石油化工自控設計中冗余容錯技術的實踐

桂宏飛，孫虎(中海石油(中國)有限公司渤中作業(yè)公司，天津 300450)

0 引言

石油化工領域發(fā)展中，為了提升生產(chǎn)安全性與可靠性，需要應用過程控制系統(tǒng)，不僅要滿足基礎控制功能，還需要滿足以下要求：第一，工藝系統(tǒng)存在異常問題時，應當確保其在許可極限狀態(tài)下，安全穩(wěn)定運行。消除隱患后，可以恢復至正常運行狀態(tài)；第二，確?？刂葡到y(tǒng)運行期間，一旦發(fā)生故障問題，不會引發(fā)裝置停車事故、控制系統(tǒng)失靈事故，保證生產(chǎn)裝置運行安全性；第三，控制系統(tǒng)存在工藝異常、設備發(fā)生故障、容錯功能控制不佳時，必須確保聯(lián)鎖停車程序的安全執(zhí)行，維護裝置與人員安全[1]。為了滿足以上方法要求，必須深入研究和應用過程控制冗余容錯技術。冗余控制系統(tǒng)，屬于無擾動切換、熱備份應用系統(tǒng)。

1 容錯概述

容錯式系統(tǒng)運行中多個部位發(fā)生故障問題時，系統(tǒng)所采取的應對措施，確保功能效果。在可接受性能指標變化下，可以加強穩(wěn)定能力。容錯控制屬于邊緣交叉學科，在石油化工領域中，容錯主要是系統(tǒng)某儀表控制裝置發(fā)生故障，例如氣動執(zhí)行機構，電動機構位置，檢測儀表等。系統(tǒng)通過正常測點、標準算法，能夠有效規(guī)避風險，確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定性與正常性。與故障處理方式相比，容錯主要包括硬件容錯和軟件容錯。容錯控制技術，科學診斷故障問題。解決故障問題之后，可以重構控制系統(tǒng)，提升控制系統(tǒng)魯棒性[2]。注重檢測現(xiàn)場故障，診斷故障類型與位置。在容錯控制中，故障控制與處理策略屬于基礎核心。容錯控制，要求控制系統(tǒng)，按照故障實況，提出故障處理方式。

2 石油化工自控設計中的軟件、硬件冗余容錯

2.1 控制系統(tǒng)硬件

在石油化工自控領域，合理應用集散控制系統(tǒng)，可以控制生產(chǎn)過程操作、連續(xù)量測與管理。為了確?，F(xiàn)場控制設備、集散控制系統(tǒng)交互性，需要發(fā)揮出現(xiàn)場控制站的作用。所以，控制系統(tǒng)配置冗余裝置，必須圍繞網(wǎng)絡通訊單元、主控單元、電源單元開展，如：主控單元，冗余配置切換電路、故障自檢電路。同時做好熱備份，接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，開展控制運算，實時更新數(shù)據(jù)信息。在運行期間，當發(fā)生故障問題時，主控單元備份單元進入工作狀態(tài)，此時可以實現(xiàn)無擾動切換。在企業(yè)生產(chǎn)自動化系統(tǒng)中，緊急停車系統(tǒng)能夠監(jiān)視生產(chǎn)裝置整體運行。當發(fā)生重大安全事故時，可以啟動緊急停車聯(lián)鎖系統(tǒng)，保障生產(chǎn)裝置與人員安全。應用先進容錯控制器，具備三重模塊冗余結構，可以在系統(tǒng)內(nèi)集成診斷、輸入控制系統(tǒng)，以此實現(xiàn)過程控制，避免單點故障影響整個系統(tǒng)運行[3]。利用輸入模塊，能夠?qū)⒋鲃澐譃槿?，?lián)合對應三個通道。利用主處理器表決數(shù)據(jù)，必須遵循多數(shù)原則，糾正數(shù)據(jù)輸入偏差。主處理器輸出至輸入模塊時，通過方形表決器，可以表決數(shù)字信號輸出，反饋電路位于表決電路內(nèi)，采用校驗方式診斷潛在故障，同時對輸出選擇器進行模擬，科學選擇模擬信號。針對安全儀表功能，必須分離邏輯運算器、過程控制系統(tǒng)。

2.2 集散控制系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)組態(tài)設計

完成工藝過程中，可以按照實際需求劃分組別，在硬件組態(tài)控制中，應當充分考慮到各組獨立性，同時在輸入輸出部件，和各組信號連接在一起，相應組件僅僅會受到相關部件影響，不會影響到其他組別。將信號組在一起，能夠分散負荷。分散控制系統(tǒng)裝置，主要為單回路、多回路控制器?？刂苹芈吩谳斎胼敵霾考?，接入輸入輸出信號，相應減少通信吞吐量。分散裝置通過數(shù)據(jù)庫共享，對設計、組態(tài)的優(yōu)勢與不足進行權衡。同時做好科學化配置，以免影響回路運行，引發(fā)回路信息盲區(qū)，全面加強容錯能力[4]。當生產(chǎn)設備多臺運行時，必須對不同設備的檢測信號予以關注，例如：溫度、壓力、流量等。同時做好優(yōu)化設計。將設備、同類輸入信號作為單元，將不同檢測信號組合在一起。通過不同檢測信號，組成同一個單元。同時利用不同類別信號，與輸入部件連接起來，以此降低輸入部件故障影響。對于設備其他工藝參數(shù)，應當滿足故障操作需求。然而此種設計的接線量、維護難度較大，必須高度重視該類不足。

