浅议冗余设计在自控系统中的重要性

【摘要】在实施工业生产自动化的过程中，冗余设计是一种满足连续生产要求，提高控制系统可靠性和可用性的有效手段。本文重点阐述了冗余技术在DCS中应用的重要性，并列出了DCS系统中常有的电源冗余、控制器冗余、和操作员站冗余等冗余技术。

【关键词】自动化系统；可靠运行；冗余技术；重要性

一、冗余、冗余技术、冗余控制的含义

（1）冗余，是指冗余系统的两个或多个处理器之间要经常比较各自的状态，根据一定的规则以决定系统是否工作在正常的状态，这种状态比较和系统可靠性的判定也被成为同步。冗余分为工作冗余和后备冗余。工作冗余是一种两个或以上的单元并行工作的并联模型，平时由各处单元平均负担工作；后备冗余平时只需要一个单元工作，另一个单元是冗余的用于待机备用。（2）冗余技术又称储备技术，是指采用备用的硬件或软件参与系统的运行或处于准备状态，一旦系统出现故障，能自动切换，保持系统不间断地正常工作。它利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段。（3）冗余控制，严格来讲是指采用一定或成倍量的设备或元器件的方式组成控制系统来参加控制，当某一设备或元器件发生故障而损坏时，它可以通过硬件、软件或人为方式，相互切换作为后备设备或元器件，替代因故障而损坏的设备或元器件，保持系统正常工作，使控制因意外而导致的停机损失降到最低。

二、在煤焦企业自动控制系统中冗余技术运用的重要性

在自动化控制系统的许多领域中，有效性的要求越来越高，尤其是在设备停机代价非常大的企业中，保证控制系统的稳定、可靠、有效运行时非常重要的。可靠性是系统和产品的主要属性之一，是考虑到时间因素的产品质量，对于提高系统的有效性、降低寿命期费用和防止产品发生故障具有重要意义。

无论在国内还是国外的自动控制系统有多大区别，冗余技术已在控制系统中都被广泛采用。现在以我厂煤焦企业DCS控制系统为例进行阐述。

三、冗余设计在DCS控制系统中的应用

（1）DCS系统模型。DCS控制系统是控制技术、计算机技术、通信技术及图形显示技术相结合的产物，由系统模型图图1可知，系统分为操作级和过程级，操作级包括工程师站、操作员站以及与第三方系统或软件扩展的网管站，通过他们实现系统全局范围的操作、监控、归档、记录、趋势和报警等功能；过程级包括由各种类型控制器组成的过程站以及由它们集成的不同现场总线设备，通常开环控制和闭环控制功能在过程控制器中执行。而且每一级都采用了冗余。（2）现场控制器冗余（AC800F）。现场控制器由基本单元PM802F、电源SA801F/SD802F、Ethernet网卡EI801F/EI802F/EI803F、现场总线接口卡FI810F/FI820F/FI830F以及各种附件组成。控制系统采用2个现场控制器实现控制器1：1冗余，主从控制器之间可无扰切换。每个控制器上都有两个Ethernet网卡，第一网卡用于连接系统网络（DigiNetS），而第二网卡之间则可彼此互连以形成专门的冗余通讯链接(DigiNetR)，确保主从控制器间的信息同步。一但主控制器故障，从控制器能迅速无扰地接替工作。（3）现场总线设备网关冗余（CI840）。配置冗余Profibus DP 模件FI830实现与I/O之间的冗余通讯。Profibus DP总线通讯速率为12Mb/s，一条Profibus DP总线上最多可挂接125个从站。数据通信采用10Mb/s/100Mb/s工业以太网（遵循TCP/IP协议），根据现场的实际情况，通信采用冗余总线网方式。（4）电源冗余。控制系统电源采用220VAC交流供电系统，有两路彼此独立交流电源输入并具备双回路自动切换功能。（5）输入输出模块冗余（S800I/O）。S800是用于过程控制站的分布式I/O，采用模块化设计，DIN标准导轨式安装，它们通过ProfibusDP现场总线与其所属的控制器通信，具有多种模拟及数字输入输出模件，以及热电阻和热电偶模件。既可以安装在控制室，也可以安装在现场以尽量接近现场变送器和执行器，从而节省电缆并减少安装费用。S800 I/O模块（DI840、DO840、AI845、AI843、AO845）支持电源冗余，支持冗余现场总线。（6）操作员站冗余。配置7台操作员站，其中炼焦控制室2台、冷鼓控制室2台、化产控制室3台。操作员站安装IndustrialIT DigiVis中文版本软件，运行在Windows 2000XP中文系统上，采用1:1后备方式，在这种情况下，一台操作站或电源发生故障，系统可切换到后备的操作站；并且可以接Ethernet（TCP/IP协议）局部网络。

对于企业来说，一旦出现故障，很难处理，而且损失会很大，为了保证控制系统的可靠性，除了从运行环境条件方面采取抗干扰措施外，采用冗余设计是提高控制系统可靠性的有效措施，采取什么样的冗余处理技术是由控制系统的可靠性要求和项目成本决定的。

参考文献

[1]吴勤勤．控制仪表及装置（第三版）[J]．化学工业出版社

[2]ABB过程自动化部．《Freelance 800F基础培训课程》