中国的计算机技术日新月异的在发展着，现在也逐渐蔓延到了生产、监控、收费、统计、电力等各个领域。在产业自动化领域的发展更是非常迅猛。随着计算机技术在产业自动化领域推广和普及的不断加深，在考虑中小规模的控制系统时，工控机以其灵活的配置结构、强大的控制功能、友好的人机界面、较高的性能价格比，倍受仪表设计职员的青睐。在一些连续生产装置中，生产过程不答应停机进行故障处理，除了要求工控机系统具有高可靠性，还要求在系统结构上采用更可靠的容错和冗余技术。
锦化化工(团体)有限责任公司环己酮是连续生产装置，有3个工序先后采用了3台工控机进行单机控制。1997年与葫芦岛市航远电脑公司共同开发了一套工控机3∶1后备系统，仅用一套备份系统解决了各台工控机系统的备份题目。
1 工控机单机系统
1.1 硬件构成
工控机构成化工生产装置控制系统。
针对化工生产装置的控制系统，其I/O信号主要限于AI，DI、AO和DO等几种，工控机外部硬件主要在I/O和接口卡上，下面分别对主机、接口卡、信号调理卡和输进端子板作介绍。
1.2 硬件介绍
1.2.1 主机
工控机采用台湾研华公司的IPC-610／486型研华工控机。
1.2.2 接口卡
工控机接口卡采用台湾研华公司的PCL-812PG（多网口工业主板）。化工生产检测控制信号一般为电流、电压、电阻等模拟信号和开关量、脉冲量等输进信号；输出信号多为电流、电压和开关量等。一块PCL-812PG卡，有16路单性0～5V模拟量输进(或8路模拟量差分输进)；2路12Bit
AO电压输出；16路开关量电压输出；16路开关量输进；3个16位计数器。一块PCL-812PG卡，可以对256路模拟信号进行采集检测；可以完成64路模拟量输出；256路各种开关量输进或256路开关量输出。几乎可以完成一个中小控制系统常规产业现场的检测采集和控制任务。
1.2.3 信号调理卡
该环己酮工控机系统所用到的信号调理卡包括按输进信号分类的铂电阻丈量板、热电偶丈量板、1～5V信号丈量板(适应仪表变送器输出信号)和输出信号用的模拟输出板。
对采集而言，是把信号转换成0～5V
PCL-812PG卡所接收的信号。对调节控制输出而言，是把PCL-812PG输出进行D/A转换、隔离和驱动，用一个4～20mA DC信号控制调节阀。
1.2.4 输进端子板
输进板采用LEO-1613
AI端子板，一块输进端子板有16路输进，它与PCL-812PG卡的16路AI输进匹配，可以方便地将AI输进扩展增至256路。
1.3 软件构成
系统软件由DOS6.2和QuickBasic7.0软件组成，应用软件由QuickBasic7.0语言编写
整个应用软件由6部分组成，其系统构成图如图2。
环己酮工控机应用软件构成图
1)工艺参数自动巡回检测处理、显示；
2)PID参数在线后台整定；
3)流程图、报警状态模拟显示；
4)监测参数、报警状态集中显示；
5)趋势图复放显示、可翻页选择；
6)实时自动打印生产报表。
2 工控机后备技术方案
该环己酮工控机系统采用3∶1在线后备技术，这种技术是在现场的I/O信号与进工控机系统I/O卡之间设一个切换装置，同时考虑另设一台工控机作为在线3台工控机的后备，整个系统原理如图3所示。
有1台工控机系统对3个工序的工控机系统进行后备。3个工序现场I/O信号首先进进切换装置，当3台工序工控机工作正常时，3个工序的I/O信号分别输进对应工序的信号调理卡，然后进进对应的工序工控机。当某一工序工控机故障时，切换装置将该工序I/O信号切向在线后备信号调理卡，然后进进在线后备工控机，由它替换故障工控机进行工序生产的检测和控制。
3 工控机3∶1在线后备技术方案实施
3.1 工艺生产对检测控制要求
锦化化工(团体)有限责任公司环己酮生产装置分为3个工序：工序1包括加氢设备；工序2包括醇塔和轻一塔设备；工序3包括醇塔、中断塔和轻二塔设备。3个工序分别由3台工控机进行单机数据采集和调节控制。
其工艺生产要求，采集、控制参数汇总表见表1所示。
工序 热电阻(Pt100) 热偶(E) 输进(4～20mA DC) 输出(4～20mA DC) 1 16 17 14 3 2 10 12 9 3 14 11 2
3.2 后备I/O设置
该环己酮装置工控机系统后备技术采用如图4所示的原理，即由1台后备工控机做热后备。按表1中3个工序的I/O信号点，后备I/O设置时，只要考虑选择同类信号的大数作配置即可，避免了3个工序的I/O各1∶1后备，节省了用度。后备I/O配置数目见表2所示。
2 后备检测控制点参数汇总表
工序 热电阻(Pt100) 热电偶(E) 输进(4～20mA DC) 输出(4～20mA DC) 后备设置 1617 14 9
3.3 切换装置介绍
切换装置原理如图4所示。由操纵台发出切换指令。操纵台不发出切换指令时，3个工序的I/O信号分别输进各自对应的工序工控机；当操纵台发出备用工控机替换某一工序工控机指令时，该工序I/O信号切进备用工控机。执行切换指令元件，采用继电器。对N∶1工控机的后备，要保证后备工控机的接口PCL-812PG能随意切到任一工序的现有I/O信号上，但是要保证不会出现两个工序I/O信号同时送进的情况。也就是对后备工控机切换而言只能是的或悬空。
图4 切换装置原理示意图
3.4 控制系统的软件
3个工序的工控机分别有各自的检测控制应用软件。后备工控机的软件系统，有3个工序相对独立的应用软件，所不同的是I/O地址设置的不同，实际运行时硬件切换的同时，软件也作了相应的切换。
4 工控机3∶1在线后备系统的特点
本系统除了进行仪表数据的采集、运算和控制之外，同时可方便地根据各种画面显示实现人机对话接受指令以及对生产过程的记录和治理。
本系统突出的特点是用1台后备工控机对3台在线工控机进行3∶1后备，不仅在工控机和接口一级有备份，而且在输进信号处理和控制输出一级也有备份，做到了硬件系统的后备。后备I/O卡设置数目不是3台工控机I/O卡的总和，节省了投资。
本系统的另一突出特点是，后备工控机的软件与工序工控机软件完全兼容，避免了软件的二次开发。后备工控机切换由操纵台发出指令执行，在切换硬件的同时，软件也相应作了切换。
本系统切换设计中采用了“抢答”设计，保证只有一台在线工控机故障时切向后备工控机，从而保证生产装置的安全运行。同时切换系统中设计了复位清除装置，可使备用系统退出，恢复原系统的运行。
本系统工控机3∶1后备技术的实现，有效地解决了中小规模工控机控制系统单机运行无热后备的技术缺陷。实践证实，该后备系统硬件完善、备量少、安全可靠，且主控设备与后备系统相对独立。特别适用于由工控机组成的中小规模控制系统的技术进步。
5 使用本系统的留意点
使用本系统在切换前，需要对PID调节回路给定值、输出值和PID参数先进行人工确认和干预，然后再给切换操纵，否则会给调节回路带来扰动(因主、备机之间无数据通讯)。这也是这套工控机（多串口嵌入式计算机、多网口工控机点击了解）系统的大缺陷。■
