桂宏飛，孫虎(中海石油(中國(guó))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(guò)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(wèn)題時(shí)，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(wèn)題，不會(huì)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(cuò)功能控制不佳時(shí)，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(guò)程控制冗余容錯(cuò)技術(shù)。冗余控制系統(tǒng)，屬于無(wú)擾動(dòng)切換、熱備份應(yīng)用系統(tǒng)。

1 容錯(cuò)概述

容錯(cuò)式系統(tǒng)運(yùn)行中多個(gè)部位發(fā)生故障問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)所采取的應(yīng)對(duì)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(cuò)控制屬于邊緣交叉學(xué)科，在石油化工領(lǐng)域中，容錯(cuò)主要是系統(tǒng)某儀表控制裝置發(fā)生故障，例如氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)構(gòu)位置，檢測(cè)儀表等。系統(tǒng)通過(guò)正常測(cè)點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)算法，能夠有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，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(cuò)主要包括硬件容錯(cuò)和軟件容錯(cuò)。容錯(cuò)控制技術(shù)，科學(xué)診斷故障問(wèn)題。解決故障問(wèn)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(cè)現(xiàn)場(chǎng)故障，診斷故障類型與位置。在容錯(cuò)控制中，故障控制與處理策略屬于基礎(chǔ)核心。容錯(cuò)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(cuò)

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(guò)程操作、連續(xù)量測(cè)與管理。為了確?，F(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備、集散控制系統(tǒng)交互性，需要發(fā)揮出現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)展，如：主控單元，冗余配置切換電路、故障自檢電路。同時(shí)做好熱備份，接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，開(kāi)展控制運(yùn)算，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)信息。在運(yùn)行期間，當(dāng)發(fā)生故障問(wèn)題時(shí)，主控單元備份單元進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。在企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)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(shí)，可以啟動(dòng)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(cuò)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(guò)程控制，避免單點(diǎn)故障影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行[3]。利用輸入模塊，能夠?qū)⒋鲃澐譃槿罚?lián)合對(duì)應(yīng)三個(gè)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(shí)，通過(guò)方形表決器，可以表決數(shù)字信號(hào)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(shí)對(duì)輸出選擇器進(jìn)行模擬，科學(xué)選擇模擬信號(hào)。針對(duì)安全儀表功能，必須分離邏輯運(yùn)算器、過(guò)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(guò)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(shí)在輸入輸出部件，和各組信號(hào)連接在一起，相應(yīng)組件僅僅會(huì)受到相關(guān)部件影響，不會(huì)影響到其他組別。將信號(hào)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(hào)，相應(yīng)減少通信吞吐量。分散裝置通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)共享，對(duì)設(shè)計(jì)、組態(tài)的優(yōu)勢(shì)與不足進(jìn)行權(quán)衡。同時(shí)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(cuò)能力[4]。當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備多臺(tái)運(yùn)行時(shí)，必須對(duì)不同設(shè)備的檢測(cè)信號(hào)予以關(guān)注，例如：溫度、壓力、流量等。同時(shí)做好優(yōu)化設(shè)計(jì)。將設(shè)備、同類輸入信號(hào)作為單元，將不同檢測(cè)信號(hào)組合在一起。通過(guò)不同檢測(cè)信號(hào)，組成同一個(gè)單元。同時(shí)利用不同類別信號(hào)，與輸入部件連接起來(lái)，以此降低輸入部件故障影響。對(duì)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(cuò)，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(cè)回路容錯(cuò)能力。針對(duì)主要聯(lián)鎖回路，需要按照安全度等級(jí)，合理設(shè)置傳感器，設(shè)置數(shù)量一般為2～3個(gè)。按照三取二表決方式，合理編制程序。針對(duì)聯(lián)鎖回路，按照系統(tǒng)計(jì)時(shí)器功能塊，設(shè)置延時(shí)繼電器，高度重視被保護(hù)對(duì)象要求與特點(diǎn)。通過(guò)此種方式，也可以屏蔽電壓波動(dòng)、電磁干擾所致瞬間錯(cuò)誤信號(hào)。針對(duì)集散控制系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)聯(lián)合邏輯開(kāi)關(guān)控制、比例-積分-微分控制器，當(dāng)某個(gè)控制大于極限控制偏差，可以自動(dòng)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)控制，使偏差減小。針對(duì)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(kāi)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(duì)應(yīng)的控制措施予以處理[5]。盡管會(huì)降低控制水平，卻不會(huì)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(wèn)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(cuò)關(guān)注事項(xiàng)

