冗余技术在焚烧炉控制系统中的应用

集散控制系统在合成氨生产废气回收中的应用葛飞河南心连心化肥有限公司，河南新乡Henan XLX Fertilizer Co., Ltd., Xinxiang, Henan刘新运浙江中控技术股份有限公司，浙江杭州Zhejiang SUPCON Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang【摘要】介绍三废炉控制的主要回路，该项目DCS系统由浙江中控技术股份有限公司承担设计和编程调试。

采用ECS-100系统实现三废炉的现场过程数据采集、监视、控制和操作等功能。

[Abstract ]This paper introduces the three wastes furnace control main circuit, the DCS systerm project by the ZHEJIANG SUPCON TECHNOLOGY CO.,LTD commitment to design and programming and debugging. Using the ECS-100system to realize waste furnace field data acquisition, monitoring, controlling and operating functions.【关键词】DCS 冗余ECS-100控制系统控制方案[Key word ] DCS ECS-100 redundancy control system control scheme概述目前国内中小型氮肥企业主要采用固定床间歇式造气炉制气，生产合成氨、尿素等产品。

在传统的生产合成氨工艺生产中，都是将造气炉热回收步续中的吹风气、PSA脱碳工段中的放空气、合成工段中的放空气等含有大量可燃气体（主要成分是H2、CH4等）直接排入大气，这些气体统称为制氮肥的三废气体，这些排放气不仅对环境造成污染，还使得很多有用气体成分巨大浪费；为了更好的处理三废气体，特增加三废气体回收处理装置，通过燃烧三废气产生中压蒸汽进行发电或为造气工段提供蒸汽。

PLC软冗余系统在生活垃圾焚烧厂的应用随着城市化进程的不断加快，各个城市建成区规模也相应不断增加，这就对生活废弃物的处理工作提出了新的要求，除了应对正常情况下每天城市所产生的不断增长的生活垃圾外，还要具备一定的应付突发事件的能力。

这就对生活垃圾处理厂设备的完好率提出了新的要求，提高设备的妥善率，减少停机维护时间，增加设备可靠性都成为必须要讨论的课题，尤其是承担电气控制系统大脑功能的PLC系统的可靠性问题则成为重中之重。

随着现场总线技术及微处理器性能的突飞猛进，高档PLC集散控制系统已经成功应用在中型及较复杂的控制领域中，在工业自动化系统中，为了使系统长期稳定可靠地运行，可以组建冗余系统进一步提高系统的可靠性。

冗余的分类方式很多。

目前，采用的PLC冗余方式分为2种，即软冗余和硬冗余。

西门子公司在这2方面均给出了解决方案。

基于S7-400H的硬冗余的可靠性高，但构建系统成本也较高。

而基于S7-300或S7-400的软冗余是一种综合考虑提高可靠性和降低成本的折中方案。

目前，软冗余系统已经在污水处理、冶金、化工等控制工程中得到了普遍应用。

本文将介绍在生活垃圾处理厂成功投入生产运行的PLC控制系统。

2 控制系统总体方案介绍该集散控制系统采用西门子S7-300系列PLC，西门子公司的S7-300系列PLC是90年代推出的S7系列中的中型机型，具有完善的功能和强大的通讯能力，特别是总线国际标准之一的Profibus，得到很多厂家的支持，非常有利于分布式控制系统的使用，Profibus-DP总线的通讯速率可达12Mbps。

S7-417H双机硬热备系统和ET200M分布式I/O组成的Profibus-DP总线网构成切换结构，实现故障时的无扰动自动切换，可用在安全性能要求极高的控制系统中。

但是S7-417H双机热备系统造价相对昂贵，为了减少硬件投资，可以选用软件双冗余(用315CPU进行双机热备)，采用分布式I/O的Profibus-DP现场控制总线，上位机与PLC之间采用100兆工业以太网进行通讯, 上位机采用西门子公司WINCC6.0组态软件进行系统组态。

一种热冗余控制方法热冗余控制（Hot Redundancy Control）是一种常用于提高系统可靠性的技术手段，通过备份冗余组件来保证系统在故障发生时能够快速切换并继续正常运行。

