上海烟草集团有限责任公司 郁晓波

冗余技术在锅炉房自控系统中的应用

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冗余技术是利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段，常应用于对可靠性要求较高的自动化领域。文章从电源、控制器、控制网络、服务器及上位软件等方面详细描述了冗余技术在锅炉房自控系统中的应用，通过冗余实现了锅炉房自控系统的可靠运行，为提供安全可靠能源作出了有力保证。

冗余技术 控制器 控制网络

冗余技术又称储备技术，它是利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段，它通过重复配置系统的一些部件，当系统发生故障时，冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作，由此减少系统的故障时间，在自动化的许多领域，由于对系统可靠性的高要求，因而对自动化系统的容错水平的要求也变得越来越高，尤其在设备停机代价非常大的场合。为了满足这些严格的要求，在系统中通常采用冗余技术，这样才能够满足这些领域所需要的安全性、可靠性和有效性的标准。

我厂锅炉房需提供全厂生产、生活用蒸汽，现使用2台20 t和1台30 t燃气锅炉，燃烧介质是天然气，产生压力约为 1.15 MPa的蒸汽，供工厂生产使用，同时通过压力调节装置将压力降低至0.52 MPa，供工厂生产、生活使用。其控制系统的可靠运行不仅直接影响蒸汽的及时供应，影响生产，有时甚至会引起安全事故，因此控制系统就将安全可靠性作为设计的第一要素，其自然而然引入了冗余控制技术。其控制结构如图1所示，下面就分四个方面介绍冗余控制技术在锅炉房控制系统中的应用。

图1 锅炉房自控系统结构示意

1 控制系统电源冗余

在控制系统中电源的重要性显而易见，再可靠的系统没有电的话等于零，在本系统中采用双电源自切UPS供电的模式。双电源自切是指由两路电源供电，任何一路断电时自动切换到另外一路电源继续供电，但在切换时有瞬时的掉电，因此在中间加UPS，既作为断电保护，又可以对电源净化。

在本系统中选用APC 15 kVA、0.5 h后备的UPS。

2 控制器冗余

2.1 控制器电源冗余

在高端控制器产品中普遍采用双电源系统，这两个电源是负载均衡的，即在系统工作时它们都为系统提供电力，当一个电源出现故障时，另一个电源就承担所有的负载。

在本系统中采用2块PS 407 10A R电源模块。

2.2 CPU冗余

分布式处理单元的冗余根据冗余度可以分为冗余度为1:1和1:n两种情况，这两种方式各有优缺点。本系统冗余度为1:1的冗余设置，即将2块组态完全一样的控制器设置成冗余方式。在投入运行时，若出现故障，两 CPU单元之间能实现无扰动切换，保证系统的正常运行。

本系统所采用的CPU单元为S7 CPU414-4H，均带3个网络接口，其中2个网口分别连接到A网和B网，实现各工作站点间的数据通信，第3个网口通过对等网数据连接子 CPU单元间，用来传输主、从CPU单元之间的备份数据；CPU单元之间的状态信息由串口传输。

冗余CPU单元的工作原理：两个CPU单元硬件配置完全相同，内部装有相同的操作系统，相同的组态软件，相同的组态信息。在同一时刻只有 1个 CPU单元通过双机交换卡接受过程信息并进行运算处理，最后产生控制结构去控制过程设备，此CPU单元称为主CPU单元。同时冗余CPU单元并没有闲置，它在每一个工作周期都通过双机之间的光纤对主 CPU单元所接受的过程信息和运算结果进行实时拷贝，这样冗余CPU单元始终与主CPU单元同步。冗余 CPU单元同时检测拷贝的信息是否完整，是否在所允许的容错度内。一旦信息不完整或报错，则说明主 CPU单元工作不正常。在这种情况下，冗余CPU单元通过光纤将主CPU单元旁路，同时切换为主 CPU单元继续工作。切换时间选用最短的运算周期(几十ms或更短)，从而实现无扰动切换，等到主 CPU单元恢复正常后，冗余CPU单元自动把控制权交还给主CPU单元，转为冗余备份状态。

