桂宏飛，孫虎(中海石油(中國)有限公司渤中作業(yè)公司，天津 300450)

0 引言

石油化工領(lǐng)域發(fā)展中，為了提升生產(chǎn)安全性與可靠性，需要應(yīng)用過程控制系統(tǒng)，不僅要滿足基礎(chǔ)控制功能，還需要滿足以下要求：第一，工藝系統(tǒng)存在異常問題時，應(yīng)當(dāng)確保其在許可極限狀態(tài)下，安全穩(wěn)定運(yùn)行。消除隱患后，可以恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)；第二，確?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行期間，一旦發(fā)生故障問題，不會引發(fā)裝置停車事故、控制系統(tǒng)失靈事故，保證生產(chǎn)裝置運(yùn)行安全性；第三，控制系統(tǒng)存在工藝異常、設(shè)備發(fā)生故障、容錯功能控制不佳時，必須確保聯(lián)鎖停車程序的安全執(zhí)行，維護(hù)裝置與人員安全[1]。為了滿足以上方法要求，必須深入研究和應(yīng)用過程控制冗余容錯技術(shù)。冗余控制系統(tǒng)，屬于無擾動切換、熱備份應(yīng)用系統(tǒng)。

1 容錯概述

容錯式系統(tǒng)運(yùn)行中多個部位發(fā)生故障問題時，系統(tǒng)所采取的應(yīng)對措施，確保功能效果。在可接受性能指標(biāo)變化下，可以加強(qiáng)穩(wěn)定能力。容錯控制屬于邊緣交叉學(xué)科，在石油化工領(lǐng)域中，容錯主要是系統(tǒng)某儀表控制裝置發(fā)生故障，例如氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動機(jī)構(gòu)位置，檢測儀表等。系統(tǒng)通過正常測點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)算法，能夠有效規(guī)避風(fēng)險，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與正常性。與故障處理方式相比，容錯主要包括硬件容錯和軟件容錯。容錯控制技術(shù)，科學(xué)診斷故障問題。解決故障問題之后，可以重構(gòu)控制系統(tǒng)，提升控制系統(tǒng)魯棒性[2]。注重檢測現(xiàn)場故障，診斷故障類型與位置。在容錯控制中，故障控制與處理策略屬于基礎(chǔ)核心。容錯控制，要求控制系統(tǒng)，按照故障實(shí)況，提出故障處理方式。

2 石油化工自控設(shè)計(jì)中的軟件、硬件冗余容錯

2.1 控制系統(tǒng)硬件

在石油化工自控領(lǐng)域，合理應(yīng)用集散控制系統(tǒng)，可以控制生產(chǎn)過程操作、連續(xù)量測與管理。為了確?，F(xiàn)場控制設(shè)備、集散控制系統(tǒng)交互性，需要發(fā)揮出現(xiàn)場控制站的作用。所以，控制系統(tǒng)配置冗余裝置，必須圍繞網(wǎng)絡(luò)通訊單元、主控單元、電源單元開展，如：主控單元，冗余配置切換電路、故障自檢電路。同時做好熱備份，接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，開展控制運(yùn)算，實(shí)時更新數(shù)據(jù)信息。在運(yùn)行期間，當(dāng)發(fā)生故障問題時，主控單元備份單元進(jìn)入工作狀態(tài)，此時可以實(shí)現(xiàn)無擾動切換。在企業(yè)生產(chǎn)自動化系統(tǒng)中，緊急停車系統(tǒng)能夠監(jiān)視生產(chǎn)裝置整體運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生重大安全事故時，可以啟動緊急停車聯(lián)鎖系統(tǒng)，保障生產(chǎn)裝置與人員安全。應(yīng)用先進(jìn)容錯控制器，具備三重模塊冗余結(jié)構(gòu)，可以在系統(tǒng)內(nèi)集成診斷、輸入控制系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)過程控制，避免單點(diǎn)故障影響整個系統(tǒng)運(yùn)行[3]。利用輸入模塊，能夠?qū)⒋鲃澐譃槿?，?lián)合對應(yīng)三個通道。利用主處理器表決數(shù)據(jù)，必須遵循多數(shù)原則，糾正數(shù)據(jù)輸入偏差。主處理器輸出至輸入模塊時，通過方形表決器，可以表決數(shù)字信號輸出，反饋電路位于表決電路內(nèi)，采用校驗(yàn)方式診斷潛在故障，同時對輸出選擇器進(jìn)行模擬，科學(xué)選擇模擬信號。針對安全儀表功能，必須分離邏輯運(yùn)算器、過程控制系統(tǒng)。