下面我将详细介绍热冗余控制的原理和一种实现方法。

热冗余控制的原理是在系统中引入冗余组件，当主组件发生故障时，自动启用备份组件来继续提供服务，以此来提高系统的可用性。

热冗余控制一般可分为硬件冗余和软件冗余两种形式。

硬件冗余通过备份多个硬件设备来防止单点故障，常见的实现方式包括：冗余电源、冗余网络、冗余存储、冗余通信等。

软件冗余则是通过复制软件组件并保持状态同步来实现，一旦主软件组件发生故障，备份软件组件可以立即接管工作。

一种常见的热冗余控制方法是双机热备（Hot Standby）方式。

该方法通过在主系统和备份系统之间建立心跳连接，实时监测主系统的健康状态。

当主系统发生故障时，备份系统立即接管工作。

具体的实施步骤如下：首先，在系统架构的设计阶段，需要将系统模块进行分离，确保主备组件可以独立运行。

同时，通过使用专用硬件设备（如交换机、路由器等）来提供可靠的网络通信环境，以保证主备系统之间的数据同步和故障监测。

其次，在软件层面上，需要设计合理的决策算法来实现主备切换。

例如，可以使用心跳检测机制来监测主系统的状态，当主系统失去响应时，备份系统会立即接管工作。

此外，还需要设计数据同步机制，保证在主备切换时，备份系统可以准确恢复到主系统的状态。

第三步，需要实现检测和切换的自动化。

在系统监控模块中，设置心跳检测机制，定期向主系统发送请求，并根据响应时间来判断主系统是否正常工作。

当主系统故障时，自动触发切换操作，备份系统接管工作，继续提供服务。

最后，在应用层面上，需要设计适应主备切换的应用程序。

例如，在数据库系统中，可以使用数据库复制技术来实现数据同步，并在主备切换时，通过配置故障检测和切换策略来确保数据的一致性和完整性。

总结起来，热冗余控制是一种常用的提高系统可靠性的方法，通过引入冗余组件来保证系统在主组件发生故障时能够快速切换并继续运行。

DCS系统的容错与冗余设计技术随着科技的不断发展和进步，现代工业领域越来越依赖于自动化控制系统，尤其是分散控制系统(Distributed Control System, DCS)。

