DCS可靠性分析解读课件.ppt

1、分散型控制系统的可靠性 可靠性技术的研究内容大致分为四个方面：v可靠性设计v可靠性分析v可靠性试验v可靠性管理 可靠性设计 按照一定的技术要求，设计和制造出可靠性高、不易损坏的产品。 可靠性分析 通过对有关数据的收集、分析和计算得出一些关于可靠性问题的评价和结论； 可靠性试验 是验证系统可靠性是否达到规定指标的手段，它能暴露系统设计中可能存在的问题； 可靠性管理 着眼于从管理方面提高整个系统的可靠性，例如制定合理的检修周期，配备合适的备品备件，安排适量的检修人员等等。 可靠性指标v可靠度v故障率v平均故障间隔时间v平均故障修复时间v维修率v可用率可靠度 可靠性用概率表示时称为“可靠度”。 可靠

2、度的定义是：“产品在规定的时间内，在规定的使用条件下，完成规定功能的概率”。 换句话说，可靠度是表示零件、设备或系统的可靠程度的。 可靠度 (1)可靠度所指的对象是什么，例如，一个模件、一个设备、还是一个系统。 (2)所谓规定功能指的是什么，例如，对于一个运行员接口，CRT画面有轻度扭曲不会影响操作，因此可以不算故障。 (3)时间范围是如何定义的，与可靠性关系最密切的是关于时间的规定。 可靠度)()(tTPtR 可靠度一般用 来表示，它是时间的函数，其值域为，。 设为产品寿命的随机变量，则： )(tR不可靠度 与可靠度相对应的是不可靠度，即在规定的时间内，在规定的使用条件下，发生故障的概率。不

3、可靠度用下式表示： ( )()1()1( )F tP TtP TtR t 故障密度函数 故障密度函数是不可靠度对时间的变化率，记作，它表示了产品在单位时间内失败的概率。其表达式为： dttdRdttdFtf)()()(故障率 故障率是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。记为 。 按照上述定义，失效率是在t 时刻尚未失效的产品在t+t的单位时间内发生失效的条件概率，即： 10( )lim()tttP tTtt Tt ( ) t故障率由条件概率： )()()(tTPttTtPtTttTtP)()()(1)()()()(lim)()(lim)(00tRtRtRdttdFt

4、tTPtFttFttTPttTtPttt平均故障间隔时间 平均故障间隔时间MTBF亦称平均故障时间，这是一个概率统计指标，代表两次故障之间的统计平均时间间隔。平均故障间隔时间与可靠度之间的关系：0R(t)dtMTBF由（6-4）可知， ( )( )( )dR tR tt dt平均故障间隔时间对上式两端积分可得 因此 ， tdttetR0)()(0)(0dteR(t)dtMTBFtdtt0)(t当 时 10dteMTBFtcedxexx平均故障修复时间平均故障修复时间MTTR是排除故障所需要的统计平均时间，它是系统运行以后总维修时间与总维修次数之比。即NtMTTRNii1维修率维修率是平均故障修

5、复时间的倒数，即MTTR1可用率可用率又称有效率，它是可靠度与维修度的综合指标，反映了系统的运行效率。可用率的计算公式如下： MTTRMTBFMTBFA可靠性分析 可靠性分析模型v串联模型v并联模型v矩阵模型串联模型 在构成系统的多个设备中，只要有一个发生故障，系统就丧失预定功能，这种系统被称为串联系统，它的可靠性分析模型即为串联模型。串联模型的方框图如下。R1，R2，Rn，分别表示各设备的可靠度。根据概率乘法定理，系统的可靠度Rs为nsRRRR21R1R2R3Rn串联模型 由于可靠度是时间的函数，各设备都具有完全相同的连续工作时间，所以式（6-10）又可以写成)()()()(21tRtRtR

6、tRnStndttttSetR021)()()()( 根据式(6-5)，系统的可靠度为 若设系统的故障率为s( t )，则 )()()()(21ttttnS串联模型代入式（6-12），系统的可靠度可以表示为若系统处于正常运行阶段(在偶然故障区)，则可以认为1( t ) = 1， 2( t ) = 2 ， ， n( t ) = n ，这时系统的故障率为 考虑（6-14）及（6-15）式，系统的平均故障间隔时间MTBFS为tSdttSetR0)()(niiSSt1)(nSssdttRMTBF21011)(串联模型如果已知设备的平均故障间隔时间分别为MTBF1，MTBF2，MTBFn，系统平均故障间

