陳 晨，歐 偉，殷利杰

（1.華中電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 電控部，鄭州 451450；2.河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院 電控部，鄭州 450007）

0 引言

隨著發(fā)電廠(chǎng)自動(dòng)化程度逐步提高，海外發(fā)電項(xiàng)目大都需要履行更加嚴(yán)格的SIL3（Safety Integrity Level 3）標(biāo)準(zhǔn)，這些因素使得分散式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）的安全性和可靠性水漲船高。三模冗余（Triple Modular Redundancy，TMR）作為DCS發(fā)展中成熟可靠的控制新技術(shù)，已在國(guó)內(nèi)發(fā)電廠(chǎng)重要保護(hù)、重要協(xié)調(diào)子系統(tǒng)，諸如爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（Furnace Safeguard Supervisory System，F(xiàn)SSS）、數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（Digital Electronic Hydraulic Control，DEH）[1]、汽輪機(jī)跳閘保護(hù)系統(tǒng)（Emergency Trip System，ETS）中廣泛應(yīng)用[2,3]，采用TMR技術(shù)的DCS在外部可以達(dá)到SIL3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其系統(tǒng)自身的性能也得到大幅度提高。

圖1 三模冗余技術(shù)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of TMR technology

1 三模冗余技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)及原理

三模冗余（TMR）是發(fā)電廠(chǎng)分散式控制系統(tǒng)（DCS）的一個(gè)新技術(shù)及發(fā)展方向，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。從輸入模塊，經(jīng)過(guò)主處理器到輸出模塊完全是三重化的[4,5]。

1.2 主要部件功能介紹

1）輸入模件：包括數(shù)字量輸入模件、模擬量輸入模件和脈沖輸入模件。每個(gè)輸入模件都有3條獨(dú)立的分電路，每條分電路異步檢測(cè)輸入信號(hào)，并將結(jié)果導(dǎo)入獨(dú)立的輸入表中。

2）主處理器：接收并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以備用于硬件表決。

3）三重化總線(xiàn)（TRI總線(xiàn)）：每次掃描開(kāi)始時(shí)，使每個(gè)主處理器保持同步，并且傳輸和表決輸入數(shù)據(jù)、傳輸診斷數(shù)據(jù)和通訊數(shù)據(jù)。

4）輸出模件：包括數(shù)字量輸出模件和模擬量輸出模件。數(shù)字量輸出模件對(duì)每一開(kāi)關(guān)進(jìn)行單獨(dú)的三取二表決過(guò)程；模擬量輸出模件根據(jù)分電路之間的輪換規(guī)則，連續(xù)輸出信號(hào)。

1.3 工作流程

1）輸入模件通過(guò)3條分電路輪詢(xún)輸入數(shù)據(jù)，并通過(guò)I/O總線(xiàn)將每個(gè)輸入表傳輸至各自對(duì)應(yīng)的處理器中。

2）3個(gè)主處理器利用其專(zhuān)有的高速三重化總線(xiàn)進(jìn)行相互通訊，每次掃描，每個(gè)主處理器都存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并通過(guò)總線(xiàn)與其相鄰的另外兩個(gè)主處理器通訊，達(dá)到同步。

3）三重化總線(xiàn)對(duì)數(shù)字輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行表決，把輸入數(shù)據(jù)復(fù)制并送到各個(gè)主處理器，主處理器執(zhí)行各種控制算法，算出輸出值，并發(fā)送至各輸出模塊。

4）輸出模件按多數(shù)原則對(duì)輸出值再次進(jìn)行表決/選擇，并糾正偏差。

5）模擬輸入信號(hào)則是在模擬輸出選擇器中進(jìn)行選擇。

由此可見(jiàn)，三重冗余技術(shù)是將三路獨(dú)立的、并行的控制系統(tǒng)和廣泛的診斷集成在一個(gè)系統(tǒng)中；用三取二表決提供高度完善、無(wú)差錯(cuò)、不間斷的過(guò)程操作，使其不會(huì)因?yàn)閱吸c(diǎn)的故障而導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

2 三模冗余技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與不足

2.1 優(yōu)點(diǎn)

