高可靠安全主控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

1、高可靠平安主控系統(tǒng)研討與運用杭州優(yōu)穩(wěn)自動化系統(tǒng)浙江大學(xué)工業(yè)自動化國家工程研討中心2021-03-18 北京王文海 教授 孫優(yōu)賢 院士2021中國石油化工艱苦工程儀表自控技術(shù)頂峰論壇.2自動化控制配備是大型工業(yè)安裝可靠運轉(zhuǎn)的神經(jīng)中樞和平安保證。計算機(jī)控制安裝或稱主控系統(tǒng)，是自動化系統(tǒng)的中心，是“大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，而在國內(nèi)大型安裝或關(guān)鍵安裝的自動化系統(tǒng)中尚缺乏中國本人的高端主控系統(tǒng).傳感器執(zhí)行器主控系統(tǒng)被控對象研討背景.研討背景工業(yè)的飛速開展給人們帶來宏大經(jīng)濟(jì)效益的同時，也伴隨著越來越多的火災(zāi)、爆炸等事故。特別是高溫、高壓、易燃、易爆、有毒的化工行業(yè)以及一些大型高速運轉(zhuǎn)設(shè)備，一旦發(fā)惹事故，將會導(dǎo)致宏

2、大經(jīng)濟(jì)損失，輕者設(shè)備損壞，重者機(jī)毀人亡。高可靠平安主控系統(tǒng)是專門為平安相關(guān)系統(tǒng)、或條件苛刻的義務(wù)而設(shè)計的，具有缺點平安特征的計算機(jī)控制安裝或控制系統(tǒng)。作為主控系統(tǒng)運用于緊急停車系統(tǒng)ESDEmergency Shutdown Device、平安儀表系統(tǒng)Safety Instrument System、平安聯(lián)鎖系統(tǒng)Safety Interlock System、緊急跳閘系統(tǒng)Emergency Trip System、平安關(guān)聯(lián)絡(luò)統(tǒng)Safety Related System、儀表維護(hù)系統(tǒng)Instrument Protective System等。廣泛運用于石化、煉油、石油天然氣、化工、電力、軌道交通、

3、航天、核工業(yè)等行業(yè)。 .4主控系統(tǒng)技術(shù)道路圖 60年代 70-80年代 80-90年代 2000-DDC直接數(shù)字控制與集中型計算機(jī)控制系統(tǒng)第一代DCS集散控制系統(tǒng)第二代DCS集散控制系統(tǒng)DCS/FCS/PAS新一代主控系統(tǒng)國外國內(nèi)根本空白隨設(shè)備引進(jìn)、設(shè)計選型、跟蹤積累引進(jìn)消化，自主開發(fā)，工程運用全面推行，占領(lǐng)中小規(guī)模領(lǐng)域，拓展大型運用我們 1990 起步跟蹤1996-2002集散控制系統(tǒng)2006-大規(guī)模行業(yè)運用高可靠平安控制1990-1995集中型計算機(jī)控制系統(tǒng)2003-2005DCS/PLC/PAS新一代主控系統(tǒng).主控系統(tǒng)技術(shù)開展道路圖2002年2007年2021年MTBF8萬小時I/O點數(shù)

4、5000運用套數(shù)：2000普通中小工程MTBF12萬小時I/O點數(shù)30000運用套數(shù)：5600500萬噸煉油3052化肥30萬千瓦火電MTBF20萬小時I/O點數(shù)80000運用套數(shù)：10000千萬噸煉油百萬噸乙烯60萬千瓦火電從10年前與國外差距15年以上，縮短到如今差距不到3年！.Random Hardware failures硬件隨機(jī)缺點IEC 61508Safety Umbrella for the world ?Specificationfailures技術(shù)要求中的過失Design & Implementationfailures設(shè)計&實施中的過失Installation & Comm

