在組態環節提高控制系統可靠性的探討

(河南省煤氣(集團)有限責任公司 義馬氣化廠 ， 河南 義馬 472300)

在組態環節提高控制系統可靠性的探討

李幫軍

(河南省煤氣(集團)有限責任公司 義馬氣化廠 ， 河南 義馬 472300)

控制系統可靠性受到各種因素影響，用戶在控制系統選擇時，強調控制系統軟、硬件的可靠性，在組態調試環節往往按設計意圖實現功能，忽視了通過組態提高系統可靠性，造成資源浪費，本文從控制系統組態優化經驗入手，分析以組態提高系統可靠性的方式方法。

三選二 ； 延時判斷 ； 故障安全模式 ； 限幅

0 引言

控制系統的主要作用是對生產過程進行監視、控制、管理和決策，隨著控制系統的廣泛應用，集中管理、分散控制的優越性日益明顯，人們對控制系統可靠性的要求也越來越高。生產過程中使用的控制系統不僅有DCS系統，還包含ITCC、SIS等控制系統。控制系統可靠性，一方面要求在規定的時間內，完成規定功能的能力，即可使用性；另一方面要求發生故障后通過維修使系統恢復運行的能力，即可維修性。在控制系統中，采用了許多提高可靠性的技術措施，這些技術措施是建立在以下四種基本思想上的：①要使系統本身不易發生故障，即所謂的故障預防；②在系統發生故障時盡可能減少故障所造成的影響，即所謂的故障保安和故障弱化；③當系統發生故障時，能夠讓系統繼續運行，即所謂的故障容許；④當系統發生故障時，可以在不停止系統運行的情況下進行維修，即所謂的在線維修。

控制系統廠家從硬件可靠性及軟件可靠性兩方面來解決，硬件主要考慮提高元器件和設備的可靠性；采用抗干擾措施，提高系統對環境的適應能力和冗余結構設計。軟件主要考慮測試技術、故障自診斷技術、自動檢錯、糾錯技術、系統恢復技術方面的設計。系統成本在不斷增加，但在用戶組態調試環節往往按設計意圖實現設計功能，忽略了系統可靠性需求，造成資源浪費。從多種控制系統以生產為

中心追求可使用性，在生產實踐過程中組態不斷優化改進經驗，分析以組態提高系統可靠性的方式方法。

1 三選二邏輯結構組態

隨著科技進步，現場儀表平均無故障時間大幅提升，由于受到現場環境、安裝情況、操作人員技術水平等因素制約，儀表故障率大幅下降，但不能完全避免。單臺儀表故障造成生產裝置停運，事故損失巨大。《信號報警、安全聯鎖系統設計規定》對于冗余的傳感器，當重點考慮系統安全性時，應采用二取一邏輯結構，當重點考慮系統可應用性時，應采用二取二邏輯結構，當系統安全性和可應用性均需保障時，一般采用三取二邏輯結構。裝置或機組停車聯鎖關鍵儀表設計時從可靠性考慮，需兼顧安全性和可應用性，設計為3臺儀表檢測，三選二邏輯結構保障安全性和可應用性。非關鍵儀表可引入其它顯示儀表或者增加儀表實現三取二或二取二邏輯結構。三取二邏輯結構如圖1所示。

圖1 三取二邏輯結構組態

從三選二邏輯可以看出，任意一臺儀表故障，不能觸發聯鎖輸出，不會造成裝置或機組聯鎖誤停車。故障儀表報警信息，提示維護檢修人員及時處理故障儀表。在三取二邏輯結構組態時參與聯鎖的單臺儀表故障，能保證系統繼續運行，不會造成聯鎖誤動作，采用了故障容許技術措施，提高了系統可靠性。機組油壓聯鎖、裝置停車聯鎖全部采用三取二邏輯結構，軸瓦溫度聯鎖、原設計單點聯鎖等重要聯鎖采用二取二邏輯結構，基本避免了因儀表故障造成的誤聯鎖停車。

