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摘要：随着信息技术在石油化工领域的应用日渐深入，石油化工的信息化、自动化发展速度随之提升，石油化工系统的智能化程度也不断提高。为实现连续、可靠、安全、经济的石油化工生产运行，不断增强的冗余功能为容错实现奠定的基础必须得到重视，必须认识到冗余的目的是为了容错，且容错可按容错规模、软硬件进行划分。为保证冗余容错技术能够较好用于石油化工自控设计，本文围绕该课题开展了具体研究，深入研究了石油化工自控设计中软硬件的冗余容错设计，同时关注了自控设计阶段的冗余容错，希望为冗余容错技术的合理应用带来一定帮助。
关键词：石油化工自控；冗余；容错；DCS组态
1.石油化工自控设计中软硬件的冗余容错
1.1 控制系统硬件
DCS系统广泛应用于石油化工自控领域，主要负责生产过程的操作控制、常规控制、连续测量管理。为实现现场控制设备与DCS系统的直接交互，现场控制站需在其中发挥关键性作用，因此控制系统建立的冗余配置实施需围绕网络通信单元、电源单元、重要输入/输出信号转换单元、主控单元展开。以主控单元为例，冗余配置包括故障自检电路、冗余切换电路，同时还需要开展热备份，并实现网络数据的同时接收和控制运算的同时进行，完成数据的实时更新。如运行过程出现故障，主控单元的备份单元会自动进入工作状态，无扰动的切换可由此实现。用于SIS系统的ESD系统主要负责生产装置整体运行情况的监视，紧急停车联锁系统可在发生重大异常工况时迅速启动，生产装置和人员的安全可由此得到保障。TS3000属于先进容错控制器，其拥有三重模块冗余结构，能够在一个系统中集成广泛诊断、并行输入控制系统，实现不间断、无差错的过程控制，这使得系统失效不会因单点故障出现。通过在输入模块将传感器信号分成隔离的3路，配合独立的3个通道，即可通过3个主处理器进行数据表决，这一过程需遵循多数原则，输入数据的任何偏差均需要纠正。而在主处理器向输出模块的输出过程中，“方形表决器”会负责数字信号的输出表决，总的反馈电路存在于表决电路中，由此即可通过校验完成潜在故障诊断，模拟输出选择器可实现模拟信号选择。对于安全仪表功能，基本过程控制系统需要与逻辑运算器分开。
1.2 DCS、ESD组态设计
完整工艺过程可基于需要分为若干组，各组的独立性需要在硬件组态控制时得到充分考虑，并在各自的输入/输出部件连接各组信号，这就使得相应的组仅会受到对应部件故障影响，其他组不会受到影响。需将信号（不同采样周期）组态在一起，以此实现负荷分散。如系统的分散控制系统装置为单、多回路控制器，控制回路需在同一输入/输出部件上接入输入/输出信号，通信的吞吐量可由此减少。如分散装置采用数据库共享，必须权衡设计和组态利弊，合理配置，避免回路不能正常工作、回路信息盲区等情况出现，以提高容错能力。对于多台并行的生产设备，需关注每个设备上的多个不同种类的检测信号，如液位、流量、压力、温度，并针对性采用不同设计，如以设备为单元、以同类输入信号为单元、将不同的检测信号组成一个单元。以将不同的检测信号组成一个单元为例，通过将不同种类的信号连接每个输入部件，某一输入部件故障影响可由此降到最低，设备上其他的工艺参数可满足故障发生时的操作需要，但这一设计存在维护和接线工作量较大的不足，这一不足的克服必须得到重视。
1.3 软件功能模块
为实现软件容错，ESD系统和DCS系统提供的软件功能模块必须得到充分利用，以提高检测回路、控制回路的容错能力。对于主要联锁回路，传感器设置需根据SIL，一般数量应控制在2或3，以进行三取二表决并针对性编制程序；对于联锁回路，延时继电器设置需基于ESD系统或DCS系统的计时器功能块实现，被保护对象的特点和要求也需要得到重点体现，电磁干扰或电压波动产生的瞬间错误信号可由此屏蔽；对于DCS系统，可结合使用PID控制和逻辑开关控制，如一个控制出现超出某一极限的控制偏差，开关控制自动启动，以迅速减小偏差，而对于处于在极限范围内的偏差，DCS系统自动切换为PID控制。