2.3 输入输出冗余

输入输出冗余是指在重要控制回路中，从现场传感器到I/O到输出调节的冗余控制。根据控制要求，我们将除氧压力、除氧液位和低压蒸汽压力的控制回路做冗余输入输出。下面例举低压蒸汽压力控制回路来描述。现场分别用压力传感器A和B将压力信号通过2块AI反馈给控制系统，控制系统通过计算后将输出控制值通过2块AO输出至调节阀A和B，在控制策略上可以设置主控回路优先控制，当主控达不到控制要求时，备控投入运行。如将A回路作为主控时，根据设定压力0.55 MPa进行调节控制，当压力低于0.50 MPa时B调节回路投入运行，直至压力高于0.58 MPaB回路退出运行，这样就保证了任何一个控制回路中的元件损坏，都不会影响控制调节，从而保证了压力的稳定。

3 控制网络冗余

如图1所示，在本控制系统中存在2个网络，一个是管理层和控制层之间的通信网络，另一个是过程控制层与底层I/O卡件层之间的通信网络。上层网络主要的作用是实现管理层对控制层实时检测，和对下层控制器的配置设置等任务。下层网络是为了把I/O卡件采集的数据传送到过程控制层，然后把控制层的控制数据传送给I/O卡件。这2个网络在控制系统中的重要性是不言而喻的。

针对上层网络模块的冗余，采用支持链路冗余功能的工业以太网交换机SCALANCE 212-2，它们解决了由节点故障导致网络瘫痪的问题，提高数据通信的整体可靠性和容错性，为了保证2层网络的顺利工作，2个网络都采用1:1的冗余设置。CPU单元检测到主网出现故障时，自动放弃从主网的端口通信，同时启用冗余网的端口，将数据转由冗余网发送和接受。此时冗余网进入数据通信状态，主网及时进行修补。双环网技术实现了传输媒介的冗余，进一步提高了系统的可靠性。

4 服务器及上位软件冗余

服务器冗余是指重复配置系统的一些部件，当系统发生故障时,冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作，由此减少系统的故障时间，在服务器里，冗余系统配件主要有电源、存储子系统、磁盘镜像、磁盘双联、RAID、I/O卡、PCI总线和风扇冗余等，其中存储子系统是整个服务器系统中最容易发生故障的部位，本系统采用两台DELL T3500计算机作为冗余服务器，通过RAID即冗余磁盘阵列(Redundant Array of Inexpensive Disks)的方法实现该系统的冗余。通过一个控制器协调运动机制使单个数据流依次写入这几个磁盘中，本系统采用RAID1系统，它由2个磁盘构成，互为热备，任何一个出现故障都不会影响系统的正常运行。

上位软件本系统配备的是GE公司iFIX软件，iFIX Profsnl SCADA Unlimited Server作冗余服务。iFIX冗余系统是如何实现的？首先在两台服务器上分别安装SCADA_A和SCADA_B软件，包括iFIX HMI Pak和iFIX Redundancy选项，所有计算机通过以太网连接，SCADA_A和SCADA_B上的过程数据库的定义是完全一样的，两台机器上的IO通讯同时进行，在 SCU(iFIX 配置菜单)中SCADA_A配置成主机，SCADA_B配置成备用机。在选取数据源时，只会看到一个远端的计算机节点名，服务器设置SCADA_A的Partner是SCADA_B，SCADA_B的Partner是SCADA_A。正常情况下，两台SCADA同时读取硬件数据，但是客户端只从主服务器读取数据，即客户端只能看到SCADA_A来的数据，报警和历史数据采集，SCADA_B不断通过以太网检查SCADA_A的状况，如发现她出了故障，便将主备角色进行切换并将其成为主服务器的消息发给客户机，客户机立即会将数据源切换到备用服务器，整个过程时间约为1~2 s，由于数据采集在两台服务器上同时进行的，故不会发生丢失，并且iFIX冗余选项可以进行网络报警同步，保证报警的一致性。当主机修复后又回到网络中时。

在锅炉房自动控制系统中，通过对电源、控制器、控制网络、服务器及上位软件的冗余设计，充分体现了安全可靠性作为系统设计的首选要素的理念，系统在实际运行中也体现了这一理念，投入运行至今未发生因控制系统故障引起的事故。

Application of the Redundancy Technology in the Automatic Control System of Boiler House

Shanghai Tobacco Group Co., Ltd. Yu Xiaobo

The redundancy technology is a method to use the parallel structure model to improve the system reliability, which is applied in the area where the system has a higher reliability requirement. The paper specifies the application of redundancy technology in the automatic control system of boiler house from different perspectives, and by this technology the reliable operation can be achieved, which provides the guarantee for the energy safety.

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