一种基于多元控制单元的分散控制方法及系统与流程

1.本发明涉及分散控制系统的技术领域，尤其涉及一种基于多元控制单元的分散控制方法及系统。


背景技术：

2.目前分散控制系统的实现方法主要包括：一对冗余过程处理单元(dpu)配合数种信号处理模件完成对现场设备的控制，dpu模件通过模拟量输入(ai)模件和数字量输入(di)模件检测设备的当前工况参数，如流量、压力、阀门开度等信号，通过温度测量(rtd\tc)模件检测设备的当前温度，在dpu内执行预先设定的控制算法并将计算结果通过模拟量输出(ao)模件和数字量输出(do)模件实现对设备的调节或控制。
3.过程处理单元周期性(周期通常可设置为10～500ms)的执行如下几个任务：a)从站内io模件获取输入数据；b)获取来自于其他过程控制站的连锁变量数据以及响应后台监控软件的控制指令；c)执行控制逻辑程序；d)向其他过程控制器传输所需的连锁变量数据以及响应后台监控软件的通讯请求；e)将输出数据传递给io模件；f)空闲等待。其中任务c为过程处理单元最核心的功能，对每个设备的调节及控制算法都在此任务中实现，通过此任务实现诸如pid、顺序控制等功能。过程处理单元(dpu)通常由双处理器组成，一个处理器完成上述任务b，c，和d；另外一个处理器专门处理和所有io模件之间的数据交互，双处理器之间通过双口ram(类似于共享内存访问)完成数据交互。
4.后续随着智能电厂的逐步推进，设备智能化将是一种趋势，如何对现有分散控制系统改进以适应新的需求已成为行业内专业人士的紧迫问题。


