集散控制系统的可靠性ppt

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1、水泥厂集散控制系统,葛运旺,本章主要内容：,提高计算机控制系统可靠性的方法 干扰的来源与种类 硬件抗干扰技术，包括电源系统抗干扰方法，过程通道抗干扰方法、接地技术等 软件抗干扰技术 故障自诊断技术、冗余及后备技术,第六章 计算机控制系统的可靠性技术,要求掌握内容：,了解提高计算机控制系统可靠性的方法有哪些 了解干扰的来源与种类，干扰的特性 掌握交流、直流电源抗干扰方法，掌握过程通道的抗干扰方法，掌握地的种类及各种地的处理 掌握软件抗干扰方法、故障自诊断技术、冗余及后备技术。,第一节 概述,控制系统的可靠与否，通常包含两重意思：其一，是指产品在规定的时间内，完成规定功能的能力，即可使用性；其二，

2、是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力，即可维修性。两者统称为可靠性。,第一节 概述,一、控制系统可靠性指标,可靠度R(t),系统的可靠性指标通常用概率来定义，常用的有可靠度R(t)、失效率(t)、平均故障间隔时间MTBF、平均故障修复时间MTTR、利用率A等。,（1）定义,可靠度是用概率来表示的零件、设备和系统的可靠程度。它的具体定义是：设备在规定的条件下(指设备所处的温度、湿度、气压、振动等环境条件和使用方法及维护措施等)，在规定的时间内(指明确规定的工作期限)，无故障地发挥规定功能(应具备的技术指标)的概率。可靠度是一个定量的指标，它是通过抽样统计确定的。设有No个同样的产品，在同样的条

3、件下同时开始工作，经t时间运行后有Nf(t)个产品发生故障，则其可靠度：,第一节 概述,一、控制系统可靠性指标,可靠度R（t）,式中求取概率R(t)的No和Nf(t)必须符合数据统计中的大数规律。No必须足够大，R(t)才有意义。也就是说，对于一种产品，必须抽取足够多的样本进行实验,得到的及R(t)才真正反映它的可靠度。 根据可靠度的定义，若产品测试时规定条件、规定时间和规定功能不同，则R(t)便不同。例如，同一产品在实验室和现场工作可靠度不同；在同一条件下，工作一年和工作五年的可靠性也不同，考察的时间越长，产品发生故障的可能性越大，可靠度R(t)将减小。,(0R(t)1),第一节 概述,一、

4、控制系统可靠性指标,可靠度R（t）,（2）可靠度曲线,对足够多的样本，在规定的条件下持续检查，随着时间的增加，能正常工作的样本越来越少。在不同的时刻对元件进行测试，求得各相应时刻的R(t)值，标定在R(t)t平面上，再对各点进行拟合，则可得到一条完整的可靠度曲线：,由图即可得到该产品在规定条件下任意时刻t的可靠度R(tx)，用可靠度曲线来表示产品的可靠度具有简单、直观的优点，但是每个产品的可靠度曲线是不同的，不便于进行多个产品的可靠度比较。,第一节 概述,一、控制系统可靠性指标,失效率(t),失效率(t)是指系统运行到t时刻后、单位时间内可靠度的下降与t时刻可靠度之比，用公式表示为：,第一节

5、概述,一、控制系统可靠性指标,平均故障间隔时间,MTBF(Mean Time Between Failure)是指各次故障间隔ti的平均值，即各段连续工作时间的平均值。可用下式表示：,i=1,2,3,n,MTBF是一个通过多次采样检测，长期统计后求出的平均数值。,第一节 概述,一、控制系统可靠性指标,平均故障修复时间 （MTTR）,MTTR(Mean Time To Repair)是指设备或系统经过维修，恢复功能并投入正常运行所需要的平均时间。用公式表示为：,i=1,2,3,n,式中ti:每次维修所花费的时间。 MTTR也是一个统计值，它远小于MTBF。MTTR越小的系统可靠性越高。,第一节

6、概述,一、控制系统可靠性指标,平均寿命,按照可靠度的定义，如果一种产品在时刻t内正常工作的概率为R(t)该产品的平均寿命m可用R(t)的数学期望值来表达：,对电子产品,所以,也就是说，电子产品的平均寿命是其失效率的倒数。 如果产品出现故障后无法修复，则其寿命m又可称作平均无故障时间(Mean Time To Failurs)，简称MTTF；如果故障后可以修复，则其寿命m代表的是平均故障间隔时间MTBF。DCS的故障应是可修复的，所以可将平均寿命m称为MTBF。,第一节 概述,一、控制系统可靠性指标,利用率,利用率是可修复产品的一个可靠性指标，又称有效率或有效度，它表征了产品正常工作时间和总时间

