在组态环节提高控制系统可靠性的探讨

2017-10-18

河南化工 2017年9期

关键词：卡件系统可靠性组态

(河南省煤气(集团)有限责任公司义马气化厂，河南义马 472300)

在组态环节提高控制系统可靠性的探讨

李帮军

(河南省煤气(集团)有限责任公司义马气化厂，河南义马 472300)

控制系统可靠性受到各种因素影响，用户在控制系统选择时，强调控制系统软、硬件的可靠性，在组态调试环节往往按设计意图实现功能，忽视了通过组态提高系统可靠性，造成资源浪费，本文从控制系统组态优化经验入手，分析以组态提高系统可靠性的方式方法。

三选二；延时判断；故障安全模式；限幅

0 引言

控制系统的主要作用是对生产过程进行监视、控制、管理和决策，随着控制系统的广泛应用，集中管理、分散控制的优越性日益明显，人们对控制系统可靠性的要求也越来越高。生产过程中使用的控制系统不仅有DCS系统，还包含ITCC、SIS等控制系统。控制系统可靠性，一方面要求在规定的时间内，完成规定功能的能力，即可使用性；另一方面要求发生故障后通过维修使系统恢复运行的能力，即可维修性。在控制系统中，采用了许多提高可靠性的技术措施，这些技术措施是建立在以下四种基本思想上的：①要使系统本身不易发生故障，即所谓的故障预防；②在系统发生故障时尽可能减少故障所造成的影响，即所谓的故障保安和故障弱化；③当系统发生故障时，能够让系统继续运行，即所谓的故障容许；④当系统发生故障时，可以在不停止系统运行的情况下进行维修，即所谓的在线维修。

控制系统厂家从硬件可靠性及软件可靠性两方面来解决，硬件主要考虑提高元器件和设备的可靠性；采用抗干扰措施，提高系统对环境的适应能力和冗余结构设计。软件主要考虑测试技术、故障自诊断技术、自动检错、纠错技术、系统恢复技术方面的设计。系统成本在不断增加，但在用户组态调试环节往往按设计意图实现设计功能，忽略了系统可靠性需求，造成资源浪费。从多种控制系统以生产为

中心追求可使用性，在生产实践过程中组态不断优化改进经验，分析以组态提高系统可靠性的方式方法。

1 三选二逻辑结构组态

随着科技进步，现场仪表平均无故障时间大幅提升，由于受到现场环境、安装情况、操作人员技术水平等因素制约，仪表故障率大幅下降，但不能完全避免。单台仪表故障造成生产装置停运，事故损失巨大。《信号报警、安全联锁系统设计规定》对于冗余的传感器，当重点考虑系统安全性时，应采用二取一逻辑结构，当重点考虑系统可应用性时，应采用二取二逻辑结构，当系统安全性和可应用性均需保障时，一般采用三取二逻辑结构。装置或机组停车联锁关键仪表设计时从可靠性考虑，需兼顾安全性和可应用性，设计为3台仪表检测，三选二逻辑结构保障安全性和可应用性。非关键仪表可引入其它显示仪表或者增加仪表实现三取二或二取二逻辑结构。三取二逻辑结构如图1所示。

图1 三取二逻辑结构组态

从三选二逻辑可以看出，任意一台仪表故障，不能触发联锁输出，不会造成装置或机组联锁误停车。故障仪表报警信息，提示维护检修人员及时处理故障仪表。在三取二逻辑结构组态时参与联锁的单台仪表故障，能保证系统继续运行，不会造成联锁误动作，采用了故障容许技术措施，提高了系统可靠性。机组油压联锁、装置停车联锁全部采用三取二逻辑结构，轴瓦温度联锁、原设计单点联锁等重要联锁采用二取二逻辑结构，基本避免了因仪表故障造成的误联锁停车。

