2-王文海-中國(guó)石油化1

高可靠安全主控系統(tǒng)研究與應(yīng)用杭州優(yōu)穩(wěn)自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司浙江大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化國(guó)家工程研究中心2010-03-18北京王文海教授孫優(yōu)賢院士2010中國(guó)石油化工重大工程儀表自控技術(shù)高峰論壇2自動(dòng)化控制裝備是大型工業(yè)裝置可靠運(yùn)行的神經(jīng)中樞和安全保障。計(jì)算機(jī)控制裝置或稱主控系統(tǒng)，是自動(dòng)化系統(tǒng)的核心，是“大腦和神經(jīng)系統(tǒng)”，而在國(guó)內(nèi)大型裝置或關(guān)鍵裝置的自動(dòng)化系統(tǒng)中尚缺乏中國(guó)自己的高端主控系統(tǒng).傳感器執(zhí)行器主控系統(tǒng)被控對(duì)象研究背景研究背景工業(yè)的飛速發(fā)展給人們帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，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(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，一旦發(fā)生事故，將會(huì)導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失，輕者設(shè)備損壞，重者機(jī)毀人亡。高可靠安全主控系統(tǒng)是專門為安全相關(guān)系統(tǒng)、或條件苛刻的任務(wù)而設(shè)計(jì)的，具有故障安全特征的計(jì)算機(jī)控制裝置或控制系統(tǒng)。作為主控系統(tǒng)應(yīng)用于緊急停車系統(tǒng)ESD（EmergencyShutdownDevice）、安全儀表系統(tǒng)（SafetyInstrumentSystem）、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)（SafetyInterlockSystem）、緊急跳閘系統(tǒng)（EmergencyTripSystem）、安全關(guān)聯(lián)系統(tǒng)（SafetyRelatedSystem）、儀表保護(hù)系統(tǒng)（InstrumentProtectiveSystem）等。廣泛應(yīng)用于石化、煉油、石油天然氣、化工、電力、軌道交通、航天、核工業(yè)等行業(yè)。

4主控系統(tǒng)技術(shù)路線圖

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(jì)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(guó)外國(guó)內(nèi)基本空白隨設(shè)備引進(jìn)、設(shè)計(jì)選型、跟蹤積累引進(jìn)消化，自主開發(fā)，工程應(yīng)用全面推廣，占領(lǐng)中小規(guī)模領(lǐng)域，拓展大型應(yīng)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)應(yīng)用高可靠安全控制1990-1995集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)2003-2005

DCS/PLC/PAS新一代主控系統(tǒng)主控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線圖2002年2007年2010年MTBF>8萬小時(shí)I/O點(diǎn)數(shù)>5000應(yīng)用套數(shù)：2000一般中小工程MTBF>12萬小時(shí)I/O點(diǎn)數(shù)>30000應(yīng)用套數(shù)：5600500萬噸煉油3052化肥30萬千瓦火電MTBF>20萬小時(shí)I/O點(diǎn)數(shù)>80000應(yīng)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(guó)外差距15年以上，縮短到現(xiàn)在差距不到3年！RandomHardwarefailures硬件隨機(jī)故障IEC61508SafetyUmbrellafortheworld?Specificationfailures技術(shù)要求中的過失Design&Implementationfailures設(shè)計(jì)&實(shí)施中的過失Installation&Commissioningfailures安裝&試車中的過失Operation&MaintenanceFailures操作和維護(hù)中的過失Modificationfailures修改中的過失IEC-61508安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)RELAYPLC’SVOTINGDIAGNOSTICS19501960 1980 1988 1998 2005

2oo21oo22oo31oo11oo1D/1oo2D2oo3D2oo4D最新技術(shù)安全系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)技術(shù)趨勢(shì)

