上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司 郁曉波

冗余技術(shù)在鍋爐房自控系統(tǒng)中的應(yīng)用

上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司 郁曉波

冗余技術(shù)是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來提高系統(tǒng)可靠性的一種手段，常應(yīng)用于對可靠性要求較高的自動(dòng)化領(lǐng)域。文章從電源、控制器、控制網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器及上位軟件等方面詳細(xì)描述了冗余技術(shù)在鍋爐房自控系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過冗余實(shí)現(xiàn)了鍋爐房自控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，為提供安全可靠能源作出了有力保證。

冗余技術(shù) 控制器 控制網(wǎng)絡(luò)

冗余技術(shù)又稱儲(chǔ)備技術(shù)，它是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來提高系統(tǒng)可靠性的一種手段，它通過重復(fù)配置系統(tǒng)的一些部件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，冗余配置的部件介入并承擔(dān)故障部件的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時(shí)間，在自動(dòng)化的許多領(lǐng)域，由于對系統(tǒng)可靠性的高要求，因而對自動(dòng)化系統(tǒng)的容錯(cuò)水平的要求也變得越來越高，尤其在設(shè)備停機(jī)代價(jià)非常大的場合。為了滿足這些嚴(yán)格的要求，在系統(tǒng)中通常采用冗余技術(shù)，這樣才能夠滿足這些領(lǐng)域所需要的安全性、可靠性和有效性的標(biāo)準(zhǔn)。

我廠鍋爐房需提供全廠生產(chǎn)、生活用蒸汽，現(xiàn)使用2臺(tái)20 t和1臺(tái)30 t燃?xì)忮仩t，燃燒介質(zhì)是天然氣，產(chǎn)生壓力約為 1.15 MPa的蒸汽，供工廠生產(chǎn)使用，同時(shí)通過壓力調(diào)節(jié)裝置將壓力降低至0.52 MPa，供工廠生產(chǎn)、生活使用。其控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行不僅直接影響蒸汽的及時(shí)供應(yīng)，影響生產(chǎn)，有時(shí)甚至?xí)鸢踩鹿?，因此控制系統(tǒng)就將安全可靠性作為設(shè)計(jì)的第一要素，其自然而然引入了冗余控制技術(shù)。其控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，下面就分四個(gè)方面介紹冗余控制技術(shù)在鍋爐房控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

圖1 鍋爐房自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1 控制系統(tǒng)電源冗余

在控制系統(tǒng)中電源的重要性顯而易見，再可靠的系統(tǒng)沒有電的話等于零，在本系統(tǒng)中采用雙電源自切UPS供電的模式。雙電源自切是指由兩路電源供電，任何一路斷電時(shí)自動(dòng)切換到另外一路電源繼續(xù)供電，但在切換時(shí)有瞬時(shí)的掉電，因此在中間加UPS，既作為斷電保護(hù)，又可以對電源凈化。

在本系統(tǒng)中選用APC 15 kVA、0.5 h后備的UPS。

2 控制器冗余

2.1 控制器電源冗余

在高端控制器產(chǎn)品中普遍采用雙電源系統(tǒng)，這兩個(gè)電源是負(fù)載均衡的，即在系統(tǒng)工作時(shí)它們都為系統(tǒng)提供電力，當(dāng)一個(gè)電源出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)電源就承擔(dān)所有的負(fù)載。

在本系統(tǒng)中采用2塊PS 407 10A R電源模塊。

2.2 CPU冗余

分布式處理單元的冗余根據(jù)冗余度可以分為冗余度為1:1和1:n兩種情況，這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。本系統(tǒng)冗余度為1:1的冗余設(shè)置，即將2塊組態(tài)完全一樣的控制器設(shè)置成冗余方式。在投入運(yùn)行時(shí)，若出現(xiàn)故障，兩 CPU單元之間能實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

本系統(tǒng)所采用的CPU單元為S7 CPU414-4H，均帶3個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，其中2個(gè)網(wǎng)口分別連接到A網(wǎng)和B網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各工作站點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信，第3個(gè)網(wǎng)口通過對等網(wǎng)數(shù)據(jù)連接子 CPU單元間，用來傳輸主、從CPU單元之間的備份數(shù)據(jù)；CPU單元之間的狀態(tài)信息由串口傳輸。

