石油化工自控設(shè)計中冗余容錯技術(shù)分析

張 亮

（山東魯新設(shè)計工程有限公司，山東淄博 255000）

為實現(xiàn)連續(xù)、可靠、安全、經(jīng)濟(jì)的石油化工生產(chǎn)運行，不斷增強(qiáng)的冗余功能為容錯實現(xiàn)奠定的基礎(chǔ)必須得到重視，必須認(rèn)識到冗余的目的是為了容錯，且容錯可按容錯規(guī)模、軟硬件進(jìn)行劃分。為保證冗余容錯技術(shù)能夠較好用于石油化工自控設(shè)計，本文圍繞該課題開展了具體研究。

1 石油化工自控設(shè)計中軟硬件的冗余容錯

1.1 控制系統(tǒng)硬件

DCS 系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于石油化工自控領(lǐng)域，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程的操作控制、常規(guī)控制、連續(xù)測量管理。為實現(xiàn)現(xiàn)場控制設(shè)備與DCS 系統(tǒng)的直接交互，現(xiàn)場控制站需在其中發(fā)揮關(guān)鍵性作用，因此控制系統(tǒng)建立的冗余配置實施需圍繞網(wǎng)絡(luò)通信單元、電源單元、重要輸入/輸出信號轉(zhuǎn)換單元、主控單元展開。以主控單元為例，冗余配置包括故障自檢電路、冗余切換電路，同時還需要開展熱備份，并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的同時接收和控制運算的同時進(jìn)行，完成數(shù)據(jù)的實時更新。如運行過程出現(xiàn)故障，主控單元的備份單元會自動進(jìn)入工作狀態(tài)，無擾動的切換可由此實現(xiàn)。用于SIS 系統(tǒng)的ESD 系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)裝置整體運行情況的監(jiān)視，緊急停車聯(lián)鎖系統(tǒng)可在發(fā)生重大異常工況時迅速啟動，生產(chǎn)裝置和人員的安全可由此得到保障。TS3000屬于先進(jìn)容錯控制器，其擁有三重模塊冗余結(jié)構(gòu)，能夠在一個系統(tǒng)中集成廣泛診斷、并行輸入控制系統(tǒng)，實現(xiàn)不間斷、無差錯的過程控制，這使得系統(tǒng)失效不會因單點故障出現(xiàn)。通過在輸入模塊將傳感器信號分成隔離的3路，配合獨立的3個通道，即可通過3個主處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)表決，這一過程需遵循多數(shù)原則，輸入數(shù)據(jù)的任何偏差均需要糾正。而在主處理器向輸出模塊的輸出過程中，“方形表決器”會負(fù)責(zé)數(shù)字信號的輸出表決，總的反饋電路存在于表決電路中，由此即可通過校驗完成潛在故障診斷，模擬輸出選擇器可實現(xiàn)模擬信號選擇。對于安全儀表功能，基本過程控制系統(tǒng)需要與邏輯運算器分開。

1.2 DCS、ESD組態(tài)設(shè)計

完整工藝過程可基于需要分為若干組，各組的獨立性需要在硬件組態(tài)控制時得到充分考慮，并在各自的輸入/輸出部件連接各組信號，這就使得相應(yīng)的組僅會受到對應(yīng)部件故障影響，其他組不會受到影響。需將信號（不同采樣周期）組態(tài)在一起，以此實現(xiàn)負(fù)荷分散。如系統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)裝置為單、多回路控制器，控制回路需在同一輸入/輸出部件上接入輸入/輸出信號，通信的吞吐量可由此減少。如分散裝置采用數(shù)據(jù)庫共享，必須權(quán)衡設(shè)計和組態(tài)利弊，合理配置，避免回路不能正常工作、回路信息盲區(qū)等情況出現(xiàn)，以提高容錯能力。對于多臺并行的生產(chǎn)設(shè)備，需關(guān)注每個設(shè)備上的多個不同種類的檢測信號，如液位、流量、壓力、溫度，并針對性采用不同設(shè)計，如以設(shè)備為單元、以同類輸入信號為單元、將不同的檢測信號組成一個單元。以將不同的檢測信號組成一個單元為例，通過將不同種類的信號連接每個輸入部件，某一輸入部件故障影響可由此降到最低，設(shè)備上其他的工藝參數(shù)可滿足故障發(fā)生時的操作需要，但這一設(shè)計存在維護(hù)和接線工作量較大的不足，這一不足的克服必須得到重視。

