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基于DCS系統(tǒng)的冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn)
摘要：冗余，也就是備份。在工業(yè)控制或在航空、航天領(lǐng)域，為了提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，一般都使用冗余的技術(shù)。本文主要介紹冗余技術(shù)在DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：冗余DCS系統(tǒng)
　　0 前言
DCS系統(tǒng)是石油、化工、電力、冶金等領(lǐng)域中廣泛使用的一種控制系統(tǒng)，主要對現(xiàn)場的溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)進(jìn)行顯示和控制，對于某些涉及安全環(huán)保、產(chǎn)品質(zhì)量的工藝參數(shù)需在軟、硬件發(fā)生故障時自動切換到備用軟、硬件設(shè)備上，這種能在發(fā)生故障時自動切換到備用的軟、硬件設(shè)備上，而不影響原有系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的技術(shù)，稱為冗余技術(shù)。
DCS系統(tǒng)硬件冗余主要在以下幾個方面實(shí)現(xiàn)：
1 電源冗余
電源冗余就是對DCS供電的交流電、直流電進(jìn)行冗余，主要由以下4個層次：
1.1系統(tǒng)電源冗余
DCS的系統(tǒng)電源一般為220V的交流電，為了保證在市電斷電情況下，能繼續(xù)對現(xiàn)場的壓力、溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，故一般采用UPS對系統(tǒng)進(jìn)行供電。UPS是一種獨(dú)立于控制系統(tǒng)的設(shè)備，它一般由電池組、整流器、逆變器、高速電子切換開關(guān)等組成。UPS工作原理圖如下：
圖1.1 UPS工作原理圖
Fig.1.1 UPS principle figure
UPS的基本原理：正常情況下由市電給DCS系統(tǒng)供電，給電池充電，而在市電故障時，在斷電后很短的時間內(nèi)（ms級），由電池組通過逆變器對系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)不掉電，能繼續(xù)運(yùn)行。
對某些要求更高可靠性的系統(tǒng)，采用多臺UPS并機(jī)均流方式，這樣可以幾臺UPS同時給控制系統(tǒng)提供220V電源，當(dāng)一臺UPS出現(xiàn)故障后，并機(jī)控制程序自動將該臺UPS關(guān)機(jī)，其原負(fù)載由剩余的的UPS按照比例平均分配。
1.2控制器電源
控制器的電源一般為24V直流電源，它將UPS送來的220V交流電經(jīng)過轉(zhuǎn)換成24V電源供控制器使用，而電源轉(zhuǎn)換器為了保證運(yùn)行安全，一般也采取冗余技術(shù)，即使用二個電源轉(zhuǎn)換器，當(dāng)一個發(fā)生故障時，另一個能正常使用。如ABB的SD823直流電源就可以實(shí)現(xiàn)這個功能。
1.3數(shù)據(jù)卡電源
對某些重要的工藝控制參數(shù)，需要對其數(shù)據(jù)采集卡的供電采用冗余方式，以確保如果其中供電的一塊模塊出現(xiàn)問題，不影響數(shù)據(jù)采集卡的正常工作。通常這些重要的工藝控制參數(shù)是關(guān)系到生產(chǎn)裝置安全環(huán)保的重要參數(shù)或者是對平穩(wěn)生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量起到重要作用的工藝參數(shù)。
1.4現(xiàn)場儀表供電
對某些現(xiàn)場儀表的供電是由卡件自身的24V輸出供電的，這種方式的供電其實(shí)與數(shù)據(jù)卡電源供電方式一致。而對于某些外配24V電源對現(xiàn)場儀表進(jìn)行供電的，則實(shí)現(xiàn)方式與控制器電源冗余方式一致。
2 通訊冗余
2.1以太網(wǎng)冗余
主要是指操作站、控制站之間的通訊冗余。一般操作站都配置兩個網(wǎng)卡、控制站（單臺）也需要配置兩個網(wǎng)絡(luò)接口，而對于冗余的控制器則需要配置4個網(wǎng)絡(luò)接口，即每臺控制站2個接口。這樣就可以組成一個雙網(wǎng)，僅IP地址中的網(wǎng)絡(luò)不同。如192.168.0.1與192.168.1.1，它就可以是一臺控制器中2個網(wǎng)絡(luò)接口的地址。
圖2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
紫色線表示profibus-DP 藍(lán)色線表示fibre profibus cable
Fig.2.1 network topology figure
Purple line represents the profibus-DPBlue line represents the fibre profibus cable
2.2工業(yè)控制網(wǎng)冗余
控制網(wǎng)冗余主要是指控制器與I/O卡件之間的數(shù)據(jù)通訊冗余。一般配置2塊數(shù)據(jù)通訊卡來與I/O卡件進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
3 控制部件冗余
3.1 服務(wù)器冗余
服務(wù)器冗余是指重復(fù)配置系統(tǒng)的一些部件,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,冗余配置的部件介入并承擔(dān)故障部件的工作,由此減少系統(tǒng)的故障時間。
在密閉式直流電爐實(shí)際生產(chǎn)過程中，為了保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性，必須保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行正常。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行為寶貴的是數(shù)據(jù)。存儲是網(wǎng)絡(luò)的核心，數(shù)據(jù)是網(wǎng)絡(luò)的靈魂。所有過程的數(shù)據(jù)交割均由其計(jì)算中心的核心系統(tǒng)所提供，任何人為的錯誤，硬盤的損毀、電腦病毒、自然災(zāi)難等等造成的數(shù)據(jù)丟失，都將會造成無可估量的損失。有了服務(wù)器冗余技術(shù)就可以降低服務(wù)器的風(fēng)險(xiǎn)了。
圖3.1服務(wù)器冗余
Fig.3.1Schematic diagram of server redundancy
3.2控制器冗余
一般的DCS系統(tǒng)都設(shè)置為冗余系統(tǒng)，當(dāng)一臺控制器發(fā)生故障后，會自動切換當(dāng)另一臺控制，不影響數(shù)據(jù)的采集、控制。兩臺控制器之間的數(shù)據(jù)區(qū)采用兩種方式，一種是公用數(shù)據(jù)區(qū)，另外一種是各自有數(shù)據(jù)區(qū)，處于熱備的控制器實(shí)時從運(yùn)行的控制器中讀取數(shù)據(jù)，保存在自己的數(shù)據(jù)區(qū)中，從而可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)行性。
3.3 I/O模塊冗余
對某些重要的I/O點(diǎn)來說，其正常采集關(guān)系到生產(chǎn)的正常，如一般將參與PID控制的I/O點(diǎn)進(jìn)行冗余。對這些I/O點(diǎn)都采用雙I/O模塊，當(dāng)運(yùn)行模塊發(fā)生問題或遇到故障會自動切換到熱備的模塊，從而保證對現(xiàn)場工藝參數(shù)采集和控制不間斷。
4結(jié)論
冗余技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的使用很廣范，從電、通訊、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)1/0等不同的層次實(shí)現(xiàn)冗余，保證生產(chǎn)的正常。近年來，某些更高可靠的場合使用3選2技術(shù)或多選2技術(shù)，使得系統(tǒng)的可靠性更高。
參考文獻(xiàn)
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