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

在組態(tài)環(huán)節(jié)提高控制系統(tǒng)可靠性的探討

李幫軍

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

控制系統(tǒng)可靠性受到各種因素影響，用戶在控制系統(tǒng)選擇時(shí)，強(qiáng)調(diào)控制系統(tǒng)軟、硬件的可靠性，在組態(tài)調(diào)試環(huán)節(jié)往往按設(shè)計(jì)意圖實(shí)現(xiàn)功能，忽視了通過組態(tài)提高系統(tǒng)可靠性，造成資源浪費(fèi)，本文從控制系統(tǒng)組態(tài)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)入手，分析以組態(tài)提高系統(tǒng)可靠性的方式方法。

三選二 ； 延時(shí)判斷 ； 故障安全模式 ； 限幅

0 引言

控制系統(tǒng)的主要作用是對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視、控制、管理和決策，隨著控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，集中管理、分散控制的優(yōu)越性日益明顯，人們對控制系統(tǒng)可靠性的要求也越來越高。生產(chǎn)過程中使用的控制系統(tǒng)不僅有DCS系統(tǒng)，還包含ITCC、SIS等控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力，即可使用性；另一方面要求發(fā)生故障后通過維修使系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行的能力，即可維修性。在控制系統(tǒng)中，采用了許多提高可靠性的技術(shù)措施，這些技術(shù)措施是建立在以下四種基本思想上的：①要使系統(tǒng)本身不易發(fā)生故障，即所謂的故障預(yù)防；②在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)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(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能夠讓系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，即所謂的故障容許；④當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可以在不停止系統(tǒng)運(yùn)行的情況下進(jìn)行維修，即所謂的在線維修。

控制系統(tǒng)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(shè)備的可靠性；采用抗干擾措施，提高系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力和冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。軟件主要考慮測試技術(shù)、故障自診斷技術(shù)、自動(dòng)檢錯(cuò)、糾錯(cuò)技術(shù)、系統(tǒng)恢復(fù)技術(shù)方面的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)成本在不斷增加，但在用戶組態(tài)調(diào)試環(huán)節(jié)往往按設(shè)計(jì)意圖實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，忽略了系統(tǒng)可靠性需求，造成資源浪費(fèi)。從多種控制系統(tǒng)以生產(chǎn)為

中心追求可使用性，在生產(chǎn)實(shí)踐過程中組態(tài)不斷優(yōu)化改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，分析以組態(tài)提高系統(tǒng)可靠性的方式方法。

1 三選二邏輯結(jié)構(gòu)組態(tài)

隨著科技進(jìn)步，現(xiàn)場儀表平均無故障時(shí)間大幅提升，由于受到現(xiàn)場環(huán)境、安裝情況、操作人員技術(shù)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(chǎn)裝置停運(yùn)，事故損失巨大?！缎盘枅?bào)警、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定》對于冗余的傳感器，當(dāng)重點(diǎn)考慮系統(tǒng)安全性時(shí)，應(yīng)采用二取一邏輯結(jié)構(gòu)，當(dāng)重點(diǎn)考慮系統(tǒng)可應(yīng)用性時(shí)，應(yīng)采用二取二邏輯結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)安全性和可應(yīng)用性均需保障時(shí)，一般采用三取二邏輯結(jié)構(gòu)。裝置或機(jī)組停車聯(lián)鎖關(guān)鍵儀表設(shè)計(jì)時(shí)從可靠性考慮，需兼顧安全性和可應(yīng)用性，設(shè)計(jì)為3臺儀表檢測，三選二邏輯結(jié)構(gòu)保障安全性和可應(yīng)用性。非關(guān)鍵儀表可引入其它顯示儀表或者增加儀表實(shí)現(xiàn)三取二或二取二邏輯結(jié)構(gòu)。三取二邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三取二邏輯結(jié)構(gòu)組態(tài)

從三選二邏輯可以看出，任意一臺儀表故障，不能觸發(fā)聯(lián)鎖輸出，不會造成裝置或機(jī)組聯(lián)鎖誤停車。故障儀表報(bào)警信息，提示維護(hù)檢修人員及時(shí)處理故障儀表。在三取二邏輯結(jié)構(gòu)組態(tài)時(shí)參與聯(lián)鎖的單臺儀表故障，能保證系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，不會造成聯(lián)鎖誤動(dòng)作，采用了故障容許技術(shù)措施，提高了系統(tǒng)可靠性。機(jī)組油壓聯(lián)鎖、裝置停車聯(lián)鎖全部采用三取二邏輯結(jié)構(gòu)，軸瓦溫度聯(lián)鎖、原設(shè)計(jì)單點(diǎn)聯(lián)鎖等重要聯(lián)鎖采用二取二邏輯結(jié)構(gòu)，基本避免了因儀表故障造成的誤聯(lián)鎖停車。

