關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線 可靠性
對(duì)于重要生產(chǎn)過程的控制如長流程、重要下游用戶、貴重物質(zhì)、危險(xiǎn)過程等，自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全可靠性極其重要。因它不僅關(guān)系到生產(chǎn)效率，甚至于生命和財(cái)產(chǎn)安全。在這方面人們不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，已達(dá)到很高水平。
我們應(yīng)假定控制設(shè)備的任何環(huán)節(jié)或元件都有可能失效，并分析由此對(duì)生產(chǎn)帶來的損害和危險(xiǎn)，以便采取相應(yīng)應(yīng)對(duì)措施。例如對(duì)閥門“氣開”和“氣閉”的選擇就是假定一旦閥門氣源發(fā)生故障，閥門會(huì)自動(dòng)達(dá)到一個(gè)相對(duì)安全的位置，即是一個(gè)簡單例子。
一 DCS的冗余及可靠性
隨著電子元器件可靠性和生產(chǎn)制造質(zhì)量保證水平的不斷提高，目前控制設(shè)備單機(jī)可靠性已達(dá)到很高程度，已能完全滿足那些規(guī)模和風(fēng)險(xiǎn)不太大的過程控制要求，如大部分PLC的應(yīng)用。但對(duì)于那些高危險(xiǎn)、高價(jià)值、長流程大規(guī)模的生產(chǎn)過程則還認(rèn)為不夠。DCS通常是采用“冗余”的措施進(jìn)一步提高其安全可靠性。對(duì)于那些風(fēng)險(xiǎn)集中的環(huán)節(jié)使用雙份的備份以防止其一旦損壞而影響全局。DCS冗余示意圖如圖1。
比較簡單的做法是兩套設(shè)備同時(shí)工作，如一套損壞，另一套繼續(xù)正常工作，以便在不停車條件下更換或維修損壞的一套。但要確定究竟是哪套損壞則需人工判斷。操作站通常采用這種冗余方式。采用“冗余”提高系統(tǒng)可靠性的數(shù)學(xué)原理就在于多個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)生故障的概率要大大小于單個(gè)設(shè)備發(fā)生故障的概率。由數(shù)學(xué)計(jì)算可得出：當(dāng)雙備份冗余時(shí)，系統(tǒng)可靠度R提高到1.67倍，而平均無故障時(shí)間MTBF則提高到1.957倍。實(shí)際上系統(tǒng)可靠性提高效果還不止于此，因除同時(shí)損壞(可能性極小)外，我們不會(huì)等到兩套設(shè)備都損壞后再去維修。
另一種做法是一套設(shè)備工作，而另一套設(shè)備在等待中。一旦工作的一套設(shè)備損壞，另一套設(shè)備將接收不到其“健康”標(biāo)志，于是工作任務(wù)便自動(dòng)轉(zhuǎn)移到后備設(shè)備中。CPU卡通常采用該冗余方式。顯然這要比前一種做法的技術(shù)復(fù)雜。
輸入卡件可用同時(shí)工作的模式，但如發(fā)生數(shù)據(jù)不一樣時(shí)還應(yīng)判斷是哪一個(gè)損壞。輸出卡件則只能采用“后備”方式。
DCS通常的冗余原則是在顯示操作站、控制總線、CPU、電源及和閉環(huán)控制有關(guān)的I/O卡等風(fēng)險(xiǎn)集中、影響面大的環(huán)節(jié)考慮冗余措施，而普通采集場合的I/O則不予冗余以節(jié)省投資。顯然控制系統(tǒng)的可靠性除DCS外，還應(yīng)包括檢測變送儀表和執(zhí)行器在內(nèi)。
ESD(緊急停車)安全自保系統(tǒng)因其使用目的是萬一過程發(fā)生危險(xiǎn)故障，系統(tǒng)即進(jìn)入安全停車狀態(tài)，所以對(duì)其自身可靠性的要求比一般自控系統(tǒng)高一等級(jí)。它通常采用多重冗余、表決機(jī)制、自檢等復(fù)雜手段來實(shí)現(xiàn)，所以造價(jià)也昂貴。
