一种DCS的监测方法、控制器及分布式控制系统

技术领域

本发明涉及但不仅限于工控自动化领域，尤指一种DCS的监测方法、控制器及分布式控制系统。

背景技术

分布式控制系统(Distributed Control System，简称DCS)是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的新一代仪表控制系统。DCS主要特征是集中管理和分散控制，采用控制分散、操作和管理集中的基本设计思想，采用多层分级、合作自治的结构形式。目前DCS在电力、冶金、石化等各行各业都获得了极其广泛的应用。

图1为现有分布式控制系统的结构图，如图1所示，分散控制模块(简称DCS控制器)是分布式控制系统的最基本控制单元。一般由两个DCS控制器组成冗余控制系统。DCS控制器A和DCS控制器B互为主备，通过IO总线控制输入/输出(Input/Output，简称IO或I/O)模块。由IO输出模块跟现场设备相连对现场汽轮机、阀门、电机等设备进行控制；由IO输入模块采集现场设备的压力、温度、位置等信号传输给控制器，作为控制器控制的判断依据。

然而，目前DCS控制器A和DCS控制器B之间冗余监控通道通过以太网来实现，一是互相监控状态的通讯链路时间较长，切换时间受到控制器内部系统线程调度周期和控制器应用程序的控制周期局限，冗余控制器之间主备切换时间较慢，一般在20ms以上。二是以太网通讯网络不仅用于传输主备状态监控，还用于大量IO模块数据传输和上位机(PC机)通讯，信号时延不固定，且稳定性较差。通过网线连接，容易被干扰或断开可靠性较差。

发明内容

第一方面，本申请实施例提供了一种分布式控制系统的监测方法，所述分布式控制系统包括第一DCS控制器和第二DCS控制器，第一DCS控制器和第二DCS控制器分别通过控制器插槽插接到DCS的机柜上，以使第一DCS控制器和第二DCS控制器通过接口方式进行通信，所述方法包括：

所述第一DCS控制器检测是否接收到监测指示信息，所述监测指示信息为与第一DCS控制器连接的上位机发送的用于指示监测第二DCS控制器状态；

若是，则通过接口方式监测第二DCS控制器状态，在第二DCS状态为主站状态时，第一DCS控制器切换至从站状态；在第二DCS状态为从站状态时，第一DCS控制器切换至主站状态。

第二方面，本申请实施例提供了一种DCS控制器，包括存储器和CPU，存储器用于存储执行指令；中央处理器调用所述执行指令，用于执行如第一方面任一实施例所述的DCS的监测方法。

第三方面，本申请实施例提供了一种分布式控制系统，包括上位机、输入输出IO模块和至少两个如第二方面任一实施例所述的DCS控制器；DCS控制器通过IO总线与输入输出IO模块进行通信。

本申请与现有技术相比具有以下有益效果：可优化DCS控制器冗余监视链路，减少冗余主备切换速度，提高系统整体可靠性。可扩展IO通信总线，支持RS485、PROFIBUS、CAN、MODBUS协议。可加强控制器CPU散热功能，提高系统可靠性。可优化DCS控制器核心架构，采用MIPS指令集芯片。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为现有分布式控制系统的结构图；

图2为本发明实施例提供的分布式控制系统的结构图；

图3为本发明实施例提供的DCS控制器的安装结构图；

图4为本发明实施例提供的控制器底座的示意图；

图5为本发明一示例实施例提供的DCS的监测方法的流程图；

图6为本发明一示例实施例提供的DCS的监测方法的流程图；

图7为本发明一示例实施例提供的DCS控制器的结构框图；

图8为本发明一示例实施例提供的DCS控制器的结构框图。

具体实施方式

本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。

本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。

此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内。

图2为本发明实施例提供的分布式控制系统的结构图，如图2所示，本实施例提供的分布式控制系统可以包括：上位机、IO模块和至少两个DCS控制器：比如图2中的DCS控制器A和DCS控制器B。DCS控制器通过IO总线与IO模块进行通信。

