱动模块中，用来存储处理一个受控过程元件所特有的一个功能的一个软件；一个第二CPU，提供在所述最终控制元件驱动模块中，用来独立于所述第一CPU实现所述软件；及一个输入/输出部分，用来通过使用一根串行数据信号传输线，输入/输出由所述第一CPU执行的计算所必需的数据、和所述第二CPU特有的计算所必需的数据。
14.根据权利要求13所述的过程控制器，其中由所述软件处理的所述功能是由一组最终控制元件协同进行的互锁操作和/或协同控制。
全文摘要
一种设备控制系统,通过在中央元件控制室中安装多个连接到一个网络上的过程控制器、和一个连接到该网络上的主计算机,来控制过程元件,所述控制器的每一个包括一个第一CPU和至少一个最终控制元件驱动模块,最终控制元件驱动模块包括:一个用来存储一个软件的非易失存储器;一个第二CPU,独立于第一CPU执行软件;并且通过使用一根串行数据信号传输线输入/输出第二CPU特有的计算所必需的数据。
文档编号G05B19/02GK1201923SQ9810794
公开日1998年12月16日 申请日期1998年5月6日 优先权日1997年5月6日
发明者河村英之, 伊藤明男, 足立茂树, 清水胜人 申请人:株式会社日立制作所