冗余CPU單元的工作原理：兩個(gè)CPU單元硬件配置完全相同，內(nèi)部裝有相同的操作系統(tǒng)，相同的組態(tài)軟件，相同的組態(tài)信息。在同一時(shí)刻只有 1個(gè) CPU單元通過雙機(jī)交換卡接受過程信息并進(jìn)行運(yùn)算處理，最后產(chǎn)生控制結(jié)構(gòu)去控制過程設(shè)備，此CPU單元稱為主CPU單元。同時(shí)冗余CPU單元并沒有閑置，它在每一個(gè)工作周期都通過雙機(jī)之間的光纖對主 CPU單元所接受的過程信息和運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)拷貝，這樣冗余CPU單元始終與主CPU單元同步。冗余 CPU單元同時(shí)檢測拷貝的信息是否完整，是否在所允許的容錯(cuò)度內(nèi)。一旦信息不完整或報(bào)錯(cuò)，則說明主 CPU單元工作不正常。在這種情況下，冗余CPU單元通過光纖將主CPU單元旁路，同時(shí)切換為主 CPU單元繼續(xù)工作。切換時(shí)間選用最短的運(yùn)算周期(幾十ms或更短)，從而實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換，等到主 CPU單元恢復(fù)正常后，冗余CPU單元自動(dòng)把控制權(quán)交還給主CPU單元，轉(zhuǎn)為冗余備份狀態(tài)。

2.3 輸入輸出冗余

輸入輸出冗余是指在重要控制回路中，從現(xiàn)場傳感器到I/O到輸出調(diào)節(jié)的冗余控制。根據(jù)控制要求，我們將除氧壓力、除氧液位和低壓蒸汽壓力的控制回路做冗余輸入輸出。下面例舉低壓蒸汽壓力控制回路來描述?，F(xiàn)場分別用壓力傳感器A和B將壓力信號(hào)通過2塊AI反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過計(jì)算后將輸出控制值通過2塊AO輸出至調(diào)節(jié)閥A和B，在控制策略上可以設(shè)置主控回路優(yōu)先控制，當(dāng)主控達(dá)不到控制要求時(shí)，備控投入運(yùn)行。如將A回路作為主控時(shí)，根據(jù)設(shè)定壓力0.55 MPa進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，當(dāng)壓力低于0.50 MPa時(shí)B調(diào)節(jié)回路投入運(yùn)行，直至壓力高于0.58 MPaB回路退出運(yùn)行，這樣就保證了任何一個(gè)控制回路中的元件損壞，都不會(huì)影響控制調(diào)節(jié)，從而保證了壓力的穩(wěn)定。

3 控制網(wǎng)絡(luò)冗余

如圖1所示，在本控制系統(tǒng)中存在2個(gè)網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)是管理層和控制層之間的通信網(wǎng)絡(luò)，另一個(gè)是過程控制層與底層I/O卡件層之間的通信網(wǎng)絡(luò)。上層網(wǎng)絡(luò)主要的作用是實(shí)現(xiàn)管理層對控制層實(shí)時(shí)檢測，和對下層控制器的配置設(shè)置等任務(wù)。下層網(wǎng)絡(luò)是為了把I/O卡件采集的數(shù)據(jù)傳送到過程控制層，然后把控制層的控制數(shù)據(jù)傳送給I/O卡件。這2個(gè)網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)中的重要性是不言而喻的。

針對上層網(wǎng)絡(luò)模塊的冗余，采用支持鏈路冗余功能的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)SCALANCE 212-2，它們解決了由節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓的問題，提高數(shù)據(jù)通信的整體可靠性和容錯(cuò)性，為了保證2層網(wǎng)絡(luò)的順利工作，2個(gè)網(wǎng)絡(luò)都采用1:1的冗余設(shè)置。CPU單元檢測到主網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)放棄從主網(wǎng)的端口通信，同時(shí)啟用冗余網(wǎng)的端口，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)由冗余網(wǎng)發(fā)送和接受。此時(shí)冗余網(wǎng)進(jìn)入數(shù)據(jù)通信狀態(tài)，主網(wǎng)及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)。雙環(huán)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳輸媒介的冗余，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