2 延时判断组态

仪表在工业生产的现场使用环境非常复杂，被测量的参数转换成微弱的电流或电压信号，并通过长距离传输至控制系统。除有用的信号外，经常会出现一些与被测信号无关的电压或电流“干扰”。干扰的来源除常见于电焊、雷电等电气干扰，还存在电噪声、热噪声、温度效应、化学效应、振动等都可能给测量带来干扰。在控制监控过程中，如果不能有效排除这些干扰，控制系统就不能够正常的工作。通过分析干扰波形不难发现，仪表受到外界干扰时模拟信号为正常测量信号和干扰脉冲波的叠加，其中的干扰脉冲波时间较短，幅值较大。调整仪表阻尼时间常数能缓解检测器遭受到的干扰，无法避免线路干扰。逻辑运算采用延时判断功能对信号使用进行处理，能有效避免干扰影响。温度、料位信号变化缓慢，延时时间选取3～5 s，压力和流量信号变化较快，延时时间选取1～3 s，对于要求苛刻的指标，即使延时0.5 s对大部分干扰也可以有效克服。延时判断功能组态根据检测对象确定合适的延时时间，需要对每个参与逻辑运算的参数进行信号处理，程序组态简单易行。延时判断组态如图2所示。

图2 延时判断组态

延时判断功能对于干扰造成信号突变具有屏蔽作用。延时判断组态在出现干扰时，能有效过滤掉干扰信号，使系统本身不易发生故障，在信号逻辑运算处理以后，DO输出前全部采用了延时判断的功能。由于故障预防技术措施实施，系统可靠性显著提高。

3 故障安全模式组态

故障分为控制系统侧故障和现场侧故障。控制系统侧故障为控制系统IO卡件故障。IO通道故障处理模式需组态设定。AO和DO卡件在正常工作时，卡件通过总线接收控制器下发的数据信息并输出。卡件发生通讯故障，与控制器通讯中断时，卡件自动进入故障安全模式，输出组态预先设定的故障安全值或故障前的正常值，同时故障报警。故障恢复后，卡件与控制器重新建立通讯连接，卡件退出故障安全模式，重新接受并执行控制器下发的数据信息，报警解除。

AI和DI卡件发生内部故障或通道故障时，卡件上报诊断信息，有关故障灯亮，故障恢复后，故障灯熄灭，同时上报故障恢复信息。在组态时，逻辑运算引入通道状态信息，在数据异常时进行特殊处理(例如三输入求均值，引入三个输入通道状态，在一个通道故障时，自动切除该通道值，改为二输入求均值，避免错误)。

在IO卡件发生故障时，卡件自动进入故障安全模式，尽可能减少故障所造成的影响，采用故障保安和故障弱化技术措施提高可靠性。浙江中控ECS-700系统和艾默生DELTAV系统均设置了故障安全模式。

现场侧故障为回路出现故障。ITCC、SIS等控制系统具有回路检测功能，系统检测到出现回路故障时，根据事先组态将输入输出强制在安全状态。数字量输入模块具有专门的自测试电路，在检测到有输入故障时，把测量输入值强制在事先组态的安全状态；数字量输出模块一旦检测出故障，电压数字输出模块上的每个点都需要周期性的在ON或OFF状态上循环，以保证100%的故障覆盖率；模拟量输入模块可根据需要组态为输入高限或低限的开路检测，模块对各通道电路进行全面的不间断的诊断，任何一条分电路上在任何诊断中发现有故障时，如果输入值低于低限，主处理器会收到一个下限值；如果输入值设置高限，主处理器会收到一个上限值；热电偶输入模块可在窗口上设置隔离的热电偶模块的上刻度或下刻度偶丝烧断检测。如发生热偶烧毁，或者热电偶的输入电压超限，主处理器收到上刻度情况下的上限值，在下刻度情况下的下限值。浙江中控ECS-700系统和TRCON 1131系统故障均设置了回路检测功能。

4 二次确认组态

化工生产关键联锁或参数给定，必须慎重，组态要求二次确认。采取故障预防技术措施，使系统本身不易发生故障。开关量操作，配合当前值0或1时的状态，文字或者颜色进行提示，二次确认弹出状态改变后的提示信息，二次确认后生效。模拟量操作，二次确认弹出操作提示信息，二次确认后生效。对于特别关键操作，甚至在二次确认时要求输入密码才能操作，避免操作不当造成事故。联锁设定值、阀位、启停设备组态了二次确认，汽机DEH调试设置了二次确认输入密码保护。