在應(yīng)用冗余容錯(cuò)技術(shù)時(shí)，當(dāng)模擬量信號(hào)不可靠時(shí)，會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。比如在石油化工輔助保護(hù)邏輯中，軸承溫度信號(hào)應(yīng)用比較多。測(cè)量信號(hào)大于定值時(shí)，會(huì)引發(fā)保護(hù)動(dòng)作。溫度測(cè)量回路中，熱電阻極易產(chǎn)生接觸不良故障，致使保護(hù)動(dòng)作誤動(dòng)作。在優(yōu)化邏輯時(shí)，通過(guò)特定容錯(cuò)控制技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)容錯(cuò)邏輯。當(dāng)測(cè)量回路正常時(shí)，軸承溫度高于保護(hù)值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)。在熱電阻測(cè)量回路中，當(dāng)產(chǎn)生接觸不良問(wèn)題時(shí)，溫度信號(hào)跳變。測(cè)量值品質(zhì)損壞時(shí)，RS觸發(fā)器輸出“1”，軸承溫度保護(hù)自動(dòng)退出，聲光報(bào)警處理。消除故障問(wèn)題后，溫度值小于保護(hù)值，利用手動(dòng)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(cuò)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(duì)輸入信號(hào)、輸出信號(hào)的影響，同時(shí)減少容錯(cuò)處理。第二，電磁閥冗余配置時(shí)，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(dòng)作后，確保聯(lián)鎖條件恢復(fù)至正常狀態(tài)。采用手動(dòng)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(dòng)所致不良影響。第四，儀表供電選用并聯(lián)法，針對(duì)重要儀表，應(yīng)當(dāng)設(shè)置獨(dú)立開(kāi)關(guān)。斷線、人為失誤，對(duì)儀表影響較小，不會(huì)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(shí)，必須加強(qiáng)負(fù)載平衡能力。單臺(tái)滿負(fù)荷能力強(qiáng)。第五，針對(duì)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(guò)常規(guī)儀表進(jìn)行聯(lián)鎖，聯(lián)鎖接點(diǎn)通過(guò)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(dòng)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(shí)，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(cuò)技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用效果

冗余容錯(cuò)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。可以自動(dòng)切換空分液氧液氮泵，實(shí)現(xiàn)水汽輪泵循環(huán)，自動(dòng)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(wèn)題時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jí)。調(diào)節(jié)硝酸裝置氨空比，需要應(yīng)用濾波、可識(shí)別補(bǔ)償信號(hào)，以此補(bǔ)償流量。調(diào)節(jié)鍋爐汽包水位時(shí)，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(hào)、油壓信號(hào)，可以應(yīng)用聯(lián)鎖控制、三取二選擇控制法。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，容錯(cuò)技術(shù)涉及到自動(dòng)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(cuò)技術(shù)，深入開(kāi)發(fā)潛在性能，科學(xué)研究和分析容錯(cuò)，涉及到容錯(cuò)性能網(wǎng)絡(luò)化、模塊化儀表裝置，同時(shí)應(yīng)用冗余容錯(cuò)自控系統(tǒng)理論和方法，通過(guò)容錯(cuò)技術(shù)，可以處理儀表故障信號(hào)診斷問(wèn)題，替換處理故障參數(shù)。注重總結(jié)連續(xù)生產(chǎn)容錯(cuò)控制方法與實(shí)用技術(shù)，以此提升生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化與可靠性水平，從根本上促進(jìn)石油化工的智能化、自動(dòng)化發(fā)展。