水利水电计算机监控系统的冗余技术

祝　福，肖彦直

(1.武汉船舶职业技术学院，武汉　430050；2.中船重工七○九研究所，武汉　430074)



水利水电计算机监控系统的冗余技术

祝福1，肖彦直2

(1.武汉船舶职业技术学院，武汉430050；2.中船重工七○九研究所，武汉430074)

摘要：通过对典型计算机监控系统的可靠度计算分析，提出在水利水电计算机监控系统中采用冗余技术提高可靠性的方案，根据工程实际应用提出了电源系统、多主机系统的可靠性冗余设计方案，对发挥硬、软件优势，采取多重冗余措施提高系统可靠性的方法进行了分析。

关键词：水利水电；计算机监控；冗余技术；可靠度

前言

在水利水电计算机监控系统中，如果出现设备故障或短期运停,就会造成很大的损失，甚至危及设备及人身安全。因此要保障系统长期连续无故障地工作，就必须注重可靠性方面的设计问题，这样才可提高使用效率，减少事故发生率，降低维修费用。工业生产通常具有连续性，现场环境又比较恶劣，如温度变化剧烈、电磁干扰等等，这些都有可能引起系统故障。实时性、可靠性是水利水电计算机监控系统的两个重要特性，实时性强调响应时间足够快，可靠性强调平均故障间隔时间MTBF足够大。MTBF数值的量级是反映计算机控制系统可靠性重要的定量性标准，必须采取一系列的技术措施来提高可靠性。现今应用较广泛、对系统可靠性提高有明显效果的措施就是采用冗余技术，即对同一结果实现途径同时采用多种实现手段。

1典型系统可靠度计算

典型计算机监控系统的可靠度量化主要有以下两种。

1.1串联系统可靠度计算

由n个模块串联组成的系统，如果任一模块失效就将导致整个系统失效，因此系统可靠度为：

以水利航运五级船闸为例，单线共六个闸首，假设每级控制系统可靠度为0.998，那么五级控制系统可靠度R≈0.988，显然可靠度降低很多，要想提高整个系统可靠度，必须首先提高单个控制设备的可靠度，所以大的串级系统要求每一部分可靠度极高，如同“木桶短板原理”，整个系统可靠度总小于局部最小可靠度。同时作为系统工程，对设计、生产、制造、安装及调试各个环节提出了很高的要求。

1.2并联系统可靠度计算

由n个模块并联组成的系统，只要有一个模块可以正常工作，系统就可以运行，因此系统可靠度为：

仍然以五级船闸为例，每个闸首有两个控制机房，两机房控制设备可以互为备用，构成并联系统，假设单机房控制系统可靠度为0.998，那么闸首控制系统可靠度R≈0.999996，显然可靠度提高。如果采用“3”冗余，系统可靠度R≈0.999999992。增加冗余，可提高系统的可靠性，但是成本将大幅提高，系统构成上更复杂，设计、生产、制造、安装及调试工作量成倍增加，因此现在广泛采用“2”冗余系统。

2计算机监控系统的冗余设计

在进行水利水电计算机监控系统冗余设计时主要从硬件和软件两部分考虑，按照系统组成，硬件设计主要考虑供电(交流、直流、UPS等)、网络(管理以太网、工业以太网、现场总线网络等)、主控设备(工作站、控制机、PLC等)、传感器、执行机构等；软件设计主要考虑通信、数据库管理、控制软件、数据采集处理软件的容错性能。

从串联系统和并联系统可靠度计算分析不难理解，如果系统必须构成若干串联环节，如电源、控制器、网络、工作站、传感器、执行器之间就是这种关系，生产线的若干工序也是如此，任何环节故障就会造成系统故障，甚至停运，那么提高可靠性的最好办法就是在每个薄弱环节进行冗余设计，下面分析计算机监控系统几个重点环节的冗余设计。

2.1电源系统冗余设计

(1) 中压供电

中压(以10kV为例)，一般采用分段母线双路供电，在某升船机项目上设计整个系统供电采用三路10kV电源方案，正常时，两用一备，当任一工作电源故障时，可以通过备用电源开关向故障回路供电，其自动联锁线路设计互为备用。I和II电源之间通过母线联络开关对故障回路供电。分段母线之间安装有断路器和隔离开关。I电源和III电源以及II电源和III电源相互联锁，同时系统设计完备的电源检测和继电保护。原理如图1所示。

图1 多路中压供电

(2) 主电源冗余切换控制

采用两回AC380V主电源输入，由控制回路开关控制电源供控制系统使用，交流电源互投切换时间<5ms，如图2所示。这种控制方式也适合于AC220V电源冗余设计，但不适宜于更快切换时间要求及大功率电源切换控制。当然低压供电还可以采用多回低压环接供电，如某升船机承船厢供电就设计了4回安全环路供电，当然这种系统本身电源切换和继电保护复杂性更高，设计、生产、制造、安装、调试、维护要求更高，造价更高。