“冗余”技術(shù)較復(fù)雜，投資因此加大，設(shè)備復(fù)雜又會(huì)帶來更多可能故障根源，所以應(yīng)實(shí)事求是把握適當(dāng)“冗余”程度。美國某次火箭發(fā)射失敗，最終確認(rèn)原因正是因過于繁雜“冗余”措施造成。
但提高系統(tǒng)可靠性還有另一種思路，即將設(shè)備發(fā)生故障時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)分割隔離以縮小其影響面，例如有些DCS系統(tǒng)將和閉環(huán)控制有關(guān)的I/O設(shè)計(jì)成單通道卡件，該卡件損壞時(shí)只影響一個(gè)回路，與該回路使用的變送器、閥門等現(xiàn)場儀表損壞造成的影響一樣。
二 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)安全可靠性
現(xiàn)場總線是近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，可從多角度觀察和描述這一進(jìn)步。例如3C(計(jì)算機(jī)、通信、控制)技術(shù)的融合發(fā)展，信息技術(shù)向現(xiàn)場設(shè)備的發(fā)展等。因該發(fā)展有質(zhì)的飛躍，它突破了DCS的框架，難以稱之為一種改進(jìn)的“DCS”。新一代控制系統(tǒng)——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)出現(xiàn)了。但現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不是對(duì)DCS的否定和排斥，而是繼承和超越。忽視飛躍式的技術(shù)進(jìn)步和認(rèn)為是對(duì)傳統(tǒng)的全面否定都是片面不當(dāng)?shù)摹?br/>現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)繼承DCS的主要方面有：(1)操作站以上部分和DCS完全相同；(2)遠(yuǎn)程I/O和PLC設(shè)備及相關(guān)技術(shù)，對(duì)簡單I/O采集和邏輯控制，它們?nèi)允呛线m的選擇；(3)現(xiàn)場儀表兩線制供電和本質(zhì)安全；(4)符合IEC 61131-3的組態(tài)編程方法。
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在多方面繼承了DCS提高系統(tǒng)可靠性的成功成果，如操作站、高速以太網(wǎng)現(xiàn)場總線HSE(類似于DCS的控制總線)、網(wǎng)橋、電源等的冗余，但它又更多使用風(fēng)險(xiǎn)隔離分散方法。這是因?yàn)樗鼘⒖刂乒δ軓氐追稚⒌浆F(xiàn)場儀表中，簡化甚至取消了DCS中相對(duì)集中的控制器，圖2是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)各層次提高系統(tǒng)可靠性的原理措施。請(qǐng)注意本文討論現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的可靠性已是包括現(xiàn)場儀表在內(nèi)的全部范圍。
1. 操作站
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的操作站和DCS無區(qū)別，所以其提高安全可靠性的措施也和DCS完全一樣。
2. 高速以太網(wǎng)現(xiàn)場總線和網(wǎng)橋
因商用以太網(wǎng)傳輸速度高(100M、1000M)、技術(shù)成熟、普及面廣、價(jià)格低，所以現(xiàn)場總線基金會(huì)在商用以太網(wǎng)基礎(chǔ)上增加了用戶層協(xié)議構(gòu)成HSE，并成為IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)子集之一。嚴(yán)格地說，商用以太網(wǎng)屬于有“碰撞沖突”可能的不確定性網(wǎng)絡(luò)，并不滿足工業(yè)控制嚴(yán)格的“時(shí)間重要”性要求。但使用集線器Hub的以太網(wǎng)，其數(shù)據(jù)傳輸率在標(biāo)稱波特率的10%以下時(shí)，其“碰撞沖突”可忽略不計(jì)。而使用交換機(jī)Switch技術(shù)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到50%。因此以太網(wǎng)進(jìn)入工控領(lǐng)域已成為一種趨勢，除HSE外還有多種工控用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也在開發(fā)中。
