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    1 引言

    冗余技術作為提高系統可靠性非常重要的一種手段，越來越被現代工業的設計者們所采用，它在現代工業生產中扮演越來越重要的角色，尤其是在重要工業生產線上承擔神經大腦的數字控制系統更是大量采用冗余設計的理念，比如核電站儀控系統就大量采用了冗余設計的方法來提高系統可靠性。本文從冗余方法、冗余機理、和與它相關聯的技術及在實際中的工程應用來闡述數字儀控系統的冗余設計。

    2 冗余技術應用

    系統的冗余一般都是通過設備并聯來實現的，比如N取P系統中的二取一冗余方法、三取二冗余方法、四取二冗余方法、二取二方法、五取四方法等。每種冗余方法的基本機理都是通過設備并聯并輔以相應的決策機制來完成冗余設計的，高冗余機制在其中有設備發生故障時，可以降級到低冗余機制運行，比如：四取二冗余方法當出現兩個設備同時故障時，可以降級到二取二方法運行。下面介紹一下具體冗余方法在實際工程中的一些應用：
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    控制器冗余

    控制器是整個數字儀控系統的核心，絕大多數的控制任務都由它來完成，控制器冗余配置后，一對控制器按照主從二取一冗余模式運行，在工作模式下，主機承擔系統的控制命令的發出，從機則處于熱備狀態，在執行對主機診斷、監視任務時，實時同步系統的運行數據，在主機功能異常的情況下，接替主機，成為系統任務的發出者。在考慮主從機切換時，必須實現主從無擾切換，從而保持系統工藝運行的平穩性。

    在具體實現控制器冗余時，有的平臺系統是以從機定時拷貝主機運行數據的方式運行，有的系統通過主從機自然同步的方法（即通過主從控制器上冗余的通信接口各自同時獲取同一信息源相同的信息）實現從機對系統信息的獲取，無論采用哪種方法，都要保證主從機切換對系統的影響滿足現場工藝無擾切換要求。采用主從機自然同步機制，系統的無擾能力會更好。

    主從控制器在自然同步過程中必然會面臨主從數據可能不一致的問題，一旦差異產生，數據很難消除，所以當系統發現主從數據有不一致時必須有機制保障主從機數據的一致性，通常采用數據強制的方法，可采用初始化全盤賦值或者在運行的每個周期對重要變量進行比較賦值的方法來保障主從機數據的一致性。
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    數據服務器冗余

    數據服務器作為系統數據的核心及數據鏈路的橋梁，它的健康狀況直接影響系統的正常運行。在單層網系統中，數據服務器為系統提供數據查詢服務，當數據服務器工作異常時，會導致上位機相關的數據查詢統計工作失效。在雙層網絡中，數據服務器承擔著更為重要的工作，比如輸入輸出轉換、歷史數據存儲、趨勢、報警、日志查詢服務、特殊運行復雜工藝數據的統計計算等任務，數據站的工作異常，直接會導致上位機操作故障，系統只能依賴下位機控制器的自主判斷及連鎖保護，系統的運行是非常危險的。所以在重要的儀控系統中，必須為儀控系統提供冗余的數據源，保證系統整體數據鏈路的正常工作，一般儀控系統采用二取一冗余方法運行。

    一般系統配置兩臺數據站，在系統規模較大、計算處理任務較多時系統需要配置多于兩臺的數據站，分別具體處理特殊的交換任務。比如歷史數據站、打印服務站、計算服務站、輸入輸出轉換服務站等。為了進一步增加數據站的可靠性，每臺數據站本身還需要配置冗余的電源模塊、磁盤陣列、冗余風扇、冗余網卡等設備。當主數據站故障時系統可以無擾的切換到輔助數據站進行正常運行。
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    電源冗余

    電源作為儀控系統的能量來源，它的可靠性直接決定了儀控系統的可靠度，所以必須保障電源系統能夠安全、可靠、長期、穩定的運行。在儀控系統的設計中，經常采用多組電源模塊組成冗余電路對系統進行供電，比如采用二取一冗余方法的1+1型、N+1型等供電設計。當某一組或幾組電源出現故障無法正常工作時，則由其他熱備電源進行供電。因此，在對控制系統進行電源冗余設計時，必須根據所用電源的功率、可靠性以及系統所規定的最短平均無故障時間等參數來考慮電源的搭配設計。
典型電源組合示意圖：