本实施例中，DCS控制器A和DCS控制器B互为主备，通过IO总线控制IO模块。IO模块分别与现场设备和DCS控制器相连，IO模块用于采集现场设备的信息，比如可采集现场设备的压力、温度、位置等信号传输给控制器，作为控制器控制的判断依据。

DCS控制器，用于通过IO总线获取IO模块采集的信息，以及通过IO总线控制IO模块，以实现控制现场设备，比如对现场汽轮机、阀门、电机等设备进行控制。

在本发明一示例实施例中，分布式控制系统可以包括第一DCS控制器(如图2中的DCS控制器A)和第二DCS控制器(如图2中的DCS控制器B)。图3为本发明实施例提供的DCS控制器的安装结构图，图4为本发明实施例提供的控制器底座的示意图，如图2、图3和图4所示，第一DCS控制器和第二DCS控制器可以分别通过控制器插槽插接到DCS的机柜上，以使第一DCS控制器和第二DCS控制器通过接口方式进行通信。

其中，第一DCS控制器和第二DCS控制器可以为分布式控制系统中任意两个互为主备的冗余控制器。

本实施例中，可以将设置有控制器槽插的机柜称为控制器底座，每一个DCS控制器通过一个控制器槽插插接在控制器底座(DCS的机柜)上。比如，DCS控制器A可以通过图4所示的控制器槽插1插接到控制器底座上，DCS控制器B可以通过图5所示的控制器槽插2插接到控制器底座上.

本实施例中，DCS控制器通过控制器槽插插接到控制器底座上，DCS控制器之间的冗余监控通道通过RS422总线、RS485总线或TTL电平等接口方式实现，可优化DCS控制器冗余监视链路，减少冗余主备切换速度，其可避免DCS控制器之间的冗余监控通道采用以太网实现时信号时延不固定，以及通过网线连接容易被干扰或断开可靠性较差的问题，从而提高DCS控制器之间的冗余监控通道的安全性和可靠性。

图5为本发明一示例实施例提供的DCS的监测方法的流程图，如图5所示，基于上述实施例所提供的分布式控制系统和DCS控制器，本实施例提供的DCS的监测方法可以包括：

S501：第一DCS控制器检测是否接收到监测指示信息，监测指示信息为与第一DCS控制器连接的上位机发送的用于指示监测第二DCS控制器状态。

本实施例中，第一DCS控制器和第二DCS控制器互为主备，可通过第一DCS控制器和第二控制器之间的冗余监控通道实现DCS控制器的监测，实现第一DCS控制器和第二DCS控制器的主备切换。

本实施例中，可以通过配置切换，用于监测DCS控制器的监控功能由DCS控制器的CPU改到上位机实现，从而可加快主备切换时间至1ms，减少冗余控制器之间主备切换时间，且可提升可靠性。

本实施例中，由上位机实现DCS控制器的监控功能，即配置冗余控制器之间的主备切换。通过上位机发送监测指示信息，以使第一DCS控制器监测第二DCS控制器的状态，以完成第一DCS控制器的状态切换。

其中，第一DCS控制器和第二DCS控制器为冗余控制器，两者可互称为对方的伙伴站。

S502：若是，则通过接口方式监测第二DCS控制器状态，在第二DCS状态为主站状态时，第一DCS控制器切换至从站状态(从控制器)；在第二DCS状态为从站状态时，第一DCS控制器切换至主站状态(主控制器)。

本实施例中，第一DCS控制器在接收到上位机发送的监测指示信息时，通过RS422总线、RS485总线或TTL电平等接口方式监测第二DCS控制器的状态，以完成第一DCS控制器的状态切换。

其中，第二DCS控制器为主站状态(主控制器)，则第一DCS控制器为从站状态(从控制器)；第二DCS控制器为从站状态(从控制器)，则第一DCS控制器为主站状态(主控制器)。