1.3 軟件功能模塊

為實現(xiàn)軟件容錯，ESD 系統(tǒng)和DCS 系統(tǒng)提供的軟件功能模塊必須得到充分利用，以提高檢測回路、控制回路的容錯能力。對于主要聯(lián)鎖回路，傳感器設(shè)置需根據(jù)SIL，一般數(shù)量應(yīng)控制在2或3，以進(jìn)行三取二表決并針對性編制程序；對于聯(lián)鎖回路，延時繼電器設(shè)置需基于ESD 系統(tǒng)或DCS 系統(tǒng)的計時器功能塊實現(xiàn)，被保護(hù)對象的特點和要求也需要得到重點體現(xiàn)，電磁干擾或電壓波動產(chǎn)生的瞬間錯誤信號可由此屏蔽；對于DCS 系統(tǒng)，可結(jié)合使用PID 控制和邏輯開關(guān)控制，如一個控制出現(xiàn)超出某一極限的控制偏差，開關(guān)控制自動啟動，以迅速減小偏差，而對于處于在極限范圍內(nèi)的偏差，DCS 系統(tǒng)自動切換為PID 控制。通過DCS 的順控功能或邏輯開關(guān)控制功能，可基于處于工藝異常狀態(tài)的儀表、處于不正常狀態(tài)的部分儀表，采用不同的控制策略，雖然控制水平會因此出現(xiàn)一定下降，但系統(tǒng)的完整性幾乎不會受到影響，仍能夠較好勝任當(dāng)前狀況。以鍋爐液位控制為例，正常時投入三沖量控制，如上水流量和汽包液位、蒸汽溫度、蒸汽壓力、蒸汽流量測量回路出現(xiàn)問題，三沖量控制可自動切換為單沖量控制或二沖量控制，控制系統(tǒng)失控問題可由此避免。

2 石油化工自控設(shè)計階段應(yīng)關(guān)注的冗余容錯

在具體的石油化工自控設(shè)計階段，冗余容錯設(shè)置需關(guān)注輸入/輸出卡、電磁閥冗余配置、聯(lián)鎖動作、儀表供電、重要用電設(shè)備、儀表和控制系統(tǒng)接地等要點。對于輸入/輸出卡，應(yīng)帶通道間隔離、電磁隔離或光電隔離，以減少輸入、輸出信號受到的電磁等干擾，不必要的容錯處理可由此減少；對于電磁閥冗余配置，需針對性選擇串聯(lián)連接或并聯(lián)連接，前者的安全性更好，后者的可用性更高；對于聯(lián)鎖動作，為避免設(shè)備自啟引發(fā)安全風(fēng)險，需保證正常工況恢復(fù)后正常位置恢復(fù)需采用手動復(fù)位；基于儀表供電，需采用并聯(lián)方式供電，設(shè)立獨立開關(guān)服務(wù)于重要儀表，以避免多個儀表同時癱瘓情況出現(xiàn)。冗余的直流供電系統(tǒng)由并聯(lián)運行的直流穩(wěn)壓電源組成，并選擇具備負(fù)載平衡能力的直流穩(wěn)壓電源，且單臺直流穩(wěn)壓電源具有帶滿負(fù)荷能力；對于重要用電設(shè)備，防晃閃裝置需基于供電特定設(shè)計。由于儀表和控制系統(tǒng)接地采用齊納式安全柵，本安系統(tǒng)需采用兩根接地導(dǎo)線，接地系統(tǒng)可靠性可由此得到保障。

3 結(jié)束語

綜上所述，石油化工自控設(shè)計中冗余容錯技術(shù)的應(yīng)用需關(guān)注多方面因素影響。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的控制系統(tǒng)硬件、DCS 與ESD 組態(tài)設(shè)計、軟件功能模塊等內(nèi)容，則提供了可行性較高的冗余容錯技術(shù)應(yīng)用路徑。為更好服務(wù)于石油化工自控設(shè)計，模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的相關(guān)研究也需要得到重點關(guān)注，冗余容錯相關(guān)的新型理論與方法應(yīng)用也不容忽視。