冗余和彈性是非常好的概念，對(duì)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(qiáng)制性要求。當(dāng)涉及到工業(yè)設(shè)備和OEM機(jī)械時(shí)，設(shè)計(jì)人員也希望為各種電氣、自動(dòng)化和機(jī)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(duì)其它應(yīng)用而言有點(diǎn)不切實(shí)際。
幸運(yùn)的是，現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員可以采取許多切實(shí)有效的措施來提高工業(yè)控制系統(tǒng)的冗余度，而不會(huì)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(dòng)化設(shè)計(jì)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(diǎn)故障成本與基本冗余選項(xiàng)
單點(diǎn)故障是指系統(tǒng)中的任何電氣、機(jī)械、軟件或其它元件，如果發(fā)生故障，會(huì)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(diǎn)故障都是不能接受的，因?yàn)樗鼈兛赡軐?dǎo)致多種不良結(jié)果，從輕微的故障到導(dǎo)致成本和嚴(yán)重程度高得多的事故。
如果與停機(jī)、生產(chǎn)損失、浪費(fèi)或其它負(fù)面影響相比，在一個(gè)或多個(gè)層面實(shí)現(xiàn)冗余的成本更低，則有必要實(shí)施冗余設(shè)計(jì)。與工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)相關(guān)的基本冗余選項(xiàng)包括以下四個(gè)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(jī)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(xiàng)目中，PLC被普遍認(rèn)為是最不易發(fā)生故障的，但作為一個(gè)明顯的單點(diǎn)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(xiǎn)大小和實(shí)施成本，以確定在哪些方面可以實(shí)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(gè)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(gè)或多個(gè)來源的廢水，然后將廢水泵送到另一位置做進(jìn)一步的處理。變頻器 (VFD) 可以讓泵運(yùn)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(yùn)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(yuǎn)地區(qū)，必須全天候可靠運(yùn)行。控制出問題可能導(dǎo)致泵持續(xù)運(yùn)行直到出現(xiàn)故障，或者停止運(yùn)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(huì)出危險(xiǎn)，甚至導(dǎo)致罰款。
冗余對(duì)于確保持續(xù)運(yùn)行至關(guān)重要，事實(shí)上，許多此類系統(tǒng)通常都安裝了不止一臺(tái)泵，以提供機(jī)械冗余。但是，怎樣才能提高自動(dòng)化的彈性呢？下面從四個(gè)基本冗余選項(xiàng)的應(yīng)用進(jìn)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(jī)和加熱器等大型電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備將無法運(yùn)行，除非有二次供電或帶自動(dòng)轉(zhuǎn)換的發(fā)電機(jī)來承載這些負(fù)載，否則無法采取太多措施。
但對(duì)于通常運(yùn)行在120V或更低電壓下的PLC和其它自動(dòng)化組件來講，設(shè)計(jì)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(hù)自動(dòng)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(jì)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(shí)保持控制功率(圖1)。要驗(yàn)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(jìn)的電源。
▲圖1：由于電源是比較常見的故障來源，因此設(shè)計(jì)人員可以考慮通過二極管模塊實(shí)現(xiàn)雙電源組合。本文圖片來源：Automation Direct
有時(shí)，當(dāng)保險(xiǎn)絲或斷路器等過電流保護(hù)裝置跳閘時(shí)，會(huì)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(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)裝置功能(圖2)?，F(xiàn)代ECB提供快速動(dòng)作補(bǔ)充電路保護(hù)，可由PLC遠(yuǎn)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(gè)24V直流大容量電源，然后可靠地將其分配給多個(gè)負(fù)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(duì)于關(guān)鍵任務(wù)的測量，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮使用第二個(gè)甚至第三個(gè)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(jí)液位測量技術(shù)可以使用靜壓力液位傳感器來實(shí)現(xiàn)。此外，作為應(yīng)對(duì)變送器失效時(shí)的第三道防線，可采用一對(duì)高、低液位浮動(dòng)開關(guān)或離散液位感應(yīng)探頭。
在實(shí)施時(shí)，一個(gè)重要的注意事項(xiàng)是：如果使用兩個(gè)傳感器，則應(yīng)對(duì)自動(dòng)化進(jìn)行編程，以向用戶指示兩者的不一致，同時(shí)使用盡可能合理的信號(hào)或操作員選擇的值進(jìn)行控制。如果使用三個(gè)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(yùn)行人員信號(hào)不一致的情況，以便及時(shí)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(huì)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(huì)發(fā)生故障。PLC甚至可能會(huì)因?yàn)榫幊滩划?dāng)而導(dǎo)致其停止運(yùn)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(yùn)行。當(dāng)然，對(duì)于支持/維護(hù)團(tuán)隊(duì)來說，維護(hù)自動(dòng)化組件的現(xiàn)有備件始終是謹(jǐn)慎的選擇。
有些PLC型號(hào)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(shí)現(xiàn)冗余PLC仍然相對(duì)昂貴。雖然冗余PLC可以讓用戶更容易升級(jí)某些處理器，但對(duì)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(jià)比。
對(duì)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(yùn)行泵。這種運(yùn)行模式雖不是最佳的，但它能確保系統(tǒng)運(yùn)行，直到維護(hù)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(yùn)行可視化軟件的專用或基于PC的平臺(tái)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(yùn)行，運(yùn)行人員無法對(duì)底層系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。
▲圖：該HMI顯示的是一個(gè)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(bào)警)和四個(gè)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(gè)更大的主題，但對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮將以太網(wǎng)冗余環(huán)與多個(gè)HMI/SCADA設(shè)備結(jié)合使用。
如果這些措施不適用，設(shè)計(jì)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(yùn)行人員通常會(huì)偏好一些基本功能的可用性，以防功能更復(fù)雜的自動(dòng)化元件不可用。
將冗余應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)需要在價(jià)格、性能、物理空間和其它因素等方面進(jìn)行仔細(xì)考量，然后才能做決策。幸運(yùn)的是，有許多產(chǎn)品和設(shè)計(jì)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(yùn)行時(shí)間，并幫助操作員保持機(jī)器和設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的重要方法。