集散控制系统性能评估

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1、3.1 可靠性1、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，使之具有经常使用的性能。（包含可维修性）北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿 我国的可靠性发展我国的可靠性工作起步较晚，20世纪 70年代才开始在电子工业和航空工业中初 步形成可靠性研究体系，并将其应用于军 工产品。其他行业可靠性工作起步更晚， 差距更大，与先进国家差距2030年，虽 然国家已制订可靠性标准，但尚未引起所 有企业的足够重视

2、。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿 可靠性的重要性美国的宇宙飞船阿波罗工程有700万只 元器件和零件，参加人数达42万人，参予 制造的厂家达1万5千多家，生产周期达数 年之久。象这样庞大的复杂系统，一旦某 一个元件或某一个部件出现故障，就会造 成整个工程失败，造成巨大损失。所以可 靠性问题特别突出，不专门进行可靠性研 究是难于保证系统可靠性的。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿 可靠性的重要性产品的可靠性很重要，它不仅影响生 产公司的前途，而且影响到使用者的安全 （前苏联的“联盟11号”宇宙飞船返回时， 因压力阀门提前打开而造成三名宇航员全 部死亡）。可靠性好的产品，不但可以减 少公

3、司的维修费用，而且可以很快就打出 品牌，大幅度提升公司形象，增加公司收 入。可靠性的指标 （1）可靠度 （2）平均无故障时间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）北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿1）可靠度函数 可靠度是指产品在规定的条件和规定的时 间内，完成规定功能的概率。它是时间的函数，以 R(t)表示。若用T表示在规定条件下的寿命（产品首 次发生失效的时间），则“产品在时间t内完成规定 功能”等价于“产品寿命T大于t”。 所以可

4、靠度函数 R(t)可以看作事件“Tt”概率，即R(t) = P(Xt)性质：1) R(0)=12) 3)4) R(t) 是时间t的单调递减函数 如果从统计学的角度来看，可靠度是一个 定量的指标，可以通过抽样统计来确定设有N0个同样的产品，在同样的条件下 同时开始工作，经过t时间以后有Nf(t)个 产品发生故障，那么该产品的可靠度为mtbf = R(t )dt = e dt =北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿 2)平均无故障工作时间MTBFMTBF （Mean Time Between Fail）是指相 邻两次故障之间的平均工作时间，也称为 平均故障间隔。它仅适用于可维修产品。 同时也规定

5、产品在总的使用阶段累计工作 时间与故障次数的比值为MTBF。t1 00北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿 3)到发生故障的平均时间MTTF指不能修理的设备或系统，到发生 故障为止的工作时间的平均值，即不 可修理产品的平均寿命。如果某产品的可靠度为 R(t),该产品 的平均寿命m可用可靠度的数学期望 来表达:北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿 4)故障率 故障率(t)是衡量可靠性的一个重要指 标，其含义是产品工作到t时刻后的单位时 间内发生故障的概率，即产品工作到t时刻 后，在单位时间内发生故障的产品数与在时 刻t时仍在正常工作的产品数之比。(t)可 由下式表示。失效率浴盆曲线北京邮电大

6、学自动化学院集散控制系统讲稿 1）串联系统可靠性组成系统的所有单元中任一单元的故障就会导 致整个系统故障的系统称串联系统。它属于非贮 备可靠性模型，其逻辑框图如图所示123n北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿c1c2c3逻辑框图例如，为了获得足够的电容量，常将三个电器并 联。假定选定失效模式是电容短路，则其中任何 一个电容器短路都可使系统失败。 因此，该系统的原理图是并联，而逻辑图应 是串联的。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿c1c2c3逻辑框图例如，为了获得足够的电容量，常将三个电器并 联。假定选定失效模式是电容短路，则其中任何 一个电容器短路都可使系统失败。 因此，该系统的原理图

7、是并联，而逻辑图应 是串联的。c1c2c3可靠性框图北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿式中n R s (t ) = R i (t ) i =1 Rs (t)系统的可靠度； Ri (t)第i个单元的可靠度。串联系统可靠性根据串联系统的定义及逻辑框图，其数学模 型为： i t Rs (t ) = es t= e s = i= e t北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿式中 i tRi (t ) = esni =1ni =1ni =1串联系统可靠性若各单元的寿命分布均为指数分布，即s系统的故障率； i各单元的故障率。 串联的单元越多，系统可靠度越低。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿 2）