在诸如能源、化工、制药等行业中，DCS系统被广泛应用于实时监控和控制设备及过程操作。

然而，在这些复杂而关键的应用环境中，系统的稳定性和可靠性至关重要。

因此，DCS系统的容错与冗余设计技术成为必不可少的一部分。

容错设计技术主要是为了提高系统的可用性和可靠性，在系统发生故障或意外情况下能够自动实现故障转移和恢复。

容错技术通常包括硬件冗余、软件冗余和信号冗余三个方面。

首先，硬件冗余是最基本和常见的容错设计技术。

在DCS系统中，硬件冗余常常通过配置备用控制器、输入/输出模块和电源等设备来实现。

当主控制器或模块故障时，备用设备会自动接管并继续保持系统的正常工作。

这种容错技术可以有效地提高系统的可靠性和稳定性。

其次，软件冗余是通过在系统中使用备份软件来实现容错。

在DCS系统中，软件冗余常常采用双重工作站或冗余控制器。

当一个控制器或工作站发生故障时，备份系统会自动接管，并保持系统的正常运行。

通过软件冗余技术，可以显著降低系统故障对生产过程的影响。

另外，信号冗余技术也是DCS系统容错设计中的关键部分。

信号冗余可以通过多重传感器或冗余通信网络来实现。

多重传感器可以同时监测同一物理量，并将数据传输到控制系统中。

如果其中一个传感器故障，系统可以自动切换到其他正常工作的传感器，从而保证系统的连续性和正确性。

冗余通信网络则是通过配置冗余的通信链路来避免因通信故障而导致的系统中断。

总的来说，DCS系统的容错与冗余设计技术是确保系统在故障或意外情况下仍然能够稳定和可靠运行的关键措施。

硬件冗余、软件冗余和信号冗余的结合应用可以减少系统故障造成的影响，并提高系统的可用性和可靠性。

这些技术的应用是DCS系统设计中不可或缺的一部分。

随着工业自动化的不断发展和进步，DCS系统在生产过程中扮演着越来越重要的角色。

一氧化碳焚烧自动控制系统的组成设计与实现引言催化裂化再生工艺有完全再生和不完全再生两种形式。

对于不完全再生工艺，烟气中含有3％～10％的一氧化碳，其回收利用是节约能源保护环境的一项重要课题。

对于完全再生工艺，由于热平衡及再生设备的限制，往往需要改造再生设施，设备投入比较大。

此外，重油催化裂化进料中含有较高的贵重金属(如，铂、铑等)，生产运行中引起催化剂失效，助燃剂损失也较大。

因此．催化裂化再生工艺常采用不完全再生工艺，配以后续装置清除一氧化碳气体。

许多炼油厂设置一氧化碳余热锅炉，辅以瓦斯气助燃，回收C0高温再生烟气的物理显热和化学能，同时消除再生烟气中CO及其他有害气体对大气的污染。

目前，CO焚烧炉和余热锅炉控制系统采用国外进口模块化的集散控制系统(DCS)、顺序控制系统(SCS)，设备价格比较昂贵。

另外。

由于知识产权保护和技术沟通问题，设备一旦出现问题，现场技术人员无法及时判断、处理异常现象，再生烟气中CO及其他有害气体无法完全燃烧或爆燃，造成下游装置的余热锅炉炉管超温，过热蒸汽品质降低等严重事故。

针对以上情况研究和设计了一套独立的基于PLC的焚烧自动控制系统，该设计简单易行，设备成本和维护费用较低，降低了对国外技术的依赖性，大幅度地提高了生产的安全性和可靠性。

1、焚烧炉工艺概况CO焚烧炉为圆筒形直立结构，其下部为燃料燃烧室，中下部为催化再生烟气与二次风混燃的混合室。

催化再生烟气进入焚烧炉后与燃烧后的高温烟气充分混合，使催化再生烟气温度达到着火点(约850℃)，使CO在焚烧炉内绝热燃烧。

焚烧后产生的高温烟气进入余热锅炉系统，用于产生3．82 MPa，450℃的中压过热蒸汽。

焚烧炉燃烧室部分采用环形进气、进风系统，进风管环形布设于燃烧室外侧，在燃烧室壁四周开设有均匀分布的若干进气／进风口，使燃气(燃油)从四周径向喷入燃烧室，在燃烧室内形成涡流，使燃料充分完全燃烧。

混合室部分采用同样的设计理念，中下部的再生烟气经多个径向圆孔切向进入焚烧炉，二次风供给系统是沿烟气喷口周边进风，确保再生烟。

机械设计上冗余设计的例子冗余设计在机械工程中是一种重要的设计策略，它通过增加额外的组件、系统或功能，来确保在原始设计失效或发生故障时，整个机械系统仍能维持其基本性能和安全操作。

这种方法不仅提高了设备的可靠性和耐久性，而且在一定程度上降低了由于单点故障导致系统完全失效的风险。

本文将探讨冗余设计在机械设计中的几个实际应用案例，并分析其如何提升整体系统的稳健性。

一、冗余设计的基本概念在机械设计领域，冗余设计通常指的是在系统中引入额外的、超出基本功能需求的元素。

这些元素可以是硬件组件，如备用发动机、双重电源系统等；也可以是软件功能，比如故障检测和自动切换程序。

冗余设计的核心思想是预防因单一故障点导致的整体系统崩溃，从而增强系统的鲁棒性和容错能力。

二、冗余设计的类型在机械设计中，冗余设计可以根据其实现方式和目的分为不同类型，主要包括硬件冗余和软件冗余。

1. 硬件冗余硬件冗余通常涉及在关键部位安装备份组件。

例如，在飞机设计中，双发动机配置就是一种典型的硬件冗余设计。

如果其中一个发动机失效，另一个发动机能够接管飞行任务，确保飞机安全着陆。

类似地，在重型机械如挖掘机或矿用卡车的设计中，关键液压系统可能会采用双泵或双回路设计，以防止单个泵的故障导致整个机器停工。

2. 软件冗余软件冗余则更多体现在控制系统的编程逻辑上。

现代机械设备往往配备有复杂的电子控制系统，这些系统通过软件算法监控设备的运行状态，并在检测到异常时采取纠正措施。

例如，汽车中的防抱死刹车系统（ABS）就包含了软件冗余设计，它能够在检测到车轮即将锁死时迅速调整刹车压力，防止车辆失控。

三、机械设计中的冗余设计案例以下是一些展示了冗余设计在机械工程中实际应用的案例。

案例一：航天器的冗余设计航天器是冗余设计应用最为广泛的领域之一。

由于航天任务的高风险性和难以进行维修的特性，航天器必须在设计之初就考虑到各种可能的故障情况。

例如，国际空间站（ISS）就采用了多重冗余设计，包括备用电源系统、生命维持系统以及通讯系统等。

科远NT6000分散控制系统(DCS)在垃圾焚烧发电厂中的应用本文描述了垃圾焚烧发电厂的特点和组成，并介绍了电厂新型系统的发展方向、特点及现场总线的应用，并结合科远的工程实施经验，简单介绍了科远NT6000分散控制系统(DCS)在垃圾焚烧发电厂的应用。

