淺議冗余設(shè)計(jì)在自控系統(tǒng)中的重要性

【摘要】在實(shí)施工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的過程中，冗余設(shè)計(jì)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(diǎn)闡述了冗余技術(shù)在DCS中應(yīng)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(shù)。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)化系統(tǒng)；可靠運(yùn)行；冗余技術(shù)；重要性

一、冗余、冗余技術(shù)、冗余控制的含義

（1）冗余，是指冗余系統(tǒng)的兩個(gè)或多個(gè)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(gè)或以上的單元并行工作的并聯(lián)模型，平時(shí)由各處單元平均負(fù)擔(dān)工作；后備冗余平時(shí)只需要一個(gè)單元工作，另一個(gè)單元是冗余的用于待機(jī)備用。（2）冗余技術(shù)又稱儲(chǔ)備技術(shù)，是指采用備用的硬件或軟件參與系統(tǒng)的運(yùn)行或處于準(zhǔn)備狀態(tài)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，能自動(dòng)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(yán)格來講是指采用一定或成倍量的設(shè)備或元器件的方式組成控制系統(tǒng)來參加控制，當(dāng)某一設(shè)備或元器件發(fā)生故障而損壞時(shí)，它可以通過硬件、軟件或人為方式，相互切換作為后備設(shè)備或元器件，替代因故障而損壞的設(shè)備或元器件，保持系統(tǒng)正常工作，使控制因意外而導(dǎo)致的停機(jī)損失降到最低。

二、在煤焦企業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中冗余技術(shù)運(yùn)用的重要性

在自動(dòng)化控制系統(tǒng)的許多領(lǐng)域中，有效性的要求越來越高，尤其是在設(shè)備停機(jī)代價(jià)非常大的企業(yè)中，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、有效運(yùn)行時(shí)非常重要的。可靠性是系統(tǒng)和產(chǎn)品的主要屬性之一，是考慮到時(shí)間因素的產(chǎn)品質(zhì)量，對于提高系統(tǒng)的有效性、降低壽命期費(fèi)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(dòng)控制系統(tǒng)有多大區(qū)別，冗余技術(shù)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(jìn)行闡述。

三、冗余設(shè)計(jì)在DCS控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

（1）DCS系統(tǒng)模型。DCS控制系統(tǒng)是控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)及圖形顯示技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，由系統(tǒng)模型圖圖1可知，系統(tǒng)分為操作級(jí)和過程級(jí)，操作級(jí)包括工程師站、操作員站以及與第三方系統(tǒng)或軟件擴(kuò)展的網(wǎng)管站，通過他們實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全局范圍的操作、監(jiān)控、歸檔、記錄、趨勢和報(bào)警等功能；過程級(jí)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(shè)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(jí)都采用了冗余。（2）現(xiàn)場控制器冗余（AC800F）。現(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。控制系統(tǒng)采用2個(gè)現(xiàn)場控制器實(shí)現(xiàn)控制器1：1冗余，主從控制器之間可無擾切換。每個(gè)控制器上都有兩個(gè)Ethernet網(wǎng)卡，第一網(wǎng)卡用于連接系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（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(shè)備網(wǎng)關(guān)冗余（CI840）。配置冗余Profibus DP 模件FI830實(shí)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(gè)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(shí)際情況，通信采用冗余總線網(wǎng)方式。（4）電源冗余。控制系統(tǒng)電源采用220VAC交流供電系統(tǒng)，有兩路彼此獨(dú)立交流電源輸入并具備雙回路自動(dòng)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(shè)計(jì)，DIN標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)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(fèi)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(tái)操作員站，其中煉焦控制室2臺(tái)、冷鼓控制室2臺(tái)、化產(chǎn)控制室3臺(tái)。操作員站安裝IndustrialIT DigiVis中文版本軟件，運(yùn)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(tái)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(luò)。

對于企業(yè)來說，一旦出現(xiàn)故障，很難處理，而且損失會(huì)很大，為了保證控制系統(tǒng)的可靠性，除了從運(yùn)行環(huán)境條件方面采取抗干擾措施外，采用冗余設(shè)計(jì)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(shù)是由控制系統(tǒng)的可靠性要求和項(xiàng)目成本決定的。

參考文獻(xiàn)

[1]吳勤勤．控制儀表及裝置（第三版）[J]．化學(xué)工業(yè)出版社

[2]ABB過程自動(dòng)化部．《Freelance 800F基礎(chǔ)培訓(xùn)課程》