7、隔时间与各设备平均故障间隔时间的关系为特别，当MTBF1=MTBF2=，=MTBFn时，n1MTBFMTBFMTBFMTBF11112SnMTBFMTBF1S并联模型 在构成系统的多个设备中，只有当它们全部发生故障时，系统才丧失预定功能，这种系统被称为并联系统，它的可靠性分析模型即为并联模型，其方框图见下图。设系统中各设备的可靠度分别为R1，R2，Rn，系统的可靠度Rs可以表示为R1)1 ()1)(1 (121nSRRRRR2R3Rs并联模型 式中(1-R1)，(1-R2 ) ， (1-Rn )为各设备的不可靠度，其乘积则表示所有部件都发生故障的概率。为简化起见 ，设R1=R2 =，=Rn =

8、R,系统的可靠度Rs可以表示为nSRR)1 (1 由于，tdttetRR0)()( 因此，系统的平均故障间隔时间MTBFS为 dtedttRMTBFndttSt)1 (1 )(0)(0S0并联模型对式（6-20）积分，可得 设设备的平均故障间隔时间为MTBF，则上式可以写成 )131211 (1nMTBFS1MTBF)131211 (nMTBFMTBFS关系矩阵模型设一个生产过程由m个子系统， S1，S2，Sm组成，采用n个基本控制单元， U1，U2，Un进行控制，这n个基本控制单元都可能与各个子系统发生联系，构成一个复杂的网状系统，如下图所示。 S1S2S3SmU1U2U3Un关系矩阵模型

9、为了全面地描述这个复杂系统的可靠性，首先要描述系统各部分之间的连接关系，为此使用以下的连接矩阵。 m21212222111211n21SSSUUUmnmmnnrrrrrrrrrR01ijr当子系统与控制单元相连当子系统与控制单元不相连 关系矩阵模型 假定被控过程本身的可靠性比基本控制单元的可靠性高得多，研究可靠度时就可以只考虑基本控制单元本身和基本控制单元与被控生产过程之间的过程通道的失效率。如果用O1， O2 ， ， On表示各子系统过程通道设备的失效率U1， U2 ， ， Un表示各基本控制单元的失效率，并假定它们全是常数，引用以下向量： 关系矩阵模型mOOOO21nUUUU21关系矩阵模

10、型 从可靠性角度来看，过程通道与基本控制单元是串联模型，所以整个系统的故障率可以用下式表示： nmnnUmnUmUmOUnUUOUnUUOOSrrrrrrrrr21212211212222111211UR上式中每一行所表示的是一个子系统和与它连接的基本控制单元构成的故障率，因此，它全面地描述了系统各部分的故障率。S称为系统故障率矩阵。 SS系统的可靠性分析子系统与控制单元之间的互联方案一对一方案SSS1S2SmU1U2Un系统的可靠性分析子系统与控制单元之间的互联方案一对多方案SSS1S2S3S5U2U1U3S4S7S6系统的可靠性分析子系统与控制单元之间的互联方案多对多方案SSS1S2S3U

11、1U2U3系统的可靠性分析子系统与控制单元之间的互联方案一对一方案SSnm2211UOUOUOUOSR系统的可靠性分析子系统与控制单元之间的互联方案一对多方案SS7654321321SSSSSSS100100010010001001001UUUR37362524131211UOUOUOUOUOUOUOS系统的可靠性分析子系统与控制单元之间的互联方案多对多方案SS321321SSS110111111UUUR32332123211UUOUUUOUUUOS系统的可靠性分析分散程度对系统可靠度的影响分散程度S 每个基本控制单元只控制一个回路，称完全分散控制。每个基本控制单元控制所有的回路就称为集中控制

12、，而介于这两者中间的控制方式则称分组分散控制。系统的可靠性分析分散程度对系统可靠度的影响S 互不相关系统由m个子系统所组成，每个子系统只有一个控制回路，这些子系统在可靠性意义上是完全独立的。 部分相关系统由m个子系统所组成。每个子系统中有p个在可靠性意义上相关的控制回路所组成。在这p个控制回路中只有一个回路失效。该子系统即失效。 完全相关系统是整个被控生产过程是一个包含m个完全相关的控制回路的大系统。在所有的m个控制回路中，只要有一个控制回路失效，整个系统就失效。 系统的可靠性分析分散程度对系统可靠度的影响完全分散 分组分散 集中控制 互不相关系统123部分相关系统456完全相关系统789系统

