分布式控制系统性能指标的评估课件

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1、分布式控制系统性能指标的评价,3 分布式控制系统性能指标的评价,3.1 分布式控制系统的可靠性 3.2 分布式控制系统的易操作性 3.3 分布式控制系统的可组态性 3.4 分布式控制系统的可扩展性 3.5 分布式控制系统的实时性 3.6 分布式控制系统的环境适应性 3.7 分布式控制系统的经济性,3.1 分布式控制系统的可靠性,3.1.1 可靠性 一可靠性 机器、零件或系统在规定的工作条件下，在规定的时间内具有正常工作性能的能力。,广义可靠性和狭义可靠性： 狭义可靠性:一次性使用的机器、零件或系统的使用寿命。 广义可靠性：可修复的机器、零件或系统，在使用中不发生故障，一旦发生故障又易修复，使之

2、具有经常使用的性能。（包含可维修性）,二衡量可靠性的指标,（1）可靠度 （2）平均故障时间MTBF（Mean Time Between Failure） （3）到发生故障的平均时间MTTF（Mean Time To Failure） （4）（瞬时）故障率FR（Failure Rate）,（1）可靠度：机器、零件或系统，从开始工作起，在规定的工作条件下的工艺周期内，达到所规定的性能，也是无故障正常工作的概率。 （下面分两种类型的机器、零件或系统设置指标） （2）平均故障时间（MTBF）：可以边修理边使用的机器、零件或系统，相临故障时间的正常时间的平均值。,（3）到发生故障的平均时间（MTTF）：

3、不能修理的机器、零件或系统，至发生故障为止的工作时间的平均值。 （4）故障率：通常指瞬时故障率，能工作到某个时间的机器、零件或系统，在连续单位时间内发生故障的比率，又称失效率或风险率。,3.1.2 提高可靠性的途径,从可靠性设计和维修性两个方面考虑: 一.可靠性设计的准则 （1）有效地利用以前的经验 （2）尽可能减少零件数 （3）采用标准化产品 （4）检查、调试及互换容易实现 （5）零件互换性好 （6）可靠性特殊设计方法,二提高分布式系统硬件可靠性的措施 （1）冗余结构设计（Redundant Structure） 冗余方式： 同步运转方式、待机运转方式 后退运转方式、多级操作方式,同步运转方

4、式,让两台或两台以上的装置以相同的方式同步运转，输入相同的信号，进行相同的处理，然后对输出进行比较，如果输出保持一致则系统是正常运行的。 双重冗余、“三中取二”（连锁） 应用于可靠性要求极高的场合,待机运转方式,采用N台同类设备，采用一台后备设备，平时后备设备处于准备状态，一旦N台设备中某一台设备发生故障，能启动后备设备使其运转。 1：1备用系统、N：1备用系统 热后备系统，指挥装置,后退运转方式,正常时，N台设备各自分担各自功能进行运转，当其中一台设备损坏时，其余设备放弃部分不重要的功能，以此来完成损害设备的功能。 典型：CRT和操作站（第一台监视、第二台操作、第三台报警）,多级操作方式,纵

5、向冗余的方法。正常操作是从上一层进行的，如该层故障则由下一策动能够完成，这样逐步向下形成对最终元件执行器的控制。 例如：功能模块设有手动、自动切换开关,按冗余部件、装置或系统的工作状态，可分为工作冗余（热备用）和后备冗余（冷备用）两类。越是处于下层的部件、装置或系统越需要冗余，而且冗余度越高。,供电系统的冗余：外部双重化供电、内部大容量电池供电保护数据； 过程控制装置的冗余：装置冗余（n：1）和CPU冗余（双重化冗余、热后备方式）； 通信系统的冗余：双重化冗余，智能变送器、数据通信采用现场总线；,操作站的冗余：23台操作站并联运行，组成双重化冗余或（2，3）表决系统冗余； 系统输入输出信号的插

