孫繼武

(西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

1 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目系越南某氧化鋁廠煤氣發(fā)生站建設(shè)項(xiàng)目。項(xiàng)目廠址位于越南南方中部的西原地區(qū)，當(dāng)?shù)氐靥幐咴I(yè)基礎(chǔ)較差，項(xiàng)目全部采用中國(guó)的技術(shù)和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建設(shè)。作為其中的一個(gè)子項(xiàng)目——就是充分利用當(dāng)?shù)孛禾抠Y源，建設(shè)一個(gè)由12座煤氣發(fā)生爐組成的煤氣發(fā)生站，供應(yīng)該廠氧化鋁焙燒所需要的煤氣燃料。

整個(gè)煤氣站設(shè)計(jì)包括12臺(tái)國(guó)產(chǎn)單段式煤氣發(fā)生爐，以及配套的加煤、循環(huán)水、煤氣處理、輸送管道、出灰、鼓風(fēng)、輸煤、除塵、洗滌、增壓送氣等系統(tǒng)。該站的控制系統(tǒng)采用以工業(yè)控制機(jī)+西門子PLC可編程控制器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，全面實(shí)現(xiàn)了煤氣站主要系統(tǒng)生產(chǎn)流程的自動(dòng)控制功能。

2 控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

煤氣是一種有毒易爆的氣體，煤氣發(fā)生站的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于確保安全生產(chǎn)意義重大。在生產(chǎn)過程中，通過控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝流程的要求，根據(jù)設(shè)計(jì)的控制參數(shù)及時(shí)報(bào)警，應(yīng)對(duì)意外突發(fā)事故，及時(shí)替代人工應(yīng)急處理，將發(fā)生安全生產(chǎn)隱患的危險(xiǎn)降到最低。因此，本項(xiàng)目控制系統(tǒng)高可靠和高可用性，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的指標(biāo)之一，對(duì)煤氣站實(shí)現(xiàn)安全地、穩(wěn)定地、高效率地供氣，具有重要的意義。

2.1 基本概念

(1)可靠度R(t)。系統(tǒng)連續(xù)工作到t時(shí)刻的概率稱為可靠度，一般按負(fù)指數(shù)規(guī)律分布：

R(t)=e-λt

(1)

上式中的λ，稱為失效率或故障率。即系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)失效或是故障的次數(shù)。

(2)平均故障間隔時(shí)間MTBF。故障率的倒數(shù)，用來表示系統(tǒng)的可靠性。

MTBF=1/λ

(2)

(3)平均維修時(shí)間MTTR,每次系統(tǒng)出現(xiàn)故障后的平均維修時(shí)間。

(4)系統(tǒng)的可用性V:

(3)

因此，提高系統(tǒng)可用性的方法就是增加系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間或減小平均維修時(shí)間。

2.2 系統(tǒng)可靠度的計(jì)算

PLC電氣控制系統(tǒng)是由若干獨(dú)立部件串聯(lián)構(gòu)成時(shí)，任意一個(gè)部件的失效都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效。能夠造成整個(gè)控制系統(tǒng)失效的主要環(huán)節(jié)包括：PLC的供電電源A、CPU控制處理單元B、輸入輸出接口單元C、遠(yuǎn)程I/O接口D、通訊線纜E，如圖1所示。這時(shí)其可靠度為：

R(t)=RA(t)·RB(t)·RC(t)·RD(t)·RE(t)=e-λt

(4)

式中失效率:λ=λA+λB+λC+λD+λE,顯然系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間MTBF指標(biāo)大大降低。

圖1 串聯(lián)結(jié)構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)

如果上述系統(tǒng)的CPU單元B采取都處于工作狀態(tài)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即一臺(tái)進(jìn)行輸入/輸出處理，另一臺(tái)處于熱備狀態(tài)時(shí)，如圖2所示。則CPU單元有[1]：

圖2 CPU單元采取熱備冗余方式的PLC控制系統(tǒng)

(5)

此時(shí)CPU單元的B平均故障間隔時(shí)間MTBF[1]：

MTBF=3/2λB

(6)

顯然，此時(shí)系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間MTBF指標(biāo)得到了提升。

