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案例頻道1 概述
可靠性是分散型控制系統(tǒng)(DCS)最重要的技術(shù)性能指標(biāo)之一?，F(xiàn)代生產(chǎn)的連續(xù)性、快節(jié)奏和高效率對分散型控制系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求。由于分散型控制系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，它的可靠性問題也涉及到更多的層面，應(yīng)當(dāng)重點進(jìn)行討論和研究。
2 分散型控制系統(tǒng)的可靠性問題
1 概述
分散型控制系統(tǒng)的可靠性是評估分散型控制系統(tǒng)的一個極其重要技術(shù)性能指標(biāo)。通常，制造廠商提供的可靠度數(shù)據(jù)都在99.99%至99.9999%。由于可靠性指標(biāo)具有統(tǒng)計特性，因此，在評估系統(tǒng)可靠性時，可以采用那些提高系統(tǒng)可靠性的措施來分析。除了系統(tǒng)制造時應(yīng)該保證符合設(shè)計要求外，通?？梢詮目煽啃栽O(shè)計和維修性兩個方面進(jìn)行分析。
2.1 可靠性及可靠性指標(biāo)
1 概述
可靠性指機(jī)器、零件或系統(tǒng)，在規(guī)定的工作條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)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(jī)器、零件或系統(tǒng)的使用壽命。分散型控制系統(tǒng)的可靠性是指廣義的可靠性。它是可修復(fù)的機(jī)器、零件或系統(tǒng)，在使用中不發(fā)生故障，一旦發(fā)生故障又易修復(fù)，使之具有經(jīng)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(biāo)有：可靠度、MTBF、MTTF及故障率。
（1）可靠度：可靠度是衡量系統(tǒng)可靠性高低的重要指標(biāo)之一。指機(jī)器、零件或系統(tǒng)，在規(guī)定的使用條件下的工作周期內(nèi)，達(dá)到所規(guī)定的性能，即無故障正常工作狀態(tài)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(jī)器、零件或系統(tǒng)，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(biāo)，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(guān)系是：平均故障間隔時間為失效率的倒數(shù)，數(shù)值為可靠度曲線下的面積。
（3）MTTF：到發(fā)生故障的平均時間指不能修理的機(jī)器、零件或系統(tǒng)，至發(fā)生故障為止的工作時間的平均值，即指不可修理產(chǎn)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(jī)器、零件或系統(tǒng)，在連續(xù)單位時間內(nèi)發(fā)生故障的比例，用λ(t)表示。又稱失效率、風(fēng)險率。
對多數(shù)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(biāo)是元部件的失效率，橫坐標(biāo)是時間。平行于橫坐標(biāo)的一條虛線為設(shè)備規(guī)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(shè)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(shè)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(shè)計、制造、加工裝配等內(nèi)部缺陷造成的。通過這一時期產(chǎn)品失效的分析，可以改進(jìn)設(shè)計、制造、加工裝配等薄弱環(huán)節(jié)，提高設(shè)備的可靠性。
② 偶然失效期
經(jīng)過早期失效期后，設(shè)備對規(guī)定的使用條件已能適應(yīng)，設(shè)備失效率最低，并且穩(wěn)定，且持續(xù)時間較長，這時失效率接近常數(shù)。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(dǎo)致失效。
③ 損耗失效期
經(jīng)過一段時間的使用，設(shè)備上的某些零部件出現(xiàn)老化、磨損，因而設(shè)備的失效率隨時間而上升。
需要強(qiáng)調(diào)指出，“浴盆曲線”反映了系統(tǒng)的一般失效規(guī)律，它經(jīng)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(tǒng)由大量的設(shè)備、元器件組成。它的可靠性可由組成系統(tǒng)的各部件通過串聯(lián)、并聯(lián)、旁路、橋接和分解的各子系統(tǒng)可靠性計算，然后按全概率法則求得。