本实施例中，第一DCS控制器和第二控制器之间的冗余监控通道可通过RS422总线、RS485总线或TTL电平等接口方式实现，可优化DCS控制器冗余监视链路，减少冗余主备切换速度。

在一示例中，接口方式至少包括两种，监测指示信息还用于指示采用何种接口方式监视。图6为本发明一示例实施例提供的DCS的监测方法的流程图，如图6所示，本实施例提供的DCS的监测方法可以包括：

S601：接收上位机标志flag，flag＝0,1,2。

本实施例中，监测指示信息可以为标志信号，通过标志flag指示采用何种接口方式监视。

S602：判断标志位flag。在flag＝0时，执行S603a；在flag＝1时，执行S603b；在flag＝2时，执行S603c。

S603a：监听RS422总线心跳脉冲。

S603b：监听RS485总线心跳脉冲。

S603c：监听TTL电平心跳脉冲。

在一示例中，通过接口方式监测第二DCS控制器状态时，可以包括：

监测指示信息为第一监测指示信息时，第一DCS控制器监听RS422总线心跳脉冲，以确定第二DCS控制器状态；监测指示信息为第二监测指示信息时，第一DCS控制器监听RS485总线心跳脉冲，以确定第二DCS控制器状态；所述监测指示信息为第三监测指示信息时，所述第一DCS控制器监听TTL电平心跳脉冲，以确定第二DCS控制器状态。

本实施例中，如图1所示，DCS控制器A和DCS控制器B之间的线L1表示RS422通讯链路，线L2表示RS485通讯链路，线L3表示TTL电平通讯链路。冗余控制器之间可通过线L1、线L2和先L3三种通讯链路进行主备状态监控，如果发生主站(主控制器)故障，能够迅速将备站(从控制器)切换为主站(主控制器)。

其中，第一监测指示信息可以为flag＝0，第二监测指示信息可以为flag＝1，第三监测指示信息可以为flag＝2。

S604：判断伙伴站是否在主站状态。若是，执行S605；否则，执行S606。

本实施例中，仅是涉及第一DCS控制器和第二DCS控制器之间的冗余监控通道的通信方式的改变，即由以太网方式改进为RS422总线、RS485总线或TTL电平等接口方式，其DCS控制器处于主站状态或从站状态的判断或识别与现有技术相同，本实施例在此不进行限定和赘述。

S605：执行从站程序：保存通信监听、组态逻辑运算，但不向IO模块发送数据和指令。

S606：执行主站程序：进行通信监听、组态逻辑运算，同时向IO模块发送数据和指令，通过接口方式(RS422总线、RD485总线或TTL电平)向伙伴站发送心跳脉冲。

在本发明一示例实施例中，图7为本发明一示例实施例提供的DCS控制器的结构框图，如图7所示，DCS控制器可以包括存储器(图7中未示出)和中央处理器(CentralProcessing Unit，简称CPU)71。存储器用于存储执行指令，当DCS控制器运行时，中央处理器与存储器之间通信，中央处理器调用执行指令，用于执行以下操作：

检测是否接收到监测指示信息，所述监测指示信息为与第一DCS控制器连接的上位机发送的用于指示监测第二DCS控制器状态；

若是，则通过接口方式监测第二DCS控制器状态，在第二DCS状态为主站状态时，切换至从站状态；在第二DCS状态为从站状态时，切换至主站状态。

其中，中央处理器可以为第一DCS控制器和第二DCS控制器中的任一个，本实施例以中央处理器为第一DCS控制器为例，中央处理器为第二DCS控制器的实现原理与之类似，本实施例不再一一赘述。