2 延時(shí)判斷組態(tài)

儀表在工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場使用環(huán)境非常復(fù)雜，被測量的參數(shù)轉(zhuǎn)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(tǒng)。除有用的信號外，經(jīng)常會出現(xiàn)一些與被測信號無關(guān)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(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、振動(dòng)等都可能給測量帶來干擾。在控制監(jiān)控過程中，如果不能有效排除這些干擾，控制系統(tǒng)就不能夠正常的工作。通過分析干擾波形不難發(fā)現(xiàn)，儀表受到外界干擾時(shí)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(shí)間較短，幅值較大。調(diào)整儀表阻尼時(shí)間常數(shù)能緩解檢測器遭受到的干擾，無法避免線路干擾。邏輯運(yùn)算采用延時(shí)判斷功能對信號使用進(jìn)行處理，能有效避免干擾影響。溫度、料位信號變化緩慢，延時(shí)時(shí)間選取3～5 s，壓力和流量信號變化較快，延時(shí)時(shí)間選取1～3 s，對于要求苛刻的指標(biāo)，即使延時(shí)0.5 s對大部分干擾也可以有效克服。延時(shí)判斷功能組態(tài)根據(jù)檢測對象確定合適的延時(shí)時(shí)間，需要對每個(gè)參與邏輯運(yùn)算的參數(shù)進(jìn)行信號處理，程序組態(tài)簡單易行。延時(shí)判斷組態(tài)如圖2所示。

圖2 延時(shí)判斷組態(tài)

延時(shí)判斷功能對于干擾造成信號突變具有屏蔽作用。延時(shí)判斷組態(tài)在出現(xiàn)干擾時(shí)，能有效過濾掉干擾信號，使系統(tǒng)本身不易發(fā)生故障，在信號邏輯運(yùn)算處理以后，DO輸出前全部采用了延時(shí)判斷的功能。由于故障預(yù)防技術(shù)措施實(shí)施，系統(tǒng)可靠性顯著提高。

3 故障安全模式組態(tài)

故障分為控制系統(tǒng)側(cè)故障和現(xiàn)場側(cè)故障?？刂葡到y(tǒng)側(cè)故障為控制系統(tǒng)IO卡件故障。IO通道故障處理模式需組態(tài)設(shè)定。AO和DO卡件在正常工作時(shí)，卡件通過總線接收控制器下發(fā)的數(shù)據(jù)信息并輸出?？l(fā)生通訊故障，與控制器通訊中斷時(shí)，卡件自動(dòng)進(jìn)入故障安全模式，輸出組態(tài)預(yù)先設(shè)定的故障安全值或故障前的正常值，同時(shí)故障報(bào)警。故障恢復(fù)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(zhí)行控制器下發(fā)的數(shù)據(jù)信息，報(bào)警解除。

AI和DI卡件發(fā)生內(nèi)部故障或通道故障時(shí)，卡件上報(bào)診斷信息，有關(guān)故障燈亮，故障恢復(fù)后，故障燈熄滅，同時(shí)上報(bào)故障恢復(fù)信息。在組態(tài)時(shí)，邏輯運(yùn)算引入通道狀態(tài)信息，在數(shù)據(jù)異常時(shí)進(jìn)行特殊處理(例如三輸入求均值，引入三個(gè)輸入通道狀態(tài)，在一個(gè)通道故障時(shí)，自動(dòng)切除該通道值，改為二輸入求均值，避免錯(cuò)誤)。

在IO卡件發(fā)生故障時(shí)，卡件自動(dòng)進(jìn)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(shù)措施提高可靠性。浙江中控ECS-700系統(tǒng)和艾默生DELTAV系統(tǒng)均設(shè)置了故障安全模式。

