【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】即使是對于較小的自動化系統(tǒng)，設(shè)計人員也可以利用自動化產(chǎn)品來配置實用的冗余選項。
冗余和彈性是非常好的概念，對于航天器、發(fā)電系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵設(shè)施的應(yīng)用，這是強制性要求。當(dāng)涉及到工業(yè)設(shè)備和OEM機械時，設(shè)計人員也希望為各種電氣、自動化和機械系統(tǒng)引入冗余。然而，冗余通常涉及更高的成本和更大的復(fù)雜性，這使其通常只適用于最關(guān)鍵的應(yīng)用，對其它應(yīng)用而言有點不切實際。
幸運的是，現(xiàn)在設(shè)計人員可以采取許多切實有效的措施來提高工業(yè)控制系統(tǒng)的冗余度，而不會將成本和復(fù)雜性提高到無法接受的水平。本文介紹了一些工業(yè)自動化設(shè)計方法，這些方法可以在許多類型的應(yīng)用中提供冗余，或者至少提高彈性程度。
01 單點故障成本與基本冗余選項
單點故障是指系統(tǒng)中的任何電氣、機械、軟件或其它元件，如果發(fā)生故障，會導(dǎo)致系統(tǒng)的其余部分按預(yù)期停止工作。因此，任何系統(tǒng)中的單點故障都是不能接受的，因為它們可能導(dǎo)致多種不良結(jié)果，從輕微的故障到導(dǎo)致成本和嚴重程度高得多的事故。
如果與停機、生產(chǎn)損失、浪費或其它負面影響相比，在一個或多個層面實現(xiàn)冗余的成本更低，則有必要實施冗余設(shè)計。與工業(yè)自動化設(shè)計相關(guān)的基本冗余選項包括以下四個部分：
■ 電源；
■ 傳感器及儀表；
■ 可編程邏輯控制器(PLC)和硬接線控制;
■ 人機界面(HMI)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)以及其它用戶可視化/控制接口。
在這些項目中，PLC被普遍認為是最不易發(fā)生故障的，但作為一個明顯的單點故障，它往往又是經(jīng)常被考慮冗余的組件。這可能不是最明智或最具成本效益的策略。無論在哪些方面考慮冗余，都必須權(quán)衡風(fēng)險大小和實施成本，以確定在哪些方面可以實現(xiàn)最大的成本效益。
每種應(yīng)用都是不盡相同，讓我們以一個最基本的廢水提升站為例。它由地下的“濕井”拱頂組成，接收來自一個或多個來源的廢水，然后將廢水泵送到另一位置做進一步的處理。變頻器 (VFD) 可以讓泵運行得更快或更慢，以保持穩(wěn)定的水位，也可以繞過變頻器，讓泵以開/關(guān)模式運行。
這些“濕井”通常分布于城市各處，通常無人值守，或者位于偏遠地區(qū)，必須全天候可靠運行。控制出問題可能導(dǎo)致泵持續(xù)運行直到出現(xiàn)故障，或者停止運行，從而導(dǎo)致溢流。任何一種情況都需要打緊急服務(wù)電話，可能會出危險，甚至導(dǎo)致罰款。
冗余對于確保持續(xù)運行至關(guān)重要，事實上，許多此類系統(tǒng)通常都安裝了不止一臺泵，以提供機械冗余。但是，怎樣才能提高自動化的彈性呢？下面從四個基本冗余選項的應(yīng)用進行具體分析。
02 電源
控制系統(tǒng)的電源故障是最令人擔(dān)憂的問題。如果出現(xiàn)大范圍停電，那么泵、壓縮機和加熱器等大型電力驅(qū)動設(shè)備將無法運行，除非有二次供電或帶自動轉(zhuǎn)換的發(fā)電機來承載這些負載，否則無法采取太多措施。
但對于通常運行在120V或更低電壓下的PLC和其它自動化組件來講，設(shè)計者可以采取一些具有成本效益的措施。最常見的是不間斷電源(UPS)或電池控制模塊，它們使用電池持續(xù)為設(shè)備供電，通常為120V AC或24V DC。這可以保護自動化設(shè)備免受電源間斷和斷電的影響，并使PLC能夠監(jiān)控電源并向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送重要信息。
設(shè)計人員還可以使用雙電源，通過二極管橋組合，在發(fā)生單一故障時保持控制功率(圖1)。要驗證電源狀態(tài)，應(yīng)使用監(jiān)控繼電器或具有數(shù)字通信支持的更先進的電源。
