賴紅嬌

(中國神華煤制油化工有限公司 鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

關(guān)于DCS冗余配置方案的探討

賴紅嬌

(中國神華煤制油化工有限公司 鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

為保證系統(tǒng)更穩(wěn)定、安全、可靠地運行，DCS中的關(guān)鍵設(shè)備通常會采用冗余設(shè)計。結(jié)合DCS實際運行情況，主要針對I/O卡件的故障問題進行了分析，發(fā)現(xiàn)冗余配置上存在的缺陷，對I/O卡件的硬件配置進行升級改造，規(guī)劃軟件組態(tài)，排除了安全隱患，從安全、經(jīng)濟角度綜合考慮，制訂了整改方案，保證了公司的穩(wěn)定生產(chǎn)。

分散型控制系統(tǒng) 冗余 I/O卡件 整改方案

在自動化系統(tǒng)中，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性，控制系統(tǒng)通常會采用冗余結(jié)構(gòu)配置。冗余設(shè)計可以使系統(tǒng)不受局部故障的影響，能夠正常運行，提高整個系統(tǒng)的平均無故障時間，因而冗余配置是非常必要的。中國神華煤制油化工有限公司煤直接液化項目DCS控制系統(tǒng)全部采用PKS(experion process knowledge system)，控制系統(tǒng)內(nèi)的電源、控制器、通信系統(tǒng)、關(guān)鍵I/O卡件均要求采用1∶1冗余配置。

1 冗余配置方式

DCS結(jié)構(gòu)可分為電源、控制器、通信、I/O卡件、服務(wù)器和操作站部分，任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生故障，都會導(dǎo)致DCS故障，可能無法對現(xiàn)場進行控制，因而冗余配置方案必須考慮到每一個環(huán)節(jié)中。

1) 電源。電源是整個控制系統(tǒng)運行的前提，一旦發(fā)生供電中斷，整個控制系統(tǒng)將無法工作，因而電源部分均采用1∶1的冗余配置，配置的同時要考慮DCS的供電要求和電源的容量，要求必須有UPS供電，正常工作時每個電源的負載不超過其能力的50%。

2) 控制器。系統(tǒng)采用C300控制器，主要完成上位通信、Peer to Peer點對點通信、IOLINK1 I/O通信、IOLINK2 I/O通信、確定性控制執(zhí)行環(huán)境通信5項功能，所有的數(shù)據(jù)處理、指令輸出都由控制器完成，一旦發(fā)生故障，直接影響生產(chǎn)運行，造成現(xiàn)場裝置停車，因此該公司系統(tǒng)控制器均采用1∶1冗余配置，同時還配備了控制器內(nèi)RAM的備用電源，提供至少48 h(2個C300控制器)的RAM備份時間。另外，與控制器連接的防火墻也要求采用1∶1冗余配置。

3) 通信。指數(shù)據(jù)通信環(huán)節(jié)，一旦無法進行數(shù)據(jù)通信，就無法對現(xiàn)場進行監(jiān)視和控制。因此，在考慮負荷的同時也要進行冗余配置，以保證數(shù)據(jù)的正常傳輸。PKS采用容錯以太網(wǎng)FTE(fault tolerant ethernet)，該種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(物理)的單網(wǎng)(邏輯)，F(xiàn)TE節(jié)點之間有4條路徑，由冗余的交換機和通信電纜構(gòu)成，提供了更高的可靠性。

4) I/O卡件。I/O卡件部分涉及的卡件種類較多，并不是所有卡件都要采用1∶1的冗余設(shè)計。1∶1的冗余設(shè)計固然很好，但會增加系統(tǒng)整體的設(shè)計難度和投資費用，影響控制器帶卡件的能力。因此，要求所有I/O卡件必須是通道隔離型，但并不需要全部冗余。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，控制回路和關(guān)鍵點所在的卡件要采用冗余配置，其他監(jiān)視點所在的卡件即使發(fā)生故障，也只是暫時看不到數(shù)據(jù)，并不會造成停車，所以不需要冗余配置。

5) 服務(wù)器。服務(wù)器是進行系統(tǒng)組態(tài)和存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)備，其將過程控制器的控制功能與監(jiān)控功能有效地優(yōu)化組合在一起，在系統(tǒng)環(huán)境中提供最簡便的操作和工程組態(tài)。它從控制器中讀取數(shù)據(jù)后傳送至各操作站，根據(jù)現(xiàn)場裝置區(qū)的重要性可選擇冗余配置。采用1對配置相同的服務(wù)器，以主/備結(jié)構(gòu)方式相互支持，當主服務(wù)器出現(xiàn)故障時，備服務(wù)器自動轉(zhuǎn)換為主服務(wù)器，并從控制器中采集數(shù)據(jù)，為操作站提供數(shù)據(jù)服務(wù)，主服務(wù)器通過冗余網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)庫中所有數(shù)據(jù)處理信息傳送到備服務(wù)器，使主備服務(wù)器之間同步。