現(xiàn)場側(cè)故障為回路出現(xiàn)故障。ITCC、SIS等控制系統(tǒng)具有回路檢測功能，系統(tǒng)檢測到出現(xiàn)回路故障時(shí)，根據(jù)事先組態(tài)將輸入輸出強(qiáng)制在安全狀態(tài)。數(shù)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(shí)，把測量輸入值強(qiáng)制在事先組態(tài)的安全狀態(tài)；數(shù)字量輸出模塊一旦檢測出故障，電壓數(shù)字輸出模塊上的每個(gè)點(diǎn)都需要周期性的在ON或OFF狀態(tài)上循環(huán)，以保證100%的故障覆蓋率；模擬量輸入模塊可根據(jù)需要組態(tài)為輸入高限或低限的開路檢測，模塊對各通道電路進(jìn)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(fā)現(xiàn)有故障時(shí)，如果輸入值低于低限，主處理器會收到一個(gè)下限值；如果輸入值設(shè)置高限，主處理器會收到一個(gè)上限值；熱電偶輸入模塊可在窗口上設(shè)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(fā)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(tǒng)和TRCON 1131系統(tǒng)故障均設(shè)置了回路檢測功能。

4 二次確認(rèn)組態(tài)

化工生產(chǎn)關(guān)鍵聯(lián)鎖或參數(shù)給定，必須慎重，組態(tài)要求二次確認(rèn)。采取故障預(yù)防技術(shù)措施，使系統(tǒng)本身不易發(fā)生故障。開關(guān)量操作，配合當(dāng)前值0或1時(shí)的狀態(tài)，文字或者顏色進(jìn)行提示，二次確認(rèn)彈出狀態(tài)改變后的提示信息，二次確認(rèn)后生效。模擬量操作，二次確認(rèn)彈出操作提示信息，二次確認(rèn)后生效。對于特別關(guān)鍵操作，甚至在二次確認(rèn)時(shí)要求輸入密碼才能操作，避免操作不當(dāng)造成事故。聯(lián)鎖設(shè)定值、閥位、啟停設(shè)備組態(tài)了二次確認(rèn)，汽機(jī)DEH調(diào)試設(shè)置了二次確認(rèn)輸入密碼保護(hù)。

5 輸入、輸出限制組態(tài)

化工生產(chǎn)關(guān)鍵部位操作不當(dāng)，輕則造成系統(tǒng)波動(dòng)，重則造成系統(tǒng)失控事故。精細(xì)化不僅要求操作人員按規(guī)程操作，還要求在控制系統(tǒng)組態(tài)時(shí)采用技術(shù)手段防止誤操作。為防止誤操作，對關(guān)鍵操作進(jìn)行限制。對于操作面板，在組態(tài)時(shí)設(shè)定每次操作時(shí)的合理幅度，組態(tài)不同的操作幅度(例如閥門開關(guān)步長由5%改為1%，避免輸出變化過快造成工況大幅度波動(dòng))；輸入設(shè)定值時(shí)變化范圍進(jìn)行限幅，控制在合理范圍內(nèi)，在超過幅值時(shí)，按最大或最小值處理，避免意外發(fā)生。輸入限幅組態(tài)如圖3所示。

圖3 輸入限幅組態(tài)

采用輸入限幅組態(tài)，輸入給定值A(chǔ)M1限制在60～80，即使輸入值大于上限80，控制系統(tǒng)執(zhí)行只按最大值80執(zhí)行，一定程度避免造成事故。輸入、輸出限制組態(tài)在輸入錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)盡可能減少錯(cuò)誤所造成的影響，采用故障保安和故障弱化技術(shù)措施，提高系統(tǒng)可靠性。關(guān)鍵調(diào)節(jié)閥開關(guān)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(shè)定值采用了輸入限幅。

6 停機(jī)狀態(tài)確認(rèn)

機(jī)組油泵、鍋爐給水泵等啟備用泵，經(jīng)常用到一臺設(shè)備停止后聯(lián)鎖其它氣動(dòng)備泵。設(shè)備停止?fàn)顟B(tài)判斷失誤將導(dǎo)致聯(lián)鎖設(shè)備誤動(dòng)作或者不動(dòng)作。在組態(tài)時(shí)采用故障預(yù)防技術(shù)措施，要使系統(tǒng)本身不易發(fā)生故障，為準(zhǔn)確判斷設(shè)備停止，使用設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)開關(guān)量信號和設(shè)備電流模擬量信號<5 A進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，當(dāng)重點(diǎn)考慮系統(tǒng)安全性時(shí)，應(yīng)采用二取一邏輯結(jié)構(gòu)，當(dāng)重點(diǎn)考慮系統(tǒng)可應(yīng)用性時(shí)，應(yīng)采用二取二邏輯結(jié)構(gòu)。

7 首出控制組態(tài)