5、issioningfailures安裝&試車中的過失Operation & MaintenanceFailures操作和維護(hù)中的過失Modificationfailures修正中的過失IEC-61508 平安國際規(guī)范.RELAYPLCSVOTINGDIAGNOSTICS1950 1960 19801988 1998 20052oo21oo22oo31oo11oo1D / 1oo2D2oo3D2oo4D最新技術(shù)平安系統(tǒng)開展趨勢.技術(shù)趨勢 從70年代開場產(chǎn)生于航空領(lǐng)域的三重冗余多數(shù)表決機(jī)制TMR開場用于平安系統(tǒng)。90年代，國外一些大公司推出三重化TMR、冗錯功能的系統(tǒng)。如美國Woodward公司的

6、Micro Net TMR系統(tǒng)、Triconex公司的Tricon系統(tǒng)、Honeywell公司的FSC系統(tǒng)、英國ICS Triplex公司的Regent系統(tǒng)等。目前，三重冗余和兩重冗余兩分天下。近期又有CPU的四重冗余QMR，2oo4D技術(shù)和軟件冗余技術(shù)出現(xiàn)，如HIMA的H41q/H51q系統(tǒng)。容錯機(jī)制是指一個和多個元件或部件出現(xiàn)缺點時系統(tǒng)仍能繼續(xù)運轉(zhuǎn)的才干。容錯系統(tǒng)能發(fā)現(xiàn)缺點并排出缺點的影響。新型SIS可以實現(xiàn)系統(tǒng)一切部件和部分相關(guān)設(shè)備缺點的容錯特性。容錯手段主要是冗余、自診斷和在線維護(hù)修繕。如今還有一個能靈敏配置的理念。如HIMA公司的HIMax產(chǎn)品支持xMR架構(gòu)，即X=1、2、3、4，分

7、別構(gòu)成無冗余，二重、三重、四重冗余。.技術(shù)根底研討開發(fā)團(tuán)隊長期專注于集散控制系統(tǒng)、可編程控制器、智能儀表、控制工程運用軟件平臺、大型配備工業(yè)自動化系統(tǒng)的研討開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化；承當(dāng)國家計委工業(yè)自動化高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化艱苦專項3項，具有扎實的科研積累與豐富的技術(shù)閱歷；構(gòu)成了獨具特征的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的計算機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)體系，在可靠性設(shè)計技術(shù)、數(shù)據(jù)I/O技術(shù)、實時控制技術(shù)、實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件平臺技術(shù)等關(guān)鍵中心技術(shù)上有11項艱苦創(chuàng)新與技術(shù)突破。近5年，在工業(yè)自動化領(lǐng)域，作為第一、第二完成人獲國家科技提高二等獎1項，省部級一等獎3項，二等獎1項。獲得軟件著作權(quán)11項，專利10項。.研討內(nèi)容1控制系

8、統(tǒng)可靠性、可用性、可維護(hù)性和平安性分析根底實際與運用技術(shù)研討，包括容錯計算機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)造分析、容錯機(jī)制研討、算法言語編程與運轉(zhuǎn)機(jī)制設(shè)計:.研討內(nèi)容1系統(tǒng)內(nèi)置一切的開關(guān)量和模擬量的輸入表決算法、輸出表決算法、輸入輸出自檢和缺點報告機(jī)制，并經(jīng)過公用可編程陣列硬件芯片實現(xiàn)相關(guān)的硬件表決算法；輸入子系統(tǒng)通訊總線控制子系統(tǒng)LOAD輸出子系統(tǒng).研討內(nèi)容1設(shè)計相關(guān)的檢測診斷電路與缺點診斷軟件，對數(shù)據(jù)線、地址線、通訊線、內(nèi)存區(qū)、數(shù)據(jù)塊、單元電路進(jìn)展診斷定位，并自動對其補償、隔離、重構(gòu)，在線維修，在線改換；.研討內(nèi)容2功能可靠性分析與仿真技術(shù)現(xiàn)有的可靠性設(shè)計分析技術(shù)和性能設(shè)計分析技術(shù)是兩套不同的技術(shù)體系；大量

