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案例頻道1 概述
可靠性是分散型控制系統(DCS)最重要的技術性能指標之一。現代生產的連續性、快節奏和高效率對分散型控制系統的可靠性提出了很高的要求。由于分散型控制系統的硬件和軟件結構都比較復雜，它的可靠性問題也涉及到更多的層面，應當重點進行討論和研究。
2 分散型控制系統的可靠性問題
1 概述
分散型控制系統的可靠性是評估分散型控制系統的一個極其重要技術性能指標。通常，制造廠商提供的可靠度數據都在99.99%至99.9999%。由于可靠性指標具有統計特性，因此，在評估系統可靠性時，可以采用那些提高系統可靠性的措施來分析。除了系統制造時應該保證符合設計要求外，通常可以從可靠性設計和維修性兩個方面進行分析。
2.1 可靠性及可靠性指標
1 概述
可靠性指機器、零件或系統，在規定的工作條件下，在規定的時間內具有正常工作性能的能力。狹義的可靠性指一次性使用的機器、零件或系統的使用壽命。分散型控制系統的可靠性是指廣義的可靠性。它是可修復的機器、零件或系統，在使用中不發生故障，一旦發生故障又易修復，使之具有經常使用的性能。因此，它還包含了可維修性。常用的可靠性指標有：可靠度、MTBF、MTTF及故障率。
（1）可靠度：可靠度是衡量系統可靠性高低的重要指標之一。指機器、零件或系統，在規定的使用條件下的工作周期內，達到所規定的性能，即無故障正常工作狀態的概率，用R（t）表示。
（2）MTBF：平均故障間隔時間指可以邊修理邊使用的機器、零件或系統，相鄰故障期間的正常工作時間的平均值。它是一個時間指標，表示在兩次故障之間的平均間隔時間。它和可靠度及失效率間的關系是：平均故障間隔時間為失效率的倒數，數值為可靠度曲線下的面積。
（3）MTTF：到發生故障的平均時間指不能修理的機器、零件或系統，至發生故障為止的工作時間的平均值，即指不可修理產品的平均壽命。
（4）故障率：通常指瞬時故障率。它是指能工作到某個時間的機器、零件或系統，在連續單位時間內發生故障的比例，用λ(t)表示。又稱失效率、風險率。
對多數元部件來說，λ（t）隨時間的變化曲線為“浴盆曲線”，如圖一所示。曲線縱坐標是元部件的失效率，橫坐標是時間。平行于橫坐標的一條虛線為設備規定的失效率，該虛線與浴盆曲線的兩個交點，將曲線分成三段，反映了設備的三個失效期。
圖一 元部件的典型失效曲線
① 早期失效期
設備啟用初期，失效率很高，很快就低下來了。這種失效階段主要是由設計、制造、加工裝配等內部缺陷造成的。通過這一時期產品失效的分析，可以改進設計、制造、加工裝配等薄弱環節，提高設備的可靠性。
② 偶然失效期
經過早期失效期后，設備對規定的使用條件已能適應，設備失效率最低，并且穩定，且持續時間較長，這時失效率接近常數。這種失效階段，一般只是出于偶然的因素，如突然過載、碰撞等事故性原因才導致失效。
③ 損耗失效期
經過一段時間的使用，設備上的某些零部件出現老化、磨損，因而設備的失效率隨時間而上升。
需要強調指出，“浴盆曲線”反映了系統的一般失效規律，它經歷了三種不同的失效類型。但對于某一單一的零件、元件或材料，它的失效只是上述三種失效類型中的某一種。
2.2 可靠性的計算
1 概述
分散型控制系統由大量的設備、元器件組成。它的可靠性可由組成系統的各部件通過串聯、并聯、旁路、橋接和分解的各子系統可靠性計算，然后按全概率法則求得。
（1） 串聯系統可靠性
n個元件A1、A2┅┅An組成串聯系統，各元件的失效相互獨立，且系統中的任一個元件發生故障都會導致整個系統失效。如圖二所示。若各元件可靠度分別為R1、R2┅┅Rn，失效時間分別為X1、X2┅┅Xn，則串聯系統的失效時間X=minXi，可靠度R（t）為各串聯元件可靠度的乘積。即：R（t）=∏Ri（t）（i=1，2┅┅n）。因此，串聯系統的可靠性低于組成系統的每一個元件的可靠性。
圖二 串聯系統結構模型
（1） 并聯系統可靠性
1 概述
n個元件A1、A2┅┅An組成并聯系統，只要有一個元件正常工作整個系統就能正常工作。如圖三所示，若各元件可靠度分別為R1、R2┅┅Rn，失效時間分別為X1、X2┅┅Xn，則并聯系統的失效時間x=maxXi，可靠度R（t）為：R（t）=1-∏[1- Ri（t）] （i=1，2┅┅n）。因此，并聯系統的可靠性高于組成系統的每一個元件的可靠性。
