淺議冗余設計在自控系統中的重要性

【摘要】在實施工業生產自動化的過程中，冗余設計是一種滿足連續生產要求，提高控制系統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；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，是指冗余系統的兩個或多個處理器之間要經常比較各自的狀態，根據一定的規則以決定系統是否工作在正常的狀態，這種狀態比較和系統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的運行或處于準備狀態，一旦系統出現故障，能自動切換，保持系統不間斷地正常工作。它利用系統的并聯模型來提高系統可靠性的一種手段。（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來參加控制，當某一設備或元器件發生故障而損壞時，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、在煤焦企業自動控制系統中冗余技術運用的重要性

在自動化控制系統的許多領域中，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中，保證控制系統的穩定、可靠、有效運行時非常重要的。可靠性是系統和產品的主要屬性之一，是考慮到時間因素的產品質量，對于提高系統的有效性、降低壽命期費用和防止產品發生故障具有重要意義。

無論在國內還是國外的自動控制系統有多大區別，冗余技術已在控制系統中都被廣泛采用。現在以我廠煤焦企業DCS控制系統為例進行闡述。

三、冗余設計在DCS控制系統中的應用

（1）DCS系統模型。DCS控制系統是控制技術、計算機技術、通信技術及圖形顯示技術相結合的產物，由系統模型圖圖1可知，系統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或軟件擴展的網管站，通過他們實現系統全局范圍的操作、監控、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場總線設備，通常開環控制和閉環控制功能在過程控制器中執行。而且每一級都采用了冗余。（2）現場控制器冗余（AC800F）。現場控制器由基本單元PM802F、電源SA801F/SD802F、Ethernet網卡EI801F/EI802F/EI803F、現場總線接口卡FI810F/FI820F/FI830F以及各種附件組成。控制系統采用2個現場控制器實現控制器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網卡，第一網卡用于連接系統網絡（DigiNetS），而第二網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）現場總線設備網關冗余（CI840）。配置冗余Profibus DP 模件FI830實現與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。數據通信采用10Mb/s/100Mb/s工業以太網（遵循TCP/IP協議），根據現場的實際情況，通信采用冗余總線網方式。（4）電源冗余。控制系統電源采用220VAC交流供電系統，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現場總線與其所屬的控制器通信，具有多種模擬及數字輸入輸出模件，以及熱電阻和熱電偶模件。既可以安裝在控制室，也可以安裝在現場以盡量接近現場變送器和執行器，從而節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中文系統上，采用1:1后備方式，在這種情況下，一臺操作站或電源發生故障，系統可切換到后備的操作站；并且可以接Ethernet（TCP/IP協議）局部網絡。

對于企業來說，一旦出現故障，很難處理，而且損失會很大，為了保證控制系統的可靠性，除了從運行環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]．化學工業出版社

[2]ABB過程自動化部．《Freelance 800F基礎培訓課程》