6) 操作站。操作站是過程監(jiān)控設(shè)備，一般一個裝置區(qū)會設(shè)置多臺操作站，并將這些操作站分配在不同電源段上，以保證操作站不會在同一時間內(nèi)發(fā)生故障。該公司PKS的操作站類型有Flex操作站和Console操作站。Flex操作站只要與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)之間存在1條網(wǎng)絡(luò)鏈路，就可以與服務(wù)器連接，對現(xiàn)場進行監(jiān)控；Console操作站除具有Flex操作站的全部功能以外，還可以直接與CEE(控制器C200/C300等設(shè)備)進行通信，即當服務(wù)器出現(xiàn)故障時，Console操作站仍可以與控制器連接，對現(xiàn)場進行監(jiān)控。因此，為提高系統(tǒng)的可靠性，防止服務(wù)器出現(xiàn)故障，一般都會采用Console操作站，但同時考慮到成本及操作站的規(guī)模，實際應(yīng)用中，這2種操作站都會配置。

2 I/O卡件故障類型

該公司目前共有聯(lián)合控制室11個，采用DCS的PM I/O卡件和C系列卡件。DCS的這2種卡件均具有豐富的在線診斷功能，卡件面板具有LED狀態(tài)顯示功能。當卡件做冗余配置時，可自動切換，并可在線處理故障。從近6 a的運行情況看，I/O卡件曾發(fā)生過幾次故障，并且存在安全隱患， 筆者主要針對I/O卡件的故障進行分析討論。

1) PM I/O卡件故障有以下幾種：

a) MC-PLAM02卡件故障。MC-PLAM02為低電平32通道模擬量輸入卡件，卡件上均是現(xiàn)場的監(jiān)視溫度點，只用于監(jiān)視，并不參與控制，因此，該公司并沒有對此卡件采取冗余配置。從生產(chǎn)的實際角度出發(fā)，此卡件故障也沒有對現(xiàn)場控制造成影響，并且卡件支持在線熱插拔更換，發(fā)生故障后，更換及時，短暫時間內(nèi)對現(xiàn)場沒有影響，屬于正?？收?。如果對這類卡件進行冗余設(shè)計，對系統(tǒng)固然會起到穩(wěn)定作用，但會增大投資成本，增加硬件物理空間，影響控制器的帶卡能力，甚至擴展增加機柜。

b) MC-PHAI01卡件故障。MC-PHAI01為高電平16通道支持HART協(xié)議模擬量輸入卡件，根據(jù)現(xiàn)場實際需求，此類卡件上點的分布有兩種： 現(xiàn)場監(jiān)視點，只用于監(jiān)視，為單卡配置；卡件上有參與聯(lián)鎖或控制的點，為冗余配置。該公司發(fā)生故障的全部為現(xiàn)場監(jiān)視點的卡件，單卡配置，同MC-PLAM02卡件屬于同一類問題，都屬于正常卡件故障，對現(xiàn)場沒有造成影響，不適合采用冗余配置。

c) MC-PDOX02卡件故障。MC-PDOX02為16通道的DO卡件，卡件上有部分關(guān)鍵點，卡件為單卡設(shè)計，由于內(nèi)部電子元件發(fā)生故障，導(dǎo)致裝置受到約3 h的影響波動。對該故障進行了原因分析，直接原因是卡件本身故障以及新系統(tǒng)中DO卡件無法采用冗余結(jié)構(gòu)。從此次故障中，筆者發(fā)現(xiàn)了安全隱患，并聯(lián)合工藝人員立即對公司此類隱患進行排查，制訂了 “煤液化生產(chǎn)中心卡件冗余改造”和“煤氣化生產(chǎn)中心卡件冗余改造”隱患治理項目，準備在檢修期間實施整改方案。

2) C系列卡件故障包含CC-PAIH01卡件故障。CC-PAIH01為高電平16通道支持HART協(xié)議模擬量輸入卡件，其配置情況與PM I/O卡件中MC-PHAI01卡件相同。發(fā)生故障時，未對現(xiàn)場造成影響，屬于正?？收稀?/p>

從近6 a卡件發(fā)生的故障看，MC-PDOX02卡件故障屬于安全隱患，已列入該公司的安全隱患項目中。

3 I/O卡件配置改造方案

3.1 改造范圍

按照裝置的危險程度、一次故障停車的經(jīng)濟損失程度以及一次性投資的規(guī)模，權(quán)衡可靠性問題和經(jīng)濟性問題，對于重要的控制點和聯(lián)鎖點，所在的卡件要采用冗余配置，以減少故障、危險的發(fā)生和經(jīng)濟的損失。因為該公司大聯(lián)鎖系統(tǒng)全部進入到SIS中，故此次改造主要針對DCS的重要控制點進行冗余設(shè)置。針對全廠煤液化生產(chǎn)中心的5個單元及煤氣化生產(chǎn)中心6個單元的DCS進行逐一排查，聯(lián)合工藝人員一起確定重要控制點所在的各類單卡的位置和數(shù)量，共改造DI卡板44塊、DO卡板33塊、AI卡板34塊、LLMUX卡板2塊。

