單點故障太可怕！——自動化系統的四個基本冗余方法
發布時間：2024-11-27 作者：Rin Irvin
圖片來源：CEChina
即使是對于較小的自動化系統，設計人員也可以利用自動化產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、發電系統和通信網絡等關鍵設施的應用，這是強制性要求。當涉及到工業設備和OEM機械時，設計人員也希望為各種電氣、自動化和機械系統引入冗余。然而，冗余通常涉及更高的成本和更大的復雜性，這使其通常只適用于最關鍵的應用，對其它應用而言有點不切實際。
幸運的是，現在設計人員可以采取許多切實有效的措施來提高工業控制系統的冗余度，而不會將成本和復雜性提高到無法接受的水平。本文介紹了一些工業自動化設計方法，這些方法可以在許多類型的應用中提供冗余，或者至少提高彈性程度。
01 單點故障成本與基本冗余選項
單點故障是指系統中的任何電氣、機械、軟件或其它元件，如果發生故障，會導致系統的其余部分按預期停止工作。因此，任何系統中的單點故障都是不能接受的，因為它們可能導致多種不良結果，從輕微的故障到導致成本和嚴重程度高得多的事故。
如果與停機、生產損失、浪費或其它負面影響相比，在一個或多個層面實現冗余的成本更低，則有必要實施冗余設計。與工業自動化設計相關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）、監控和數據采集（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生故障的，但作為一個明顯的單點故障，它往往又是經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，都必須權衡風險大小和實施成本，以確定在哪些方面可以實現最大的成本效益。
每種應用都是不盡相同，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，以保持穩定的水位，也可以繞過變頻器，讓泵以開/關模式運行。
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，必須全天候可靠運行。控制出問題可能導致泵持續運行直到出現故障，或者停止運行，從而導致溢流。任何一種情況都需要打緊急服務電話，可能會出危險，甚至導致罰款。
冗余對于確保持續運行至關重要，事實上，許多此類系統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用進行具體分析。
02 電源
控制系統的電源故障是最令人擔憂的問題。如果出現大范圍停電，那么泵、壓縮機和加熱器等大型電力驅動設備將無法運行，除非有二次供電或帶自動轉換的發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，它們使用電池持續為設備供電，通常為120V AC或24V DC。這可以保護自動化設備免受電源間斷和斷電的影響，并使PLC能夠監控電源并向監控系統發送重要信息。
設計人員還可以使用雙電源，通過二極管橋組合，在發生單一故障時保持控制功率（圖1）。要驗證電源狀態，應使用監控繼電器或具有數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，因此設計人員可以考慮通過二極管模塊實現雙電源組合。
本文圖片來源：Automation Direct
有時，當保險絲或斷路器等過電流保護裝置跳閘時，會發生電源故障。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，以實現過電流保護裝置功能（圖2）。現代ECB提供快速動作補充電路保護，可由PLC遠程控制和監控，并可向HMI/SCADA系統提供指示。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。
▲圖2:具有各種冗余功能的電源、UPS、ECB和以太網交換機可以提供遠程監控，
以提高控制系統的正常運行時間。
03 傳感器及儀表
由于受到現場安裝位置的限制，傳感器和儀表極易受到物理損壞和元件故障的影響。因此，對于關鍵任務的測量，設計人員應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。
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可以使用靜壓力液位傳感器來實現。此外，作為應對變送器失效時的第三道防線，可采用一對高、低液位浮動開關或離散液位感應探頭。
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是非常可靠的設備。當然，它們也可能會自行發生故障、由于浪涌而導致故障，相關的I/O模塊也可能會發生故障。PLC甚至可能會因為編程不當而導致其停止運行。正確配置和調試的PLC可以提供數年或數十年的不間斷運行。當然，對于支持/維護團隊來說，維護自動化組件的現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，由于更好的通信協議和其它因素，這些配置的復雜性有所下降，但就前期和持續成本而言，實現冗余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、更多空間和復雜配置的要求，可能使其并不是那么具有性價比。
對于規模較小的裝置，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備聯網（圖3）。如果網絡或HMI和SCADA硬件/軟件出現故障，即使PLC和儀器繼續正常運行，運行人員無法對底層系統進行監控。
▲圖3：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
（帶有“液位不一致” 報警）和四個冗余泵，所有這些都由被監控的UPS供電。
網絡和HMI/SCADA冗余是一個更大的主題，但對于關鍵應用，設計人員應考慮將以太網冗余環與多個HMI/SCADA設備結合使用。
如果這些措施不適用，設計人員還可以配置一些本地按鈕、開關、燈和其它類似設備，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，以防功能更復雜的自動化元件不可用。
將冗余應用于工業自動化設計需要在價格、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，有許多產品和設計方法可以提高電力、測量、控制和可視化系統的彈性。將 UPS、用于關鍵測量的冗余傳感器以及一些硬接線控制和指示設備等一些基本設備整合在一起，是改善系統正常運行時間，并幫助操作員保持機器和設備穩定運行的重要方法。
關鍵概念：
■ 了解在不過度增加成本的情況下，提高工業控制系統冗余度的策略。
■ 將冗余應用到工業自動化設計中，需要在價格、性能、物理空間和其它因素方面進行仔細考量，然后再做決策。
思考一下：
提高自動化系統的冗余度有哪些好處？