通过DCS的顺控功能或逻辑开关控制功能，可基于处于工艺异常状态的仪表、处于不正常状态的部分仪表，采用不同的控制策略，虽然控制水平会因此出现一定下降，但系统的完整性几乎不会受到影响，仍能够较好胜任当前状况。以锅炉液位控制为例，正常时投入三冲量控制，如上水流量和汽包液位、蒸汽温度、蒸汽压力、蒸汽流量测量回路出现问题，三冲量控制可自动切换为单冲量控制或二冲量控制，控制系统失控问题可由此避免。
2.石油化工自控设计阶段应关注的冗余容错
在具体的石油化工自控设计阶段，冗余容错设置需关注输入/输出卡、电磁阀冗余配置、联锁动作、仪表供电、重要用电设备、仪表和控制系统接地等要点。对于输入/输出卡，应带通道间隔离、电磁隔离或光电隔离，以减少输入、输出信号受到的电磁等干扰，不必要的容错处理可由此减少；对于电磁阀冗余配置，需针对性选择串联连接或并联连接，前者的安全性更好，后者的可用性更高；对于联锁动作，为避免设备自启引发安全风险，需保证正常工况恢复后正常位置恢复需采用手动复位；基于仪表供电，需采用并联方式供电，设立独立开关服务于重要仪表，以避免多个仪表同时瘫痪情况出现。冗余的直流供电系统由并联运行的直流稳压电源组成，并选择具备负载平衡能力的直流稳压电源，且单台直流稳压电源具有带满负荷能力；对于重要用电设备，防晃闪装置需基于供电特定设计。由于仪表和控制系统接地采用齐纳式安全栅，本安系统需采用两根接地导线，接地系统可靠性可由此得到保障。借助DCS系统的顺控功能或者是逻辑开关控制，可以在仪表处于不正常状态或者是部分仪表处于工艺异常状态、不正常状态的时候，利用有针对性的控制措施，来降低当前控制系统的控制水平，但其仍是一个可以胜任当前状况的、完整的控制系统。
3.理论依据
目前，测量领域中对电子仪器种类、功能、精度以及自动化程度等方面的要求越来越高，而且还要求测试速度快、实时性好以及友好的人机界面，与传统的仪器设备相比较，虚拟仪器有很多的特点，可以较好地满足这些要求。虚拟仪器具有如下优点 ：
1）信号的分析、显示、存储、打印等功能由计算机来实现；
2）充分强调了“软件就是仪器”的概念 ；
3）仪器的功能和面板可由用户自己定义，使用户有充分发挥自己创新能力和想象力的空间 ；
4）虚拟仪器的软硬件都具有开放的工业标准，使资源的可重复利用率提高 ；
5）可以通过计算机网络构成复杂的测试系统，进行远程测试、监控以及故障诊断等。虚拟仪器强调“软件就是仪器”的概念，所以本文的重点部分是系统的软件实现。在具体的设计时，本实训教学平台硬件由模拟化工生产自动化控制对象、信息采集、处理、控制与实训操作台两部分组成，教学平台软件由 LabView、PID和模糊逻辑工具包、NI—DAQmx9.0.2版本数据采集驱动软件以及实训应用程序组成，LabView 软件包括高级信号处理工具包、数字滤波器设计工具包等。
结束语
综上所述，石油化工自控设计中冗余容错技术的应用需关注多方面因素影响。在此基础上，本文涉及的控制系统硬件、DCS与ESD组态设计、软件功能模块等内容，则提供了可行性较高的冗余容错技术应用路径。我国石油化工自控设计中，关于冗余容错技术，还有诸多潜在性能有待开发，必须进一步加强、加深对容错的研究，包括具备容错性能的模块化、网络化仪表装置以及冗余容错自控系统的理论与方法，以更好地推动石油化工的自动化、智能化发展。
参考文献:
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