在過程控制中，利用控制系統(tǒng)運(yùn)算速度快、精確度高的特點(diǎn)，利用枚舉法對生產(chǎn)裝置或機(jī)組設(shè)備停車條件的所有可能情況和非聯(lián)鎖動(dòng)作情況，全部進(jìn)行邏輯判斷，從中鎖定觸發(fā)停車聯(lián)鎖的第一個(gè)條件，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖首出組態(tài)，再配以流程圖展現(xiàn)所有生產(chǎn)操作、運(yùn)行監(jiān)控和維護(hù)檢修信息，自動(dòng)鎖存聯(lián)鎖首出，實(shí)現(xiàn)停車聯(lián)鎖時(shí)故障點(diǎn)準(zhǔn)確定位。快速判斷故障點(diǎn)，迅速解決問題，縮短分析判斷時(shí)間，進(jìn)而減小平均維修時(shí)間MTTR，提高設(shè)備利用率。首出控制組態(tài)提高系統(tǒng)可維修性，在發(fā)生故障后通過縮短維修時(shí)間使系統(tǒng)盡快恢復(fù)，提高了系統(tǒng)可靠性。機(jī)組、鍋爐和氣化爐全部組態(tài)了聯(lián)鎖首出，不僅準(zhǔn)確定位了動(dòng)作原因，還顯著縮短了故障查找時(shí)間。

8 人性化組態(tài)

儀表是工藝的眼睛。工藝操作以控制系統(tǒng)為媒介，借助于流程畫面，聲光報(bào)警進(jìn)行生產(chǎn)操作，需要人性化組態(tài)，準(zhǔn)確指導(dǎo)工藝生產(chǎn)?？刂葡到y(tǒng)“機(jī)器”的顯示設(shè)計(jì)應(yīng)符合人的生理、心理特點(diǎn)，以減少人的失誤。顯示器設(shè)計(jì)的基本原則是視覺顯示信號應(yīng)易于感知，它必須滿足能見性、清晰性和可懂性。

設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)熱電行業(yè)習(xí)慣紅色運(yùn)行，綠色停止；化工行業(yè)習(xí)慣綠色運(yùn)行，紅色停止。操作工調(diào)崗后容易導(dǎo)致習(xí)慣性誤判斷，設(shè)備狀態(tài)在顏色顯示時(shí)最好配以文字“運(yùn)行狀態(tài)”、“停止?fàn)顟B(tài)”提示。

文字提示要全面，例如狀態(tài)、命令提示，操作按鈕“開”、“關(guān)”顯示為“開狀態(tài)”、“關(guān)狀態(tài)”或者“開命令”、“關(guān)命令”，聯(lián)鎖投切，提示為“聯(lián)鎖投入狀態(tài)”、“聯(lián)鎖切除狀態(tài)”或者“聯(lián)鎖投入命令”、“聯(lián)鎖切除命令”。

關(guān)鍵工藝指標(biāo)控制，除系統(tǒng)自帶報(bào)警外，程序組態(tài)邏輯控制，達(dá)到報(bào)警值時(shí)DO輸出到外置聲光報(bào)警器，用強(qiáng)烈的聲光報(bào)警信號提示工藝生產(chǎn)調(diào)整。關(guān)鍵參數(shù)重點(diǎn)提示，例如鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)，在PID退出自動(dòng)后，除正常聲光報(bào)警外，彈出“給水手動(dòng)！”紅色閃爍提示工藝調(diào)整。操作指導(dǎo)組態(tài)。容易出現(xiàn)錯(cuò)誤或生僻的操作，組態(tài)預(yù)先制定操作指導(dǎo)內(nèi)容，分步驟明確操作內(nèi)容和操作要點(diǎn)，直至完成操作。

9 結(jié)束語

控制系統(tǒng)可靠性無論是可使用性還是可維護(hù)性提高，在組態(tài)方面采用三選二邏輯結(jié)構(gòu)組態(tài)、延時(shí)判斷組態(tài)、輸入、輸出限制組態(tài)、二次確認(rèn)組態(tài)、故障安全模式組態(tài)、停機(jī)狀態(tài)確認(rèn)、首出控制組態(tài)等方式方法，需要相互配合，在一個(gè)程序中可能同時(shí)使用多種方式，有機(jī)組合以達(dá)到提高系統(tǒng)可靠性的目的。

TQ056.22

B

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(chǎn)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(yè)自動(dòng)化儀表維護(hù)檢修、技術(shù)與管理工作，電話：13603815219，E-mail：LBJ203203@163.com。