2 延時判斷組態

儀表在工業生產的現場使用環境非常復雜，被測量的參數轉換成微弱的電流或電壓信號，并通過長距離傳輸至控制系統。除有用的信號外，經常會出現一些與被測信號無關的電壓或電流“干擾”。干擾的來源除常見于電焊、雷電等電氣干擾，還存在電噪聲、熱噪聲、溫度效應、化學效應、振動等都可能給測量帶來干擾。在控制監控過程中，如果不能有效排除這些干擾，控制系統就不能夠正常的工作。通過分析干擾波形不難發現，儀表受到外界干擾時模擬信號為正常測量信號和干擾脈沖波的疊加，其中的干擾脈沖波時間較短，幅值較大。調整儀表阻尼時間常數能緩解檢測器遭受到的干擾，無法避免線路干擾。邏輯運算采用延時判斷功能對信號使用進行處理，能有效避免干擾影響。溫度、料位信號變化緩慢，延時時間選取3～5 s，壓力和流量信號變化較快，延時時間選取1～3 s，對于要求苛刻的指標，即使延時0.5 s對大部分干擾也可以有效克服。延時判斷功能組態根據檢測對象確定合適的延時時間，需要對每個參與邏輯運算的參數進行信號處理，程序組態簡單易行。延時判斷組態如圖2所示。

圖2 延時判斷組態

延時判斷功能對于干擾造成信號突變具有屏蔽作用。延時判斷組態在出現干擾時，能有效過濾掉干擾信號，使系統本身不易發生故障，在信號邏輯運算處理以后，DO輸出前全部采用了延時判斷的功能。由于故障預防技術措施實施，系統可靠性顯著提高。

3 故障安全模式組態

故障分為控制系統側故障和現場側故障?？刂葡到y側故障為控制系統IO卡件故障。IO通道故障處理模式需組態設定。AO和DO卡件在正常工作時，卡件通過總線接收控制器下發的數據信息并輸出?？l生通訊故障，與控制器通訊中斷時，卡件自動進入故障安全模式，輸出組態預先設定的故障安全值或故障前的正常值，同時故障報警。故障恢復后，卡件與控制器重新建立通訊連接，卡件退出故障安全模式，重新接受并執行控制器下發的數據信息，報警解除。

AI和DI卡件發生內部故障或通道故障時，卡件上報診斷信息，有關故障燈亮，故障恢復后，故障燈熄滅，同時上報故障恢復信息。在組態時，邏輯運算引入通道狀態信息，在數據異常時進行特殊處理(例如三輸入求均值，引入三個輸入通道狀態，在一個通道故障時，自動切除該通道值，改為二輸入求均值，避免錯誤)。

在IO卡件發生故障時，卡件自動進入故障安全模式，盡可能減少故障所造成的影響，采用故障保安和故障弱化技術措施提高可靠性。浙江中控ECS-700系統和艾默生DELTAV系統均設置了故障安全模式。

現場側故障為回路出現故障。ITCC、SIS等控制系統具有回路檢測功能，系統檢測到出現回路故障時，根據事先組態將輸入輸出強制在安全狀態。數字量輸入模塊具有專門的自測試電路，在檢測到有輸入故障時，把測量輸入值強制在事先組態的安全狀態；數字量輸出模塊一旦檢測出故障，電壓數字輸出模塊上的每個點都需要周期性的在ON或OFF狀態上循環，以保證100%的故障覆蓋率；模擬量輸入模塊可根據需要組態為輸入高限或低限的開路檢測，模塊對各通道電路進行全面的不間斷的診斷，任何一條分電路上在任何診斷中發現有故障時，如果輸入值低于低限，主處理器會收到一個下限值；如果輸入值設置高限，主處理器會收到一個上限值；熱電偶輸入模塊可在窗口上設置隔離的熱電偶模塊的上刻度或下刻度偶絲燒斷檢測。如發生熱偶燒毀，或者熱電偶的輸入電壓超限，主處理器收到上刻度情況下的上限值，在下刻度情況下的下限值。浙江中控ECS-700系統和TRCON 1131系統故障均設置了回路檢測功能。

4 二次確認組態

化工生產關鍵聯鎖或參數給定，必須慎重，組態要求二次確認。采取故障預防技術措施，使系統本身不易發生故障。開關量操作，配合當前值0或1時的狀態，文字或者顏色進行提示，二次確認彈出狀態改變后的提示信息，二次確認后生效。模擬量操作，二次確認彈出操作提示信息，二次確認后生效。對于特別關鍵操作，甚至在二次確認時要求輸入密碼才能操作，避免操作不當造成事故。聯鎖設定值、閥位、啟停設備組態了二次確認，汽機DEH調試設置了二次確認輸入密碼保護。

5 輸入、輸出限制組態

化工生產關鍵部位操作不當，輕則造成系統波動，重則造成系統失控事故。精細化不僅要求操作人員按規程操作，還要求在控制系統組態時采用技術手段防止誤操作。為防止誤操作，對關鍵操作進行限制。對于操作面板，在組態時設定每次操作時的合理幅度，組態不同的操作幅度(例如閥門開關步長由5%改為1%，避免輸出變化過快造成工況大幅度波動)；輸入設定值時變化范圍進行限幅，控制在合理范圍內，在超過幅值時，按最大或最小值處理，避免意外發生。輸入限幅組態如圖3所示。