在一示例中，所述接口方式至少包括两种，所述监测指示信息还用于指示采用何种接口方式监视；中央处理器通过接口方式监测第二DCS控制器状态时，可以包括：

所述监测指示信息为第一监测指示信息时，监听RS422总线心跳脉冲，以确定第二DCS控制器状态；

所述监测指示信息为第二监测指示信息时，监听RS485总线心跳脉冲，以确定第二DCS控制器状态；

所述监测指示信息为第三监测指示信息时，监听TTL电平心跳脉冲，以确定第二DCS控制器状态。

在一示例中，图8为本发明一示例实施例提供的DCS控制器的结构框图，如图8所示，IO总线采用传统RS485总线直接与CPU的通用异步收发传输器(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter，简称UART)接口连接，以将通讯数据通过CPU的软中断传给操作系统驱动，通过共享内存把数据传输给应用程序。然而CPU的高速UART稳定性较差，UART中断可能频繁打断系统正常进程运行，存在导致CPU系统死机的风险，总线扩展性也较差，难以兼容日益增加的现场智能化总线设备。

本实施例中，可通过在DCS控制器中增加协处理器扩展IO总线的通信协议，避免IO总线采用传统RS485总线直接与CPU的UART接口连接，而存在导致CPU系统死机的风险，以及总线扩展性差的问题。

在一示例中，如图7所示，DCS控制器还可以包括：用于支持至少两种通信协议的协处理器72，协处理器与中央处理器连接；协处理器，用于根据至少两种通信协议解析IO总线上传输的数据信息，以及将解析后的数据信息通过通用串行总线USB或以太网传输给中央处理器。

本实施例中，通过在DCS控制器中设置协处理器，协处理器可支持至少两种通信协议，IO模块74采集线程设备的相关信息通过IO总线传输，IO总线可通过协议处理器处理现场总线数据，协议处理器可根据IO总线支持的协议匹配相应的协议以解析总线信息，并通过USB或以太网高速信号通道将数据传输给CPU，增加系统可扩展性和稳定性。

在一示例中，IO总线支持的协议可以包括：RS485协议、PROFIBUS协议、CAN协议和MODBUS协议。也即，IO总线可支持RS485协议、PROFIBUS协议、CAN协议、MODBUS协议等多种总线链路。IO模块最多可扩展为64个模块。

在一示例中，如图7所示，IO总线可通过驱动电路73将采集的数据传输给协处理器72，以使协议处理器可根据IO总线支持的协议匹配相应的协议以解析总线信息。其中，驱动电路的实现原理与现有技术相同，本实施例在此不进行限定和赘述。

在一示例中，DCS控制器设有金属外壳，DCS控制器还包括散热片，散热片的一侧贴紧中央处理器，散热片的另一侧贴紧金属外壳。

实际应用中，由于CPU功耗较大，发热严重，导致CPU工作时间长了后电路板容易积灰短路，影响系统可靠性。本实施例中，可设置DCS控制器金的属外壳和散热片，散热片一侧贴紧CPU，CPU另一侧贴紧控制器外壳，将CPU的热量直接导出至控制器外壳，通过空气被动散热，加强CPU散热功能，提高系统可靠性。

在一示例中，金属外壳内部设有导热硅胶垫，散热片的另一侧通过导热硅胶垫贴紧金属外壳。本实施例中，可将导热硅胶垫和金属外壳压缩在一起，散热片的一侧贴紧CPU，散热片的另一侧通过导热硅胶垫贴紧金属外壳，可将CPU的热量直接导出至控制器外壳，通过空气被动散热，提高系统可靠性。

在一示例中，中央处理器采用采用MIPS架构。

本实施例中，CPU采用MIPS架构，采用MIPS指令集芯片，可克服CPU采用X86架构或者ARM架构芯片的局线性，使得CPU芯片可使用国产芯片替代进口芯片。另外，CPU采用MIPS架构，使得CPU芯片可支持64位操作系统，相较于采用X86架构或者ARM架构的32位芯片，代码运行效率较高。

本发明实施例提供的DCS的监测方法、控制器及分布式控制系统，可优化DCS控制器冗余监视链路，减少冗余主备切换速度，提高系统整体可靠性。可扩展IO通信总线，支持RS485、PROFIBUS、CAN、MODBUS协议。可加强控制器CPU散热功能，提高系统可靠性。可优化DCS控制器核心架构，采用MIPS指令集芯片。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。