1、垃圾焚烧发电机组的特点近年来，人们对发电机组的环保要求越来越高，垃圾焚烧发电技术在世界范围内得到了迅猛发展和普遍应用。

由于垃圾焚烧发电技术具有高效率处理生活垃圾、节约能源、建设周期短以及有利于环保等特点，我国目前正在逐步加大垃圾焚烧发电机组的资金投入。

随着科技的发展和人们生活水平的提高，人类对能源的消耗不断增加，由此到来的环境污染问题也日益严重。

对能源需求的增加与对污染排放的控制这一矛盾迫使科技工作者不断寻求高效低污染的燃烧技术，加快新型燃烧装置及环保设备的开发。

降低成本、提高可靠性、降低污染排放成为电力行业的追求目标。

垃圾焚烧发电技术作为传统行业派生的新行业，由于其燃料主要是生活垃圾等，因此，燃烧过程可以实现垃圾无害化，而且使垃圾容量大幅缩减，清洁环保；垃圾焚烧机组还有建设周期短，节约能源且环保等优点。

故该项技术目前越来越受到重视，并得到迅速推广和不断发展。

2、垃圾焚烧发电机组的控制系统要求垃圾焚烧发电机组的主要组成部分有：焚烧锅炉、余热锅炉、蒸汽轮机、发电机等设备。

同常规的火电机组相比，垃圾焚烧发电中以发电为辅，垃圾燃烧为主。

反映在燃烧系统上，燃烧的热值变化较慢，燃料成份中非可控因素较多，蒸汽负荷的变动较小，压力的变化较大。

因而，对于垃圾焚烧发电，传统的火电燃烧系统的机理和控制方法并不完全适应于垃圾焚烧发电。

垃圾焚烧发电的独特之处决定了其对控制系统的要求既等同于常规要求，又在常规要求中有着极大的变通性。

1）对分系统强烈的独立性的要求：对于垃圾焚烧，以垃圾焚烧为主，发电为辅，在整个控制系统的构成上，独立性的要求明显高于常规的火电机组。

采用分布式的控制系统，不但可以减少整个控制系统的成本，分布式系统的更大的灵活性保证了垃圾焚烧发电的现实可操作性和管理的灵活性。

我厂仪表控制系统电源冗余方式及改造摘要：本文介绍了目前我厂控制系统供电方式及存在的问题，提出对我厂控制系统供电方式的改进方案。

关键词：UPS、双电源、冗余、控制系统、切换开关Abstract：This paper introduces our plant control system supply power mode and the present problems, and put forwards to the improved plan.Key Words: UPS; dual power; complex; control system; selector switch 前言：近年来我厂炼油化工生产装置的不间断电源UPS故障造成装置仪表电源中断引起装置波动及停工的事故频繁发生，为了解决这一问题，2005年以来我们对我厂装置UPS应用情况进行了全面的调查，找出了UPS故障的主要的一些原因，并对重要装置UPS要采用冗余UPS供电。

但是通过近两年来的运行，部分装置UPS仍然出现了故障，因此需要采用改变系统供电方式，以达到仪表控制电源平稳的目的。

2、我厂控制系统电源配置情况及存在的问题我厂所有装置控制系统多年以来一直采用单一电源对控制系统进行供电，多数系统经过UPS电源给控制系统及现场仪表进行供电，然后分两路给控制系统供电，如下图所示。

由于UPS本身故障率较高，在线处理风险较大，一旦故障将造成整个仪表控制系统瘫痪，给安全生产带来许多不利影响。

2.1大部分装置供电配置实际上只是一回路电源供电。

炼油化工装置仪表控制系统的用电负荷按照重要程度来分应该属于特别重要的一类负荷来考虑，应配置两个回路以上的供电电源，但实际上供给仪表控制系统的电源往往仅是一个回路电源，而把供给UPS的两回路电源误认为是供给装置的两回路电源。

如上图我厂仪表控制系统电源配置图。

2.2在UPS容量选择上及负荷分配上存在问题在UPS容量选择上往往是设计人员根据仪表设备最大总容量乘1.5倍来配置UPS，而在实际使用过程中，UPS容量配置较大，同时三相输出的UPS，在输出的每一相上分配的负荷也不样，有时负荷相差很大，造成三项不平衡，影响UPS的安全运行。