13、的可靠性分析互不相关系统U1U2UmS1S2SmU1U2UnS1SpSmU1S1S2Sm完全分散分组分散集中对于互不相关系统，如采用图6-5(a)所示的完全分散控制，则每个子系统的故障率为 若采用图16-5(b)所示的分组分散控制，共使用n个基本控制单元，每个基本控制单元控制着p=m/n个回路，则每一个子系统的故障率为 若采用图16-5(c)所示的集中控制，系统中只有一个基本控制单元，它控制着m个或回路，则每个子系统的故障率为)1(UOmiiii)1,1(njmijiUOi)1(1miUOii系统的可靠性分析互不相关系统 一般，一个基本控制单元所控制的回路越多，它的结构就越复杂，元器件就越多，

14、可靠性就越差。考虑到这些因素，基本控制单元的故障率可用下式表示： 对于上述三种情况：系统的可靠性分析BCU故障率kU) 1(kiU)(nmnmUpkj)(1mkmU代入以上三式，得： 因此，系统的可靠性分析互不相关系统ioinmoiimioiiii在这种情况下，采用完全分散控制的可靠性最高。 系统的可靠性分析部分相关系统U1U2UnS1S2SnS1S2SnU1UpUmU1S1S2Sn完全分散分组分散集中采用图6-6（a）所示的完全分散控制，每个基本控制单元控制着一个回路，系统共有m个控制回路，需要m个基本控制单元，每个子系统需要p个基本控制单元，一共有n=m/p个子系统，则每个子系统的故障率为

15、 为简单起见，设每个通道和基本控制单元的故障率均相等，上式可简化为系统的可靠性分析部分相关系统)1()(1)1(nijjUpiipjOiUOipp如果采用图6-6(b)所示的分组分散控制，每个子系统只对应着一个基本控制单元，整个系统共需要n个基本控制单元，则每个子系统的故障率为同上，设每个通道和基本控制单元的故障率均相等，上式可简化为系统的可靠性分析部分相关系统)1(1)1(niijUpiipjOiiUOip如果采用图6-6(c)所示的集中控制，m个子系统全部由一个基本控制单元控制，则每个子系统的故障率为同上，设每个通道和基本控制单元的故障率均相等，上式可简化为系统的可靠性分析部分相关系统)1

16、(11)1(niUpiipjOij 1UOip 根据以上三种情况，由式（6-30）可得代入以上三式，子系统的故障率可分别表示为系统的可靠性分析部分相关系统) 1(kU)(pkpiU)(1pnkpnUpppOippOipnpOi 当0时，i I 且 i I因此分组分散控制的可靠性最高，而完全分散控制的可靠性反而下降，这是因为完全分散控制时，每个子系统所用的基本控制单元数量太多，其中的任何一个故障，都会使该系统失效。只有在基本控制单元的基础故障率=0时，前两种方案才有同样的可靠性。系统的可靠性分析部分相关系统系统的可靠性分析完全相关系统SU1U2Um完全分散分组分散集中SU1U2UnSU1系统的可

17、靠性分析完全相关系统若采用图6-7(a)所示的完全分散控制，每个控制回路采用一个基本控制单元，一共需要个基本控制单元，则系统的失效率为miUOim1设基本控制单元的故障率均相等，上式可简化为 iUOmm系统的可靠性分析完全相关系统若采用图6-7(b)所示的分组分散控制，p个控制回路共用一个基本控制单元，共需要n=m/p个基本控制单元，则系统的故障率为设基本控制单元的故障率均相等，上式可简化为 njUOjm1jUOnm系统的可靠性分析完全相关系统若采用图6-7(c)所示的集中控制，用一个基本控制单元控制所有的回路，则系统的故障率为1UOm 系统的可靠性分析完全相关系统根据式（6-30），在上述三

18、种情况下，基本控制单元的故障率分别是) 1(kiU)(nmnmUkj)(1mkmU系统的可靠性分析完全相关系统系统的故障率分别是mmmOmnmOmmO 当0时， I i I 可见，在完全相关的系统中，集中控制的可靠性反而更高。尽管分散控制中每个基本控制单元的故障率比较低，但基本控制单元的数量太多，只要有一个基本控制单元故障，就会导致系统失效，所以它的可靠性并不高。 结论 综上所述，整个控制系统可靠度是由被控对象本身的关联程度以及被控对象与控制器之间的连接方式决定的。为了提高系统的可靠度，应该尽量使每一个基本控制单元对应一个在可靠性意义上独立的子系统，并且尽量减少控制器与子系统之间的交叉连接。这

