石油化工自控设计中冗余容错技术的实践

桂宏飞，孙虎(中海石油(中国)有限公司渤中作业公司，天津 300450)

0 引言

石油化工领域发展中，为了提升生产安全性与可靠性，需要应用过程控制系统，不仅要满足基础控制功能，还需要满足以下要求：第一，工艺系统存在异常问题时，应当确保其在许可极限状态下，安全稳定运行。消除隐患后，可以恢复至正常运行状态；第二，确保控制系统运行期间，一旦发生故障问题，不会引发装置停车事故、控制系统失灵事故，保证生产装置运行安全性；第三，控制系统存在工艺异常、设备发生故障、容错功能控制不佳时，必须确保联锁停车程序的安全执行，维护装置与人员安全[1]。为了满足以上方法要求，必须深入研究和应用过程控制冗余容错技术。冗余控制系统，属于无扰动切换、热备份应用系统。

1 容错概述

容错式系统运行中多个部位发生故障问题时，系统所采取的应对措施，确保功能效果。在可接受性能指标变化下，可以加强稳定能力。容错控制属于边缘交叉学科，在石油化工领域中，容错主要是系统某仪表控制装置发生故障，例如气动执行机构，电动机构位置，检测仪表等。系统通过正常测点、标准算法，能够有效规避风险，确保系统运行稳定性与正常性。与故障处理方式相比，容错主要包括硬件容错和软件容错。容错控制技术，科学诊断故障问题。解决故障问题之后，可以重构控制系统，提升控制系统鲁棒性[2]。注重检测现场故障，诊断故障类型与位置。在容错控制中，故障控制与处理策略属于基础核心。容错控制，要求控制系统，按照故障实况，提出故障处理方式。

2 石油化工自控设计中的软件、硬件冗余容错

2.1 控制系统硬件

在石油化工自控领域，合理应用集散控制系统，可以控制生产过程操作、连续量测与管理。为了确保现场控制设备、集散控制系统交互性，需要发挥出现场控制站的作用。所以，控制系统配置冗余装置，必须围绕网络通讯单元、主控单元、电源单元开展，如：主控单元，冗余配置切换电路、故障自检电路。同时做好热备份，接收网络数据，开展控制运算，实时更新数据信息。在运行期间，当发生故障问题时，主控单元备份单元进入工作状态，此时可以实现无扰动切换。在企业生产自动化系统中，紧急停车系统能够监视生产装置整体运行。当发生重大安全事故时，可以启动紧急停车联锁系统，保障生产装置与人员安全。应用先进容错控制器，具备三重模块冗余结构，可以在系统内集成诊断、输入控制系统，以此实现过程控制，避免单点故障影响整个系统运行[3]。利用输入模块，能够将船帆器划分为三路，联合对应三个通道。利用主处理器表决数据，必须遵循多数原则，纠正数据输入偏差。主处理器输出至输入模块时，通过方形表决器，可以表决数字信号输出，反馈电路位于表决电路内，采用校验方式诊断潜在故障，同时对输出选择器进行模拟，科学选择模拟信号。针对安全仪表功能，必须分离逻辑运算器、过程控制系统。

2.2 集散控制系统、紧急停车系统组态设计

完成工艺过程中，可以按照实际需求划分组别，在硬件组态控制中，应当充分考虑到各组独立性，同时在输入输出部件，和各组信号连接在一起，相应组件仅仅会受到相关部件影响，不会影响到其他组别。将信号组在一起，能够分散负荷。分散控制系统装置，主要为单回路、多回路控制器。控制回路在输入输出部件上，接入输入输出信号，相应减少通信吞吐量。分散装置通过数据库共享，对设计、组态的优势与不足进行权衡。同时做好科学化配置，以免影响回路运行，引发回路信息盲区，全面加强容错能力[4]。当生产设备多台运行时，必须对不同设备的检测信号予以关注，例如：温度、压力、流量等。同时做好优化设计。将设备、同类输入信号作为单元，将不同检测信号组合在一起。通过不同检测信号，组成同一个单元。同时利用不同类别信号，与输入部件连接起来，以此降低输入部件故障影响。对于设备其他工艺参数，应当满足故障操作需求。然而此种设计的接线量、维护难度较大，必须高度重视该类不足。

