分散控制系統(tǒng)冗余性及其合理性分析

發(fā)布：2018-12-18 | 點擊：人次

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根據(jù)分散控制系統(tǒng)特點，本文從分散控制系統(tǒng)硬件、性能及功能等三方面，分析了分散控制系統(tǒng)的冗余性配置及其合理性。

目前，分散控制系統(tǒng)已應用到工業(yè)過程控制的各個方面，其控制的靈活性、多樣性、可靠性已被實踐所證明，并得到了人們的認可。但是，要設計和選擇一套成功的分散控制系統(tǒng)，關鍵是處理好分散控制系統(tǒng)的冗余性配置。冗余性配置的合理性直接影響分散控制的可靠性和工程造價，因此如何合理地選擇冗余性配置是分散控制系統(tǒng)組態(tài)的關鍵。

冗余性一詞來源于英文"redundancy"。本意是指多余、冗余、剩余等意思，引用到分散控制系統(tǒng)，一般是指控制系統(tǒng)硬件性能或功能的熱備用能力或富裕度。但是根據(jù)國際通行的說法，如果指分散控制系統(tǒng)主控制器（過程控制器）冗余，則是指主控制器1:1在線熱備用。

分散控制系統(tǒng)的冗余性可概括分為三種冗余，即硬件冗余、性能冗余和功能冗余。下面分別進行分析探討。

一、分散控制系統(tǒng)的硬件冗余性

硬件冗余性主要包括二部分。一部分為系統(tǒng)內部硬件配置冗余，包括通信網(wǎng)絡冗余、主控制器冗余或I/O卡件冗余以及外部信號的冗余等。對于一般分散控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通信高速公路、主控制器基本上均采用1:1熱備用標準冗余配置;而I/O卡件的冗余，則因廠家的不同或工程造價上的制約，有不同的處理方式，如有的采用n+l備用方式、三取二備用方式或1:1備用方式，也有的僅采用通道備用或組態(tài)優(yōu)化方式保證主要信號的可靠性，有的完全不采用冗余配置。

另一部分的硬件冗余是指電源配置冗余。一般分散控制系統(tǒng)電源冗余多采用兩路電源，即雙電源配置冗余。但是因廠家的不同，具體配置略有不同，如采用雙交流供電（圖1）或一路220VAC、另一路220VDC或ll0VDC供電（圖2）等。

電源的冗余配置要根據(jù)控制對象的不同和分散控制系統(tǒng)自身特點的不同進行詳細設計，不能一概而論。外部電源傳統(tǒng)上一般采用單UPS作為上級供電電源，如果工程造價許可，也可以采用雙10O%UPS作為冗余備用工作電源。傳統(tǒng)的單UPS供電方案如圖3。

二、分散控制系統(tǒng)的性能冗余

性能冗余主要是對分散控制系統(tǒng)的通信速率、存儲能力等性能的富裕度要求，是保證控制系統(tǒng)在任務繁忙時信息處理、運算、控制的峰值滿足分散控制系統(tǒng)正常功能的基本要求。一般，在工程設計中應嚴格控制、合理考慮各項性能指標的冗余性要求，以保證峰值工況及分散控制系統(tǒng)正常處理能力為度，否則會造成工程造價的升高，影響成本和性能價格比。一般，分散控制系統(tǒng)冗余性主要控制指標如下:

（1）分散控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡負荷率＜40%;

（2）分散控制系統(tǒng)主控制器的平均負荷率＜40%，zui高負荷率≯60%;

（3）主控制器存儲器容量平均占有率＜40%;

（4）分散控制系統(tǒng)電源負荷裕量為30%～40%;

（5）I/O點數(shù)在線熱備用＞10%;

（6）I/O卡件槽位備用＞15%。

三、分散控制系統(tǒng)的功能冗余

功能冗余主要包括二個方面的內容。一方面為功能設計的冗余性組態(tài);另一方面為控制技術軟件采用容錯技術，實現(xiàn)系統(tǒng)軟件和應用軟件的容錯處理，達到系統(tǒng)性能的冗余，提高系統(tǒng)的可靠性。如分散控制系統(tǒng)中輸入開關量和模擬量信號的三取二或三取中處理計算軟件、輸入信號的斷線或斷藕保護等容錯冗余技術;分散控制系統(tǒng)中采用的自診斷功能、專家系統(tǒng)、CCS控制采用的解析冗余萬法等冗余技術;以及爐膛火焰信號滅火判斷的處理等等。

分散控制系統(tǒng)主控制器功能組態(tài)，是分散控制系統(tǒng)應用成功與否的關鍵。因此，在分散控制系統(tǒng)功能設計時應注意采用冗余設計，這可以大大提高分散控制系統(tǒng)的可靠性，達到事半功倍的效果。功能設計主要是充分利用分散控制系統(tǒng)冗余主控制器的自主工作能力的特點，在設計中做到功能分散、危險分散，確保整個被控對象不因某一局部系統(tǒng)或設備影響整體運行或安全。其主要特點是，根據(jù)被控對象主要設備的冗余布置特點來選擇不同的主控制器控制。如送、引風機A、B兩側系統(tǒng)，A、B小汽輪機給水泵，制粉系統(tǒng)中A、B、C、D、E、F磨煤機控制等，分別由不同的主控制器控制，以確保分散控制系統(tǒng)的冗余與被控對象的合理冗余配置及有機結合，著眼于整個被控對象和控制設備的zui大冗余性，實現(xiàn)整體控制的zui大可靠性。

四、結論

總之，在分散控制系統(tǒng)的設計、制造和應用中，冗余性及合理性是分散控制系統(tǒng)技術問題的關鍵，它體現(xiàn)在硬件、性能和功能三個方面的冗余性，貫穿設計、制造、應用的各個方面。分散控制系統(tǒng)采用冗余技術，合理考慮其冗余性，其實質就是要把分散控制系統(tǒng)的冗余性、可控對象系統(tǒng)的冗余性綜合考慮，合理去舍，達到完美的統(tǒng)一，zui終確定分散控制系統(tǒng)應用的工程造價和分散控制系統(tǒng)的可靠性。因此，分散控制系統(tǒng)的冗余性及其合理性分析是分散控制系統(tǒng)設計、制造和應用的關鍵技術和核心要求。

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