技术实现要素：

5.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
6.鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
7.因此，本发明解决的技术问题是：现有的分散控制系统无法满足智能电厂设备智能化的问题。
8.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
9.第一方面，本发明实施例提供了一种基于多元控制单元的分散控制方法，包括：
10.对每个设备设置一个对应的控制单元；
11.通过将过程处理单元内执行的控制逻辑分散到各个控制单元控制其对应的设备，实现对设备的就地控制。
12.第二方面，本发明实施例提供了一种基于多元控制单元的分散控制系统，包括：
13.过程处理单元dpu、io通信网络和被控设备；
14.过程处理单元dpu的控制逻辑通过io通信网络分散到各个组合型io模件实现对被
控设备的调节和控制；
15.过程处理单元通过io通信网络获取被控设备的当前状态并根据各设备之间的关联关系实现关联设备之间的信息互通，同时将设备状态信息上传到上位scada。
16.作为本发明所述的基于多元控制单元的分散控制系统，其中：所述分散控制系统的温度量信号为缓慢变化信号量，根据被测温度范围不同分别使用热电阻rtd和热电偶tc进行测量。
17.作为本发明所述的基于多元控制单元的分散控制系统，其中：所述io通信网络包括多个组合型io模件，每个组合型io模件包括模拟量输入模块ai、数字量输入模块di、模拟量输出模块ao、数字量输出模块do和微控制单元mcu。
18.作为本发明所述的基于多元控制单元的分散控制系统，其中：每一个被控设备分别对应一个组合型io模件。
19.作为本发明所述的基于多元控制单元的分散控制系统，其中：所述被控设备由与之对应的组合型io模件进行调节或控制，io模件结合过程处理单元dpu下发的目标指令执行控制算法，动态检测被控设备的当前状态进行调节或控制，同时io模件将所对应的设备信息共享到过程处理单元dpu。
20.作为本发明所述的基于多元控制单元的分散控制系统，其中：所述过程处理单元dpu基于自适应算法并根据被控对象的实时状态和控制误差来调整控制器输出，以执行如下任务：
21.基于设备关联关系完成关联设备状态信息的转发；
22.实现和上位scada的通讯响应；
23.完成不同过程处理单元之间的数据交换。
24.作为本发明所述的基于多元控制单元的分散控制系统，其中：所述自适应算法为pid控制算法，表示为：
[0025][0026]
其中，u(t)为pid输出值随时间变化的曲线，kp为比例系数，e(t)为设定值与升级至的偏差随时间的变化曲线，ti为积分时间，td为微分时间。
[0027]
作为本发明所述的基于多元控制单元的分散控制系统，其中：当两个或两个以上设备调节或控制存在关联关系时，由与之对应的组合型io模件进行对各个设备的调节或控制，过程处理单元dpu完成关联设备之间状态信息共享。
[0028]
作为本发明所述的基于多元控制单元的分散控制系统，其中：所述过程处理单元dpu包括冗余过程处理单元dpu_p和dpu_s；
[0029]
所述冗余过程处理单元dpu_p和dpu_s之间仅需要在设备关联关系表发生改变时同步一次，dpu_s同时接入io通信网络并根据同步的设备关联关系表进行数据监听；
[0030]
所述dpu_s直接在冗余切换条件满足时接管数据转发功能。
[0031]
本发明的有益效果：本发明提供的一种基于多元控制单元的分散控制方法及系统，在被控设备种类、状态参数、控制算法均清晰的情况下，通过构建组合型io模件，将在处理单元内实现的控制算法分散到组合型io模件内实现，完成对设备的就地控制，提升了控
制实时性。通过构建组合型io模件，所需配置的io模件数量减少，同时过程处理单元仅需要使用自适应控制算法，对自身处理器计算能力要求较低，整个过程处理单元只需要配置一个处理器即可，硬件设计难度成本均大幅降低；且冗余过程处理单元不需要考虑控制逻辑的同步，切换安全性更高。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0033]
图1为本发明一个实施例所述的基于多元控制单元的分散控制系统的结构示意图；
[0034]
图2为本发明一个实施例所述的基于多元控制单元的分散控制系统的过程处理单元控制逻辑示意图；
[0035]
图3为本发明一个实施例所述的基于多元控制单元的分散控制系统的两个组合io模件通过dpu完成数据共享的示意图。
具体实施方式
[0036]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
[0037]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0038]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0039]
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0040]
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0041]
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人
员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0042]
实施例1
[0043]
参照图1，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种基于多元控制单元的分散控制方法，其特征在于，包括：
[0044]
对每个设备设置一个对应的控制单元；
[0045]
通过将过程处理单元内执行的控制逻辑分散到各个控制单元控制其对应的设备，实现对设备的就地控制。
[0046]
上述为本实施例的一种基于多元控制单元的分散控制方法的示意性方案。需要说明的是，该基于多元控制单元的分散控制系统的技术方案与上述的基于多元控制单元的分散控制方法的技术方案属于同一构思，本实施例中基于多元控制单元的分散控制系统的技术方案未详细描述的细节内容，均可以参见上述基于多元控制单元的分散控制方法的技术方案的描述。
[0047]
图1是本发明提供的一种基于多元控制单元的分散控制系统的结构示意图，本实施例可适用于基于多元控制单元的分散控制方法的情况。
[0048]
参见图1，本实施例中基于多元控制单元的分散控制系统，包括：
[0049]
过程处理单元dpu100、io通信网络200和被控设备300；
[0050]
过程处理单元dpu100的控制逻辑通过io通信网络200分散到各个组合型io模件实现对被控设备300的调节和控制；
[0051]
过程处理单元100通过io通信网络200获取被控设备300的当前状态并根据各设备之间的关联关系实现关联设备之间的信息互通，同时将设备状态信息上传到上位scada。具体的，分散控制系统的温度量信号为缓慢变化信号量，根据被测温度范围不同分别使用热电阻rtd400和热电偶tc500进行测量。
[0052]
