冗余技術在鍋爐房自控系統(tǒng)中的應用

上海煙草集團有限責任公司 郁曉波

冗余技術在鍋爐房自控系統(tǒng)中的應用

上海煙草集團有限責任公司 郁曉波

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

冗余技術 控制器 控制網(wǎng)絡

冗余技術又稱儲備技術，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，它通過重復配置系統(tǒng)的一些部件，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，冗余配置的部件介入并承擔故障部件的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時間，在自動化的許多領域，由于對系統(tǒng)可靠性的高要求，因而對自動化系統(tǒng)的容錯水平的要求也變得越來越高，尤其在設備停機代價非常大的場合。為了滿足這些嚴格的要求，在系統(tǒng)中通常采用冗余技術，這樣才能夠滿足這些領域所需要的安全性、可靠性和有效性的標準。

我廠鍋爐房需提供全廠生產(chǎn)、生活用蒸汽，現(xiàn)使用2臺20 t和1臺30 t燃氣鍋爐，燃燒介質是天然氣，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)的可靠運行不僅直接影響蒸汽的及時供應，影響生產(chǎn)，有時甚至會引起安全事故，因此控制系統(tǒng)就將安全可靠性作為設計的第一要素，其自然而然引入了冗余控制技術。其控制結構如圖1所示，下面就分四個方面介紹冗余控制技術在鍋爐房控制系統(tǒng)中的應用。

圖1 鍋爐房自控系統(tǒng)結構示意

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，任何一路斷電時自動切換到另外一路電源繼續(xù)供電，但在切換時有瞬時的掉電，因此在中間加UPS，既作為斷電保護，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)，這兩個電源是負載均衡的，即在系統(tǒng)工作時它們都為系統(tǒng)提供電力，當一個電源出現(xiàn)故障時，另一個電源就承擔所有的負載。

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。本系統(tǒng)冗余度為1:1的冗余設置，即將2塊組態(tài)完全一樣的控制器設置成冗余方式。在投入運行時，若出現(xiàn)故障，兩 CPU單元之間能實現(xiàn)無擾動切換，保證系統(tǒng)的正常運行。

本系統(tǒng)所采用的CPU單元為S7 CPU414-4H，均帶3個網(wǎng)絡接口，其中2個網(wǎng)口分別連接到A網(wǎng)和B網(wǎng)，實現(xiàn)各工作站點間的數(shù)據(jù)通信，第3個網(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。在同一時刻只有 1個 CPU單元通過雙機交換卡接受過程信息并進行運算處理，最后產(chǎn)生控制結構去控制過程設備，此CPU單元稱為主CPU單元。同時冗余CPU單元并沒有閑置，它在每一個工作周期都通過雙機之間的光纖對主 CPU單元所接受的過程信息和運算結果進行實時拷貝，這樣冗余CPU單元始終與主CPU單元同步。冗余 CPU單元同時檢測拷貝的信息是否完整，是否在所允許的容錯度內(nèi)。一旦信息不完整或報錯，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，同時切換為主 CPU單元繼續(xù)工作。切換時間選用最短的運算周期(幾十ms或更短)，從而實現(xiàn)無擾動切換，等到主 CPU單元恢復正常后，冗余CPU單元自動把控制權交還給主CPU單元，轉為冗余備份狀態(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。現(xiàn)場分別用壓力傳感器A和B將壓力信號通過2塊AI反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過計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置主控回路優(yōu)先控制，當主控達不到控制要求時，備控投入運行。如將A回路作為主控時，根據(jù)設定壓力0.55 MPa進行調(diào)節(jié)控制，當壓力低于0.50 MPa時B調(diào)節(jié)回路投入運行，直至壓力高于0.58 MPaB回路退出運行，這樣就保證了任何一個控制回路中的元件損壞，都不會影響控制調(diào)節(jié)，從而保證了壓力的穩(wěn)定。