圖三 并聯系統結構模型 圖四 表決系統結構模型
（3） （k，n）表決系統可靠性
1 概述
由n個元件組成的系統，若有k個或k個以上元件能正常工作，系統就能正常工作，則稱為（k，n）表決系統。如圖四所示，可以說，并聯系統是（1，n）表決系統，串聯系統是（n，n）表決系統。
（4） 冗余系統可靠性
1 概述
冗余系統又稱備用儲備系統，系統中有n個相同的部件，一個部件工作，其余部件備用。根據備用部件是否運行分為熱后備和冷后備兩類。
冷后備冗余系統中，只有一個部件處于工作狀態，其它的部件都處于非工作的待命狀態。當工作的部件出現故障時，處于待命的部件立即轉入工作狀態，直到全部部件失效。冷后備冗余系統的MTBF是各組成部件的MTBF（i）之和。
熱后備冗余系統中，所有的部件一開始就同時工作，但一部件處于正常工作狀態，其余部件處于備用工作狀態，在該系統中，只要不是全部部件失效，系統就可以正常工作。反之，只有每個部件都同時失效時，系統才可能失效。因此，冷后備冗余系統比熱后備冗余系統具有高可靠性。
2 分散型控制系統可靠性設計
1 概述
分散型控制系統在整個設計、制造過程中，采用了多種可靠性技術。從DDC到DCS的設計思想就是把危險分散，使局部故障的發生不影響全局的運行；高集成度的LSI是提高MTBF的重要措施；標準化、模塊化設計、冗余技術、自診斷技術、容錯技術、加密技術、抗干擾技術、表面安裝技術、掉電保護技術等新技術的開發大大提高了系統的可靠性。因此可靠性設計是保證分散型控制系統可靠性最為重要的一步。
2.1 可靠性設計的要求和準則
1 概述
可靠性設計是完全新型的一種設計。它是用于實現設計質量，即可靠性、性能、效率、安全、經濟等項指標的設計。采用可靠性設計，就能設計出在使用過程中不易發生故障、即使發生故障也易修復的產品。
一、通常，在可靠性設計時，要求做到以下幾點：
（1） 有效地利用以前的經驗，并進行適當的和適時的創新；
（2） 盡可能減少零件件數，尤其是故障率高的零件數；
（3） 采用標準化的產品；
（4） 檢查、調試和互換容易實現；
（5） 零件互換性好；
（6） 采用可靠性特殊設計方法，進行可靠性預測、可靠度合理分配、冗余設計、安全裝置設計、極安全設計等。
二、基于以上要求，分散型控制系統可靠性設計的基本準則主要有：
（1） 系統不易發生故障的準則
這條準則是重要的可靠性設計準則。即從系統的基本部件入手，提高系統的MTBF。
（2） 系統運行不受故障影響的準則
這條準則包含兩方面的內容。冗余設計可以使系統某一部件發生故障時能夠自動切換；多級操作、手動操作可以使系統某一部件發生故障時能夠旁路或者降級使用。
（3） 迅速排除故障的準則
這條準則是重要的維修性設計準則。它包括故障診斷、系統運行狀態監視、故障報警和隔離、部件在線帶電更換等設計，用于縮短系統的MTTR。
2.2 可靠性分配
1 概述
系統的可靠性分配，則是已知系統的可靠性指標，求系統各組成元件的可靠性指標，可靠性分配的目的是為了落實系統設計的可靠性指標，明確對各組成單元的可靠性要求。因此，它是系統可靠性設計的重要環節。可靠性分配按照分配原則的不同，有等同分配法、加權分配法和動態規劃最優分配法等。
（1） 等同分配法
等同分配法是一種最簡單的分配法，它按照全部子系統可靠性相等的原則進行分配。此方法計算簡單，缺點是沒有考慮各單元現有的可靠度水平、重要性等因素。
（2） 加權分配法
加權分配法是考慮到各子系統在整個系統中的重要程度，以某子系統出現故障會引起整個系統發生故障的概率大小為依據，來分配該子系統的可靠度的分配方法。
（3） 動態規劃最優分配法
動態規劃最優分配法是以系統的成本、重量、體積或研制周期等盡可能小為目標，而以可靠度不小于某一最低值為約束條件，進行可靠度分配；或以系統可靠度盡可能大為目標，而把系統的成本、重量或體積等作為約束條件進行可靠度分配。
3.3 分散型控制系統可靠性設計方法
1 概述
根據可靠性設計要求和準則，分散型控制系統可靠性設計方法可從硬件和軟件兩方面入手。
3.3.1 系統硬件可靠性設計方法
（1） 系統不易發生故障的硬件設計
分散型控制系統硬件不易發生故障的設計，可從系統的以下幾個組成部件考慮，以提高系統的使用壽命。