应说明的是，tc的测量温度范围宽，rtd的测量温度范围窄。
[0053]
具体的，io通信网络200包括多个组合型io模件，每个组合型io模件包括模拟量输入模块ai、数字量输入模块di、模拟量输出模块ao、数字量输出模块do和微控制单元mcu。
[0054]
具体的，每一个被控设备300分别对应一个组合型io模件；被控设备300调节或控制由与之对应的组合型io模件自身实现，io模件结合过程处理单元dpu100下发的目标指令执行控制算法，动态检测被控设备的当前状态进行调节或控制，同时io模件将所对应的设备信息共享到过程处理单元dpu100。
[0055]
具体的，如图2所示，过程处理单元dpu100基于自适应算法并根据被控对象的实时状态和控制误差来调整控制器输出，以执行如下任务：
[0056]
a.基于设备关联关系完成关联设备状态信息的转发；
[0057]
b.实现和上位scada的通讯响应；
[0058]
c.完成不同过程处理单元之间的数据交换。
[0059]
应说明的是，将pid控制器集成到过程处理单元dpu的控制逻辑中，以实现对被控设备的时控制和调节。过程处理单元dpu可以通过io通信网络获取被控设备的当前状态并根据各设备之间的关联关系实现关联设备之间的信息互通，同时将设备状态信息上传到上位scada。在这个过程中，pid控制器可以根据被控对象的实时状态和控制误差来调整控制器输出，以最大程度地提高系统的控制精度和性能。
[0060]
任务a为按1毫秒(可设置)时间片根据预先配置的设备关联关系表完成本站内所有io模件的数据转发；任务b为实现和上位scada的通讯响应；任务c为完成不同过程处理单元之间的数据交换；任务b和任务c均为网络通信，通过中断响应的方式执行。
[0061]
具体的，自适应算法为pid控制算法，表示为：
[0062][0063]
其中，u(t)为pid输出值随时间变化的曲线，kp为比例系数，e(t)为设定值与升级至的偏差随时间的变化曲线，ti为积分时间，td为微分时间。
[0064]
具体的，如图3所示，当两个或两个以上设备调节或控制存在关联关系时，由与之对应的组合型io模件进行对各个设备的调节或控制，过程处理单元dpu100完成关联设备之间状态信息共享。
[0065]
具体的，过程处理单元dpu100包括冗余过程处理单元dpu_p101和dpu_s102。冗余过程处理单元dpu_p101和dpu_s102之间仅需要在设备关联关系表发生改变时同步一次，dpu_s102同时接入io通信网络并根据同步的设备关联关系表进行数据监听但不实现转发；dpu_s102直接在冗余切换条件满足时接管数据转发功能。
[0066]
实施例2
[0067]
参照表1，为本发明的一个实施例，该实施例提供了一种基于多元控制单元的分散控制方法及系统，为了验证本发明的有益效果，通过实施效果进行科学论证。
[0068]
表1
[0069]
[0070][0071]
如表1所示，通过与现有技术对比，我方发明在控制逻辑，实现方案以及故障应对方面都具有显著的优势，有着很好的实用性。
[0072]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种基于多元控制单元的分散控制方法，其特征在于，包括：对每个设备设置一个对应的控制单元；通过将过程处理单元内执行的控制逻辑分散到各个控制单元控制其对应的设备；过程处理单元基于自适应控制算法实现对设备的就地控制。2.一种基于多元控制单元的分散控制系统，其特征在于，包括：过程处理单元dpu(100)、io通信网络(200)和被控设备(300)；过程处理单元dpu(100)的控制逻辑通过io通信网络(200)分散到各个组合型io模件实现对被控设备(300)的调节和控制；过程处理单元(100)通过io通信网络(200)获取被控设备(300)的当前状态并根据各设备之间的关联关系实现关联设备之间的信息互通，同时将设备状态信息上传到上位scada。3.如权利要求2所述的基于多元控制单元的分散控制系统，其特征在于：所述分散控制系统的温度量信号为缓慢变化信号量，根据被测温度范围不同分别使用热电阻rtd(400)和热电偶tc(500)进行测量。4.如权利要求3所述的基于多元控制单元的分散控制系统，其特征在于：所述io通信网络(200)包括多个组合型io模件，每个组合型io模件包括模拟量输入模块ai、数字量输入模块di、模拟量输出模块ao、数字量输出模块do和微控制单元mcu。5.如权利要求4所述的基于多元控制单元的分散控制系统，其特征在于：每一个被控设备(300)分别对应一个组合型io模件。6.如权利要求5所述的基于多元控制单元的分散控制系统，其特征在于：所述被控设备(300)由与之对应的组合型io模件进行调节或控制，io模件结合过程处理单元dpu(100)下发的目标指令执行控制算法，动态检测被控设备的当前状态进行调节或控制，同时io模件将所对应的设备信息共享到过程处理单元dpu(100)。7.如权利要求6所述的基于多元控制单元的分散控制系统，其特征在于：所述过程处理单元dpu(100)基于自适应算法并根据被控对象的实时状态和控制误差来调整控制器输出，以执行如下任务：基于设备关联关系完成关联设备状态信息的转发；实现和上位scada的通讯响应；完成不同过程处理单元之间的数据交换。8.如权利要求7所述的基于多元控制单元的分散控制系统，其特征在于：所述自适应算法为pid控制算法，表示为：其中，u(t)为pid输出值随时间变化的曲线，kp为比例系数，e(t)为设定值与升级至的偏差随时间的变化曲线，ti为积分时间，td为微分时间。9.如权利要求8所述的基于多元控制单元的分散控制系统，其特征在于：当两个或两个以上设备调节或控制存在关联关系时，由与之对应的组合型io模件进行对各个设备的调节或控制，过程处理单元dpu(100)完成关联设备之间状态信息共享。10.如权利要求9所述的基于多元控制单元的分散控制系统，其特征在于：所述过程处
理单元dpu(100)包括冗余过程处理单元dpu_p(101)和dpu_s(102)；所述冗余过程处理单元dpu_p(101)和dpu_s(102)之间仅需要在设备关联关系表发生改变时同步一次，dpu_s(102)同时接入io通信网络并根据同步的设备关联关系表进行数据监听；所述dpu_s(102)直接在冗余切换条件满足时接管数据转发功能。

技术总结
本发明属于分散控制系统的技术领域，公开了一种基于多元控制单元的分散控制方法及系统，在被控设备种类、状态参数、控制算法均清晰的情况下，通过构建组合型IO模件，将在处理单元内实现的控制算法分散到组合型IO模件内实现，完成对设备的就地控制，提升了控制实时性。通过构建组合型IO模件，所需配置的IO模件数量减少，同时过程处理单元仅需要使用自适应控制算法，对自身处理器计算能力要求较低，整个过程处理单元只需要配置一个处理器即可，硬件设计难度成本均大幅降低；且冗余过程处理单元不需要考虑控制逻辑的同步，切换安全性更高。切换安全性更高。切换安全性更高。


技术研发人员：吴胜华 田海波 杨春瑜 马伟东 赵马泉 许天骄 张明惠
受保护的技术使用者：南京国电南自维美德自动化有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/4