3 控制網(wǎng)絡冗余

如圖1所示，在本控制系統(tǒng)中存在2個網(wǎng)絡，一個是管理層和控制層之間的通信網(wǎng)絡，另一個是過程控制層與底層I/O卡件層之間的通信網(wǎng)絡。上層網(wǎng)絡主要的作用是實現(xiàn)管理層對控制層實時檢測，和對下層控制器的配置設置等任務。下層網(wǎng)絡是為了把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個網(wǎng)絡在控制系統(tǒng)中的重要性是不言而喻的。

針對上層網(wǎng)絡模塊的冗余，采用支持鏈路冗余功能的工業(yè)以太網(wǎng)交換機SCALANCE 212-2，它們解決了由節(jié)點故障導致網(wǎng)絡癱瘓的問題，提高數(shù)據(jù)通信的整體可靠性和容錯性，為了保證2層網(wǎng)絡的順利工作，2個網(wǎng)絡都采用1:1的冗余設置。CPU單元檢測到主網(wǎng)出現(xiàn)故障時，自動放棄從主網(wǎng)的端口通信，同時啟用冗余網(wǎng)的端口，將數(shù)據(jù)轉由冗余網(wǎng)發(fā)送和接受。此時冗余網(wǎng)進入數(shù)據(jù)通信狀態(tài)，主網(wǎng)及時進行修補。雙環(huán)網(wǎng)技術實現(xiàn)了傳輸媒介的冗余，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

4 服務器及上位軟件冗余

服務器冗余是指重復配置系統(tǒng)的一些部件，當系統(tǒng)發(fā)生故障時,冗余配置的部件介入并承擔故障部件的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時間，在服務器里，冗余系統(tǒng)配件主要有電源、存儲子系統(tǒng)、磁盤鏡像、磁盤雙聯(lián)、RAID、I/O卡、PCI總線和風扇冗余等，其中存儲子系統(tǒng)是整個服務器系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的部位，本系統(tǒng)采用兩臺DELL T3500計算機作為冗余服務器，通過RAID即冗余磁盤陣列(Redundant Array of Inexpensive Disks)的方法實現(xiàn)該系統(tǒng)的冗余。通過一個控制器協(xié)調(diào)運動機制使單個數(shù)據(jù)流依次寫入這幾個磁盤中，本系統(tǒng)采用RAID1系統(tǒng)，它由2個磁盤構成，互為熱備，任何一個出現(xiàn)故障都不會影響系統(tǒng)的正常運行。

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。iFIX冗余系統(tǒng)是如何實現(xiàn)的？首先在兩臺服務器上分別安裝SCADA_A和SCADA_B軟件，包括iFIX HMI Pak和iFIX Redundancy選項，所有計算機通過以太網(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，兩臺機器上的IO通訊同時進行，在 SCU(iFIX 配置菜單)中SCADA_A配置成主機，SCADA_B配置成備用機。在選取數(shù)據(jù)源時，只會看到一個遠端的計算機節(jié)點名，服務器設置SCADA_A的Partner是SCADA_B，SCADA_B的Partner是SCADA_A。正常情況下，兩臺SCADA同時讀取硬件數(shù)據(jù)，但是客戶端只從主服務器讀取數(shù)據(jù)，即客戶端只能看到SCADA_A來的數(shù)據(jù)，報警和歷史數(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，便將主備角色進行切換并將其成為主服務器的消息發(fā)給客戶機，客戶機立即會將數(shù)據(jù)源切換到備用服務器，整個過程時間約為1~2 s，由于數(shù)據(jù)采集在兩臺服務器上同時進行的，故不會發(fā)生丟失，并且iFIX冗余選項可以進行網(wǎng)絡報警同步，保證報警的一致性。當主機修復后又回到網(wǎng)絡中時。

在鍋爐房自動控制系統(tǒng)中，通過對電源、控制器、控制網(wǎng)絡、服務器及上位軟件的冗余設計，充分體現(xiàn)了安全可靠性作為系統(tǒng)設計的首選要素的理念，系統(tǒng)在實際運行中也體現(xiàn)了這一理念，投入運行至今未發(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