图2 双回路电源切换控制原理图

(3) UPS电源冗余切换控制

采用双回交流电源输入，UPS可旁路输出，以一台UPS为主机，另一台UPS为从机，输入电源取自主机旁路电源，如图3所示。这种方式适合多机并联。

(4) PLC电源冗余

主要采用厂家提供的可并联供电的冗余电源产品，通过基架上总线信号控制实现电源模块的互备工作，满足对现场控制系统连续运行要求较高的场合。

2.2多机协同工作

多台计算机工作站、多台服务器、多台控制器之间互备工作是提高系统可靠性、实现系统高可用度的有效途径。

(1) 工作方式分类

多机配合工作可以分四种工作方式：冷备、温备、热备、双工。这里以双机为例具体说明。

冷备：双机不同时工作，只有一台工作，另一台作为工作机的后备，一旦工作机故障时，未加电的备用机经过启动后自动切入接替工作机工作，并对工作机进行故障诊断和维修，故障修复完毕时，工作机去电变成备用机。冷备是一种后备冗余方式。

温备：双机同时加电，但只有一机工作，另一机处于等待或故障诊断状态，一旦工作机故障，系统进行自动的过程切换，由温备机接替工作机工作，并对工作机进行故障诊断，待故障修复完毕时，工作机变成备用机。

热备：双机同时加电，都处于工作状态，但只有工作机才有输出，备用机并没有输出，一旦工作机出现故障时，系统就输出备用机的结果。热备是一种工作冗余方式。

双工：双机同时加电，同时工作，双机处理结果经比较后选择正确(或合适)的结果输出。双工与前面三种工作方式不同，前三种存在一个切换问题，双工不存在切换，因此双工方式也称协同方式。

(2) 2/3表决

2/3表决也是提高系统高可靠性的有效措施。2/3表决的原理是这样的：3套设备同时工作，同时采集数据，并经过处理，如果处理结果相等(或差值在误差允许范围之内)，则输出任一值；若只有2个结果相等(或差值在误差允许范围之内)，则取相等中的任何一个值，丢弃不等的值；若3个结果都不等(或差值都超出误差允许范围)，说明处理有误，这时则输出错误报警信息。通过三选二的表决，系统就保证了高可靠性和无误差操作。2/3表决可以采用硬件方式设计实现，也可以采用软件方式。采用硬件方式时，只能够处理开关量，采用软件时，既可以处理开关量，也可以处理模拟量。

(3) PLC系统冗余设计

PLC系统采用热备冗余，故障时无扰动切换，设计时主要考虑了电源模块、人机接口(可视操作面板HMI)、网络(工业以太网、现场总线网络等)、主控CPU模块、输入输出I/O模块等，可以实现部分模块故障时，系统能继续运行，模块可带电插拔，因此可靠性大大提高。

(4) 计算机系统冗余设计

计算机系统冗余设计包括工作站之间、服务器之间的冗余设计，主要特征是冗余互备的计算机连接在共同的网络上，有共同数据源，共同的输出控制，互相监视对方运行状态，温备设计，同时输入，正常时一台工作，一台监视。主要应用有：双操作员站设计、双I/O服务器设计、双存储服务器设计，关键需要解决并发操作和数据一致性、完整性处理的问题。操作员站1和操作员站2为冗余互备，每台工作站均通过双网卡连接在冗余的工业以太网上，与控制系统的PLC通信，同时互相通信，一台为主，一台为从，主从可以切换，在任一台操作员站上可以实现现场数据采集与控制，一台故障时，另一台自动接替完成操作控制任务。如果系统向上扩展，还可以连接数据存储服务器，同样可以实现冗余功能。

图3 UPS电源冗余供电原理图

水利水电计算机监控系统冗余设计绝不仅仅上面所述，不管从升船机、船闸或水利水电其它大型机电设备控制系统上看，还是从计算机监控应用的计算机技术、网络技术、控制技术、信息技术发展上看，大型分布式计算机监控系统中广泛采用冗余技术是系统设备安全运行可靠性的重要手段，工程设计人员和系统产品的提供商都应该顺应这一潮流，提出更新的设计理念，这样会大大促进设备制造、安装、调试、维护技术水平和质量的提高。

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Redundancy technology of water conservancy and hydropower computer monitoring and control system

ZHU Fu1，XIAO Yan-zhi2

(1.Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China;2.709 Research Institute Of CSIC, Wuhan 430074, China)

Abstract：By calculating and analyzing the reliability of computer monitoring and control system, the scheme to improve reliability by adopting redundant technology in the computer monitoring and control system of water conservancy and hydropower engineering was put forward, and according to the actual engineering application, design proposal for reliable redundancy of power supply system and multiple host system was suggested. Methods to improve the reliability of the system by taking advantage of hardware,software and using multiple redundant measures were analyzed.

Key words：water conservancy and hydropower; computer monitoring and control; redundancy technique; reliability

收稿日期：2016-01-13

基金项目：湖北省教育厅科研项目(B20128507)。

作者简介：祝福(1970-) ，男，湖北云梦人，硕士，副教授，主要从事电气自动化及控制工程的教学及研发工作。

中图分类号：TV736；TP273

文献标识码：A

文章编号：1673-0496(2016)02-0021-03

DOI:10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2016.02.007