（1） 串聯(lián)系統(tǒng)可靠性
n個元件A1、A2┅┅An組成串聯(lián)系統(tǒng)，各元件的失效相互獨立，且系統(tǒng)中的任一個元件發(fā)生故障都會導(dǎo)致整個系統(tǒng)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(lián)系統(tǒng)的失效時間X=minXi，可靠度R（t）為各串聯(lián)元件可靠度的乘積。即：R（t）=∏Ri（t）（i=1，2┅┅n）。因此，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性低于組成系統(tǒng)的每一個元件的可靠性。
圖二 串聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型
（1） 并聯(lián)系統(tǒng)可靠性
1 概述
n個元件A1、A2┅┅An組成并聯(lián)系統(tǒng)，只要有一個元件正常工作整個系統(tǒng)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(lián)系統(tǒng)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(lián)系統(tǒng)的可靠性高于組成系統(tǒng)的每一個元件的可靠性。
圖三 并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 圖四 表決系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型
（3） （k，n）表決系統(tǒng)可靠性
1 概述
由n個元件組成的系統(tǒng)，若有k個或k個以上元件能正常工作，系統(tǒng)就能正常工作，則稱為（k，n）表決系統(tǒng)。如圖四所示，可以說，并聯(lián)系統(tǒng)是（1，n）表決系統(tǒng)，串聯(lián)系統(tǒng)是（n，n）表決系統(tǒng)。
（4） 冗余系統(tǒng)可靠性
1 概述
冗余系統(tǒng)又稱備用儲備系統(tǒng)，系統(tǒng)中有n個相同的部件，一個部件工作，其余部件備用。根據(jù)備用部件是否運(yùn)行分為熱后備和冷后備兩類。
冷后備冗余系統(tǒng)中，只有一個部件處于工作狀態(tài)，其它的部件都處于非工作的待命狀態(tài)。當(dāng)工作的部件出現(xiàn)故障時，處于待命的部件立即轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)，直到全部部件失效。冷后備冗余系統(tǒng)的MTBF是各組成部件的MTBF（i）之和。
熱后備冗余系統(tǒng)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(tài)，其余部件處于備用工作狀態(tài)，在該系統(tǒng)中，只要不是全部部件失效，系統(tǒng)就可以正常工作。反之，只有每個部件都同時失效時，系統(tǒng)才可能失效。因此，冷后備冗余系統(tǒng)比熱后備冗余系統(tǒng)具有高可靠性。
2 分散型控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計
1 概述
分散型控制系統(tǒng)在整個設(shè)計、制造過程中，采用了多種可靠性技術(shù)。從DDC到DCS的設(shè)計思想就是把危險分散，使局部故障的發(fā)生不影響全局的運(yùn)行；高集成度的LSI是提高M(jìn)TBF的重要措施；標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計、冗余技術(shù)、自診斷技術(shù)、容錯技術(shù)、加密技術(shù)、抗干擾技術(shù)、表面安裝技術(shù)、掉電保護(hù)技術(shù)等新技術(shù)的開發(fā)大大提高了系統(tǒng)的可靠性。因此可靠性設(shè)計是保證分散型控制系統(tǒng)可靠性最為重要的一步。
2.1 可靠性設(shè)計的要求和準(zhǔn)則
1 概述
可靠性設(shè)計是完全新型的一種設(shè)計。它是用于實現(xiàn)設(shè)計質(zhì)量，即可靠性、性能、效率、安全、經(jīng)濟(jì)等項指標(biāo)的設(shè)計。采用可靠性設(shè)計，就能設(shè)計出在使用過程中不易發(fā)生故障、即使發(fā)生故障也易修復(fù)的產(chǎn)品。
一、通常，在可靠性設(shè)計時，要求做到以下幾點：
（1） 有效地利用以前的經(jīng)驗，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮瓦m時的創(chuàng)新；
（2） 盡可能減少零件件數(shù)，尤其是故障率高的零件數(shù)；
（3） 采用標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品；
（4） 檢查、調(diào)試和互換容易實現(xiàn)；
（5） 零件互換性好；
