1． 引言
隨著目前工業生產線規模的不斷擴大，對大型控制系統的穩定性可靠性提出了更高的要求，控制系統合理的冗余設計會大大提高系統的可靠性，確保生產線的連續穩定生產。本文以合肥水泥研究設計院設計的某6000t/d水泥熟料生產線工程為例，介紹基于ABB公司Industral IT 800xA控制系統的冗余設計方案。
2． 冗余技術概念
所謂冗余就是增加備用的設備，在主設備出現故障不能正常工作時，備用設備進入工作狀態，以保證系統持續可靠的運行。冗余的分類方法多種多樣，按照在系統中所處的位置，冗余可分為元件級、部件級和系統級；按照冗余的程度可分為1：1冗余、1：2冗余、1：ｎ冗余等多種。在目前無冗余功能元件性能不斷提高，且部分元件自帶冗余功能性價比不高的情況下，從總體設計方案出發，1：1的部件級熱冗余是相對簡單，性能可靠，且比較經濟的方式，所以目前國內外過程控制大多數都采用這種冗余方式，當然也有局部設計中采用多種冗余方式組合的方式。本文將就控制系統的部件級熱冗余進行分析。
3． 水泥生產線控制系統簡介
本水泥生產線采用的是ABB公司Industral IT 800xA控制系統，全廠控制系統按網絡結構可分為以太網層，工業以太網層，現場總線層。網絡分層結構示意如下圖。
4． 控制系統冗余設計
(1)以太網層
服務器冗余
本生產線800xA控制系統使用5臺服務器，其中3臺為屬性服務器AS1、AS2、AS3，2臺為連接服務器CS1、CS2。其中屬性服務器AS2、AS3為AS1的冗余服務器，連接服務器CS2為CS1的冗余服務器。而AS1也作網絡域服務器，AS2為冗余域服務器；CS1為OPC服務器，CS2為冗余OPC服務器。5臺服務器根據功能的不同都作了不同程度的冗余，使用最少的計算機作了最大限度的冗余，使上位機控制系統可靠性大大增加。而且安裝800xA控制系統軟件后，所有服務器根據屬性服務器AS1自行實現時間和數據同步，不需要作特別設置。
以太網交換機冗余
以太網層數據通信設備以太網交換機無疑也非常重要，我們也采用冗余配置，2個交換機同時在線，當然，所有上位機服務器和操作員站也必須安裝雙網卡，使用雙網線。這樣只要有一個交換機或者網線出現故障，系統能夠自行通過另一交換機交換數據，不影響通訊，同時計算機上會有網絡狀態提示。
(2)工業以太網和現場總線層
控制器(CPU)冗余
控制器(CPU)是整個控制系統的核心單元，絕大多數的控制任務邏輯連鎖都由它來完成，控制器(CPU)同樣也可使用冗余配置，但是由于控制器一般價格比較高，所以我們一般在水泥生產線重要的流程段的控制使用冗余控制器配置。如生料磨，窯尾，窯中，窯頭，水泥磨等。控制器冗余配置一般為一用一備，一個控制器在工作狀態的時候，另一個在備用狀態，工作狀態下控制器主要執行程序，訪問I/O等作用，備用狀態的控制器主要執行監視和診斷主控制器的好壞，通過周期性的掃描主控制器的程序和數據來達到備用控制器的同步更新，以便在主控制器故障時能夠自動切換。
通訊網絡冗余
控制系統的數據通訊網絡是非常重要的一個部分，直接影響到控制系統的控制質量，要求很高的可靠性。以本工程為例，一般根據使用總線協議的不同我們使用不同的通訊模塊，現以常見的Profi-bus 總線為例實現通訊模塊的冗余配置。
控制器間通訊電纜冗余，一般采用雙環型拓樸結構的光纖環網，結構如下圖，這樣只要以確保各控制器有任一工作，任一環網無2個斷點，可保證系統通訊的正常工作。
現場部分I/O模塊與CPU間采用冗余雙profi-bus總線, 正常工作狀態時，系統會自動選擇一條總線作為其工作總線，如果當某總線條出現故障，系統會自動判斷并切換使用備用總線工作，同時在工程師站給出網絡狀態提示。
而控制器和現場總線設備，如PA儀表電機保護器等的連接，由于許多PA儀表和電機保護器不支持雙總線結構的冗余，而沒有采用冗余。
電源冗余
電源是整個控制系統正常工作的基本保證，雖說部分模塊帶有電池功能，但一旦控制電源發生故障，造成整個控制系統的工作中斷，整個生產線的跳停將再所難免。因此我們設計首先從電氣部分就作了應急電源配電柜一路來自正常供電，一路來自應急發電機，其次在控制系統部分，我們采用了UPS給所有控制系統模塊供電，并且所有220V轉24V電源模塊我們使用了并聯冗余。從而多重保證了控制系統電源供給問題。
I/O模塊冗余
由于整個生產線使用大量的I/O模塊，給所有模塊作冗余既浪費也沒有必要，因此我們只爭對其中少數非常重要的部分進行了冗余。
5． 優點和缺點
控制系統的冗余設計大大提高了系統的可靠性，保障了生產線的連續穩定生產。但是很明顯，冗余的配置增加了用戶的投資，如果配置不合理反而可能降低系統的可靠性，并增加了一定的維護難度。因此，根據本人工程經驗，建議用戶根據自身情況，對部分重要的部件采用冗余配置即可。
6． 結束語
在目前的大規模生產線中，控制系統合理的冗余配置具有更高的穩定性，更加符合廣大用戶的利益，已經被眾多行業廣泛的應用。在此，僅以一個在水泥生產線為例，介紹了冗余系統的實際配置及應用，希望能起到拋磚引玉的作用，給予廣大工程設計人員一定幫助和啟發。