3.2 改造的基本原則和方案

為提高DCS的穩(wěn)定性，保證安全生產(chǎn)，防止帶聯(lián)鎖的單卡故障導(dǎo)致相關(guān)單元停工等動作的發(fā)生，將含有重要控制點的單卡件采用冗余配置，對于重要控制點少的單卡可以合并到同一塊卡上，從而減少故障發(fā)生。

1) 對于PM I/O卡件的冗余改造。確定單卡增加冗余卡件的類型及物理位置，保留單卡現(xiàn)有位置，在上層卡籠箱的對應(yīng)位置上增加冗余的同型號卡件，同時增加相應(yīng)的FTA電纜。如果在上層卡籠箱的對應(yīng)冗余位置上有其他卡件，則需要將該卡件移到本系統(tǒng)卡籠箱的其他空槽位上，保證冗余卡件的安裝位置是上下對應(yīng)，方便系統(tǒng)的維護和管理。

a) 對于DO卡件的冗余改造，由于MC-PDOX02卡件不支持冗余配置，因而將16通道的MC-PDOX02卡件更換為支持冗余配置的32通道的MC-PDOY22卡件，即需要將現(xiàn)有的DO卡件(MC-PDOX02)和相應(yīng)的FTA卡件(MU-TDON12)替換成MC-PDOY22和MC-TDOY22的卡件，F(xiàn)TA的位置不作修改。由于將16通道DO卡更改為32通道DO卡，所以繼電器到FTA的柜內(nèi)配線要做適當調(diào)整。

b) 對于溫度RTD/TC信號的冗余方案，將采用MC-PHAI01替代MC-PLAM02卡件，同時原FTA需要相應(yīng)地更換為MC-THAI14，并采用卡軌式安裝的安全柵MTL5074將RTD/TC信號轉(zhuǎn)化為4～20 mA信號。

c) 對于DI卡件的冗余改造，增加原類型的DI卡件，增加FTA電纜，F(xiàn)TA卡件不需調(diào)整，接線不動。

d) 對于AI卡件的冗余改造，增加原類型的AI卡件，增加FTA電纜，F(xiàn)TA卡件不需調(diào)整，接線不動。

2) 對于C系列卡件的冗余改造。確定單卡增加冗余卡件的類型及物理位置，需要增加原類型的卡件，并將底板變大，根據(jù)卡件物理位置的變化調(diào)整接線位置的變化。

3) 軟件組態(tài)部分的更改。對現(xiàn)有位置不變的卡件組態(tài)更改為冗余配置，卡件名稱保持不變；對現(xiàn)有位置發(fā)生變化的卡件組態(tài)更改為冗余配置，為維護方便，卡件的名稱也要隨著相應(yīng)位置的改變而重新命名。在做軟件組態(tài)以前，將現(xiàn)場所有卡件、通道的名稱統(tǒng)一做好備份，防止在更改卡件、釋放通道、重新組態(tài)的時候發(fā)生錯亂。

3.3 改造后注意事項

此次改造涉及的卡件較多，共計113塊，必須在裝置具備全停的情況下實施，且需要重新改線、布線，中間任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)疏漏，都會對現(xiàn)場造成二次隱患，因而改造完成后還應(yīng)注意以下幾點：

1) 端子接線要準確，改造過的113塊卡件的所有通道，均需測試，并做好相應(yīng)的記錄。

2) 端子接線要牢靠，要逐個檢查，不能出現(xiàn)虛接的現(xiàn)象。

3) 卡件的組態(tài)名稱要正確，要按照原來的規(guī)則去命名，方便以后查找故障。

4) 113塊卡所有通道被引用到CM點的組態(tài)文件，要逐一測試，防止閥門動作錯誤，甚至聯(lián)鎖動作錯誤，造成更嚴重的后果。

4 結(jié)束語

冗余配置是提高DCS穩(wěn)定性、安全性及可靠性的重要手段，通過此次對I/O卡件冗余的改造，進一步為正常生產(chǎn)提供更高的可靠性和安全性，減少因帶重要聯(lián)鎖點的單卡故障所帶來設(shè)備及生產(chǎn)的直接經(jīng)濟損失，確保人身、生產(chǎn)、設(shè)備的安全。

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賴紅嬌(1983—)，女，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，2005年畢業(yè)于大連工業(yè)大學自動化專業(yè)，獲學士學位，現(xiàn)就職于中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司機械動力部，從事儀表DCS管理工作，任儀表主辦。

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1007-7324(2015)01-0067-03

稿件收到日期： 2014-10-22。