高可靠安全主控系统研究与应用

1、高可靠平安主控系统研讨与运用杭州优稳自动化系统浙江大学工业自动化国家工程研讨中心2021-03-18 北京王文海 教授 孙优贤 院士2021中国石油化工艰苦工程仪表自控技术顶峰论坛.2自动化控制配备是大型工业安装可靠运转的神经中枢和平安保证。计算机控制安装或称主控系统，是自动化系统的中心，是“大脑和神经系统，而在国内大型安装或关键安装的自动化系统中尚缺乏中国本人的高端主控系统.传感器执行器主控系统被控对象研讨背景.研讨背景工业的飞速开展给人们带来宏大经济效益的同时，也伴随着越来越多的火灾、爆炸等事故。特别是高温、高压、易燃、易爆、有毒的化工行业以及一些大型高速运转设备，一旦发惹事故，将会导致宏

2、大经济损失，轻者设备损坏，重者机毁人亡。高可靠平安主控系统是专门为平安相关系统、或条件苛刻的义务而设计的，具有缺点平安特征的计算机控制安装或控制系统。作为主控系统运用于紧急停车系统ESDEmergency Shutdown Device、平安仪表系统Safety Instrument System、平安联锁系统Safety Interlock System、紧急跳闸系统Emergency Trip System、平安关联络统Safety Related System、仪表维护系统Instrument Protective System等。广泛运用于石化、炼油、石油天然气、化工、电力、轨道交通、

3、航天、核工业等行业。 .4主控系统技术道路图 60年代 70-80年代 80-90年代 2000-DDC直接数字控制与集中型计算机控制系统第一代DCS集散控制系统第二代DCS集散控制系统DCS/FCS/PAS新一代主控系统国外国内根本空白随设备引进、设计选型、跟踪积累引进消化，自主开发，工程运用全面推行，占领中小规模领域，拓展大型运用我们 1990 起步跟踪1996-2002集散控制系统2006-大规模行业运用高可靠平安控制1990-1995集中型计算机控制系统2003-2005DCS/PLC/PAS新一代主控系统.主控系统技术开展道路图2002年2007年2021年MTBF8万小时I/O点数

4、5000运用套数：2000普通中小工程MTBF12万小时I/O点数30000运用套数：5600500万吨炼油3052化肥30万千瓦火电MTBF20万小时I/O点数80000运用套数：10000千万吨炼油百万吨乙烯60万千瓦火电从10年前与国外差距15年以上，缩短到如今差距不到3年！.Random Hardware failures硬件随机缺点IEC 61508Safety Umbrella for the world ?Specificationfailures技术要求中的过失Design & Implementationfailures设计&实施中的过失Installation & Comm

5、issioningfailures安装&试车中的过失Operation & MaintenanceFailures操作和维护中的过失Modificationfailures修正中的过失IEC-61508 平安国际规范.RELAYPLCSVOTINGDIAGNOSTICS1950 1960 19801988 1998 20052oo21oo22oo31oo11oo1D / 1oo2D2oo3D2oo4D最新技术平安系统开展趋势.技术趋势 从70年代开场产生于航空领域的三重冗余多数表决机制TMR开场用于平安系统。90年代，国外一些大公司推出三重化TMR、冗错功能的系统。如美国Woodward公司的

6、Micro Net TMR系统、Triconex公司的Tricon系统、Honeywell公司的FSC系统、英国ICS Triplex公司的Regent系统等。目前，三重冗余和两重冗余两分天下。近期又有CPU的四重冗余QMR，2oo4D技术和软件冗余技术出现，如HIMA的H41q/H51q系统。容错机制是指一个和多个元件或部件出现缺点时系统仍能继续运转的才干。容错系统能发现缺点并排出缺点的影响。新型SIS可以实现系统一切部件和部分相关设备缺点的容错特性。容错手段主要是冗余、自诊断和在线维护修缮。如今还有一个能灵敏配置的理念。如HIMA公司的HIMax产品支持xMR架构，即X=1、2、3、4，分