8、并联系统可靠性组成系统的所有单元都故障时，系统 才故障的系统叫并联系统，它属于工作贮 备模型。其逻辑框图如图所示。12n图 并联模型 并联系统可靠度并联系统可靠度 注：在并联系统中，并联的子系统越多，可靠性注：在并联系统中，并联的子系统越多，可靠性 越高。越高。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿 3）（ k，n）表决系统可靠性组成系统的n个单元中，不故障的单元 数不少于k (k为介于1和n之间的某个数)系统 就不会故障，这样的系统称为（k，n）表决 系统。它属于工作贮备模型。 如四台发动机的飞机，必须有二台或二 台以上发动机正常工作，飞机才能安全飞 行，这就是4中取2系统。Rs (t) =

9、 Cni Rni (t) 1 R(t)i北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿当n个单元都相同时，其可靠度可按二项展开式计算：式中nri=0 = Rn (t) +Cn1Rn1(t) 1 R(t)+Cn2Rn2 (t) 1 R(t)2 +L+Cnnr Rr (t) 1 R(t)nrn 系统的单元数； r 系统正常工作所必须的最少单元数。第一项R n(t)是n个单元都正常工作的概率。第二项是 (n-1)个单元正常工作，一个单元故障的概率，前r+1项 是r个单元正常工作(n- r)个单元故障的概率。当r=1时即为并联模型，当r=n时即为串联模型。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿4）冗余系统 可

10、靠性 冗余系统为备用储备模型，系统由n个 相同部件组成，一个部件工作，其余部件备 用。根据备用部件是否运行，分为热后备和 冷后备。 冷后备冗余系统第一部件失效后启动第二部件，直到所有部悼 失效。一些集散控制系统还加入管理系统，用于 部件硬件切换、程序和数据库切换。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿冷后备冗余系统的MTBF是各组成部件 MTBF（i）之和，即：各单元有相同的故障率，且服从指数分布，则冷后备冗余系统具有高可靠性！北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿 热后备冗余系统热后备冗余系统取n2，一个部件工作，另 一部件热备用。设正常工作部件的故障率为1， 备用部件在备用期的故障率为1，

11、它与工作期的 故障率）2不相等。热后备系统可靠度：热后备系统的MTBF是：北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿 （3）可维修性 维修性是指在规定条件下使用的产品在规 定的时间内，按规定的程序和方法进行维修 时，保持和恢复到能完成规定功能的能力。 可维修性的规定条件是维修三要素。即： 机器、零件或系统是否被设计得很容易维修； 进行维修的技术人员的维修和判断技能； 维修所需的备品备件供应情况。DCS采用接插板的安装方法有利于板卡的更换和 维修；通过自诊断系统的诊断及面板故障显示，使 对维护入员的技能要求降低；必需的备品储备使更 换时间缩短。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿 可维修性指标1）

12、维修度（Maintainability） 可修复机器、零件或系统在规定条件和规定时 间内完成维修的概率，用M（）表示。如果维修 时间为随机变量T，则有：式中，m（t）是T的分布密度函数北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿2）平均维修时间平 均 维 修 时 间 MTTR （ Mean Time To 是设备处于故障状态时间的平均值，或设备修复 时间的平均值。 0 0其中：m(t)是维修时间的概率密度函数， 对应可靠性的失效概率密度函数。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿3）修复率修复率(t)（对应失效率）:定义为修理 时间已达到某个时刻，但尚未修复的产 品，在该时刻后的单位时间内完成修理的

13、 概率。m(t ) 1 M (t )=M (t + t ) M (t ) (1 M (t )t (t ) = lim t 0北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿4）有效度（Availability）有效度（可用率）A，表示可修复机 器、零件或系统处于完好状态的概率。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿5）串联可修复系统的平均修复时间n个可修复不同元件串联系统的平均修 复时间为：式中，i i分别是第i个元件的故障率和修复率北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿 3.1.2 提高可靠性的措施 从可靠性设计和维修性两方面分析1）可靠性设计准则 有效地利用以前的经验。 尽可能减少零件件数，尤其是故

14、障率高的零 件数。 采用标准化的产品。 检查、调试和互换容易实现。 零件的互换性好。 采用可靠性特殊设计方法。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿2）集散控制系统可靠性设计准则一：系统运行不易发生故障的设计 运动部件。接插卡件。 元器件。 电路优化设计。 其他不易发生故障的设计 降低负荷的设计。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿不易发生故障的硬件设计运动部件：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 部件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北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿元器件：机械与电子器件

15、。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）北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿2）集散控制系统可靠性设计准则二：系统运行不受故障影响的设计 供电系统的冗余。 过程控制装置的冗余。 现场总线链路主设各的冗余。 通信系统的冗余。 操作站的冗余。 输入输出卡件的冗余。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿冗余结构设计提高分布式系统硬件可靠性设计冗余结构的范围与系统的可靠性、自动化水平以及经济性一起考虑。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。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿供电系统的冗余：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；北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿操作站的冗余：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。北京邮电大学自动化学院集散控制系统讲稿2）集散控制