5 输入、输出限制组态

化工生产关键部位操作不当，轻则造成系统波动，重则造成系统失控事故。精细化不仅要求操作人员按规程操作，还要求在控制系统组态时采用技术手段防止误操作。为防止误操作，对关键操作进行限制。对于操作面板，在组态时设定每次操作时的合理幅度，组态不同的操作幅度(例如阀门开关步长由5%改为1%，避免输出变化过快造成工况大幅度波动)；输入设定值时变化范围进行限幅，控制在合理范围内，在超过幅值时，按最大或最小值处理，避免意外发生。输入限幅组态如图3所示。

图3 输入限幅组态

采用输入限幅组态，输入给定值AM1限制在60～80，即使输入值大于上限80，控制系统执行只按最大值80执行，一定程度避免造成事故。输入、输出限制组态在输入错误发生时尽可能减少错误所造成的影响，采用故障保安和故障弱化技术措施，提高系统可靠性。关键调节阀开关步长由5%改为1%、0.5%、0.1%等多种，硝铵氨空比、重要手操阀、重要设定值采用了输入限幅。

6 停机状态确认

机组油泵、锅炉给水泵等启备用泵，经常用到一台设备停止后联锁其它气动备泵。设备停止状态判断失误将导致联锁设备误动作或者不动作。在组态时采用故障预防技术措施，要使系统本身不易发生故障，为准确判断设备停止，使用设备运行状态开关量信号和设备电流模拟量信号<5 A进行逻辑与运算，当重点考虑系统安全性时，应采用二取一逻辑结构，当重点考虑系统可应用性时，应采用二取二逻辑结构。

7 首出控制组态

在过程控制中，利用控制系统运算速度快、精确度高的特点，利用枚举法对生产装置或机组设备停车条件的所有可能情况和非联锁动作情况，全部进行逻辑判断，从中锁定触发停车联锁的第一个条件，实现联锁首出组态，再配以流程图展现所有生产操作、运行监控和维护检修信息，自动锁存联锁首出，实现停车联锁时故障点准确定位。快速判断故障点，迅速解决问题，缩短分析判断时间，进而减小平均维修时间MTTR，提高设备利用率。首出控制组态提高系统可维修性，在发生故障后通过缩短维修时间使系统尽快恢复，提高了系统可靠性。机组、锅炉和气化炉全部组态了联锁首出，不仅准确定位了动作原因，还显著缩短了故障查找时间。

8 人性化组态

仪表是工艺的眼睛。工艺操作以控制系统为媒介，借助于流程画面，声光报警进行生产操作，需要人性化组态，准确指导工艺生产。控制系统“机器”的显示设计应符合人的生理、心理特点，以减少人的失误。显示器设计的基本原则是视觉显示信号应易于感知，它必须满足能见性、清晰性和可懂性。

设备运行状态热电行业习惯红色运行，绿色停止；化工行业习惯绿色运行，红色停止。操作工调岗后容易导致习惯性误判断，设备状态在颜色显示时最好配以文字“运行状态”、“停止状态”提示。

文字提示要全面，例如状态、命令提示，操作按钮“开”、“关”显示为“开状态”、“关状态”或者“开命令”、“关命令”，联锁投切，提示为“联锁投入状态”、“联锁切除状态”或者“联锁投入命令”、“联锁切除命令”。

关键工艺指标控制，除系统自带报警外，程序组态逻辑控制，达到报警值时DO输出到外置声光报警器，用强烈的声光报警信号提示工艺生产调整。关键参数重点提示，例如锅炉给水自动调节，在PID退出自动后，除正常声光报警外，弹出“给水手动！”红色闪烁提示工艺调整。操作指导组态。容易出现错误或生僻的操作，组态预先制定操作指导内容，分步骤明确操作内容和操作要点，直至完成操作。