7、别构成无冗余，二重、三重、四重冗余。.技术根底研讨开发团队长期专注于集散控制系统、可编程控制器、智能仪表、控制工程运用软件平台、大型配备工业自动化系统的研讨开发与产业化；承当国家计委工业自动化高技术产业化艰苦专项3项，具有扎实的科研积累与丰富的技术阅历；构成了独具特征的具有自主知识产权的计算机控制系统技术体系，在可靠性设计技术、数据I/O技术、实时控制技术、实时数据库技术、工业网络技术、软件平台技术等关键中心技术上有11项艰苦创新与技术突破。近5年，在工业自动化领域，作为第一、第二完成人获国家科技提高二等奖1项，省部级一等奖3项，二等奖1项。获得软件著作权11项，专利10项。.研讨内容1控制系

8、统可靠性、可用性、可维护性和平安性分析根底实际与运用技术研讨，包括容错计算机系统的系统构造分析、容错机制研讨、算法言语编程与运转机制设计:.研讨内容1系统内置一切的开关量和模拟量的输入表决算法、输出表决算法、输入输出自检和缺点报告机制，并经过公用可编程阵列硬件芯片实现相关的硬件表决算法；输入子系统通讯总线控制子系统LOAD输出子系统.研讨内容1设计相关的检测诊断电路与缺点诊断软件，对数据线、地址线、通讯线、内存区、数据块、单元电路进展诊断定位，并自动对其补偿、隔离、重构，在线维修，在线改换；.研讨内容2功能可靠性分析与仿真技术现有的可靠性设计分析技术和性能设计分析技术是两套不同的技术体系；大量

9、的可靠性设计分析任务是由性能设计人员来完成；而在可靠性设计分析中，却有大量的性能数据未能得到有效的运用；因此要求建立一套综合的设计分析技术，在一次设计过程中能同时处理性能和可靠性两方面的问题。研讨一种可靠性同性能严密结合的、以性能设计思想为主线的、新的综合可靠性设计分析技术，以抑制现有可靠性分析因可靠性统计数据缺乏而带来的影响，并可以部分处理那些遗留下的可靠性技术难题(如系统的缺点相关性、非单调关联性等)。.研讨内容3控制工程运用软件平台是运用于控制系统的集成开发软件平台，集现场数据采集、算法执行、实时数据和历史数据处置、报警和平安机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及监控网络等功能

10、于一体。包括实时控制组件、编程组态组件、图形监控组件，分别运转在不同的硬件平台上，并经过各级网络进展通讯，互为配合协调，交换各种数据及控制、管理信息，完成整个控制系统的各种功能。.研讨内容3控制工程运用软件平台.研讨内容4进展控制安装与控制系统的工业工程与制造工艺优化设计，制造过程公用自动编程、自动调校标定、自动检验、在线老化实验安装的研讨实现，经过设备工艺优化、制造流程规范与过程质量控制，保证控制系统相关硬件与软件产品的质量。经过硬件模件制造、软件程序下装、实验测试标定等产品制造过程的自动化，实现自动烧写、自动标定、自动校验，到达规范制造流程，减少或防止人为影响，保证产质量量的目的。.关键控

11、制的两种类型可用性 运用类型目的：消除停机时间运转时间是绝对要素防止系统 失效丧失功能停机关注：系统发生缺点时，运转和停顿之间的差别平安性 运用类型目的: 消除危险情形危险情景是不能接受；人员、设备环境维护防止系统 失误机能失常关注：系统发生缺点时，平安和危险之间的差别冗余机制.高可用性系统构造1个双机系统3 种类型冷备 (Cold Standby)控制器A 运转,控制器B不运转；控制器A缺点时切换到控制器B；温备 (Warm Standby)控制器A 和 B 都在运转；没有数据同步；热备 Hot Standby控制器A 和 B 在运转；数据在控制器A和B之间同步控制器B控制器A高可靠平安主控系统.19冗余构造.硬件架构系统概述网络构造系统特点硬件架构软件平台工程管理消费制造.系统规模每套控制站控制模件可支持32块I/O模板，即具有最多512个通用模拟量输入，或512个模拟量输出，或1024个数字量输入或输出，可构成256个PID控制回路；系统网络支持32个控制节点或16对冗余的控制节点，系统最大规模：AI:16384，或AO:16384，或DIO:32768。 .软件平台系统概述网络构造系统特点硬件架构软件平台工程管理消费制造.消费制造质量方针：提供优质稳定的自动化产品，满足行业用户的自动化需求严厉制造过程质量控制，部件高温老化72小时，整机全面测试延续运转