▲圖1：由于電源是比較常見的故障來源，因此設(shè)計人員可以考慮通過二極管模塊實現(xiàn)雙電源組合。本文圖片來源：Automation Direct
有時，當(dāng)保險絲或斷路器等過電流保護裝置跳閘時，會發(fā)生電源故障。一種較新的方法是使用電子斷路器(ECB)來分配控制面板電源，以實現(xiàn)過電流保護裝置功能(圖2)。現(xiàn)代ECB提供快速動作補充電路保護，可由PLC遠程控制和監(jiān)控，并可向HMI/SCADA系統(tǒng)提供指示。ECB允許用戶安裝一個24V直流大容量電源，然后可靠地將其分配給多個負載。
03 傳感器及儀表
由于受到現(xiàn)場安裝位置的限制，傳感器和儀表極易受到物理損壞和元件故障的影響。因此，對于關(guān)鍵任務(wù)的測量，設(shè)計人員應(yīng)該考慮使用第二個甚至第三個傳感器，并盡可能使用不同的技術(shù)。
以“濕井”為例，主要液位測量可以由非接觸式超聲波液位傳感器提供。第二級液位測量技術(shù)可以使用靜壓力液位傳感器來實現(xiàn)。此外，作為應(yīng)對變送器失效時的第三道防線，可采用一對高、低液位浮動開關(guān)或離散液位感應(yīng)探頭。
在實施時，一個重要的注意事項是：如果使用兩個傳感器，則應(yīng)對自動化進行編程，以向用戶指示兩者的不一致，同時使用盡可能合理的信號或操作員選擇的值進行控制。如果使用三個傳感器，可以使用三選二的表決邏輯，但必須始終通過HMI/SCADA通知運行人員信號不一致的情況，以便及時解決這些問題。
04 PLC和硬接線控制
通常來說，PLC是非常可靠的設(shè)備。當(dāng)然，它們也可能會自行發(fā)生故障、由于浪涌而導(dǎo)致故障，相關(guān)的I/O模塊也可能會發(fā)生故障。PLC甚至可能會因為編程不當(dāng)而導(dǎo)致其停止運行。正確配置和調(diào)試的PLC可以提供數(shù)年或數(shù)十年的不間斷運行。當(dāng)然，對于支持/維護團隊來說，維護自動化組件的現(xiàn)有備件始終是謹慎的選擇。
有些PLC型號具有冗余功能。多年來，由于更好的通信協(xié)議和其它因素，這些配置的復(fù)雜性有所下降，但就前期和持續(xù)成本而言，實現(xiàn)冗余PLC仍然相對昂貴。雖然冗余PLC可以讓用戶更容易升級某些處理器，但對額外組件、更多空間和復(fù)雜配置的要求，可能使其并不是那么具有性價比。
對于規(guī)模較小的裝置，通常更適合添加一些與PLC并行的基本硬接線控制。以“濕井”為例，即使PLC或變頻器出現(xiàn)故障，硬接線連接的高、低液位控制器也可以使用旁路接觸器運行泵。這種運行模式雖不是最佳的，但它能確保系統(tǒng)運行，直到維護人員解決問題。
05 HMI、SCADA和其它接口
HMI和SCADA系統(tǒng)通常部署在運行可視化軟件的專用或基于PC的平臺上，并與本地控制器和智能設(shè)備聯(lián)網(wǎng)(圖3)。如果網(wǎng)絡(luò)或HMI和SCADA硬件/軟件出現(xiàn)故障，即使PLC和儀器繼續(xù)正常運行，運行人員無法對底層系統(tǒng)進行監(jiān)控。
▲圖：該HMI顯示的是一個廢水提升站，在“濕井”中使用兩種不同的液位測量技術(shù) (帶有“液位不一致” 報警)和四個冗余泵，所有這些都由被監(jiān)控的UPS供電。
網(wǎng)絡(luò)和HMI/SCADA冗余是一個更大的主題，但對于關(guān)鍵應(yīng)用，設(shè)計人員應(yīng)考慮將以太網(wǎng)冗余環(huán)與多個HMI/SCADA設(shè)備結(jié)合使用。
如果這些措施不適用，設(shè)計人員還可以配置一些本地按鈕、開關(guān)、燈和其它類似設(shè)備，以提供基本的指示和控制。運行人員通常會偏好一些基本功能的可用性，以防功能更復(fù)雜的自動化元件不可用。
將冗余應(yīng)用于工業(yè)自動化設(shè)計需要在價格、性能、物理空間和其它因素等方面進行仔細考量，然后才能做決策。幸運的是，有許多產(chǎn)品和設(shè)計方法可以提高電力、測量、控制和可視化系統(tǒng)的彈性。將 UPS、用于關(guān)鍵測量的冗余傳感器以及一些硬接線控制和指示設(shè)備等一些基本設(shè)備整合在一起，是改善系統(tǒng)正常運行時間，并幫助操作員保持機器和設(shè)備穩(wěn)定運行的重要方法。
所有評論僅代表網(wǎng)友意見，與本站立場無關(guān)。