                      
                                                      圖1 1+1型
                                          
                      
                                                     圖2 N+1型

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    網絡冗余

    數字儀控系統的各個組成部分包括主控制器、網關、網絡連接模件、輸入輸出模件，它們之間的通信都是通過網絡通訊的方式來實現，比如DCS（FCS）系統的設計極大的發揮了現代通訊技術的優勢，極大的提升了現代工業的制造能力，所以網絡作為數字儀控系統的核心部件之一，它的可靠性是非常重要的。數字儀控系統的通訊技術中大量植入了冗余的設計理念，一般通過雙網進行通訊，一條網絡的缺失不會影響到系統本身的功能運行，給在線維修工作帶來了可能，并能保障生產系統的連續運行，其中各層的網絡設備通過冗余配置的交換機進行鏈路通訊連接。

    在工控行業中，根據各自技術的特點采用的網絡結構也不同，有把儀控系統網絡分成三層網運行的：控制器到輸入輸出模塊級網絡、控制器到數據服務器網絡、數據服務器到操作員站網絡；有把儀控系統網絡分成兩層網運行的：控制器到輸入輸出模塊級網絡、控制器到數據站/操作站網絡，雖然具體網絡形態不同，但網絡都采用了冗余的設計理念。

    在正常運行時，系統能夠對通訊網絡狀態進行檢測，并選擇其中一條作為工作數據鏈路，另一條備用。當某工作鏈路出現故障時，系統能夠自動的判斷并無擾的將通信任務切換到另一條鏈路上以保障通訊的正常進行，同時給出網絡狀態提示信息。

    典型的網絡結構：

                      
                                          圖3兩層網絡結構

                    
                                                 圖4 三層網絡結構

    散熱設備冗余

    儀控系統工作時需要考慮環境溫度的因素，周圍環境溫度太高會影響系統的穩定性，當系統自然通風不能滿足系統環境溫度要求時，需要設計系統為強制通風散熱。在重要的儀控系統中采用冗余的散熱設備，比如采用二取一冗余方法的1+1散熱風扇設計，保障在其中一臺風扇故障時，另外一臺風扇單獨工作也能保持儀控系統溫度場的穩定性。
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    操作站、工程師站冗余

    系統配置多臺相同功能的操作員站及工程師站，各個操作員站在正常工作時按照工藝系統進行分工，當出現操作員站故障時，可以使用其他操作員站接替故障操作員站的工作，保證操作員站工作的正常進行，同時所有的工程師站作為操作員站的備份，當出現所有操作員站故障時，工程師站可以接替操作員站進行操作執行。

    3 冗余方法的失效概率分析

    1）并聯系統的正常工作概率分析：

    兩個部件分別為A和B，假設部件的失效模式是完全獨立的，如果A或B正常工作，系統就會正常工作，只有當A和B同時失效時，系統才能失效。
 
                    
                                             圖5 并聯系統

    R_A 設備A正常工作的概率；

    F_A 設備A失效的概率；

    R_B 設備B正常工作的概率；

    F_A 設備B失效的概率；

    R_S 系統正常工作的概率；

    F_S 系統失效的概率。

    系統正常工作的概率：

    R_S= R_A+R_B- R_A.R_B

    系統失效率：

    F_S=F_A.F_B

    我們把并聯系統擴展到N個具有獨立失效模式的設備并聯，可以計算出系統的失效概率：

    F_S=F₁.F₂¨¨¨F_N

    系統正常工作的概率：

    R_S= 1- F_S

    2）幾種實用并聯冗余方法的機理失效模式分析：
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    二取一冗余方法

    假設兩個設備完全相同，二取一冗余方法的正常工作概率為：

    R_S= 2_R1- R₁

    系統失效率：

    F_S=1- R_S

    系統正常工作的概率、系統失效率具體計算：

    假設設備A、B的正常工作概率都為0.98

    R_S=2*0.98-0.98=0.9996

    F_S=1-0.9996=0.0004

    典型的正邏輯算法：

                        
                                      圖6 二取一冗余正邏輯算法

    典型的繼電器電路:
  
                
                                        圖7 二取一冗余繼電器電路
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    三取二冗余方法

    假設三個設備完全相同，三取二冗余方法的正常工作概率為：

    R_S= 3 R²₁-3 R⁴₁+R⁶₁

    系統失效率：

    F_S=1- R_S

    系統正常工作的概率、系統失效率具體計算：

    假設設備A、B、C的正常工作概率都為0.98

    R_S=3*0.9²8-3*0.9⁴8+0.9⁶8=0.999937900864

    F_S=1-0.999937900864=0.000062099136

    典型的正邏輯算法：
  
                        
                                   圖8 三取二冗余正邏輯算法

    典型的繼電器電路:
   