因HSE的用途是作為H1低速現(xiàn)場總線的信息匯集、橋路，屬于信息集中環(huán)節(jié)，通常對(duì)接口卡、Hub/Switch、網(wǎng)橋都采用“冗余”配置。
3. 控制回路和現(xiàn)場設(shè)備
因現(xiàn)場總線技術(shù)采用風(fēng)險(xiǎn)分散隔離方法，雖然基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)還保留常規(guī)I/O卡件，但通常在配置上不再考慮復(fù)雜常規(guī)I/O卡件冗余，特別是輸出卡，所以其輸出設(shè)備一定是現(xiàn)場總線的“電—?dú)廪D(zhuǎn)換器”“閥門定位器”等，這是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特征性標(biāo)志。
(1)基本控制回路
基本控制回路的功能塊連接和故障自保護(hù)動(dòng)作如圖3所示，變送器冗余的基本控制回路功能塊連接如圖4所示。
基本控制回路在變送器和閥門定位器中完成，其可靠性除供電外和上位系統(tǒng)設(shè)備無關(guān)，僅取決于智能變送器和閥門定位器，比DCS少了控制卡件和I/O卡件兩大可能故障環(huán)節(jié)。此外，現(xiàn)場總線還采取措施進(jìn)一步提高控制可靠性，如功能塊中過程參數(shù)PV、OUT等都采用“數(shù)值+品質(zhì)”格式，因此現(xiàn)場總線智能設(shè)備隨時(shí)在自診斷中，如判斷PV品質(zhì)為“壞”的結(jié)論，PID運(yùn)算將不采用該數(shù)值，并從“自動(dòng)—Auto”模式轉(zhuǎn)向“手動(dòng)—Man”模式。現(xiàn)場總線閥門定位器也可通過組態(tài)設(shè)置故障時(shí)安全狀態(tài)，如“最大”、“最小”或“故障前最后狀態(tài)”。過程參數(shù)“壞”可通過組態(tài)顯示在操作站上。
特別要提到“輸入選擇功能塊—ISEL”，它有多個(gè)輸入端和多種功能供選擇，如設(shè)置為取平均、中值、最大值、最小值等，還有一個(gè)“取第一個(gè)好值”的功能。這給傳感器或變送器冗余提供了極大方便。如圖5所示，兩個(gè)傳感器或變送器只選一個(gè)“好值”供調(diào)節(jié)使用(如鍋爐汽包液位等重要參數(shù))。這些性能在DCS中都較難實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)場總線現(xiàn)場設(shè)備的豐富信息只有通過使用、分析并出現(xiàn)在友好的人機(jī)界面上才能充分發(fā)揮其應(yīng)有的效用。這個(gè)增值軟件就是所謂設(shè)備管理系統(tǒng)(AMS或Asset View)。它能讓儀表管理人員方便地對(duì)系統(tǒng)的重要部分——現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行在線診斷、記錄、變化比較、管理，對(duì)提高系統(tǒng)安全可靠性大有好處。
顯然，這些優(yōu)點(diǎn)的前提是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)處于正常工作，如通信異常則其他無從談起。而查找通信異常的原因卻是比查對(duì)4～20mA信號(hào)困難得多。為此有一種總線診斷軟件(FBTools)可通過分析總線信號(hào)指出異常類型和大致原因。
(2)H1現(xiàn)場總線通信調(diào)度