｜ Control Valve Magazine ｜ September 2012安全仪表系统中冗余电磁阀的设计和应用文/曹晓鹏 埃迈诺冠商贸（上海）有限公司Design & Application of Redundant Solenoid Valve in Safety Instrumentation System设计与制造安全仪表系统以及冗余电磁阀以油气开采、石化、电力、化工、冶金等为代表的流程工业领域，越来越向规模化、集约化和连续性的方向发展。

由于这些行业普遍具有生产介质高温高压、易燃易爆、有毒有害，技术密集和连续生产的特点，一旦发生事故，可能导致巨大的灾难性后果。

安全仪表系统（Safety Instrumented System, SIS）是为了应对生产过程特定的危险事件而设置的安全相关系统，期望达到或保持被控设备处于安全状态。

安全仪表系统（SIS）由传感器、逻辑控制器以及最终控制元件组合而成，其最终控制元件（安全功能的控制阀和电磁阀）是应对过程异常的最后防线，无论何时，当预定的过程条件或状态出现背离时，系统将执行安全功能，电磁阀应该动作，使安全功能的控制阀回到故障安全位置，过程置于安全状态。

（1）安全仪表系统安全仪表系统（SIS）由传感器、逻辑控制器以及最终控制元件组合而成。

功能安全是SIS工程设计和运行管理的核心。

要对系统风险进行完整的安全分析，使安全系统的安全完整性水平达到各个安全功能中最高的安全完整性水平。

在紧急停车系统（ESD或ESS）中，最终控制元件ESD控制阀（电磁阀、执行机构、切断阀）是应对过程异常的最后防线。

（2）功能安全及安全完整性功能安全表征安全系统本身的绩效问题即能够降低风险的能力，安全完整性则是SIS执行安全功能时的绩效可能达到的功能安全水平。

IEC61508标准明确了电气、电子、可编程电子安全相关系统的功能安全，已经成为进行安全相关系统设计、安装、维护、改造等活动的安全规范。

DCS系统冗余技术的实现和分析高可靠性设计中常采用的一种技术，是提高计算机系统可靠性的最有效方法之一。

为了达到高可靠性和低失效率相统一的目的，我们通常会在控制系统的设计和应用中采用冗余技术。

合理的冗余设计将大大提高系统的可靠性，但是同时也增加了系统的复杂度和设计的难度，应用冗余配置的系统还增加了用户投资。

因此，如何合理而有效的进行控制系统冗余设计，是值得研究的课题。

1 冗余技术冗余技术概要：冗余技术就是增加多余的设备，以保证系统更加可靠、安全地工作。

冗余的分类方法多种多样，按照在系统中所处的位置，冗余可分为元件级、部件级和系统级；按照冗余的程度可分为1:1冗余、1:2冗余、1:n冗余等多种。

在当前元器件可靠性不断提高的情况下，和其它形式的冗余方式相比，1:1的部件级热冗余是一种有效而又相对简单、配置灵活的冗余技术实现方式，如I/O卡件冗余、电源冗余、主控制器冗余等。

因此，目前国内外主流的过程控制系统中大多采用了这种方式。

当然，在某些局部设计中也有采用元件级或多种冗余方式组合的成功范例。

控制系统冗余设计的目的:系统运行不受局部故障的影响，而且故障部件的维护对整个系统的功能实现没有影响，并可以实现在线维护，使故障部件得到及时的修复。

冗余设计会增加系统设计的难度，冗余配置会增加用户系统的投资，但这种投资换来了系统的可靠性，它提高了整个用户系统的平均无故障时间（MTBF），缩短了平均故障修复时间（MTTR），因此，应用在重要场合的控制系统，冗余是非常必要的。

二个部件组成的并联系统（互为冗余）与单部件相比，平均无故障时间是原来的1.5倍。

系统的可用性指标可以用两个参数进行简单的描述，一个是平均无故障时间（MTBF），另一个是平均修复时间（MTBR）。

系统的可用性可用下式表示：系统可用性＝MTBF/(MTBF+MTBR)当可用性达到99.999%时，系统每年停止服务的时间只有6分钟。

2 控制系统冗余的关键技术冗余是一种高级的可靠性设计技术，1:1热冗余也就是所谓的双重化，是其中一种有效的冗余方式，但它并不是两个部件简单的并联运行，而是需要硬件、软件、通讯等协同工作来实现。