6、卡部件的冗余以及上位机冗余等。 冗余设计是以投入相同的装置、部件为代价来提高系统的可靠性。,（2）不易发生故障的硬件设计,为了提高使用寿命，从下面几个方面考虑硬件是设计和系统的选型： 运动部件：由于电子元器件的使用寿命比机械运动部件的使用寿命长，因此，运动不见的寿命就成为衡量系统可靠性的指标。 接插部件：卡件本身、卡件和卡件座接触部分的设计采用先进的制造工艺,元器件：机械与电子器件。选用名牌生产厂家高性能、规格化、系列化的元器件，严格预处理和筛选。 电路优化设计：采用大规模和超大规模的集成电路芯片，尽可能减少焊点；采用电路优化设计（连接线优化布置、优化性能的元器件、多级控制系统总体设计）,（3

7、）迅速排除故障的硬件设计,为迅速排除故障，减小MTTR，除了具有足够的备品备件以及提高维修人员技能外，在硬件设计方面采取以下措施： 自诊断：硬件和软件结合共同完成。硬件设计使系统发生故障时引起标志为的变化；软的设计是对检测值与故障限值进行比较并发出信号。,硬件设计：硬件机械部件和电子部件的设计应易检修、更换、不易发生故障。 专用诊断检修设备：为便于诊断和检修，大多数分布式控制系统厂家制造专用设备，用于在线和离线检查和修理，甚至可以进行仿真运行。 售后服务和备品备件：人员培训、售后维修、升级及备品备件的服务。,三提高分布式系统软件可靠性的措施,（1）分散结构设计 把整体的软件设计分散成各子系统的

8、设计，各自独立，共享资源，不仅有利于设计工作的开展，也有利于软件的调试。 如把整体设计分为控制器模件、历史数据模件、打印模件、报警事件模件等子系统的软件设计。,（2）容错技术 在设计软件时，对操作人员的误操作不予响应，即如不按设计顺序则软件不会去输出操作指令，或者输出提示操作出错的信息。 （3）标准化 采用标准化的软件可以提高软件运行的可靠性，还为其他软件公司的软件移植、应用提供条件。,3.2 分布式控制系统的易操作性,分布式控制系统的操作包括生产过程操作、组态和编程操作以及维护修理操作。 操作透明度：操作信息和更新速度 易操作性：方便地达到所需要的操作，不易发生误操作 容错技术:发生误操作时

9、不影响正常运行 安全性：进入相应操作环境的安全许可措施,一操作透明度,操作透明度：生产过程的操作信息是否清晰地为操作员所接受和理解，并被应用于生产过程的操作中去的能力。 有实感的理解过程：真实、形象。 检测仪表使用初期、控制仪表、集散控制系统的面板和显示画面。,二易操作性,易操作性：分布式系统所提供的操作环境容易为操作员所接受，并根据提供的信息对生产的全过程进行操作。,（一）操作环境：舒适地进行工作,为操作员提供的数据、状态等信息要易于辨认，报警或事件发生的信息能引起操作员的注意。为长期工作在这样的环境不使操作员感到疲劳，开关和安装要便于操作，使操作员能以最快的速度达到所需要的操作要。涉及宜人

10、学、系统的组态、结构方面的知识。,宜人学,宜人学：也叫人机工程学，是“人体科学”与“工程技术”的结合，是研究“人-机-环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系和相互作用的规律，为解决和优化系统中人的效能、健康等问题提供理论与方法的一门新兴边缘科学。人机工程学的基本理论是“产品设计要适合人的生理，心理因素”。,操作台适宜的尺寸,（二）操作功能,分布式控制系统的操作功能主要通过运行员站实施。从易操作性来分析操作功能的实施，其判别准则是： 如何获得所需信息 经过多少项操作达到能提供信息的画面 如何对过程实施操作,（1）显示功能,显示画面： 过程操作画面：概貌画面、过程画面、组画面、回路画面、历史趋

11、势画面、报警画面等 维修和组态画面：系统维修、系统组态、回路组态、报警组态、趋势组态等,过程之间相互耦合 过程操作画面的切换 减少工作量、提高可靠性，减少过程操作画面的切换操作 切换画面的方法：固定键、动态键、下拉菜单、画面编号、页面切换等 评价过程显示功能的优劣： 画面显示全面、切换方法简易、调用的快捷性,（2）过程监视功能,运行人员对全过程的被控变量（控制、监视）有全面的监视，掌握设备的开停等信息。 概貌显示画面：过程变量的位号、过程变量与设定值的偏差、过程变量的棒图、报警限值、报警信息等。,运行人员定性了解过程变量是否超过它的规定值，与极限值的偏离程度 评价： 根据系统提供的概貌画面、运