19、样，对于在可靠性上互不关联，彼此独立的子系统而言，完全分散的控制方案可靠性最高。对于在可靠性上彼此相关的子对于在可靠性上彼此相关的子系统而言，完全分散控制并不一定是可靠性最高系统而言，完全分散控制并不一定是可靠性最高的方案的方案。例如电厂的协调控制系统、燃烧控制系统都是内部关联十分密切的系统，在这种情况下，分组分散控制常常是比较合适的控制方案。 可靠性试验（按试验目的分为）v可靠性增长试验v暴露设计、工艺、元器件等缺陷，发现薄弱环节加以改进，并使产品进入稳定阶段v可靠性验证试验v检验系统是否达到预期可靠性目标。对象为最初研制产品可靠性试验（按试验目的分为）v元器件筛选试验v通过各种方法，将不符

20、合规范要求的元器件或产品剔除出去。方法有：振动、加速度、机械冲击、温度循环、热冲击等。v质量验收试验v检验产品可靠性是否符合规定的要求。包括厂家产品验收试验（FAT）和现场验收试验（SAT）。除了现场验收试验外，其它试验都在厂家进行。可靠性试验（按试验性质分为）v环境试验v性能试验v寿命试验可靠性试验方法v定数截尾试验：达到预定故障次数停止v定时截尾试验：达到预定的时间停止v有替换试验：某一部件故障，则立即换上好的备件v无替换试验：与上相反 计算机控制系统中采用的是：有有替换定时截尾试验替换定时截尾试验可靠性试验过程T1Tr1T2Tr2TiTriTn+1TrnTt =180d (4320h)t

21、0可靠性指标的工程计算可靠性指标的工程计算niiniiWT111MTBFtniriitTTWTA1iW为加权系数 平均故障间隔时间MTBF和可用率A是反应系统可靠性的两个重要指标。可靠性指标的工程计算加权系数的取值 （1）按照设备在整个系统中的重要程度取值。关系到整个系统是否正常运行的重要设备，其加权系数取值较大，如CPU和主存储器的加权系数为1，一些不太重要的外部设备，其加权系数的取值较小。（2）按照设备在整个系统中的比重来取值。例如对于过程通道，常常以它所处理的模拟量或开关量点数占整个系统总点数的百分比作为加权系数。可靠性指标的工程计算需要注意的问题 （1）试验前应做好充分的准备，试验一旦

22、开始，就不允许在故障修复后，重新确定系统试验的起始时间。也就是说，试验要连续进行，不能随意向后推延，否则会影响试验的准确性。（2）被考核系统之外的其他设备或被控设备发生故障，以及预防性维修或用户进行的其他试验不记为故障时间。（3）有些分散控制系统可以自动记录故障发生时间和修复时间，为系统的可靠性分析提供依据。如果系统不具备上述功能，应该事先做好试验记录，以便分析试验结果。 分散控制系统的可靠性措施提高可靠性措施基本思想v故障预防v故障弱化v故障容许v在线维修 分散控制系统的可靠性措施使系统故障时处于安全状态v限制故障范围v实时在线监测故障，发现故障将故障设备与系统隔离v冻结控制器（CPU）输出

23、v监测到CPU故障，立即“冻结”控制系统输出，以免造成混乱分散控制系统的可靠性措施手动后备v通过运行员站v通过手动操作站（经I/O模件）v通过手动操作站（不经I/O模件）分散控制系统的可靠性措施不同层次的手动后备手 动操作站手 动操作站运行员操作站通 信系 统CPU模 件I/O模 件分散控制系统的可靠性措施自动后备v静态冗余v动态冗余v混合冗余分散控制系统的可靠性措施静态冗余v用于电路或部件，屏蔽故障v两组继电器并联v两组电源并联分散控制系统的可靠性措施动态冗余v用于系统，通过切换或重构使系统恢复工作v冷储备（不通电、不带负荷）v温储备（通电、不带负荷）v热储备（通电、带负荷）分散控制系统的可

24、靠性措施n中取k表决系统&单元1单元2单元n112k23K+112knCnkiiniinsRRCtR)1 ()(分散控制系统的可靠性措施 设n个单元的可靠度均相同：以R表示，则系统的可靠度为： 式中共n-k+1项，分别为n个单元中有k,k+1,到n个单元正常工作的概率。 为n中取i的组合数。n中取k表决系统inCnkiinttiinseeCtR)1 ()(分散控制系统的可靠性措施 设R(t)呈指数分布，即 则Rs(t)可写成 则系统的平均故障间隔时间为：n中取k表决系统tetR)(nkisidttRMTBFs1)(0分散控制系统的可靠性措施 对于3取2系统，有n中取k表决系统MTBFMTBFs651653121tteetRs3223)(分散控制系统的可靠性措施n中取k表决系统RS(t)t0.693MTBF三取二系统普通系统分散控制系统的可靠性措施提高系统的可维修性v自诊断v自恢复v提供完善的诊断信息v插件在线维修v提供预防性维修信息v提供远程维修服务信息