容錯性控制在LNG擴建項目中的應用

上海天然氣管網(wǎng)有限公司 謝深

0 容錯性技術簡介

容錯技術的基本思想是由馮·諾依曼在1962年提出的。它要求系統(tǒng)具有自動修復及故障容錯能力在系統(tǒng)的某個部件出錯的情況下保證整個系統(tǒng)的可靠性運行，其目的就是使得系統(tǒng)能自動、適時地監(jiān)測并診斷出系統(tǒng)的故障，然后采取相應的故障控制和處理方法。而達到這一要求可行方法有硬件的冗余，系統(tǒng)的同步性、系統(tǒng)的表決性、重構性、故障監(jiān)測多方面。容錯控制系統(tǒng)的一般要求：

(1)每個安全相關功能，應該冗余運行；

(2)應用軟件有周期性檢查的功能；

(3)通過比較保證時鐘和定時器的正確性；

(4)有措施避免系統(tǒng)進入死循環(huán)或停止運行；

(5)保證通訊鏈路的正確；

(6)任何硬件故障必須立即得到反映，避免故障累積而發(fā)生的事故；

(7)和安全有關的數(shù)值不能人工輸入；

(8)保證CP指令執(zhí)行的完整性(針對多字節(jié)的指令)。

1 LNG站的控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結構

整個LNG站的控制系統(tǒng)按區(qū)域上可分為三大區(qū)域：中央控制室(NCR)、原有控制室(ECR)、碼頭控制室(JCR)，由功能可分為三套系統(tǒng)：分布式集成控制系統(tǒng)(DCS)；火焰及氣體滅火系統(tǒng)(FGS)；緊急停車系統(tǒng)(ESD)。

LNG站的控制系統(tǒng)采用霍尼韋爾(Honeywell)集成控制系統(tǒng)，它是基于分布式服務器架構與控制的以太網(wǎng)技術。該系統(tǒng)包括三處控制室(NCR、ECR、JCR)，該系統(tǒng)架構見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構示意

如圖所示：其中碼頭控制室包括基于霍尼韋爾C300系列的DCS分布式集散控制系統(tǒng)及FSC701系列的FGS火焰及氣體滅火系統(tǒng)1套；中央控制室包括基于霍尼韋爾C300系列的DCS系統(tǒng)(包括接入的第三方成套設備的 PLC控制系統(tǒng))及 FSC701系列的FGS系統(tǒng)和ESD緊急停車系統(tǒng)各1套；原有控制室則由基于AB(Allen-Bradley)PLC5系列的霍尼韋爾SCAN300系統(tǒng)和經過升級后使用FSC701系列的FGS火焰及氣體滅火系統(tǒng)和ESD緊急停車系統(tǒng)各1套。而兩處分控制室(ECR、JCR)都通過光纖進行連接到中央控制室集成進行數(shù)據(jù)通訊。

1.2 綜述網(wǎng)絡和通信接口解決方案

1.2.1 連接網(wǎng)絡

此次擴建項目采用的是霍尼韋爾的控制網(wǎng)絡。它不僅提供容錯功能，而且反應速度快，決定能力強，且安全性更高。在這個項目中，通過冗余的DCS服務器，將所有的操作員站和工程師站，集散控制系統(tǒng)控制器(DCS)，緊急停車系統(tǒng)，火氣系統(tǒng)，以及各種第三方控制系統(tǒng)(通過 Modbus/TCP 或Modbus/RTU協(xié)議接入)，都通過冗余光纖連接將NCR，ECR和JCR的各個系統(tǒng)將連接在同一個控制網(wǎng)絡中。

1.2.2 接口方式

基于霍尼韋爾C300系列DCS分布式集散控制系統(tǒng)和ECR的Allen-Bradley的PLC5之間的DH+網(wǎng)絡的連接，原有站區(qū)的SCAN3000系統(tǒng)采用的是AB PLC為控制器的控制系統(tǒng)，需和新站的DCS相集成，PKS提供了與 Allen-Bradley PLC通訊的RSLinx接口與Allen-Bradley可編程控制器連接。在現(xiàn)有工廠，Allen-Bradley公司PLC5作為控制器，集散控制系統(tǒng)(與老站的ESD FGS系統(tǒng)通訊)會作為SCADA點通過在服務器上了一個監(jiān)控的PKS 1784 PKTXD適配器接入ECR的PKS監(jiān)控服務器。(PKS SCADA服務器可以與使用了ALLEN-BRADLEY PLC5通過DH+網(wǎng)絡的Allen-Bradley RSLinx接口。)接口方式如圖2。