1）可靠性：運(yùn)用三模冗余技術(shù)，控制系統(tǒng)中單個(gè)原件的故障不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2）適用性：三模冗余技術(shù)可以廣泛應(yīng)用在電力控制行業(yè)，當(dāng)運(yùn)用在發(fā)電廠(chǎng)分散式控制系統(tǒng)（DCS）中時(shí)，可以與冗余DPU或容錯(cuò)DPU適配。

3）安全性：三模冗余技術(shù)由于具有高度的診斷覆蓋率，因而運(yùn)用三模冗余技術(shù)的DCS可以達(dá)到SIL3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

4）高可用性：運(yùn)用三模冗余技術(shù)的DCS可在主處理器3個(gè)、2個(gè)或1個(gè)工作的情況下，正常運(yùn)行，故障模塊可在系統(tǒng)操作持續(xù)不中斷的情況下被替換。

2.2 不足

1）增加控制機(jī)柜數(shù)量：由于TMR技術(shù)采用了3臺(tái)處理器，輸入/輸出模件及機(jī)架不同于傳統(tǒng)的同類(lèi)產(chǎn)品，相關(guān)附件也一并增加。一般來(lái)說(shuō)，采用三模冗余技術(shù)的DCS機(jī)柜數(shù)量相較普通DCS多了一些，以商丘民生電廠(chǎng)為例，ETS控制硬件采用了TMR技術(shù)，共有196個(gè)點(diǎn)位，在考慮備用點(diǎn)位和內(nèi)部接線(xiàn)點(diǎn)位之后，在汽機(jī)電子間專(zhuān)為ETS設(shè)置了3面機(jī)柜，多于同類(lèi)機(jī)組的1面機(jī)柜[6]。

2）提高了控制系統(tǒng)概算：因?yàn)槌杀咎岣撸捎萌Ｈ哂嗉夹g(shù)，將使DCS的概算增加，同樣I/O點(diǎn)位越多，概算增加額越大。

3 三模冗余控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

國(guó)電投商丘民生供熱電廠(chǎng)為2×350MW超臨界燃煤凝汽式發(fā)電機(jī)組，在該工程中，汽輪機(jī)跳閘保護(hù)系統(tǒng)（ETS）采用FOXBORO公司開(kāi)發(fā)的TRICON系列硬件，該系統(tǒng)具備三模冗余的功能，具有可診斷到模件級(jí)的自診斷技術(shù)，能夠保證任何個(gè)別元件、模件或組件故障不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作，不會(huì)導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)或拒動(dòng)，也不會(huì)導(dǎo)致任何設(shè)備狀態(tài)的改變或主設(shè)備故障，大大提高了ETS的安全性和可靠性。商丘民生供熱電廠(chǎng)自從2018年11月第一臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)，機(jī)組運(yùn)行正常，控制策略得當(dāng)，DCS運(yùn)行安全穩(wěn)定，控制系統(tǒng)完全滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。

4 結(jié)論及展望

隨著海外發(fā)電市場(chǎng)的拓展和DCS控制技術(shù)和策略的不斷進(jìn)步，控制理念的不斷深化，在可期之未來(lái)，相關(guān)機(jī)構(gòu)也勢(shì)必會(huì)針對(duì)國(guó)內(nèi)的發(fā)電項(xiàng)目制定與SIL3相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。三模冗余技術(shù)因其特有的準(zhǔn)確性和可靠性，將會(huì)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于分散式控制系統(tǒng)中。目前，市場(chǎng)上已有FOXBORO公司的TRICON系列產(chǎn)品、GE新華公司的NEXUS系列產(chǎn)品采用了TMR控制技術(shù)，而國(guó)電智深公司也在積極研發(fā)具備TMR技術(shù)的控制系統(tǒng)，DCS層面競(jìng)爭(zhēng)激烈，可選擇性較大。針對(duì)控制機(jī)柜數(shù)量增多的問(wèn)題，需要投資方及設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)發(fā)電廠(chǎng)電子間盤(pán)柜布置時(shí)考慮足夠的盤(pán)位。隨著DCS技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)化生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和人力成本的節(jié)約，采用三模冗余技術(shù)的DCS硬件價(jià)格劣勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步縮小，進(jìn)而其技術(shù)優(yōu)勢(shì)將會(huì)更加充分地體現(xiàn)。