7、的比率。 有效度有三种形式：瞬时有效度、平均有效度和极限有效度。 瞬时有效度 它是系统在某一时刻具有规定功能的概率，记作A(t)，是一个时间函数。 平均有效度 它是在某段规定时间内瞬时有效度的平均值。 极限有效度 亦称稳态有效度，它是时间趋于无限大时瞬时有效度的极限值。 如果把系统的MTBF作为完成正常运行的时间，把MTTR看作为故障时间，则极限有效度就是设备或系统可能工作的时间系统，亦称为利用率或使用率。,第一节 概述,二、提高控制系统利用率的措施,提高元器件和设备的可靠性,建立严格的可靠性标准，优选元器件，建立器件的性能者化模型，有效地筛选元件，消除元器件早期失效对系统可靠性的影响。 研究

8、器件失效的机理，并制订有效措施，规定合理的使用条件。 提高组件制造工艺水平，强化检验措施，使组件制造工艺引起的故障降到10-9510-9左右。,集散系统组件一般要经过目测检查、高温老化、冷热缩循环试验。元件在0125间反复循环10次，每次持续15min间隔30s；对塑料封装的元件要在25100间作热交替试验，最后进行交流参数测试。如此严格的顶处理一方面是择优与筛选，更重要的是使元件的初期失效待性在实验室中事先让其暴露，从而在正式投入运行时已进到失效率低且恒定的偶然失效期，提高了组件的MTBF。,第一节 概述,一、提高控制系统利用率的措施,提高控制系统的抗干扰性能,控制系统要用在条件恶劣的工业环

9、境之中，因此必须要采取严格的抗干扰措施，防止电磁耦合、空间传输或导线传输引入干扰信号。提高系统的环境适应能力也是提高控制系统可靠性的一个重要方面。 控制系统的抗干扰技术包括硬件抗干扰和软件抗干扰两个方面，硬件抗干扰包括：电源系统的抗干扰、模拟量输入/输出通道抗干扰、开关量输入/输出通道抗干扰以及接地技术对；软件抗干扰包括：Watchdog技术、数字滤波技术和控制器抗干扰技术。,第一节 概述,一、提高控制系统利用率的措施,故障自诊断和容错技术,要缩短系统的平均故障修复时间，延长平均故障间隔时间，一个有效的措施就是采用自诊断技术，包括离线诊断和在线诊断，离线诊断一般在投运之前全面地测试DCS的性能

10、，为开车作好准备，这时有专门的诊断软件提供用户调试。投运以后就进入在线诊断，一般分设备级和卡件级自诊断。 容错技术是指当系统出现错误或故障时，仍能正确执行全部程序。容错技术可分成局部容错技术和完全容错技术。前者是从系统中切除有“病”的功能部件，重新组成一个新系统，让原系统降级使用；而后者则是切换前后功能完全相同。当然这两种切换都是自动进行的，不需人干预。 要达到容错目标的根本办法是采用冗余技术。所谓冗余，就是采用多余的资源来换取系统的可靠性。一般包括硬件冗余技术、软件冗余技术、信息冗余技术和时间冗余技术。,第一节 概述,一、提高控制系统利用率的措施,采用分散化结构,组织上的分散 这是阶层式的分

11、散结构。管理计算机等位于阶层的上层，对实时性要求可较低，控制功能和现场I/O接口等位于阶的下层，实时性要求高。 功能和地域的分散 这是水平式分散，从响应性，经济性考虑，控制功能和现场I/O 接口分散配置。 负荷分散 主要是使危险分散，使用单回路调节或单回路控制卡，使危险分散到单个回路。对于顺序控制，简单的按回路分散，导致相互间上耦合变紧，反而不能使危险分散，这时要采用与装置对应的功能分散。 数据库的分散 DCS采用分散型的数据库，以保证危险分散。它有分割型和重复型两种方式。对于重复型方式，是指数据库中相当一部分的重复设置。为使两个数据库的内容经常保持一致，必须相互交换信息。当一个数据库发生故障