圖3 輸入限幅組態

采用輸入限幅組態，輸入給定值AM1限制在60～80，即使輸入值大于上限80，控制系統執行只按最大值80執行，一定程度避免造成事故。輸入、輸出限制組態在輸入錯誤發生時盡可能減少錯誤所造成的影響，采用故障保安和故障弱化技術措施，提高系統可靠性。關鍵調節閥開關步長由5%改為1%、0.5%、0.1%等多種，硝銨氨空比、重要手操閥、重要設定值采用了輸入限幅。

6 停機狀態確認

機組油泵、鍋爐給水泵等啟備用泵，經常用到一臺設備停止后聯鎖其它氣動備泵。設備停止狀態判斷失誤將導致聯鎖設備誤動作或者不動作。在組態時采用故障預防技術措施，要使系統本身不易發生故障，為準確判斷設備停止，使用設備運行狀態開關量信號和設備電流模擬量信號<5 A進行邏輯與運算，當重點考慮系統安全性時，應采用二取一邏輯結構，當重點考慮系統可應用性時，應采用二取二邏輯結構。

7 首出控制組態

在過程控制中，利用控制系統運算速度快、精確度高的特點，利用枚舉法對生產裝置或機組設備停車條件的所有可能情況和非聯鎖動作情況，全部進行邏輯判斷，從中鎖定觸發停車聯鎖的第一個條件，實現聯鎖首出組態，再配以流程圖展現所有生產操作、運行監控和維護檢修信息，自動鎖存聯鎖首出，實現停車聯鎖時故障點準確定位。快速判斷故障點，迅速解決問題，縮短分析判斷時間，進而減小平均維修時間MTTR，提高設備利用率。首出控制組態提高系統可維修性，在發生故障后通過縮短維修時間使系統盡快恢復，提高了系統可靠性。機組、鍋爐和氣化爐全部組態了聯鎖首出，不僅準確定位了動作原因，還顯著縮短了故障查找時間。

8 人性化組態

儀表是工藝的眼睛。工藝操作以控制系統為媒介，借助于流程畫面，聲光報警進行生產操作，需要人性化組態，準確指導工藝生產。控制系統“機器”的顯示設計應符合人的生理、心理特點，以減少人的失誤。顯示器設計的基本原則是視覺顯示信號應易于感知，它必須滿足能見性、清晰性和可懂性。

設備運行狀態熱電行業習慣紅色運行，綠色停止；化工行業習慣綠色運行，紅色停止。操作工調崗后容易導致習慣性誤判斷，設備狀態在顏色顯示時最好配以文字“運行狀態”、“停止狀態”提示。

文字提示要全面，例如狀態、命令提示，操作按鈕“開”、“關”顯示為“開狀態”、“關狀態”或者“開命令”、“關命令”，聯鎖投切，提示為“聯鎖投入狀態”、“聯鎖切除狀態”或者“聯鎖投入命令”、“聯鎖切除命令”。

關鍵工藝指標控制，除系統自帶報警外，程序組態邏輯控制，達到報警值時DO輸出到外置聲光報警器，用強烈的聲光報警信號提示工藝生產調整。關鍵參數重點提示，例如鍋爐給水自動調節，在PID退出自動后，除正常聲光報警外，彈出“給水手動！”紅色閃爍提示工藝調整。操作指導組態。容易出現錯誤或生僻的操作，組態預先制定操作指導內容，分步驟明確操作內容和操作要點，直至完成操作。

9 結束語

控制系統可靠性無論是可使用性還是可維護性提高，在組態方面采用三選二邏輯結構組態、延時判斷組態、輸入、輸出限制組態、二次確認組態、故障安全模式組態、停機狀態確認、首出控制組態等方式方法，需要相互配合，在一個程序中可能同時使用多種方式，有機組合以達到提高系統可靠性的目的。

TQ056.22

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1003-3467(2017)09-0041-04

2017-05-23

張 帥(1983-)，男，助理工程師，從事合成氨、尿素、液體肥生產工作，電話：15837802341，E-mail：zhangshuaixyz@163.com。

收稿日期：2017-05-17

作者簡介：李幫軍(1975-)，男，高級工程師，從事工業自動化儀表維護檢修、技術與管理工作，電話：13603815219，E-mail：LBJ203203@163.com。