4 服務(wù)器及上位軟件冗余

服務(wù)器冗余是指重復(fù)配置系統(tǒng)的一些部件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),冗余配置的部件介入并承擔(dān)故障部件的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時(shí)間，在服務(wù)器里，冗余系統(tǒng)配件主要有電源、存儲(chǔ)子系統(tǒng)、磁盤鏡像、磁盤雙聯(lián)、RAID、I/O卡、PCI總線和風(fēng)扇冗余等，其中存儲(chǔ)子系統(tǒng)是整個(gè)服務(wù)器系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的部位，本系統(tǒng)采用兩臺(tái)DELL T3500計(jì)算機(jī)作為冗余服務(wù)器，通過RAID即冗余磁盤陣列(Redundant Array of Inexpensive Disks)的方法實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的冗余。通過一個(gè)控制器協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)機(jī)制使單個(gè)數(shù)據(jù)流依次寫入這幾個(gè)磁盤中，本系統(tǒng)采用RAID1系統(tǒng)，它由2個(gè)磁盤構(gòu)成，互為熱備，任何一個(gè)出現(xiàn)故障都不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

上位軟件本系統(tǒng)配備的是GE公司iFIX軟件，iFIX Profsnl SCADA Unlimited Server作冗余服務(wù)。iFIX冗余系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)的？首先在兩臺(tái)服務(wù)器上分別安裝SCADA_A和SCADA_B軟件，包括iFIX HMI Pak和iFIX Redundancy選項(xiàng)，所有計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)連接，SCADA_A和SCADA_B上的過程數(shù)據(jù)庫的定義是完全一樣的，兩臺(tái)機(jī)器上的IO通訊同時(shí)進(jìn)行，在 SCU(iFIX 配置菜單)中SCADA_A配置成主機(jī)，SCADA_B配置成備用機(jī)。在選取數(shù)據(jù)源時(shí)，只會(huì)看到一個(gè)遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)名，服務(wù)器設(shè)置SCADA_A的Partner是SCADA_B，SCADA_B的Partner是SCADA_A。正常情況下，兩臺(tái)SCADA同時(shí)讀取硬件數(shù)據(jù)，但是客戶端只從主服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)，即客戶端只能看到SCADA_A來的數(shù)據(jù)，報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)采集，SCADA_B不斷通過以太網(wǎng)檢查SCADA_A的狀況，如發(fā)現(xiàn)她出了故障，便將主備角色進(jìn)行切換并將其成為主服務(wù)器的消息發(fā)給客戶機(jī)，客戶機(jī)立即會(huì)將數(shù)據(jù)源切換到備用服務(wù)器，整個(gè)過程時(shí)間約為1~2 s，由于數(shù)據(jù)采集在兩臺(tái)服務(wù)器上同時(shí)進(jìn)行的，故不會(huì)發(fā)生丟失，并且iFIX冗余選項(xiàng)可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)報(bào)警同步，保證報(bào)警的一致性。當(dāng)主機(jī)修復(fù)后又回到網(wǎng)絡(luò)中時(shí)。

在鍋爐房自動(dòng)控制系統(tǒng)中，通過對電源、控制器、控制網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器及上位軟件的冗余設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)了安全可靠性作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選要素的理念，系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中也體現(xiàn)了這一理念，投入運(yùn)行至今未發(fā)生因控制系統(tǒng)故障引起的事故。

Application of the Redundancy Technology in the Automatic Control System of Boiler House

Shanghai Tobacco Group Co., Ltd. Yu Xiaobo

The redundancy technology is a method to use the parallel structure model to improve the system reliability, which is applied in the area where the system has a higher reliability requirement. The paper specifies the application of redundancy technology in the automatic control system of boiler house from different perspectives, and by this technology the reliable operation can be achieved, which provides the guarantee for the energy safety.

redundancy technology, controller, control network