從70年代開始產(chǎn)生于航空領(lǐng)域的三重冗余多數(shù)表決機(jī)制TMR開始用于安全系統(tǒng)。90年代，國(guó)外一些大公司推出三重化TMR、冗錯(cuò)功能的系統(tǒng)。如美國(guó)Woodward公司的MicroNetTMR系統(tǒng)、Triconex公司的Tricon系統(tǒng)、Honeywell公司的FSC系統(tǒng)、英國(guó)ICSTriplex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(cuò)機(jī)制是指一個(gè)和多個(gè)元件或部件出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)仍能繼續(xù)運(yùn)行的能力。容錯(cuò)系統(tǒng)能發(fā)現(xiàn)故障并排出故障的影響。新型SIS可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所有部件和部分相關(guān)設(shè)備故障的容錯(cuò)特性。容錯(cuò)手段主要是冗余、自診斷和在線維護(hù)修理?，F(xiàn)在還有一個(gè)能靈活配置的理念。如HIMA公司的HIMax產(chǎn)品支持xMR架構(gòu)，即X=1、2、3、4，分別構(gòu)成無冗余，二重、三重、四重冗余。技術(shù)基礎(chǔ)研究開發(fā)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期專注于集散控制系統(tǒng)、可編程控制器、智能儀表、控制工程應(yīng)用軟件平臺(tái)、大型裝備工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化；承擔(dān)國(guó)家計(jì)委工業(yè)自動(dòng)化高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重大專項(xiàng)3項(xiàng)，具有扎實(shí)的科研積累與豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)；形成了獨(dú)具特色的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)體系，在可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)據(jù)I/O技術(shù)、實(shí)時(shí)控制技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件平臺(tái)技術(shù)等關(guān)鍵核心技術(shù)上有11項(xiàng)重大創(chuàng)新與技術(shù)突破。近5年，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，作為第一、第二完成人獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)，二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。取得軟件著作權(quán)11項(xiàng)，專利10項(xiàng)。研究?jī)?nèi)容1控制系統(tǒng)可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性分析基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)研究，包括容錯(cuò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析、容錯(cuò)機(jī)制研究、算法語言編程與運(yùn)行機(jī)制設(shè)計(jì):研究?jī)?nèi)容1系統(tǒng)內(nèi)置所有的開關(guān)量和模擬量的輸入表決算法、輸出表決算法、輸入輸出自檢和故障報(bào)告機(jī)制，并通過專用可編程陣列硬件芯片實(shí)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)研究?jī)?nèi)容1設(shè)計(jì)相關(guān)的檢測(cè)診斷電路與故障診斷軟件，對(duì)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)行診斷定位，并自動(dòng)對(duì)其補(bǔ)償、隔離、重構(gòu)，在線維修，在線更換；研究?jī)?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(jì)分析技術(shù)和性能設(shè)計(jì)分析技術(shù)是兩套不同的技術(shù)體系；大量的可靠性設(shè)計(jì)分析工作是由性能設(shè)計(jì)人員來完成；而在可靠性設(shè)計(jì)分析中，卻有大量的性能數(shù)據(jù)未能得到有效的應(yīng)用；因此要求建立一套綜合的設(shè)計(jì)分析技術(shù)，在一次設(shè)計(jì)過程中能同時(shí)解決性能和可靠性兩方面的問題。研究一種可靠性同性能緊密結(jié)合的、以性能設(shè)計(jì)思維為主線的、新的綜合可靠性設(shè)計(jì)分析技術(shù)，以克服現(xiàn)有可靠性分析因可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)缺乏而帶來的影響，并能夠部分解決那些遺留下的可靠性技術(shù)難題(如系統(tǒng)的故障相關(guān)性、非單調(diào)關(guān)聯(lián)性等)。研究?jī)?nèi)容3控制工程應(yīng)用軟件平臺(tái)是應(yīng)用于控制系統(tǒng)的集成開發(fā)軟件平臺(tái)，集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、算法執(zhí)行、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出以及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能于一體。包括實(shí)時(shí)控制組件、編程組態(tài)組件、圖形監(jiān)控組件，分別運(yùn)行在不同的硬件平臺(tái)上，并通過各級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，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(gè)控制系統(tǒng)的各種功能。研究?jī)?nèi)容3控制工程應(yīng)用軟件平臺(tái)研究?jī)?nèi)容4進(jìn)行控制裝置與控制系統(tǒng)的工業(yè)工程與制造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，制造過程專用自動(dòng)編程、自動(dòng)調(diào)校標(biāo)定、自動(dòng)檢驗(yàn)、在線老化試驗(yàn)裝置的研究實(shí)現(xiàn)，通過設(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)品的品質(zhì)。通過硬件模件制造、軟件程序下裝、試驗(yàn)測(cè)試標(biāo)定等產(chǎn)品制造過程的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)燒寫、自動(dòng)標(biāo)定、自動(dòng)校驗(yàn)，達(dá)到規(guī)范制造流程，減少或避免人為影響，保證產(chǎn)品質(zhì)量的目的。關(guān)鍵控制的兩種類型可用性應(yīng)用類型目標(biāo)：消除停機(jī)時(shí)間（運(yùn)行時(shí)間是絕對(duì)要素）防止系統(tǒng)失效——喪失功能停機(jī)關(guān)注：系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，運(yùn)行和停止之間的差異安全性應(yīng)用類型目標(biāo):消除危險(xiǎn)情形（危險(xiǎn)情景是不能接受；人員、設(shè)備環(huán)境保護(hù)）防止系統(tǒng)失誤——機(jī)能失常關(guān)注：系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，安全和危險(xiǎn)之間的差異冗余機(jī)制高可用性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1個(gè)雙機(jī)系統(tǒng)3種類型冷備(ColdStandby)控制器A運(yùn)行,控制器B不運(yùn)行；控制器A故障時(shí)切換到控制器B；溫備(WarmStandby)控制器A和B都在運(yùn)行；沒有數(shù)據(jù)同步；熱備（

HotStandby）控制器A和B在運(yùn)行；數(shù)據(jù)在控制器A和B之間同步控制器B控制器A高可靠安全主控系統(tǒng)19冗余結(jié)構(gòu)硬件架構(gòu)系統(tǒng)概述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特點(diǎn)硬件架構(gòu)軟件平臺(tái)工程管理生產(chǎn)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(gè)通用模擬量輸入，或512個(gè)模擬量輸出，或1024個(gè)數(shù)字量輸入或輸出，可構(gòu)成256個(gè)PID控制回路；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)支持32個(gè)控制節(jié)點(diǎn)（或16對(duì)冗余的控制節(jié)點(diǎn)），系統(tǒng)最大規(guī)模：AI:16384，或AO:16384，或DIO:32768。軟件平臺(tái)系統(tǒng)概述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特點(diǎn)硬件架構(gòu)軟件平臺(tái)工程管理生產(chǎn)制造生產(chǎn)制造質(zhì)量方針：提供優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的自動(dòng)化產(chǎn)品，滿足行業(yè)用戶的自動(dòng)化需求嚴(yán)格制造過程質(zhì)量控制，部件高溫老化72小時(shí)，整機(jī)全面測(cè)試連續(xù)運(yùn)行考核120小時(shí)；遵循國(guó)際IS