一條H1現(xiàn)場總線上須有一臺(tái)主設(shè)備負(fù)責(zé)通信調(diào)度，否則通信將無法進(jìn)行。所以除主設(shè)備外(通常是接口卡等)，還需另設(shè)一到幾臺(tái)作后備主設(shè)備(通常是變送器、閥門等)。當(dāng)?shù)谝恢髟O(shè)備故障時(shí)，后備主設(shè)備隨即接替其通信調(diào)度任務(wù)。具備了該功能，只要還有總線供電，即使上位機(jī)全部損壞，也不會(huì)影響控制功能的完成。
為保證控制實(shí)時(shí)性，H1總線被設(shè)計(jì)成確定性網(wǎng)絡(luò)。它有客戶機(jī)/服務(wù)器、出版者/訂戶、事件通告3種通信關(guān)系。每個(gè)通信宏周期包括一個(gè)受調(diào)度通信和一個(gè)背景通信。前者完成一遍總線上所有設(shè)備間通信以實(shí)現(xiàn)控制策略，而后者每次完成一部分設(shè)備和操作站間的操作和監(jiān)視信息交換。宏周期約幾百毫秒受總線上設(shè)備多少和控制策略復(fù)雜程度決定，也就是由設(shè)計(jì)組態(tài)決定。該通信模式?jīng)Q不會(huì)因通信阻塞而導(dǎo)致控制混亂。
(3)電纜和安全柵
現(xiàn)場總線重要優(yōu)點(diǎn)之一是節(jié)省了電纜，少量電纜承擔(dān)了較大“責(zé)任”，于是電纜安全性可能是被人們問到最多的問題之一。IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定FF-H1總線是總線型結(jié)構(gòu)(而不是星形或環(huán)形)。推薦AWG18#(0.8mm2屏蔽雙絞線)，特征阻抗100Ω，需匹配，屏蔽層一點(diǎn)接地，電纜不接地，不作冗余配置(可使用其他規(guī)格電纜，但可能減少傳輸距離)。我們對(duì)IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)有如下理解和建議：
電纜風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)劃分為單根電纜風(fēng)險(xiǎn)和系統(tǒng)電纜總風(fēng)險(xiǎn)，顯然減少電纜同時(shí)不可避免加大了單根電纜風(fēng)險(xiǎn)，但電纜數(shù)量減少，如電纜故障概率一定，則絕對(duì)損壞數(shù)量減少，雖然單根風(fēng)險(xiǎn)增大，但總風(fēng)險(xiǎn)至少?zèng)]有增大；電纜數(shù)量減少，易考慮更好的保護(hù)措施和更易于維護(hù)。
一根H1總線上所掛設(shè)備一般為10～16臺(tái)，本安為4～8臺(tái)，不要把其影響范圍想象得太大。另外電纜是基本不發(fā)熱的“遲鈍設(shè)備”，所以其故障率也相對(duì)較低。
退一步說，對(duì)于個(gè)別確實(shí)極重要的環(huán)節(jié)，可少掛設(shè)備，以犧牲節(jié)省電纜的程度來換取不致于因單根電纜風(fēng)險(xiǎn)增大而影響這些個(gè)別環(huán)節(jié)的可靠性，如圖6c。將重要回路設(shè)備和次要采集設(shè)備混合搭配以減少單根電纜風(fēng)險(xiǎn)性(圖6b)。
現(xiàn)場總線也節(jié)省安全柵，一臺(tái)安全柵后可掛4臺(tái)甚至8臺(tái)設(shè)備構(gòu)成本安系統(tǒng)，所以這和電纜有著完全類似的問題。抽象地討論可能還難以澄清一些似是而非的看法，不如通過一個(gè)片段來對(duì)DCS和總線電纜、安全柵的安全性進(jìn)行具體對(duì)比，圖6是實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)回路和兩點(diǎn)檢測的電纜和安全柵配置。
通過圖6a和6b、6c對(duì)比不難得出結(jié)論，現(xiàn)場總線既能節(jié)省電纜和安全柵，同時(shí)還有更高的電纜和安全柵“總體安全性”。即使在單根電纜風(fēng)險(xiǎn)不增加的情況下(如圖6c中的調(diào)節(jié)回路)，也還能比圖6a節(jié)<