12、行人员的要求、画面提供的信息等进行综合评价。,（3）操作功能,分布式控制系统的操作：过程操作、组态操作、和维修操作 过程操作：对控制回路的操作、对各控制点的操作 控制回路的操作：控制方式、设定值、手动输出值、报警限制值、控制器作用方式、调整参数等。,控制点的操作：设备的开停、正反转、控制方式、连锁状态、报警限制等。 评价：专用键的多少、动态键能否使用、调整参数是否方便 组态操作：为系统、回路、报警等组态时进行的操作，有离线组态和在线组态之分。 离线组态有利于和安装时间同步进行，可缩短投产时间。 在线组态不影响生产的正常运行，进行贵路结构等的改动。,评价组态操作：组态软件、组态工具、编程语言、图

13、形编辑方式、工作的难易、快慢。 维修操作主要是画面的调用。 分级画面显示，进行故障定位，读取硬件配置的有关参数。 评价：显示画面的内容是否有利于维修定位。,（三）容错技术,注意区别提高易操作性的容错技术与提高可靠性的容错技术 前者：系统在正常运行中由于误操作时，系统仍能正常运行。 后者：系统中某部分发生故障时，系统仍能正常运行或降级运行。,（1）多重确认 对于重要操作步骤，采用双重或多重确认，对操作环境设置口令（Password）。 （2）硬件保护（电路） 安装接线和调试或者误操作，把高电平的电源线引入接线板，如果没有硬件保护，就会引起输入单元或过程控制装置损坏。对于可能引起误动作的各类电磁干

14、扰也要采取硬件和软件的保护措施。,（3）不予响应 软件编制时：采用不予响应的方法防止误操作影响生产运行。对于误操作，如按动与操作无关的键时，不发生操作指令或者在显示的警告区提示和发出警告声响。 （4）分工管理 对于多个运行员站，给予各运行员站不同的分工范围，每个运行员站只对所管辖的生产过程实施过程操作，对非管辖范围只有监视和显示功能。,（5）数据保护 采用存取控制和数据变换的方法来防止非法手段存取和修改数据。 分布式控制系统通过数据网络传送数据，对数据进行保护，存取控制是用存取矩阵的方法，控制用户对共享数据的存取，防止非法盗取或更改数据。,存取矩阵：一个存取矩阵可以被看作一个状态，状态转换需要

15、一定的权限。 数据变换则用变换的方法，把数据进行变换，使合法用户才能读到数据。 普通用户所读到的数据并不是真实值，二者之间存在一定转换的关系（例如：函数关系、码制关系等）。,（四）安全性,防止非法操作、非法存取所采取的措施 （1）用户识别和确认 （2）通信网络的安全,（1）用户识别和确认 硬件密钥、口令、通行字； 用户的语言、指纹 （2）网络的安全性 网络的数据保护方法： 数据加密 分组交换,3.3 分布式控制系统的可组态性,3.3.1 组态 3.3.2 组态语言,3.3.1 组态,“组态”的概念最早来自英文configuration，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使

16、计算机或软件按照预先设置，自动执行待定任务，满足使用者要求的目的。也就是通过软件采用非编程的操作方式，进行参数填写、图形连接和文件生成等，使得软件乃至整个系统具有某种指定的功能。,分布式控制系统的组态： 系统组态：组成系统的各设备间的连接 画面组态：操作站的各种画面、画面间连接 控制组态：完成各控制器、过程控制装置结构连接、参数设置等,一.功能块或算法,功能块或算法是控制系统结构中的基本单元。 （1）组成： 功能块是由分布式系统制造商提供的系统应用程序，由不同需功能的子程序组成，主要包括结构参数、设置参数和可调整参数。 从可组态性的要求出发，功能块的参数应具有易设置、易调整的特点。,结构参数： 功能参数子功能、不同数据类型、多输入信号；充分利用内存、减少消耗。 连接参数功能参数与外部的连接；软连接 设置参数：系统设置参数和用户设置参数 可调整参数：运行元可调参数和工程师可调参数,（2）信息的输入方法： 功能表格：机器码、助记符、菜单 功能图法：填表发、建立数据库 编制程序法：（高级）编程语言、计算模块,（3）根据可组态性判断功能块的质量： 灵活性： 功能块代替仪表的部分功