12、时，因有另一个的重复拥有，可以很快恢复。但如果所有数据都重复拥有，将使通信系统负担太大，所以 这种重复要限制在一级别上。 对于分割型方式，指的是将数据库分割成几个较小的数据库，分散在DCS的不同子系统中。当需要参照其他子系统内的数据库时，响应性会降低，但对通信系统来说，总的负荷较轻。,第二节 控制系统抗干扰技术,一、干扰的来源与种类,干扰的来源,（1）外部干扰 外部干扰主要是来自自然界和周围设备的的干扰。 自然界的干扰：闪电、雷击、宇宙辐射、太阳黑子活动等。 周围设备的干扰：电磁场、电火花、电弧焊接、高频加热、晶闸管整流等。 （2）内部干扰 计算机控制系统内部的各种元器件引起的干扰。,第二节

13、控制系统抗干扰技术,一、干扰的来源与种类,干扰的分类,（1）按特性分类 直流干扰、交流干扰、随机干扰。 直流干扰 以直流电压或直流电流形式出现，一般由热电效应和电化学效应引起。 交流干扰 由交流电感应引起。 随机干扰 是瞬变的，以尖峰或脉冲形式出现，多由电感应负载的间断工作引起。 （2）按作用分类 常态干扰和共态干扰。 常态干扰：叠加在被测信号上的干扰。 共态干扰：又称为共模干扰，指输入电路（输入信号正端和负端）上共有的干扰信号。,第二节 控制系统抗干扰技术,二、硬件抗干扰技术,电源系统抗干扰-交流电源,采用电子稳压电源 用于克服电网电压波动对控制系统的影响，工业上也常用不间断电源（UPS）和

14、交流净化稳压电源。 采用低通滤波器 抑制电网侵入的外部高频干扰。可疑让Hz的工频几乎无衰减通过，滤除高于50Hz的高次谐波。,第二节 控制系统抗干扰技术,二、硬件抗干扰技术,电源系统抗干扰-交流电源,当同一电网上有大功率设备时，在控制系统与供电电源之间加入一个三相隔离变压器，用以隔离强电设备对计算机控制系统的干扰和接地电流。,变压器一次侧按三角形接法，二次侧按星型接法。,采用隔离变压器,第二节 控制系统抗干扰技术,二、硬件抗干扰技术,电源系统抗干扰-交流电源,尽量选用比较稳定的电源供电,不要将计算机接到负载变化大，晶闸管负载多，有高频设备的电源线上。,第二节 控制系统抗干扰技术,二、硬件抗干扰

15、技术,电源系统抗干扰-交流电源,电源分组供电,第二节 控制系统抗干扰技术,二、硬件抗干扰技术,电源系统抗干扰-直流电源,每块板卡的电源和地线引入处，接一个10100F的电解电容和一个0.010.1F的无感瓷片电容。 每块集成芯片的电源和地线引入端接一个0.010.1F的无感瓷片电容。 电路板布线要合理，直流电源线和地线不能形成环路。,第二节 控制系统抗干扰技术,二、硬件抗干扰技术,模拟量输入/输出通道抗干扰,输入输出信号尽量采用电流传送 采用RC滤波滤除高频干扰。 信号尽量采用双端输入。 采用屏蔽的信号线传送信号 采用双绞线传送信号 采用变压器隔离或光电隔离。,第二节 控制系统抗干扰技术,二、

16、硬件抗干扰技术,开关量输入输出通道抗干扰,RC滤波 去抖动电路 光电隔离,第二节 控制系统抗干扰技术,二、硬件抗干扰技术,地的处理,数字地-逻辑地，计算机地。 模拟地-A/D转换的地 功率地-大电流部件的零位 信号地-传感器的地 前置放大器的地 交流地 直流地 屏蔽地-机壳、屏蔽线的屏蔽层,第二节 控制系统抗干扰技术,二、硬件抗干扰技术,地的处理,数字地-悬空 模拟地-接仪表地 功率地-交流地 信号地-双端输入时，作为信号负端输入，单端输入时接仪表地 前置放大器的地 交流地-接交流地 直流地-接仪表地 屏蔽地-接仪表地,第二节 控制系统抗干扰技术,二、硬件抗干扰技术,典型的单接地体安装,地的处理- 接地体安转,接地总干线 系统通过公用连接板将各接地分干线汇总，并由公共连接板引出接地总干线，连接至接地体。公用连接板应采用铜板制作，并应设置在接地连接箱内，与箱体绝缘。 接地体 为钉入地下的良导体，由接地总干线传来的