（6） 采用可靠性特殊設(shè)計方法，進(jìn)行可靠性預(yù)測、可靠度合理分配、冗余設(shè)計、安全裝置設(shè)計、極安全設(shè)計等。
二、基于以上要求，分散型控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計的基本準(zhǔn)則主要有：
（1） 系統(tǒng)不易發(fā)生故障的準(zhǔn)則
這條準(zhǔn)則是重要的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則。即從系統(tǒng)的基本部件入手，提高系統(tǒng)的MTBF。
（2） 系統(tǒng)運(yùn)行不受故障影響的準(zhǔn)則
這條準(zhǔn)則包含兩方面的內(nèi)容。冗余設(shè)計可以使系統(tǒng)某一部件發(fā)生故障時能夠自動切換；多級操作、手動操作可以使系統(tǒng)某一部件發(fā)生故障時能夠旁路或者降級使用。
（3） 迅速排除故障的準(zhǔn)則
這條準(zhǔn)則是重要的維修性設(shè)計準(zhǔn)則。它包括故障診斷、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、故障報警和隔離、部件在線帶電更換等設(shè)計，用于縮短系統(tǒng)的MTTR。
2.2 可靠性分配
1 概述
系統(tǒng)的可靠性分配，則是已知系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，求系統(tǒng)各組成元件的可靠性指標(biāo)，可靠性分配的目的是為了落實系統(tǒng)設(shè)計的可靠性指標(biāo)，明確對各組成單元的可靠性要求。因此，它是系統(tǒng)可靠性設(shè)計的重要環(huán)節(jié)?？煽啃苑峙浒凑辗峙湓瓌t的不同，有等同分配法、加權(quán)分配法和動態(tài)規(guī)劃最優(yōu)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(tǒng)可靠性相等的原則進(jìn)行分配。此方法計算簡單，缺點是沒有考慮各單元現(xiàn)有的可靠度水平、重要性等因素。
（2） 加權(quán)分配法
加權(quán)分配法是考慮到各子系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中的重要程度，以某子系統(tǒng)出現(xiàn)故障會引起整個系統(tǒng)發(fā)生故障的概率大小為依據(jù)，來分配該子系統(tǒng)的可靠度的分配方法。
（3） 動態(tài)規(guī)劃最優(yōu)分配法
動態(tài)規(guī)劃最優(yōu)分配法是以系統(tǒng)的成本、重量、體積或研制周期等盡可能小為目標(biāo)，而以可靠度不小于某一最低值為約束條件，進(jìn)行可靠度分配；或以系統(tǒng)可靠度盡可能大為目標(biāo)，而把系統(tǒng)的成本、重量或體積等作為約束條件進(jìn)行可靠度分配。
3.3 分散型控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計方法
1 概述
根據(jù)可靠性設(shè)計要求和準(zhǔn)則，分散型控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計方法可從硬件和軟件兩方面入手。
3.3.1 系統(tǒng)硬件可靠性設(shè)計方法
（1） 系統(tǒng)不易發(fā)生故障的硬件設(shè)計
分散型控制系統(tǒng)硬件不易發(fā)生故障的設(shè)計，可從系統(tǒng)的以下幾個組成部件考慮，以提高系統(tǒng)的使用壽命。
① 運(yùn)動部件：在分散型控制系統(tǒng)中，運(yùn)動部件的壽命直接關(guān)系到系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)。由于電子元器件的使用壽命比機(jī)械運(yùn)動部件的使用壽命長。因此，對于運(yùn)動部件部分的設(shè)計和選型應(yīng)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(tǒng)組成中占很大比重。它的可靠性會直接影響全系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，在分散型控制系統(tǒng)中，接插卡件的設(shè)計方面常采用最先進(jìn)的表面安裝技術(shù)、密封結(jié)構(gòu)、金屬板外部散熱設(shè)計、卡件的分散獨立供電方式等，確?？\(yùn)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(tǒng)的最基本組成元素。選用名牌工廠生產(chǎn)的高性能、規(guī)格化、系列化的元器件，如大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路、微處理器芯片、耐磨損傳動器件等。
