分散控制系統冗余性及其合理性分析

發布：2018-12-18 | 點擊：人次

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

目前，分散控制系統已應用到工業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，關鍵是處理好分散控制系統的冗余性配置。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組態的關鍵。

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，一般是指控制系統硬件性能或功能的熱備用能力或富裕度。但是根據國際通行的說法，如果指分散控制系統主控制器（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、分散控制系統的硬件冗余性

硬件冗余性主要包括二部分。一部分為系統內部硬件配置冗余，包括通信網絡冗余、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，數據通信高速公路、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優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控制對象的不同和分散控制系統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。傳統的單UPS供電方案如圖3。

二、分散控制系統的性能冗余

性能冗余主要是對分散控制系統的通信速率、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，分散控制系統冗余性主要控制指標如下:

（1）分散控制系統通信網絡負荷率＜40%;

（2）分散控制系統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）分散控制系統電源負荷裕量為30%～40%;

（5）I/O點數在線熱備用＞10%;

（6）I/O卡件槽位備用＞15%。

三、分散控制系統的功能冗余

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;另一方面為控制技術軟件采用容錯技術，實現系統軟件和應用軟件的容錯處理，達到系統性能的冗余，提高系統的可靠性。如分散控制系統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;分散控制系統中采用的自診斷功能、專家系統、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。

分散控制系統主控制器功能組態，是分散控制系統應用成功與否的關鍵。因此，在分散控制系統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或設備影響整體運行或安全。其主要特點是，根據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，A、B小汽輪機給水泵，制粉系統中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，實現整體控制的zui大可靠性。

四、結論

總之，在分散控制系統的設計、制造和應用中，冗余性及合理性是分散控制系統技術問題的關鍵，它體現在硬件、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的冗余性、可控對象系統的冗余性綜合考慮，合理去舍，達到完美的統一，zui終確定分散控制系統應用的工程造價和分散控制系統的可靠性。因此，分散控制系統的冗余性及其合理性分析是分散控制系統設計、制造和應用的關鍵技術和核心要求。

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分散控制系統冗余性及其合理性分析