1、第第8 8章章集散控制系統的可靠性集散控制系統的可靠性8.1 系統可靠性概述v1. 可靠性 機器、零件或系統在規定的工作條件機器、零件或系統在規定的工作條件下，在規定的時間內具有正常工作性能下，在規定的時間內具有正常工作性能的能力。的能力。v 廣義可靠性和狹義可靠性：廣義可靠性和狹義可靠性：v狹義可靠性狹義可靠性: :一次性使用的機器、零件或系一次性使用的機器、零件或系統的使用壽命。統的使用壽命。v廣義可靠性：可修復的機器、零件或系統，廣義可靠性：可修復的機器、零件或系統，在使用中不發生故障，一旦發生故障又易在使用中不發生故障，一旦發生故障又易修復，使之具有經常使用的性能。（包含修復，使之具有

2、經常使用的性能。（包含可維修性）可維修性）2衡量可靠性的指標v（1 1）可靠度）可靠度v（2 2）平均故障間隔時間）平均故障間隔時間MTBFMTBF（Mean Time Mean Time Between FailureBetween Failure）v（3 3）平均無故障時間）平均無故障時間MTTFMTTF（Mean Time To Mean Time To FailureFailure）v（4 4）（瞬時）故障率）（瞬時）故障率FRFR（Failure RateFailure Rate）v（1 1）可靠度：機器、零件或系統，從開始工）可靠度：機器、零件或系統，從開始工作起，在規定的工作條件

3、下的工藝周期內，作起，在規定的工作條件下的工藝周期內，達到所規定的性能，也是無故障正常工作的達到所規定的性能，也是無故障正常工作的概率。概率。v（2 2）平均故障間隔時間（）平均故障間隔時間（MTBFMTBF）：可以邊修）：可以邊修理邊使用的機器、零件或系統，相臨故障時理邊使用的機器、零件或系統，相臨故障時間的正常時間的平均值。間的正常時間的平均值。v（3 3）平均無故障時間（）平均無故障時間（MTTFMTTF）：不能修）：不能修理的機器、零件或系統，至發生故障為理的機器、零件或系統，至發生故障為止的工作時間的平均值。止的工作時間的平均值。v（4 4）故障率：通常指瞬時故障率，能工）故障率：通

4、常指瞬時故障率，能工作到某個時間的機器、零件或系統，在作到某個時間的機器、零件或系統，在連續單位時間內發生故障的比率，又稱連續單位時間內發生故障的比率，又稱失效率或風險率。失效率或風險率。8.2 提高可靠性的措施v從可靠性設計和維修性兩個方面考慮從可靠性設計和維修性兩個方面考慮:v1. 可靠性設計的準則可靠性設計的準則v（1 1）有效地利用以前的經驗）有效地利用以前的經驗v（2 2）盡可能減少零件數）盡可能減少零件數v（3 3）采用標準化產品）采用標準化產品v（4 4）檢查、調試及互換容易實現）檢查、調試及互換容易實現v（5 5）零件互換性好）零件互換性好v（6 6）可靠性特殊設計方法）可靠性

5、特殊設計方法v2提高系統硬件可靠性的措施提高系統硬件可靠性的措施v（1 1）冗余結構設計（）冗余結構設計（Redundant StructureRedundant Structure）v冗余方式：冗余方式：v 同步運轉方式、待機運轉方式同步運轉方式、待機運轉方式v 后退運轉方式、多級操作方式后退運轉方式、多級操作方式（2）不易發生故障的硬件設計v 為了提高使用壽命，從下面幾個方面考慮為了提高使用壽命，從下面幾個方面考慮硬件是設計和系統的選型硬件是設計和系統的選型：v運動部件運動部件：由于電子元器件的使用壽命比機：由于電子元器件的使用壽命比機械運動部件的使用壽命長，因此，運動不見械運動部件的使用

6、壽命長，因此，運動不見的壽命就成為衡量系統可靠性的指標。的壽命就成為衡量系統可靠性的指標。v接插部件接插部件：卡件本身、卡件和卡件座接觸部：卡件本身、卡件和卡件座接觸部分的設計分的設計采用先進的制造工藝采用先進的制造工藝v元器件元器件：機械與電子器件。選用名牌生產：機械與電子器件。選用名牌生產廠家高性能、規格化、系列化的元器件，廠家高性能、規格化、系列化的元器件，嚴格預處理和篩選。嚴格預處理和篩選。v電路優化設計電路優化設計：采用大規模和超大規模的：采用大規模和超大規模的集成電路芯片，盡可能減少焊點；采用電集成電路芯片，盡可能減少焊點；采用電路優化設計（連接線優化布置、優化性能路優化設計（連接

7、線優化布置、優化性能的元器件、多級控制系統總體設計）的元器件、多級控制系統總體設計）（3）迅速排除故障的硬件設計v為迅速排除故障，減小為迅速排除故障，減小MTTRMTTR，除了具有足夠的備，除了具有足夠的備品備件以及提高維修人員技能外，在硬件設計方品備件以及提高維修人員技能外，在硬件設計方面采取以下措施面采取以下措施：v自診斷自診斷：硬件和軟件結合共同完成。硬件：硬件和軟件結合共同完成。硬件設計使系統發生故障時引起標志為的變化；設計使系統發生故障時引起標志為的變化；軟的設計是對檢測值與故障限值進行比較軟的設計是對檢測值與故障限值進行比較并發出信號。并發出信號。v硬件設計硬件設計：硬件機械部件和