① 運動部件：在分散型控制系統中，運動部件的壽命直接關系到系統可靠性的指標。由于電子元器件的使用壽命比機械運動部件的使用壽命長。因此，對于運動部件部分的設計和選型應盡量采用電子元器件，以提高可靠性。
② 接插卡件：接插卡件在分散型控制系統組成中占很大比重。它的可靠性會直接影響全系統的正常運行。因此，在分散型控制系統中，接插卡件的設計方面常采用最先進的表面安裝技術、密封結構、金屬板外部散熱設計、卡件的分散獨立供電方式等，確保卡件運行在正常工作狀況，大大地提高了卡件的可靠性。
③ 元器件：元器件是分散型控制系統的最基本組成元素。選用名牌工廠生產的高性能、規格化、系列化的元器件，如大規模集成電路、超大規模集成電路、微處理器芯片、耐磨損傳動器件等。
④ 電路優化設計：采用大規模和超大規模的集成電路芯片、優化性能的元器件和連接線優化布置等電路優化設計不僅可以提高系統可靠性，而且可以防止和降低干擾的影響。此外電路優化設計還包括使分散型控制系統設計成多級控制系統的總體設計，它可以使系統在發生局部故障時能降級控制，直到手動控制。
⑤ 此外，機柜和操作臺的優化設計等也不同程度地影響整體系統的可靠性。
（2） 系統運行不受故障的硬件設計
1 概述
冗余結構設計是保證系統運行不受故障的重要方法。它是以投入相同的裝置、部件為代價來提高系統可靠性的。在分散型控制系統中，越是處于下層的部件、裝置或系統越需要冗余，越需要高的冗余度。一般地，分散型控制系統的硬件冗余結構設計包括：
① 供電系統的冗余：包括系統外部供電和系統內部供電。在分散型控制系統中，常采用雙重化供電方式。對自動化水平高的大型分散型控制系統的冗余供電系統也可以采用多級并聯供電。
② 過程控制裝置的冗余：過程控制裝置的冗余分為裝置冗余和CPU處理器冗余兩類。裝置冗余通常用n:1冗余方式。CPU處理器冗余常為雙重化冗余，采用熱后備方式工作。
③ 通信系統的冗余：幾乎所有的分散型控制系統都采用雙重化的通信冗余結構。在分散型控制系統中，控制站、操作站和上位機等所有存在數據通信的部位都采用了冗余結構，以確保數據通信的可靠性。
④ 操作站的冗余：常采用2-3臺操作站并聯運行，組成雙重化冗余或（2，3）表決系統冗余。
⑤ 此外，系統輸入輸出信號的接插卡件、上位機也可以組成冗余結構。
（3） 迅速排除故障的硬件設計
1 概述
為了迅速排除故障，減小MTTR，除了具有足夠的備品備件以及提高維修人員技能外，在硬件設計方面可采用下列措施。
① 系統自診斷：分散型控制系統中的自診斷功能通常由硬件和軟件共同完成。一個性能良好的分散型控制系統應具有很強的自診斷功能，它能夠對各種接插卡件進行診斷，并顯示故障。這樣，維護維修人員能及時迅速地排除系統故障。
② 方便和可靠的硬件設計：對需常檢修和更換的部件常采用接插卡件鍍金的插腳、易于接插的把手，插卡滑軌等機械設計，以保證有良好的接觸和易于更換的機械性能。在電子線路設計方面，采用各卡件自成系統，它的插入和拔出不影響其他卡件的運行，保證系統帶電運行情況下，能更換接插卡件。
③ 專用診斷、檢修設備：為了便于診斷和檢修，大多數分散型控制系統制造廠商還制造了專用設備，用于在線和離線檢查和修理。有些設備還可以進行仿真運行。
3.3.2 系統軟件可靠性設計方法
（1） 分散結構設計
把整體的軟件設計分散成各子系統的設計，各自獨立，又共享資源。這種分散結構的軟件設計既有利于設計工作的開展也有利于軟件的調試。
（2） 容錯技術
在軟件設計中的容錯技術是指在軟件設計時，對誤操作不予響應的技術。這里的不予響應是指對于操作人員的誤操作，如不按設計順序則軟件不會去輸出操作指令，或者輸出有關提示操作出錯的信息。
（3） 標準化
采用標準化的軟件可以提高軟件運行的可靠性。它還為其他軟件公司的軟件產品移植、應用提供了條件。目前，新一代的分散型控制系統在硬件上大多采用全32位的CPU芯片，而軟件上則采用著名的多用戶分時操作系統，如UNIX。采用windows編輯技術軟件和關系數據庫，如ORACLE等。
3 結束語
1 概述
分散型控制系統已大量應用于工業生產過程的控制和管理。隨著工業規模的不斷擴大，對分散型控制系統可靠性的要求也越來越高。分散型控制系統硬件和軟件的可靠性設計已取得了明顯的效果。
參考文獻：
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號