④ 電路優(yōu)化設(shè)計：采用大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路芯片、優(yōu)化性能的元器件和連接線優(yōu)化布置等電路優(yōu)化設(shè)計不僅可以提高系統(tǒng)可靠性，而且可以防止和降低干擾的影響。此外電路優(yōu)化設(shè)計還包括使分散型控制系統(tǒng)設(shè)計成多級控制系統(tǒng)的總體設(shè)計，它可以使系統(tǒng)在發(fā)生局部故障時能降級控制，直到手動控制。
⑤ 此外，機(jī)柜和操作臺的優(yōu)化設(shè)計等也不同程度地影響整體系統(tǒng)的可靠性。
（2） 系統(tǒng)運(yùn)行不受故障的硬件設(shè)計
1 概述
冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計是保證系統(tǒng)運(yùn)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(tǒng)可靠性的。在分散型控制系統(tǒng)中，越是處于下層的部件、裝置或系統(tǒng)越需要冗余，越需要高的冗余度。一般地，分散型控制系統(tǒng)的硬件冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計包括：
① 供電系統(tǒng)的冗余：包括系統(tǒng)外部供電和系統(tǒng)內(nèi)部供電。在分散型控制系統(tǒng)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(tǒng)的冗余供電系統(tǒng)也可以采用多級并聯(lián)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(tǒng)的冗余：幾乎所有的分散型控制系統(tǒng)都采用雙重化的通信冗余結(jié)構(gòu)。在分散型控制系統(tǒng)中，控制站、操作站和上位機(jī)等所有存在數(shù)據(jù)通信的部位都采用了冗余結(jié)構(gòu)，以確保數(shù)據(jù)通信的可靠性。
④ 操作站的冗余：常采用2-3臺操作站并聯(lián)運(yùn)行，組成雙重化冗余或（2，3）表決系統(tǒng)冗余。
⑤ 此外，系統(tǒng)輸入輸出信號的接插卡件、上位機(jī)也可以組成冗余結(jié)構(gòu)。
（3） 迅速排除故障的硬件設(shè)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(shè)計方面可采用下列措施。
① 系統(tǒng)自診斷：分散型控制系統(tǒng)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(tǒng)應(yīng)具有很強(qiáng)的自診斷功能，它能夠?qū)Ω鞣N接插卡件進(jìn)行診斷，并顯示故障。這樣，維護(hù)維修人員能及時迅速地排除系統(tǒng)故障。
② 方便和可靠的硬件設(shè)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(jī)械設(shè)計，以保證有良好的接觸和易于更換的機(jī)械性能。在電子線路設(shè)計方面，采用各卡件自成系統(tǒng)，它的插入和拔出不影響其他卡件的運(yùn)行，保證系統(tǒng)帶電運(yùn)行情況下，能更換接插卡件。
③ 專用診斷、檢修設(shè)備：為了便于診斷和檢修，大多數(shù)分散型控制系統(tǒng)制造廠商還制造了專用設(shè)備，用于在線和離線檢查和修理。有些設(shè)備還可以進(jìn)行仿真運(yùn)行。
3.3.2 系統(tǒng)軟件可靠性設(shè)計方法
（1） 分散結(jié)構(gòu)設(shè)計
把整體的軟件設(shè)計分散成各子系統(tǒng)的設(shè)計，各自獨立，又共享資源。這種分散結(jié)構(gòu)的軟件設(shè)計既有利于設(shè)計工作的開展也有利于軟件的調(diào)試。
（2） 容錯技術(shù)
在軟件設(shè)計中的容錯技術(shù)是指在軟件設(shè)計時，對誤操作不予響應(yīng)的技術(shù)。這里的不予響應(yīng)是指對于操作人員的誤操作，如不按設(shè)計順序則軟件不會去輸出操作指令，或者輸出有關(guān)提示操作出錯的信息。
（3） 標(biāo)準(zhǔn)化
采用標(biāo)準(zhǔn)化的軟件可以提高軟件運(yùn)行的可靠性。它還為其他軟件公司的軟件產(chǎn)品移植、應(yīng)用提供了條件。目前，新一代的分散型控制系統(tǒng)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(tǒng)，如UNIX。采用windows編輯技術(shù)軟件和關(guān)系數(shù)據(jù)庫，如ORACLE等。
3 結(jié)束語
1 概述
分散型控制系統(tǒng)已大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的控制和管理。隨著工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對分散型控制系統(tǒng)可靠性的要求也越來越高。分散型控制系統(tǒng)硬件和軟件的可靠性設(shè)計已取得了明顯的效果。
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號