2.2 集散控制系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)

完成工藝過程中，可以按照實(shí)際需求劃分組別，在硬件組態(tài)控制中，應(yīng)當(dāng)充分考慮到各組獨(dú)立性，同時在輸入輸出部件，和各組信號連接在一起，相應(yīng)組件僅僅會受到相關(guān)部件影響，不會影響到其他組別。將信號組在一起，能夠分散負(fù)荷。分散控制系統(tǒng)裝置，主要為單回路、多回路控制器。控制回路在輸入輸出部件上，接入輸入輸出信號，相應(yīng)減少通信吞吐量。分散裝置通過數(shù)據(jù)庫共享，對設(shè)計(jì)、組態(tài)的優(yōu)勢與不足進(jìn)行權(quán)衡。同時做好科學(xué)化配置，以免影響回路運(yùn)行，引發(fā)回路信息盲區(qū)，全面加強(qiáng)容錯能力[4]。當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備多臺運(yùn)行時，必須對不同設(shè)備的檢測信號予以關(guān)注，例如：溫度、壓力、流量等。同時做好優(yōu)化設(shè)計(jì)。將設(shè)備、同類輸入信號作為單元，將不同檢測信號組合在一起。通過不同檢測信號，組成同一個單元。同時利用不同類別信號，與輸入部件連接起來，以此降低輸入部件故障影響。對于設(shè)備其他工藝參數(shù)，應(yīng)當(dāng)滿足故障操作需求。然而此種設(shè)計(jì)的接線量、維護(hù)難度較大，必須高度重視該類不足。

2.3 軟件功能模塊設(shè)計(jì)

為了確保軟件容錯，集散控制系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)運(yùn)行中，必須充分應(yīng)用軟件功能模塊，全面加強(qiáng)控制回路、檢測回路容錯能力。針對主要聯(lián)鎖回路，需要按照安全度等級，合理設(shè)置傳感器，設(shè)置數(shù)量一般為2～3個。按照三取二表決方式，合理編制程序。針對聯(lián)鎖回路，按照系統(tǒng)計(jì)時器功能塊，設(shè)置延時繼電器，高度重視被保護(hù)對象要求與特點(diǎn)。通過此種方式，也可以屏蔽電壓波動、電磁干擾所致瞬間錯誤信號。針對集散控制系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)聯(lián)合邏輯開關(guān)控制、比例-積分-微分控制器，當(dāng)某個控制大于極限控制偏差，可以自動啟動開關(guān)控制，使偏差減小。針對極限范圍內(nèi)的偏差，可以將集散控制系統(tǒng)，逐漸轉(zhuǎn)化為比例-積分-微分控制器。利用集散控制系統(tǒng)的順控功能、異常開關(guān)控制功能，可以將異常狀態(tài)儀表、故障狀態(tài)儀表，應(yīng)用對應(yīng)的控制措施予以處理[5]。盡管會降低控制水平，卻不會影響系統(tǒng)完整性，可以滿足應(yīng)用需求。例如鍋爐液位控制，正常狀態(tài)下，需要采用三沖量控制法。當(dāng)蒸汽溫度、汽包液位、蒸汽流量、上水流量產(chǎn)生問題，可以切換三沖量控制模式，轉(zhuǎn)變?yōu)閱螞_量控制，由此降低控制系統(tǒng)失控影響。

3 設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的冗余容錯關(guān)注事項(xiàng)

在應(yīng)用冗余容錯技術(shù)時，當(dāng)模擬量信號不可靠時，會導(dǎo)致保護(hù)誤動作。比如在石油化工輔助保護(hù)邏輯中，軸承溫度信號應(yīng)用比較多。測量信號大于定值時，會引發(fā)保護(hù)動作。溫度測量回路中，熱電阻極易產(chǎn)生接觸不良故障，致使保護(hù)動作誤動作。在優(yōu)化邏輯時，通過特定容錯控制技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)容錯邏輯。當(dāng)測量回路正常時，軸承溫度高于保護(hù)值時，會導(dǎo)致保護(hù)動作觸發(fā)。在熱電阻測量回路中，當(dāng)產(chǎn)生接觸不良問題時，溫度信號跳變。測量值品質(zhì)損壞時，RS觸發(fā)器輸出“1”，軸承溫度保護(hù)自動退出，聲光報警處理。消除故障問題后，溫度值小于保護(hù)值，利用手動復(fù)位法，重新投入保護(hù)。