2.3 軟件功能模塊設計

為了確保軟件容錯，集散控制系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)運行中，必須充分應用軟件功能模塊，全面加強控制回路、檢測回路容錯能力。針對主要聯(lián)鎖回路，需要按照安全度等級，合理設置傳感器，設置數(shù)量一般為2～3個。按照三取二表決方式，合理編制程序。針對聯(lián)鎖回路，按照系統(tǒng)計時器功能塊，設置延時繼電器，高度重視被保護對象要求與特點。通過此種方式，也可以屏蔽電壓波動、電磁干擾所致瞬間錯誤信號。針對集散控制系統(tǒng)，應當聯(lián)合邏輯開關控制、比例-積分-微分控制器，當某個控制大于極限控制偏差，可以自動啟動開關控制，使偏差減小。針對極限范圍內(nèi)的偏差，可以將集散控制系統(tǒng)，逐漸轉化為比例-積分-微分控制器。利用集散控制系統(tǒng)的順控功能、異常開關控制功能，可以將異常狀態(tài)儀表、故障狀態(tài)儀表，應用對應的控制措施予以處理[5]。盡管會降低控制水平，卻不會影響系統(tǒng)完整性，可以滿足應用需求。例如鍋爐液位控制，正常狀態(tài)下，需要采用三沖量控制法。當蒸汽溫度、汽包液位、蒸汽流量、上水流量產(chǎn)生問題，可以切換三沖量控制模式，轉變?yōu)閱螞_量控制，由此降低控制系統(tǒng)失控影響。

3 設計環(huán)節(jié)的冗余容錯關注事項

在應用冗余容錯技術時，當模擬量信號不可靠時，會導致保護誤動作。比如在石油化工輔助保護邏輯中，軸承溫度信號應用比較多。測量信號大于定值時，會引發(fā)保護動作。溫度測量回路中，熱電阻極易產(chǎn)生接觸不良故障，致使保護動作誤動作。在優(yōu)化邏輯時，通過特定容錯控制技術，優(yōu)化設計容錯邏輯。當測量回路正常時，軸承溫度高于保護值時，會導致保護動作觸發(fā)。在熱電阻測量回路中，當產(chǎn)生接觸不良問題時，溫度信號跳變。測量值品質(zhì)損壞時，RS觸發(fā)器輸出“1”，軸承溫度保護自動退出，聲光報警處理。消除故障問題后，溫度值小于保護值，利用手動復位法，重新投入保護。

因此在系統(tǒng)設計期間，應當關注以下冗余容錯設置：第一，輸入輸出卡，應當配合電磁、光電隔離。通道之間隔離，應當減少電磁對輸入信號、輸出信號的影響，同時減少容錯處理。第二，電磁閥冗余配置時，涉及到兩種連接方式，具備良好的并聯(lián)連接效果，串聯(lián)安全度高。按照標準要求，選擇適宜方式。第三，聯(lián)鎖動作后，確保聯(lián)鎖條件恢復至正常狀態(tài)。采用手動復位操作后，才可以恢復到正常位置，防止設備自啟動所致不良影響。第四，儀表供電選用并聯(lián)法，針對重要儀表，應當設置獨立開關。斷線、人為失誤，對儀表影響較小，不會影響所有儀表。直流穩(wěn)壓電源，應當選用并聯(lián)運行法，建立冗余直流供電系統(tǒng)。在選擇直流穩(wěn)壓電源時，必須加強負載平衡能力。單臺滿負荷能力強。第五，針對重要用電設備，必須按照供電特點，優(yōu)化設計防晃閃裝置。第六，通過常規(guī)儀表進行聯(lián)鎖，聯(lián)鎖接點通過二次儀表輸出，將其轉變?yōu)榧苎b儀表輸出，消除由于誤操作所致二次儀表故障，相應影響聯(lián)鎖功能，產(chǎn)生誤動作。第七，儀表與控制系統(tǒng)接地中，確保本安系統(tǒng)接地。應用齊納式安全柵時，選擇兩根接地導線，全面加強接地系統(tǒng)運行效益。

4 冗余容錯技術實踐應用效果

冗余容錯技術可以廣泛應用到石油化工生產(chǎn)的典型自控案例中。可以自動切換空分液氧液氮泵，實現(xiàn)水汽輪泵循環(huán)，自動切換減壓減溫裝置，確保合成氨、尿素裝置運行正?；．斣O備工藝發(fā)生問題時，可以實現(xiàn)自動化切換。自熱式天然氣轉化裝置，將緊急停車系統(tǒng)配置到聯(lián)鎖控制系統(tǒng)中，有助于提升綜合安全等級。調(diào)節(jié)硝酸裝置氨空比，需要應用濾波、可識別補償信號，以此補償流量。調(diào)節(jié)鍋爐汽包水位時，應用三沖量可變調(diào)節(jié)、單回路調(diào)節(jié)。大型壓縮機轉速信號、油壓信號，可以應用聯(lián)鎖控制、三取二選擇控制法。

5 結語

綜上所述，容錯技術涉及到自動化技術、人工智能技術、計算機技術，屬于多專業(yè)技術集成表現(xiàn)。石油化工自控設計中，合理應用冗余容錯技術，深入開發(fā)潛在性能，科學研究和分析容錯，涉及到容錯性能網(wǎng)絡化、模塊化儀表裝置，同時應用冗余容錯自控系統(tǒng)理論和方法，通過容錯技術，可以處理儀表故障信號診斷問題，替換處理故障參數(shù)。注重總結連續(xù)生產(chǎn)容錯控制方法與實用技術，以此提升生產(chǎn)過程的自動化與可靠性水平，從根本上促進石油化工的智能化、自動化發(fā)展。