8、電子部件的設：硬件機械部件和電子部件的設計應易檢修、更換、不易發生故障。計應易檢修、更換、不易發生故障。v專用診斷檢修設備專用診斷檢修設備：為便于診斷和檢修，：為便于診斷和檢修，大多數分布式控制系統廠家制造專用設備，大多數分布式控制系統廠家制造專用設備，用于在線和離線檢查和修理，甚至可以進用于在線和離線檢查和修理，甚至可以進行仿真運行。行仿真運行。v售后服務和備品備件售后服務和備品備件：人員培訓、售后維：人員培訓、售后維修、升級及備品備件的服務。修、升級及備品備件的服務。3提高分布式系統軟件可靠性的措施 v（1）分散結構設計分散結構設計v 把整體的軟件設計分散成各子系統的設計，把整體的軟件設計

9、分散成各子系統的設計，各自獨立，共享資源，不僅有利于設計工各自獨立，共享資源，不僅有利于設計工作的開展，也有利于軟件的調試。作的開展，也有利于軟件的調試。v如把整體設計分為控制器模件、歷史數據如把整體設計分為控制器模件、歷史數據模件、打印模件、報警事件模件等子系統模件、打印模件、報警事件模件等子系統的軟件設計。的軟件設計。v（2 2）容錯技術容錯技術v 在設計軟件時，對操作人員的誤操作在設計軟件時，對操作人員的誤操作不予響應，即如不按設計順序則軟件不會不予響應，即如不按設計順序則軟件不會去輸出操作指令，或者輸出提示操作出錯去輸出操作指令，或者輸出提示操作出錯的信息。的信息。v（3 3）標準化標

10、準化v 采用標準化的軟件可以提高軟件運行采用標準化的軟件可以提高軟件運行的可靠性，還為其他軟件公司的軟件移植、的可靠性，還為其他軟件公司的軟件移植、應用提供條件。應用提供條件。8.3 冗余技術v冗余：當系統無故障時，取消這些冗余設冗余：當系統無故障時，取消這些冗余設施不會影響系統正常運行。施不會影響系統正常運行。v常用的冗余方法有：硬件冗余、軟件冗余、常用的冗余方法有：硬件冗余、軟件冗余、信息冗余、時間冗余、解析冗余及幾種冗信息冗余、時間冗余、解析冗余及幾種冗余技術的綜合應用。余技術的綜合應用。8.4 容錯技術與故障安全 v容錯技術：系統中某部分發生故障時，容錯技術：系統中某部分發生故障時，系

11、統仍能正常運行或降級運行。系統仍能正常運行或降級運行。v故障安全：系統在規定的故障情況下，故障安全：系統在規定的故障情況下，保證輸出正確或導向安全的能力。保證輸出正確或導向安全的能力。8.5 安全聯鎖系統 v安全聯鎖系統安全聯鎖系統(Safety Interlocking (Safety Interlocking System,SISSystem,SIS),),也稱緊也稱緊急停車系統（急停車系統（Emergency Shut Emergency Shut Down,ESDDown,ESD）。）。 當工藝過程某些變量發生異常時，由控制系統指令工藝過程當工藝過程某些變量發生異常時，由控制系統指令工

12、藝過程緊急地安全地停止生產，以免造成巨大財產損失和人員傷亡緊急地安全地停止生產，以免造成巨大財產損失和人員傷亡事故。裝置在運行過程中，安全儀表系統時刻監視工藝過程事故。裝置在運行過程中，安全儀表系統時刻監視工藝過程的狀態，判斷危險條件，并在危險出現時適當動作，以防止的狀態，判斷危險條件，并在危險出現時適當動作，以防止危險的發生。工藝過程的控制系統可分為基本過程控制系統危險的發生。工藝過程的控制系統可分為基本過程控制系統和安全儀表系統?；具^程控制系統是主動的、動態的，安和安全儀表系統。基本過程控制系統是主動的、動態的，安全儀表系統是被動的、靜態的。當危險情況出現時，安全儀全儀表系統是被動的、靜

13、態的。當危險情況出現時，安全儀表系統必須能夠由靜到動，正確地完成停車動作。表系統必須能夠由靜到動，正確地完成停車動作。 1. 1. 緊急停車系統的類型緊急停車系統的類型 圖圖 雙重化冗余結構的雙重化冗余結構的ESD系統系統CPU-中央處理器模件；中央處理器模件；COM-通信模件；通信模件；MEM-存儲器模件；存儲器模件；WD-看門狗模件；看門狗模件； VBD-垂直總線驅動器；垂直總線驅動器；DBM-電池與診斷模件；電池與診斷模件；PSU-電源供電模件電源供電模件緊急停車系統按照結構來分，可分為雙重化冗余和三重化緊急停車系統按照結構來分，可分為雙重化冗余和三重化冗余兩種。冗余兩種。 圖圖 三重化冗余方式的三重化冗余方式的ESD系統系統(1)(1)系統的最終目標都是為了確保工藝生產的安全，保護生系統的最終目標都是為了確保工藝生產的安全，保護生產設備和操作人員不受傷害。產設備和操作人員不受傷害。(2)(2)開關量輸入檢出元件選擇正常狀態下閉合，線路斷開等開關量輸入檢出元件選擇正常狀態下閉合，線路斷開等同于聯鎖動作，即系統為故障安全型。同于聯鎖動作，即系統為故障安全型。(3)(3)輸出電磁閥或繼電器選擇為正常勵磁，只有當輸出線路輸出電磁閥或繼電器選擇為正常勵磁，只有當輸出線路發生故障時才產生