因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間，應(yīng)當(dāng)關(guān)注以下冗余容錯設(shè)置：第一，輸入輸出卡，應(yīng)當(dāng)配合電磁、光電隔離。通道之間隔離，應(yīng)當(dāng)減少電磁對輸入信號、輸出信號的影響，同時減少容錯處理。第二，電磁閥冗余配置時，涉及到兩種連接方式，具備良好的并聯(lián)連接效果，串聯(lián)安全度高。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，選擇適宜方式。第三，聯(lián)鎖動作后，確保聯(lián)鎖條件恢復(fù)至正常狀態(tài)。采用手動復(fù)位操作后，才可以恢復(fù)到正常位置，防止設(shè)備自啟動所致不良影響。第四，儀表供電選用并聯(lián)法，針對重要儀表，應(yīng)當(dāng)設(shè)置獨(dú)立開關(guān)。斷線、人為失誤，對儀表影響較小，不會影響所有儀表。直流穩(wěn)壓電源，應(yīng)當(dāng)選用并聯(lián)運(yùn)行法，建立冗余直流供電系統(tǒng)。在選擇直流穩(wěn)壓電源時，必須加強(qiáng)負(fù)載平衡能力。單臺滿負(fù)荷能力強(qiáng)。第五，針對重要用電設(shè)備，必須按照供電特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)防晃閃裝置。第六，通過常規(guī)儀表進(jìn)行聯(lián)鎖，聯(lián)鎖接點(diǎn)通過二次儀表輸出，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榧苎b儀表輸出，消除由于誤操作所致二次儀表故障，相應(yīng)影響聯(lián)鎖功能，產(chǎn)生誤動作。第七，儀表與控制系統(tǒng)接地中，確保本安系統(tǒng)接地。應(yīng)用齊納式安全柵時，選擇兩根接地導(dǎo)線，全面加強(qiáng)接地系統(tǒng)運(yùn)行效益。

4 冗余容錯技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用效果

冗余容錯技術(shù)可以廣泛應(yīng)用到石油化工生產(chǎn)的典型自控案例中?？梢宰詣忧袚Q空分液氧液氮泵，實(shí)現(xiàn)水汽輪泵循環(huán)，自動切換減壓減溫裝置，確保合成氨、尿素裝置運(yùn)行正?；?。當(dāng)設(shè)備工藝發(fā)生問題時，可以實(shí)現(xiàn)自動化切換。自熱式天然氣轉(zhuǎn)化裝置，將緊急停車系統(tǒng)配置到聯(lián)鎖控制系統(tǒng)中，有助于提升綜合安全等級。調(diào)節(jié)硝酸裝置氨空比，需要應(yīng)用濾波、可識別補(bǔ)償信號，以此補(bǔ)償流量。調(diào)節(jié)鍋爐汽包水位時，應(yīng)用三沖量可變調(diào)節(jié)、單回路調(diào)節(jié)。大型壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速信號、油壓信號，可以應(yīng)用聯(lián)鎖控制、三取二選擇控制法。

5 結(jié)語

綜上所述，容錯技術(shù)涉及到自動化技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，屬于多專業(yè)技術(shù)集成表現(xiàn)。石油化工自控設(shè)計(jì)中，合理應(yīng)用冗余容錯技術(shù)，深入開發(fā)潛在性能，科學(xué)研究和分析容錯，涉及到容錯性能網(wǎng)絡(luò)化、模塊化儀表裝置，同時應(yīng)用冗余容錯自控系統(tǒng)理論和方法，通過容錯技術(shù)，可以處理儀表故障信號診斷問題，替換處理故障參數(shù)。注重總結(jié)連續(xù)生產(chǎn)容錯控制方法與實(shí)用技術(shù)，以此提升生產(chǎn)過程的自動化與可靠性水平，從根本上促進(jìn)石油化工的智能化、自動化發(fā)展。