9、的可靠性設(shè)計分析任務(wù)是由性能設(shè)計人員來完成；而在可靠性設(shè)計分析中，卻有大量的性能數(shù)據(jù)未能得到有效的運用；因此要求建立一套綜合的設(shè)計分析技術(shù)，在一次設(shè)計過程中能同時處理性能和可靠性兩方面的問題。研討一種可靠性同性能嚴(yán)密結(jié)合的、以性能設(shè)計思想為主線的、新的綜合可靠性設(shè)計分析技術(shù)，以抑制現(xiàn)有可靠性分析因可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)缺乏而帶來的影響，并可以部分處理那些遺留下的可靠性技術(shù)難題(如系統(tǒng)的缺點相關(guān)性、非單調(diào)關(guān)聯(lián)性等)。.研討內(nèi)容3控制工程運用軟件平臺是運用于控制系統(tǒng)的集成開發(fā)軟件平臺，集現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、算法執(zhí)行、實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)處置、報警和平安機(jī)制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能

10、于一體。包括實時控制組件、編程組態(tài)組件、圖形監(jiān)控組件，分別運轉(zhuǎn)在不同的硬件平臺上，并經(jīng)過各級網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展通訊，互為配合協(xié)調(diào)，交換各種數(shù)據(jù)及控制、管理信息，完成整個控制系統(tǒng)的各種功能。.研討內(nèi)容3控制工程運用軟件平臺.研討內(nèi)容4進(jìn)展控制安裝與控制系統(tǒng)的工業(yè)工程與制造工藝優(yōu)化設(shè)計，制造過程公用自動編程、自動調(diào)校標(biāo)定、自動檢驗、在線老化實驗安裝的研討實現(xiàn)，經(jīng)過設(shè)備工藝優(yōu)化、制造流程規(guī)范與過程質(zhì)量控制，保證控制系統(tǒng)相關(guān)硬件與軟件產(chǎn)品的質(zhì)量。經(jīng)過硬件模件制造、軟件程序下裝、實驗測試標(biāo)定等產(chǎn)品制造過程的自動化，實現(xiàn)自動燒寫、自動標(biāo)定、自動校驗，到達(dá)規(guī)范制造流程，減少或防止人為影響，保證產(chǎn)質(zhì)量量的目的。.關(guān)鍵控

11、制的兩種類型可用性 運用類型目的：消除停機(jī)時間運轉(zhuǎn)時間是絕對要素防止系統(tǒng) 失效喪失功能停機(jī)關(guān)注：系統(tǒng)發(fā)生缺點時，運轉(zhuǎn)和停頓之間的差別平安性 運用類型目的: 消除危險情形危險情景是不能接受；人員、設(shè)備環(huán)境維護(hù)防止系統(tǒng) 失誤機(jī)能失常關(guān)注：系統(tǒng)發(fā)生缺點時，平安和危險之間的差別冗余機(jī)制.高可用性系統(tǒng)構(gòu)造1個雙機(jī)系統(tǒng)3 種類型冷備 (Cold Standby)控制器A 運轉(zhuǎn),控制器B不運轉(zhuǎn)；控制器A缺點時切換到控制器B；溫備 (Warm Standby)控制器A 和 B 都在運轉(zhuǎn)；沒有數(shù)據(jù)同步；熱備 Hot Standby控制器A 和 B 在運轉(zhuǎn)；數(shù)據(jù)在控制器A和B之間同步控制器B控制器A高可靠平安主控系統(tǒng).19冗余構(gòu)造.硬件架構(gòu)系統(tǒng)概述網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造系統(tǒng)特點硬件架構(gòu)軟件平臺工程管理消費制造.系統(tǒng)規(guī)模每套控制站控制模件可支持32塊I/O模板，即具有最多512個通用模擬量輸入，或512個模擬量輸出，或1024個數(shù)字量輸入或輸出，可構(gòu)成256個PID控制回路；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)支持32個控制節(jié)點或16對冗余的控制節(jié)點，系統(tǒng)最大規(guī)模：AI:16384，或AO:16384，或DIO:32768。 .軟件平臺系統(tǒng)概述網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造系統(tǒng)特點硬件架構(gòu)軟件平臺工程管理消費制造.消費制造質(zhì)量方針：提供優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的自動化產(chǎn)品，滿足行業(yè)用戶的自動化需求嚴(yán)厲制造過程質(zhì)量控制，部件高溫老化72小時，整機(jī)全面測試延續(xù)運轉(zhuǎn)