圖2 接口方式示意

1.3 霍尼韋爾FSC701安全系統(tǒng)接入

系統(tǒng)中的火氣系統(tǒng)/緊急停車系統(tǒng) FSC系列與PKS通過FSC的接口與系統(tǒng)集成。NCR的EPKS服務器可以訪問所有的 FSC控制器(ESD/FGS系統(tǒng))，如實時數(shù)據(jù)，歷史，報警和事件，SOE(順序事件)，診斷等，所有的報警和FSC的事件、順序在事件日志在PKS系統(tǒng)和操作員工作站(HMI)可視人機界面中均可查詢，使其成為完全整合的系統(tǒng)。而FSC系統(tǒng)和PKS系統(tǒng)統(tǒng)一，信息功能，時間同步，能有效幫助操作員找出工藝出現(xiàn)故障。

2 容錯控制詳細方法

2.1 LNG擴建項目的控制網(wǎng)絡、控制器的容錯性

項目的網(wǎng)絡采用霍尼韋爾的控制網(wǎng)絡，整個控制網(wǎng)絡提供了一個的100 Mbps的冗余總線的分布式控制系統(tǒng)(DCS)以太網(wǎng)網(wǎng)絡，連接兩套(NCR、JCR各1套)冗余并同步系統(tǒng)控制器(C300系統(tǒng)Controller)及防火墻(C300控制系列防火墻)。一般情況下，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)結構通常采用兩個獨立的以太網(wǎng)網(wǎng)絡，每個節(jié)點連接兩個相互獨立網(wǎng)絡。如果有一個網(wǎng)絡上的連接失敗，一個節(jié)點同時間切換到其它網(wǎng)絡的范圍可以從10 s到30 s以上，而項目采用的單一多路徑的網(wǎng)絡，當出現(xiàn)故障時，重新建立網(wǎng)絡連接。將切換時間提高到只有1 s，并且通過提供更多的節(jié)點之間的通信路徑，整個控制網(wǎng)也容忍包括個別節(jié)點單故障和多故障的發(fā)生。該網(wǎng)絡提供了一種先進的網(wǎng)絡解決方案，使用集成通信技術方案提高了系統(tǒng)的可靠性，同時減少試運轉調試和維修成本。

2.2 分布式服務器結構及容錯

2.2.1 基本原理

LNG站分布式系統(tǒng)的架構(DSA)采用的是一套冗余的服務器并通過硬件同步(通過硬件時鐘信號來同步個信號的運行節(jié)拍)和軟件同步(采用網(wǎng)絡通訊的方法，通過傳輸同步幀實現(xiàn)模塊間的同步)使主服務器和備份服務器處于同步狀態(tài)，它的選項中提供了外部接入功能，無需做任何服務器上重復配置。使系統(tǒng)中所有的服務器，PLC都能接入 DCS并獲得的數(shù)據(jù)(選項包括訪問系統(tǒng)的數(shù)據(jù)點、報警、信息、歷史、共享等)。每個服務器提供自動為所有客戶能夠遠程數(shù)據(jù)的動態(tài)緩存，以便客戶端訪問的本地服務器其所有的數(shù)據(jù)。這種機制可確保無論在服務器和在網(wǎng)絡上最高的效率。主 DCS終端服務器與現(xiàn)場設備服務器進行通信并通過其余服務器。如果主服務器發(fā)生故障，備份 DCS服務器將成為主服務器與現(xiàn)場設備進行通信。

2.2.2 服務器連接示意圖

圖3 服務器連接示意

2.3 控制軟件容錯及故障監(jiān)測診斷

軟件錯誤一般編碼和程序錯誤引起，PKS的軟件平臺通過軟件的時間冗余、信息冗余、系統(tǒng)的重構性等功能有效避免這些錯誤的發(fā)生，保障了其穩(wěn)定性，并通過所具有的自檢性、SOE(事件順序)、EVENT故障報錯和存檔的能力以及自診斷和糾錯有效避免了故障的累積，使得軟件的可靠性得到了保障。是需要強調的是PKS軟件系統(tǒng)為保障系統(tǒng)的冗余及監(jiān)測所帶來的代價是占據(jù)的相當大系統(tǒng)資源，以及報錯、報警偏多的問題。

3 結束語

本文從各方面介紹了整個項目的容錯實現(xiàn)，以及系統(tǒng)組成，容錯性能確保了系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和可靠性，但同時也考慮到各種冗余的實現(xiàn)及通過SOE事件順序、EVENT故障報錯及存檔的能力所帶來極大的占據(jù)系統(tǒng)資源的問題，以及報錯過于頻繁，易造成操作員警覺下降。因此容錯性的有效性和合理性才是要重點考慮的合理的容錯技術才能保證系統(tǒng)可靠性，否則會造成系統(tǒng)資源的浪費。