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基于DCS系統的冗余技術實現
摘要：冗余，也就是備份。在工業控制或在航空、航天領域，為了提高設備運行的可靠性，一般都使用冗余的技術。本文主要介紹冗余技術在DCS系統中的應用。
關鍵詞：冗余DCS系統
　　0 前言
DCS系統是石油、化工、電力、冶金等領域中廣泛使用的一種控制系統，主要對現場的溫度、壓力、流量、液位等參數進行顯示和控制，對于某些涉及安全環保、產品質量的工藝參數需在軟、硬件發生故障時自動切換到備用軟、硬件設備上，這種能在發生故障時自動切換到備用的軟、硬件設備上，而不影響原有系統運行狀態的技術，稱為冗余技術。
DCS系統硬件冗余主要在以下幾個方面實現：
1 電源冗余
電源冗余就是對DCS供電的交流電、直流電進行冗余，主要由以下4個層次：
1.1系統電源冗余
DCS的系統電源一般為220V的交流電，為了保證在市電斷電情況下，能繼續對現場的壓力、溫度等參數進行監控，故一般采用UPS對系統進行供電。UPS是一種獨立于控制系統的設備，它一般由電池組、整流器、逆變器、高速電子切換開關等組成。UPS工作原理圖如下：
圖1.1 UPS工作原理圖
Fig.1.1 UPS principle figure
UPS的基本原理：正常情況下由市電給DCS系統供電，給電池充電，而在市電故障時，在斷電后很短的時間內（ms級），由電池組通過逆變器對系統供電，保證系統不掉電，能繼續運行。
對某些要求更高可靠性的系統，采用多臺UPS并機均流方式，這樣可以幾臺UPS同時給控制系統提供220V電源，當一臺UPS出現故障后，并機控制程序自動將該臺UPS關機，其原負載由剩余的的UPS按照比例平均分配。
1.2控制器電源
控制器的電源一般為24V直流電源，它將UPS送來的220V交流電經過轉換成24V電源供控制器使用，而電源轉換器為了保證運行安全，一般也采取冗余技術，即使用二個電源轉換器，當一個發生故障時，另一個能正常使用。如ABB的SD823直流電源就可以實現這個功能。
1.3數據卡電源
對某些重要的工藝控制參數，需要對其數據采集卡的供電采用冗余方式，以確保如果其中供電的一塊模塊出現問題，不影響數據采集卡的正常工作。通常這些重要的工藝控制參數是關系到生產裝置安全環保的重要參數或者是對平穩生產、產品質量起到重要作用的工藝參數。
1.4現場儀表供電
對某些現場儀表的供電是由卡件自身的24V輸出供電的，這種方式的供電其實與數據卡電源供電方式一致。而對于某些外配24V電源對現場儀表進行供電的，則實現方式與控制器電源冗余方式一致。
2 通訊冗余
2.1以太網冗余
主要是指操作站、控制站之間的通訊冗余。一般操作站都配置兩個網卡、控制站（單臺）也需要配置兩個網絡接口，而對于冗余的控制器則需要配置4個網絡接口，即每臺控制站2個接口。這樣就可以組成一個雙網，僅IP地址中的網絡不同。如192.168.0.1與192.168.1.1，它就可以是一臺控制器中2個網絡接口的地址。
圖2.1網絡拓撲圖
紫色線表示profibus-DP 藍色線表示fibre profibus cable
Fig.2.1 network topology figure
Purple line represents the profibus-DPBlue line represents the fibre profibus cable
2.2工業控制網冗余
控制網冗余主要是指控制器與I/O卡件之間的數據通訊冗余。一般配置2塊數據通訊卡來與I/O卡件進行數據通訊。
3 控制部件冗余
3.1 服務器冗余
服務器冗余是指重復配置系統的一些部件,當系統發生故障時,冗余配置的部件介入并承擔故障部件的工作,由此減少系統的故障時間。
在密閉式直流電爐實際生產過程中，為了保證生產數據的連續性和可靠性，必須保證網絡運行正常。網絡運行為寶貴的是數據。存儲是網絡的核心，數據是網絡的靈魂。所有過程的數據交割均由其計算中心的核心系統所提供，任何人為的錯誤，硬盤的損毀、電腦病毒、自然災難等等造成的數據丟失，都將會造成無可估量的損失。有了服務器冗余技術就可以降低服務器的風險了。
圖3.1服務器冗余
Fig.3.1Schematic diagram of server redundancy
3.2控制器冗余
一般的DCS系統都設置為冗余系統，當一臺控制器發生故障后，會自動切換當另一臺控制，不影響數據的采集、控制。兩臺控制器之間的數據區采用兩種方式，一種是公用數據區，另外一種是各自有數據區，處于熱備的控制器實時從運行的控制器中讀取數據，保存在自己的數據區中，從而可實現數據實行性。
3.3 I/O模塊冗余
對某些重要的I/O點來說，其正常采集關系到生產的正常，如一般將參與PID控制的I/O點進行冗余。對這些I/O點都采用雙I/O模塊，當運行模塊發生問題或遇到故障會自動切換到熱備的模塊，從而保證對現場工藝參數采集和控制不間斷。
4結論
冗余技術在工業控制領域的使用很廣范，從電、通訊、數據處理、數據1/0等不同的層次實現冗余，保證生產的正常。近年來，某些更高可靠的場合使用3選2技術或多選2技術，使得系統的可靠性更高。
參考文獻
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