2.3 软件功能模块设计

为了确保软件容错，集散控制系统、紧急停车系统运行中，必须充分应用软件功能模块，全面加强控制回路、检测回路容错能力。针对主要联锁回路，需要按照安全度等级，合理设置传感器，设置数量一般为2～3个。按照三取二表决方式，合理编制程序。针对联锁回路，按照系统计时器功能块，设置延时继电器，高度重视被保护对象要求与特点。通过此种方式，也可以屏蔽电压波动、电磁干扰所致瞬间错误信号。针对集散控制系统，应当联合逻辑开关控制、比例-积分-微分控制器，当某个控制大于极限控制偏差，可以自动启动开关控制，使偏差减小。针对极限范围内的偏差，可以将集散控制系统，逐渐转化为比例-积分-微分控制器。利用集散控制系统的顺控功能、异常开关控制功能，可以将异常状态仪表、故障状态仪表，应用对应的控制措施予以处理[5]。尽管会降低控制水平，却不会影响系统完整性，可以满足应用需求。例如锅炉液位控制，正常状态下，需要采用三冲量控制法。当蒸汽温度、汽包液位、蒸汽流量、上水流量产生问题，可以切换三冲量控制模式，转变为单冲量控制，由此降低控制系统失控影响。

3 设计环节的冗余容错关注事项

在应用冗余容错技术时，当模拟量信号不可靠时，会导致保护误动作。比如在石油化工辅助保护逻辑中，轴承温度信号应用比较多。测量信号大于定值时，会引发保护动作。温度测量回路中，热电阻极易产生接触不良故障，致使保护动作误动作。在优化逻辑时，通过特定容错控制技术，优化设计容错逻辑。当测量回路正常时，轴承温度高于保护值时，会导致保护动作触发。在热电阻测量回路中，当产生接触不良问题时，温度信号跳变。测量值品质损坏时，RS触发器输出“1”，轴承温度保护自动退出，声光报警处理。消除故障问题后，温度值小于保护值，利用手动复位法，重新投入保护。

因此在系统设计期间，应当关注以下冗余容错设置：第一，输入输出卡，应当配合电磁、光电隔离。通道之间隔离，应当减少电磁对输入信号、输出信号的影响，同时减少容错处理。第二，电磁阀冗余配置时，涉及到两种连接方式，具备良好的并联连接效果，串联安全度高。按照标准要求，选择适宜方式。第三，联锁动作后，确保联锁条件恢复至正常状态。采用手动复位操作后，才可以恢复到正常位置，防止设备自启动所致不良影响。第四，仪表供电选用并联法，针对重要仪表，应当设置独立开关。断线、人为失误，对仪表影响较小，不会影响所有仪表。直流稳压电源，应当选用并联运行法，建立冗余直流供电系统。在选择直流稳压电源时，必须加强负载平衡能力。单台满负荷能力强。第五，针对重要用电设备，必须按照供电特点，优化设计防晃闪装置。第六，通过常规仪表进行联锁，联锁接点通过二次仪表输出，将其转变为架装仪表输出，消除由于误操作所致二次仪表故障，相应影响联锁功能，产生误动作。第七，仪表与控制系统接地中，确保本安系统接地。应用齐纳式安全栅时，选择两根接地导线，全面加强接地系统运行效益。

4 冗余容错技术实践应用效果

冗余容错技术可以广泛应用到石油化工生产的典型自控案例中。可以自动切换空分液氧液氮泵，实现水汽轮泵循环，自动切换减压减温装置，确保合成氨、尿素装置运行正常化。当设备工艺发生问题时，可以实现自动化切换。自热式天然气转化装置，将紧急停车系统配置到联锁控制系统中，有助于提升综合安全等级。调节硝酸装置氨空比，需要应用滤波、可识别补偿信号，以此补偿流量。调节锅炉汽包水位时，应用三冲量可变调节、单回路调节。大型压缩机转速信号、油压信号，可以应用联锁控制、三取二选择控制法。

5 结语

综上所述，容错技术涉及到自动化技术、人工智能技术、计算机技术，属于多专业技术集成表现。石油化工自控设计中，合理应用冗余容错技术，深入开发潜在性能，科学研究和分析容错，涉及到容错性能网络化、模块化仪表装置，同时应用冗余容错自控系统理论和方法，通过容错技术，可以处理仪表故障信号诊断问题，替换处理故障参数。注重总结连续生产容错控制方法与实用技术，以此提升生产过程的自动化与可靠性水平，从根本上促进石油化工的智能化、自动化发展。