淺議冗余設計在自控系統(tǒng)中的重要性

【摘要】在實施工業(yè)生產(chǎn)自動化的過程中，冗余設計是一種滿足連續(xù)生產(chǎn)要求，提高控制系統(tǒng)可靠性和可用性的有效手段。本文重點闡述了冗余技術在DCS中應用的重要性，并列出了DCS系統(tǒng)中常有的電源冗余、控制器冗余、和操作員站冗余等冗余技術。

【關鍵詞】自動化系統(tǒng)；可靠運行；冗余技術；重要性

一、冗余、冗余技術、冗余控制的含義

（1）冗余，是指冗余系統(tǒng)的兩個或多個處理器之間要經(jīng)常比較各自的狀態(tài)，根據(jù)一定的規(guī)則以決定系統(tǒng)是否工作在正常的狀態(tài)，這種狀態(tài)比較和系統(tǒng)可靠性的判定也被成為同步。冗余分為工作冗余和后備冗余。工作冗余是一種兩個或以上的單元并行工作的并聯(lián)模型，平時由各處單元平均負擔工作；后備冗余平時只需要一個單元工作，另一個單元是冗余的用于待機備用。（2）冗余技術又稱儲備技術，是指采用備用的硬件或軟件參與系統(tǒng)的運行或處于準備狀態(tài)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，能自動切換，保持系統(tǒng)不間斷地正常工作。它利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來提高系統(tǒng)可靠性的一種手段。（3）冗余控制，嚴格來講是指采用一定或成倍量的設備或元器件的方式組成控制系統(tǒng)來參加控制，當某一設備或元器件發(fā)生故障而損壞時，它可以通過硬件、軟件或人為方式，相互切換作為后備設備或元器件，替代因故障而損壞的設備或元器件，保持系統(tǒng)正常工作，使控制因意外而導致的停機損失降到最低。

二、在煤焦企業(yè)自動控制系統(tǒng)中冗余技術運用的重要性

在自動化控制系統(tǒng)的許多領域中，有效性的要求越來越高，尤其是在設備停機代價非常大的企業(yè)中，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、有效運行時非常重要的?？煽啃允窍到y(tǒng)和產(chǎn)品的主要屬性之一，是考慮到時間因素的產(chǎn)品質量，對于提高系統(tǒng)的有效性、降低壽命期費用和防止產(chǎn)品發(fā)生故障具有重要意義。

無論在國內(nèi)還是國外的自動控制系統(tǒng)有多大區(qū)別，冗余技術已在控制系統(tǒng)中都被廣泛采用。現(xiàn)在以我廠煤焦企業(yè)DCS控制系統(tǒng)為例進行闡述。

三、冗余設計在DCS控制系統(tǒng)中的應用

（1）DCS系統(tǒng)模型。DCS控制系統(tǒng)是控制技術、計算機技術、通信技術及圖形顯示技術相結合的產(chǎn)物，由系統(tǒng)模型圖圖1可知，系統(tǒng)分為操作級和過程級，操作級包括工程師站、操作員站以及與第三方系統(tǒng)或軟件擴展的網(wǎng)管站，通過他們實現(xiàn)系統(tǒng)全局范圍的操作、監(jiān)控、歸檔、記錄、趨勢和報警等功能；過程級包括由各種類型控制器組成的過程站以及由它們集成的不同現(xiàn)場總線設備，通常開環(huán)控制和閉環(huán)控制功能在過程控制器中執(zhí)行。而且每一級都采用了冗余。（2）現(xiàn)場控制器冗余（AC800F）?，F(xiàn)場控制器由基本單元PM802F、電源SA801F/SD802F、Ethernet網(wǎng)卡EI801F/EI802F/EI803F、現(xiàn)場總線接口卡FI810F/FI820F/FI830F以及各種附件組成?？刂葡到y(tǒng)采用2個現(xiàn)場控制器實現(xiàn)控制器1：1冗余，主從控制器之間可無擾切換。每個控制器上都有兩個Ethernet網(wǎng)卡，第一網(wǎng)卡用于連接系統(tǒng)網(wǎng)絡（DigiNetS），而第二網(wǎng)卡之間則可彼此互連以形成專門的冗余通訊鏈接(DigiNetR)，確保主從控制器間的信息同步。一但主控制器故障，從控制器能迅速無擾地接替工作。（3）現(xiàn)場總線設備網(wǎng)關冗余（CI840）。配置冗余Profibus DP 模件FI830實現(xiàn)與I/O之間的冗余通訊。Profibus DP總線通訊速率為12Mb/s，一條Profibus DP總線上最多可掛接125個從站。數(shù)據(jù)通信采用10Mb/s/100Mb/s工業(yè)以太網(wǎng)（遵循TCP/IP協(xié)議），根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，通信采用冗余總線網(wǎng)方式。（4）電源冗余?？刂葡到y(tǒng)電源采用220VAC交流供電系統(tǒng)，有兩路彼此獨立交流電源輸入并具備雙回路自動切換功能。（5）輸入輸出模塊冗余（S800I/O）。S800是用于過程控制站的分布式I/O，采用模塊化設計，DIN標準導軌式安裝，它們通過ProfibusDP現(xiàn)場總線與其所屬的控制器通信，具有多種模擬及數(shù)字輸入輸出模件，以及熱電阻和熱電偶模件。既可以安裝在控制室，也可以安裝在現(xiàn)場以盡量接近現(xiàn)場變送器和執(zhí)行器，從而節(jié)省電纜并減少安裝費用。S800 I/O模塊（DI840、DO840、AI845、AI843、AO845）支持電源冗余，支持冗余現(xiàn)場總線。（6）操作員站冗余。配置7臺操作員站，其中煉焦控制室2臺、冷鼓控制室2臺、化產(chǎn)控制室3臺。操作員站安裝IndustrialIT DigiVis中文版本軟件，運行在Windows 2000XP中文系統(tǒng)上，采用1:1后備方式，在這種情況下，一臺操作站或電源發(fā)生故障，系統(tǒng)可切換到后備的操作站；并且可以接Ethernet（TCP/IP協(xié)議）局部網(wǎng)絡。

對于企業(yè)來說，一旦出現(xiàn)故障，很難處理，而且損失會很大，為了保證控制系統(tǒng)的可靠性，除了從運行環(huán)境條件方面采取抗干擾措施外，采用冗余設計是提高控制系統(tǒng)可靠性的有效措施，采取什么樣的冗余處理技術是由控制系統(tǒng)的可靠性要求和項目成本決定的。

參考文獻

[1]吳勤勤．控制儀表及裝置（第三版）[J]．化學工業(yè)出版社

[2]ABB過程自動化部．《Freelance 800F基礎培訓課程》