                     
                                  圖9 三取二冗余繼電器電路
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    四取二冗余方法

    假設四個設備完全相同，四取二冗余方法的正常工作概率為：

    R_S=6R²₁-15 R⁴₁+20R⁶₁-15R⁸₁+6R¹⁰₁-R¹²₁

    系統失效率：

    F_S=1- R_S

    系統正常工作的概率、系統失效率具體計算：

    假設設備A、B、C、D的正常工作概率都為0.98

    R_S=6*0.9²8-15*0.9⁴8+20*0.9⁶8-15*0.9⁸8+6*0.9¹⁰8-0.9²8=0.99999999614

    F_S=1-0.99999999614=0.00000000386

典型的正邏輯算法：
  
                    
                                圖10 四取二冗余正邏輯算法

     典型的繼電器電路:
  
                 
                               圖11 四取二冗余繼電器電路
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    二取二方法

    假設兩個設備完全相同，系統正常工作的概率：

    R_S= R₁ R₂=R₁

    系統失效率：

    F_S=1- R_S

    系統正常工作的概率、系統失效率具體計算：

    假設設備A、B的正常工作概率都為0.98

    R_S=0.98= 0.9604

    F_S=1- 0.9604=0.0396

    典型的正邏輯算法：
  
                   
                              圖12 二取二正邏輯算法

    典型的繼電器電路:
  
                   
                             圖13 二取二繼電器電路
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     五取四冗余方法

    假設五個設備完全相同，五取四冗余方法的正常工作概率為：

    R_S=3R⁴₁-3 R⁸₁+R¹²₁

    系統失效率：

    F_S=1- R_S

    系統正常工作的概率、系統失效率具體計算：

    假設設備A、B、C、D、E的正常工作概率都為0.98

    R_S=3*0.9⁴8-3*0.9⁸8+0.9¹²8=0.99953213598

    F_S=1-0.99953213598=0.00046786402

    典型的正邏輯算法：

                 
                             圖14 五取四正邏輯算法 

    典型的繼電器電路:
  
                            
                           圖15 五取四繼電器電路

    3）幾種實用并聯冗余方法的機理失效模式比較：

    冗余方法正常工作概率曲線圖：
  
                      
                              圖16 正常工作概率曲線圖

    從圖上中可以看出，系統正常工作概率依次從二取一、三取二、四取二開始逐漸提高，但當系統增加到五取四冗余時，系統的可靠性反而下降。當系統從四取二冗余降級到二取二時，系統的可靠性有一個顯著的下降，實際此時系統已經不是嚴格意義上的冗余工作模式運行。所以如何選擇冗余方法，必須結合實際的系統可靠性要求，根據冗余方法的機理及實際系統的復雜度要求綜合考慮冗余方法的取用。

    4 可靠性設計中的其他技術

    在此處我們簡單介紹數字儀控系統可靠性設計中經常采用的一些技術，方便讀者了解冗余性技術與其他可靠性保障技術的關系。
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    容錯技術

    容錯技術就是當由于種種原因在系統中出現了數據、文件損壞或丟失時，系統能夠自動將這些損壞或丟失的文件和數據恢復到發生事故以前的狀態，使系統能夠連續正常運行的一種技術。比如服務器磁盤存儲陣列中的RAID5、通訊校驗中使用的CRC算法等。
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    故障診斷

    利用各種檢查、測試、驗證、判斷方法，發現系統和設備是否存在故障的過程是故障診斷。冗余技術必須依賴準確的故障診斷機制才能真正發揮作用，就像醫生給病人看病一樣，醫生的診病過程就是數字儀控系統的故障診斷的過程，只有看準了病因，才能對癥下藥。在故障診斷后，及時由帶病單元切換為健康單元工作，并給出系統提示報警，及時進入在線更換維護流程，保持現場工藝機組的健康、長期、穩定運行。良好的診斷機制是在充分考慮現場控制設備、工藝安全運行的基礎上得來的，有時儀控系統本身的設備安全往往和現場工藝設備的故障處理相矛盾，到底是先保設備還是先保工藝安全，需要綜合評價，最終找到一個平衡點，一般現在的儀控系統平臺都提供給了工程人員一定的手段去調整兩種情況的選擇。
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     降額