2.3 PLC電氣控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)原則

根據(jù)以上的分析，為了實(shí)現(xiàn)煤氣站PLC電氣控制系統(tǒng)的高可靠性，需要結(jié)合整個(gè)控制系統(tǒng)的工作流程，并在分析現(xiàn)場(chǎng)條件的前提下，采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施，保證系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的有效性。

在綜合以往工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合用戶的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，并分析了控制系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)可能失效的后果和危害后，確定在整個(gè)控制系統(tǒng)：CPU控制處理單元，控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的供電單元3個(gè)主要環(huán)節(jié)采取冗余設(shè)計(jì)等一系列可靠性措施,來達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

3 PLC電氣控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 CPU控制處理單元采用熱備冗余設(shè)計(jì)

為此，選擇了支持冗余設(shè)計(jì)的西門子S7-400H PLC系統(tǒng)作為本項(xiàng)目的PLC主控系統(tǒng)[2]。

圖3 雙CPU熱備冗余方式配置的400H PLC的可靠性指標(biāo)

S7-400H PLC控制系統(tǒng)系統(tǒng)的突出優(yōu)勢(shì)就是整體支持冗余設(shè)計(jì)，從而提高了系統(tǒng)的控制可靠性[3]。其CPU處理單元，支持熱備冗余方式，避免了因單個(gè)CPU故障而導(dǎo)致的系統(tǒng)癱瘓；在系統(tǒng)發(fā)生CPU故障時(shí)，失能CPU到正常CPU迅速實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換，不會(huì)丟失任何控制信息，從而確保了控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如圖3所示。

3.2 PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性配置

可靠地網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是一個(gè)分布式結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可靠工作的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。一個(gè)可靠的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)管理層、控制層、現(xiàn)場(chǎng)層信息通暢、可靠交流的關(guān)鍵。整個(gè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)由：以太網(wǎng)、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)(FDDI光纖環(huán)網(wǎng))和PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(光纖傳輸)三級(jí)組成。如圖4所示。

圖4 PLC控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

(1)控制層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，作為上聯(lián)管理層，下聯(lián)現(xiàn)場(chǎng)層的中間級(jí)網(wǎng)絡(luò)，冗余可靠性設(shè)計(jì)是本控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的核心。

圖5 西門子X308-2工業(yè)交換機(jī)組成雙光纖環(huán)網(wǎng)圖示

本設(shè)計(jì)選用2臺(tái)西門子可網(wǎng)管的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)X308-2，配置冗余電源并各配置1塊集成2個(gè)ST型百兆光纖接口的MM991-2模塊，組成雙光纖環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)控制層網(wǎng)絡(luò)的冗余設(shè)計(jì)，構(gòu)成整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的核心，如圖4所示。

在系統(tǒng)的控制層，至少設(shè)置1臺(tái)工程師工作站ES，選擇支持PCI EXPRESS X1插槽的工業(yè)級(jí)PC工作站，并配置西門子SIMATIC工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)卡CP1623，西門子S7 REDCONNECT軟件及授權(quán)[4]，以便S7-400H、工程師站、服務(wù)器之間的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)三者之間彼此通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

(2)管理層的設(shè)備采用冗余配置設(shè)計(jì)。管理層設(shè)備包括：至少2臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器A、B，2臺(tái)客戶機(jī)C1，C2。其中，服務(wù)器A、B和客戶機(jī)C1，C2分別通過SIMATIC工業(yè)級(jí)網(wǎng)卡CP1623和普通網(wǎng)卡分別連接至X308-2交換機(jī)，通過以太網(wǎng)以雙鏈路連接到控制層的X308-2交換機(jī)上，以確保管理層對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施監(jiān)控的可靠性。同時(shí)，兩臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器通過RS232串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，以避免因單臺(tái)服務(wù)器故障引發(fā)的記錄和歸檔數(shù)據(jù)的丟失。

(3)現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)采用冗余的雙通道上聯(lián)，并使用可靠性高，不受現(xiàn)場(chǎng)電磁信號(hào)干擾的光纜作為傳輸介質(zhì)。煤氣站內(nèi)的所有設(shè)備由3個(gè)ET200M現(xiàn)場(chǎng)站，通過雙通道Profibus-DP接入S7 400H冗余DP控制主站。所有這些PLC控制器，均需要配置Y-Link做為網(wǎng)關(guān)，同樣通過冗余的Profibus-DP通道，接入S7 400H冗余DP控制主站。

