分散控制系统冗余性及其合理性分析

发布：2018-12-18 | 点击：人次

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根据分散控制系统特点，本文从分散控制系统硬件、性能及功能等三方面，分析了分散控制系统的冗余性配置及其合理性。

目前，分散控制系统已应用到工业过程控制的各个方面，其控制的灵活性、多样性、可靠性已被实践所证明，并得到了人们的认可。但是，要设计和选择一套成功的分散控制系统，关键是处理好分散控制系统的冗余性配置。冗余性配置的合理性直接影响分散控制的可靠性和工程造价，因此如何合理地选择冗余性配置是分散控制系统组态的关键。

冗余性一词来源于英文"redundancy"。本意是指多余、冗余、剩余等意思，引用到分散控制系统，一般是指控制系统硬件性能或功能的热备用能力或富裕度。但是根据国际通行的说法，如果指分散控制系统主控制器（过程控制器）冗余，则是指主控制器1:1在线热备用。

分散控制系统的冗余性可概括分为三种冗余，即硬件冗余、性能冗余和功能冗余。下面分别进行分析探讨。

一、分散控制系统的硬件冗余性

硬件冗余性主要包括二部分。一部分为系统内部硬件配置冗余，包括通信网络冗余、主控制器冗余或I/O卡件冗余以及外部信号的冗余等。对于一般分散控制系统，数据通信高速公路、主控制器基本上均采用1:1热备用标准冗余配置;而I/O卡件的冗余，则因厂家的不同或工程造价上的制约，有不同的处理方式，如有的采用n+l备用方式、三取二备用方式或1:1备用方式，也有的仅采用通道备用或组态优化方式保证主要信号的可靠性，有的完全不采用冗余配置。

另一部分的硬件冗余是指电源配置冗余。一般分散控制系统电源冗余多采用两路电源，即双电源配置冗余。但是因厂家的不同，具体配置略有不同，如采用双交流供电（图1）或一路220VAC、另一路220VDC或ll0VDC供电（图2）等。

电源的冗余配置要根据控制对象的不同和分散控制系统自身特点的不同进行详细设计，不能一概而论。外部电源传统上一般采用单UPS作为上级供电电源，如果工程造价许可，也可以采用双10O%UPS作为冗余备用工作电源。传统的单UPS供电方案如图3。

二、分散控制系统的性能冗余

性能冗余主要是对分散控制系统的通信速率、存储能力等性能的富裕度要求，是保证控制系统在任务繁忙时信息处理、运算、控制的峰值满足分散控制系统正常功能的基本要求。一般，在工程设计中应严格控制、合理考虑各项性能指标的冗余性要求，以保证峰值工况及分散控制系统正常处理能力为度，否则会造成工程造价的升高，影响成本和性能价格比。一般，分散控制系统冗余性主要控制指标如下:

（1）分散控制系统通信网络负荷率＜40%;

（2）分散控制系统主控制器的平均负荷率＜40%，zui高负荷率≯60%;

（3）主控制器存储器容量平均占有率＜40%;

（4）分散控制系统电源负荷裕量为30%～40%;

（5）I/O点数在线热备用＞10%;

（6）I/O卡件槽位备用＞15%。

三、分散控制系统的功能冗余

功能冗余主要包括二个方面的内容。一方面为功能设计的冗余性组态;另一方面为控制技术软件采用容错技术，实现系统软件和应用软件的容错处理，达到系统性能的冗余，提高系统的可靠性。如分散控制系统中输入开关量和模拟量信号的三取二或三取中处理计算软件、输入信号的断线或断藕保护等容错冗余技术;分散控制系统中采用的自诊断功能、专家系统、CCS控制采用的解析冗余万法等冗余技术;以及炉膛火焰信号灭火判断的处理等等。

分散控制系统主控制器功能组态，是分散控制系统应用成功与否的关键。因此，在分散控制系统功能设计时应注意采用冗余设计，这可以大大提高分散控制系统的可靠性，达到事半功倍的效果。功能设计主要是充分利用分散控制系统冗余主控制器的自主工作能力的特点，在设计中做到功能分散、危险分散，确保整个被控对象不因某一局部系统或设备影响整体运行或安全。其主要特点是，根据被控对象主要设备的冗余布置特点来选择不同的主控制器控制。如送、引风机A、B两侧系统，A、B小汽轮机给水泵，制粉系统中A、B、C、D、E、F磨煤机控制等，分别由不同的主控制器控制，以确保分散控制系统的冗余与被控对象的合理冗余配置及有机结合，着眼于整个被控对象和控制设备的zui大冗余性，实现整体控制的zui大可靠性。

四、结论

总之，在分散控制系统的设计、制造和应用中，冗余性及合理性是分散控制系统技术问题的关键，它体现在硬件、性能和功能三个方面的冗余性，贯穿设计、制造、应用的各个方面。分散控制系统采用冗余技术，合理考虑其冗余性，其实质就是要把分散控制系统的冗余性、可控对象系统的冗余性综合考虑，合理去舍，达到完美的统一，zui终确定分散控制系统应用的工程造价和分散控制系统的可靠性。因此，分散控制系统的冗余性及其合理性分析是分散控制系统设计、制造和应用的关键技术和核心要求。

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分散控制系统冗余性及其合理性分析