    數字儀控系統的設備一般都為電氣設備，這些電氣設備又都是由一些電子元器件有機的組合而成，它們都有一定的使用條件，這些使用條件是以元器件的某些額定參數值來表示的。實踐證明，當元器件的工作條件低于額定值時，其工作比較穩定，發生故障的機會也比較少。所以為了提高可靠性，往往將元器件降額使用。降額的幅度要從可靠性和經濟性兩方面綜合考慮，因為元器件的額定參數越高，價格也越高，所以我們要結合實際系統應用場合，進行合理的器件降額使用。降額技術的合理采用，可有效地減少系統對于冗余性的依賴，在同樣冗余設計能力下，可有效的提高系統的整體可靠度。
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    后備盤設備

    后備盤設計本身也是一種冗余的理念設計，設計者對重要設備或控制回路可以采用手動后備的方法來提高整個系統的可靠性。一旦主設備操作失靈，可以切換到后備裝置控制生產過程。具體的后備設備可以由純電氣操作盤組成，也可以由獨立的數字系統組成，比如：核電數字儀控系統中：提供緊急停堆后備盤，來應對處理反應堆緊急狀態下的停堆操作。

    系統故障輸出保持鎖定

    當系統關鍵設備損壞（包含冗余設備）時，根據現場工藝系統設備安全位的要求，儀控系統通過輸出卡件故障保持安全輸出的方式來為現場工藝運行增加一道安全保護，把因為儀控系統本身故障造成的損失減少到最小。
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    電氣輔助回路保護

    儀控系統指令信號的執行一般都是通過電氣輔助回路進行轉換控制的，當儀控系統本身故障，失去相關機能時，我們可以通過電氣輔助回路保護回路的設計進一步減小故障造成的設備、工藝運行的損失，達到系統整體安全性的更優化。
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    耐環境設計技術

    在系統硬件的設計上，需要充分考慮各種環境因素的影響，采用適當的冷卻、抗震、防塵、防腐等技術措施，以提高系統抵御外部環境侵襲的能力。比如：核電儀控系統中不同安全等級的儀控設備對抗震、防塵的要求都不同，設計者必須根據實際核安全要求，定制進行抗震、防塵、防腐設計，保障核電儀控系統的可靠性。

    信號隔離

    在機組信號通道分配時，注意機組重要信號的隔離，使同一設備的重要信號不在同一模件上配置。同時系統采用繼電器隔離的方式來實現模塊通道與現場全部隔離的要求，使現場的故障最大限度的與控制裝置本身隔離。隔離的技術從深層次上還是冗余設計的思想，保障系統關鍵部件在損壞的情況下，對系統造成的影響最小。

    5 結論

    數字儀控系統冗余設計策略作為一種被動的可靠性保障技術已經廣泛的應用到了我們實際的生產生活之中，從圖16中的數據可以得出，過于復雜的冗余設計并不一定能夠取得滿意的效果，隨著系統復雜性的提高，導致系統失效的故障也將隨之增多，系統反而可靠性下降，所以一套冗余系統是否可靠，必須結合生產工藝的實際情況進行設計，比如：核電廠中安全級儀控系統，儀控系統的冗余機制必須實際結合核安全保護系統實際的工藝需求進行量身定制（包含硬件、軟件），這樣才能夠真正保障核電站的可靠穩定運行。

    參考文獻：

    【1】 控制系統的安全評估與可靠性. 中國電力出版社. 2008,10

    【2】 控制系統的冗余策略和實現準則. 儀器儀表學報.2004,8

    【3】 GB/T13626-2008單一故障準則應用于核電廠安全系統. 中華人民共和國國家標準. 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會.2008,7,18

    【4】 系統測試性設計分析與驗證. 北京航空航天大學出版社. 田仲 石君友2003,4,1

    作者簡介： 

    賀偉超（1979-）男，工程師，2003年畢業于燕山大學電氣工程學院自動化系。現從事核電站數字化儀控系統的工程設計、實現。

    馬吉強（1974-）高級工程師，畢業于華北電力大學。北京廣利核系統工程有限公司工程部經理。

    龍威（1968-）畢業于華中理工大學電信系。現從事核電站數字化儀控系統的硬件質量控制工作。

     摘自《自動化博覽》2011年第六期