根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際規(guī)模，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境電磁干擾較為復(fù)雜，如果系統(tǒng)安裝不當(dāng)，強(qiáng)烈的電磁干擾輕者造成PLC控制器內(nèi)部的數(shù)據(jù)丟失或是誤動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失控。因此，在現(xiàn)場(chǎng)層的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)上一定要避免使用屏蔽電纜。雖然屏蔽電纜在做好接地處理的前提下，一樣能夠有效地避免現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾，但是控制系統(tǒng)的接地在日后可能會(huì)因維護(hù)不到位，而發(fā)生接地阻值的變化，此時(shí)就會(huì)給控制系統(tǒng)引入電磁干擾，存在著引發(fā)系統(tǒng)故障的隱患。

3.3 控制系統(tǒng)供電單元的可靠性設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響到控制系統(tǒng)的可靠性，而項(xiàng)目實(shí)施所處越南當(dāng)?shù)氐墓I(yè)基礎(chǔ)較差，因此，在考慮供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，不能僅僅滿足于主控PLC系統(tǒng)采用雙電源，而必須考慮以下情況發(fā)生時(shí)，可能帶來的控制系統(tǒng)：

◆整個(gè)PLC控制系統(tǒng)外接電源工作的可靠性；

◆在出現(xiàn)斷電或是因配電系統(tǒng)維修而可能帶來的系統(tǒng)意外斷電的風(fēng)險(xiǎn)；

◆配電電源出現(xiàn)電壓波動(dòng)或高次諧波干擾時(shí)，控制系統(tǒng)存在的掉電和控制失效風(fēng)險(xiǎn)；

◆為此，在工程的設(shè)計(jì)與實(shí)施時(shí)，采取了以下三個(gè)可靠性保證措施：

(1)對(duì)于整個(gè)PLC電氣控制系統(tǒng)的配電按照一級(jí)負(fù)荷的最高標(biāo)準(zhǔn)，采取了雙電源+應(yīng)急備用電源的配電形式[5]，如圖6所示。

雙電源由當(dāng)?shù)氐膬蓚€(gè)變電所各提供一路滿足負(fù)荷要求(15KVA)的配電，采用轉(zhuǎn)換時(shí)間0.5S的PC級(jí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，以保證在某路供電失效時(shí)，系統(tǒng)能夠能夠及時(shí)得到另一路供電的支持。同時(shí),配置了在線式UPS電源，這樣不僅能夠利用UPSD的特點(diǎn)，充分抑制供電電源帶來的各類諧波干擾，保證控制系統(tǒng)的供電質(zhì)量，而且能夠支持系統(tǒng)在外部電源全部失效時(shí)，維持控制系統(tǒng)1個(gè)小時(shí)的正常工作，這樣能夠充分保證控制系統(tǒng)按照規(guī)定的程序安全關(guān)停煤氣站的全部生產(chǎn)進(jìn)程。

(2)為了監(jiān)控供電系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)配置了供電電源質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)外接的2路電源回路，煤氣站設(shè)備直接配電回路，煤氣站PLC控制系統(tǒng)配電進(jìn)線回路進(jìn)行供電質(zhì)量的監(jiān)控。

圖6 PLC電氣控制系統(tǒng)配電可靠性設(shè)計(jì)

(3)考慮到當(dāng)?shù)氐墓╇娰|(zhì)量較差，配電高次諧波值偏大，加之地處雷電多發(fā)區(qū)，因此在UPS電源進(jìn)電的前端加裝了隔離變壓器和防雷保護(hù)裝置，以便抑制從外接配電線路可能引入的雷電過電壓，抑制諧波和高頻共模干擾。

4 項(xiàng)目實(shí)施的效果

采取了以上的可靠性設(shè)計(jì)措施后，整個(gè)煤氣發(fā)生站PLC電氣控制系統(tǒng)已經(jīng)隨著建設(shè)項(xiàng)目的投產(chǎn)運(yùn)行投入了正式使用運(yùn)行，目前尚沒有發(fā)生一起因控制系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的安全或是生產(chǎn)事故，證明了本項(xiàng)目PLC電氣控制系統(tǒng)采取的可靠性措施的有效性。

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