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高可靠安全主控系统研究与应用 王文海 教授 孙优贤 院士 研究背景 工业的飞速发展给人们带来巨大经济效益的同时，也伴随着越来越多的火灾、爆炸等事故。特别是高温、高压、易燃、易爆、有毒的化工行业以及一些大型高速运转设备，一旦发生事故，将会导致巨大经济损失，轻者设备损坏，重者机毁人亡。 高可靠安全主控系统是专门为安全相关系统、或条件苛刻的任务而设计的，具有故障安全特征的计算机控制装置或控制系统。作为主控系统应用于紧急停车系统ESD（Emergency Shutdown Device）、安全仪表系统（Safety Instrument System）、安全联锁系统（Safety Interlock System）、紧急跳闸系统（Emergency Trip System）、安全关联系统（Safety Related System）、仪表保护系统（Instrument Protective System）等。广泛应用于石化、炼油、石油天然气、化工、电力、轨道交通、航天、核工业等行业。 主控系统技术发展路线图 技术趋势 从70年代开始产生于航空领域的三重冗余多数表决机制TMR开始用于安全系统。90年代，国外一些大公司推出三重化TMR、冗错功能的系统。如美国Woodward公司的Micro Net TMR系统、Triconex公司的Tricon系统、Honeywell公司的FSC系统、英国ICS Triplex公司的Regent系统等。目前，三重冗余和两重冗余两分天下。近期又有CPU的四重冗余（QMR，2oo4D）技术和软件冗余技术出现，如HIMA的H41q/H51q系统。容错机制是指一个和多个元件或部件出现故障时系统仍能继续运行的能力。容错系统能发现故障并排出故障的影响。新型SIS可以实现系统所有部件和部分相关设备故障的容错特性。容错手段主要是冗余、自诊断和在线维护修理。现在还有一个能灵活配置的理念。如HIMA公司的HIMax产品支持xMR架构，即X=1、2、3、4，分别构成无冗余，二重、三重、四重冗余。 技术基础 研究开发团队长期专注于集散控制系统、可编程控制器、智能仪表、控制工程应用软件平台、大型装备工业自动化系统的研究开发与产业化；承担国家计委工业自动化高技术产业化重大专项3项，具有扎实的科研积累与丰富的技术经验；形成了独具特色的具有自主知识产权的计算机控制系统技术体系，在可靠性设计技术、数据I/O技术、实时控制技术、实时数据库技术、工业网络技术、软件平台技术等关键核心技术上有11项重大创新与技术突破。近5年，在工业自动化领域，作为第一、第二完成人获国家科技进步二等奖1项，省部级一等奖3项，二等奖1项。取得软件著作权11项，专利10项。 研究内容1 控制系统可靠性、可用性、可维护性和安全性分析基础理论与应用技术研究，包括容错计算机系统的系统结构分析、容错机制研究、算法语言编程与运行机制设计: 研究内容1 系统内置所有的开关量和模拟量的输入表决算法、输出表决算法、输入输出自检和故障报告机制，并通过专用可编程阵列硬件芯片实现相关的硬件表决算法； 研究内容1 设计相关的检测诊断电路与故障诊断软件，对数据线、地址线、通讯线、内存区、数据块、单元电路进行诊断定位，并自动对其补偿、隔离、重构，在线维修，在线更换； 研究内容2 功能可靠性分析与仿真技术 　　现有的可靠性设计分析技术和性能设计分析技术是两套不同的技术体系；大量的可靠性设计分析工作是由性能设计人员来完成；而在可靠性设计分析中，却有大量的性能数据未能得到有效的应用；因此要求建立一套综合的设计分析技术，在一次设计过程中能同时解决性能和可靠性两方面的问题。 　　研究一种可靠性同性能紧密结合的、以性能设计思维为主线的、新的综合可靠性设计分析技术，以克服现有可靠性分析因可靠性统计数据缺乏而带来的影响，并能够部分解决那些遗留下的可靠性技术难题(如系统的故障相关性、非单调关联性等)。 研究内容3 控制工程应用软件平台是应用于控制系统的集成开发软件平台，集现场数据采集、算法执行、实时数据和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及监控网络等功能于一体。包括实时控制组件、编程组态组件、图形监控组件，分别运行在不同的硬件平台上，并通过各级网络进行通讯，互为配合协调，交换各种数据及控制、管理信息，完成整个控制系统的各种功能。 研究内容3 控制工程应用软件平台 研究内容4 进行控制装置与控制系统的工业工程与制造工艺优化设计，制造过程专用自动编程、自动调校标定、自动检验、在线老化试验装置的研究实现，通过设备工艺优化、制造流程规范与过程质量控制，保证控制系统相关硬件与软件产品的品质。通过硬件模件制造、软件程序下装、试验测试标定等产品制造过程的自动化，实现自动烧写、自动