第三章集散控制系统性能指标

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（1）冗余结构设计
设计冗余结构的范围应与系统的可靠性要求、 自动化水平及经济性一起考虑。为了便于多级操作， 实现分散控制、集中管理的目标，在集散系统的应 用时，越是处于下层的部件、装置或系统越需要冗 余，而且冗余度也越高。 供电系统冗余、过程装置的冗余（分为装置冗 余和CPU插板冗余两类）、通信系统冗余、操作站 冗余。
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第一节 集散控制系统的可靠性

1．可靠性设计的准则 2．提高集散控制系统硬件可靠性措施 3．提高集散控制系统软件可靠性措施
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1．可靠性设计的准则
可靠性设计是完全新型的一种设计。采用了可靠性设 计，就能设计出在使用过程中不易发生故障、即使发 生故障也容易修复的产品。 在可靠性设计时，遵循下列准则： ①有效地利用以前的经验； ②尽可能减少零件件数，尤其是故障率高的零件数； ③采用标准化的产品； ④检查、调试和互换容易实现； ⑤零件互换性好； ⑥可靠性特殊设计方法，例如，冗余设计、安全装置 设计、及安全设计、可靠性预测等。
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（2）不易发生故障的硬件设计

2）接插卡件：接插卡件在集散控制系统组成中占很大
比重。它的可靠性会直接影响全系统的正常运行。接 插卡件的可靠性设计包括卡件本身的设计以及卡件和 卡件座的接触部件设计。 集散控制系统中的接插卡件是在计算机控制的自动化 流水线上生产的，采用了先进的制造工艺，例如波峰 焊接、多层印刷板、镀金处理等。还采用了可靠性测 试和检验，提高了接插卡件的可靠性。 卡件和卡件座的接触部位的设计既要有可靠性、又要 有维修性的要求，通常采用插接、压接、螺丝固定、 插脚和插座接触部位镀金等措施。
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（2）不易发生故障的硬件设计


为了提高使用寿命，可从下述几方面考虑硬件的设 计和系统的选型。 1）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。 例如，集散控制系统的组态和编程数据可以放在内 存，也可以存放在硬盘。由于硬磁盘存在机械运动 部件，因此，选用的集散控制系统应采用内存储器 存取，以提高可靠性。 例如，鼠标的检测有光线直接反射和经球面反射的， 由于球面的运动易引起故障，因此，可选用直接反 射式的鼠标。
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第一节 集散控制系统的可靠性

2、衡量可靠性的指标 可靠度、MTBF、MTTR及故障率。 （1）可靠度（Reliability） 用概率来表示零件、设备和系统的可靠程度， 具体定义是：指机器、零件或系统，从开始工 作起，在规定的使用条件下的工作周期内，达 到所规定的性能，即无故障正常状态的概率， N f (t ) 用R（t）表示即：
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与操作透明度有关的性能


提供的系统画面，包括用户画面、概貌画面、 组画面、趋势画面等的数量； 每幅画面中动态更新的数据点的数量； 更新的速率； 画面切换的速率 所采用的CPU、内存、CRT分辨率
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二、易操作性
定义：易操作性指集散控制系统所提供的操作环境容 易为操作员接受，并根据所提供的信息对生产全过程 进行操作。 内容： 1．操作环境 操作员的操作环境是操作员的工作场所，它应使操作 员能舒服地工作。 ①操作数据、状态等信息易于辨认； ②报警或事件发生的信息能引起操作员注意； ③开关和操作便于操作，使操作员最快地达到所需要的操 作要求。
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2．提高集散控制系统硬件可靠性的措施



（1）冗余结构设计 （2）不易发生故障的硬件设计 （3）迅速排除故障的硬件设计
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（1）冗余结构设计



冗余结构设计可以保证系统运行时不受故障 的影响。 按冗余部件、装置或系统的工作状态，可分 为工作冗余（热后备）和后备冗余（冷后备） 两类。 按冗余度的不同，可分为双重化冗余和多重 化（n：1）冗余。

易操作性是一个使用性能指标，它与集散系统的整 体性能有密切关系！
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一、操作透明度

操作透明度（Operating Transparency)指生产过程的 操作信息量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。 为了增强操作员的实感，在集散控制系统的设计中普 遍建立了与模拟仪表面板相类似的面板或组显示画面， 建立了与模拟记录仪表相类似的趋势显示画面，建立 了报警和警告（事件）的一览报表等。 此外，对于 二位式的开关信号，如阀门、泵、马达的启停，开关、 信号灯的开、关等采用颜色变化或者充满与否的软件 设计。对于物位、温度的变化采用具有动感的升降画 面和颜色变化等。

1)自诊断：集散控制系统中的自诊断功能通 常由硬件和软件共同完成。硬件的设计是使 系统发生故障时引起标志位的变化，并激励 相应故障显示发光二极管。软件的设计是对 检测值与故障限值进行比较，并据此发出信 号。一个性能良好的集散控制系统应具有很 强的自诊断功能，它能够对各种接插卡件进 行诊断，并显示故障。

它涉及宜人学、系统组态、结构等方面的知识。
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二、易操作性--操作环境
根据宜人学的研究，在设计和系统组态时应注意下列 几点：
①从操作员到CRT 中心的视线应尽可能地与 CRT平面垂直， 而CRT或显示画面的顶部应在水平视线或视线下； ②操作员的座椅，它的高度、后仰角和转盘调整； ③CRT虽然可以显示多种颜色，但不易引起视力疲劳的颜 色应是琥珀色、绿色等 ④为了易于辨认，显示的点阵数据，它的高度应大于 2.5mm； ⑥报源自文库和紧急故障的状态显示应该醒目，红色及闪烁是 常常采用的。事故处理的操作应位于显著的部位。
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例3-1
（1）6000台产品,每天工作10小时,工作一个 月后有6台失效,MTBF是多少？ （2）1000台产品,每天工作24小时,工作一个 月后有0.5台失效,MTBF是多少？ （3）那当1000台产品,每天工作24小时,连续 工作一个月,要使其MTBF为第一种情况时的值 时,需使其失效低于多少台?
第一节 集散控制系统的可靠性
一、可靠性

1．可靠性定义
（1）指机器、零件或系统，在规定工作条件下，在 规定的时间内具有正常工作性能的能力。 （2）狭义的可靠性指一次性使用的机器、零件或系 统的使用寿命。 （3）集散控制系统可靠性是指广义的可靠性。它是 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。 因此，它还包含了可维修性。
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二、易操作性--操作功能
2．操作功能 集散控制系统的操作功能主要是通过操作站实施，从 易操作性来分析操作功能的实施，其判别的准则是如何获 取所需要的信息，即经过多少项操作步骤来达到能提供所 需信息的画面，以及如何对过程实施操作。 （1）显示功能 CRT的显示画面可分为过程操作画面和维修、组态 画面。 概貌画面、过程画面、组画面、回路画面、历史趋 势画面、报警画面等。 系统维修、系统组态、回路组态、报警组态、趋势 组态等。
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思考题
1、试述可靠性的定义。广义可靠性和 狭义可靠性的主要区别在哪里？
2、用于衡量可靠性的指标有哪些？
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第二节 集散控制系统的易操作性
集散控制系统的操作包括生产过程操作、组态和编程 操作以及维护和修理操作。 易操作性包括: ①操作透明度 : 集散控制系统提供的操作信息量和更新 速度等； ②易操作性: 方便地达到所需的操作要求，不易发生误 操作； ③容错技术:发生误操作时不影响正常运行； ④安全性:进入相应操作环境的安全许可措施。
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答案
假定：寿命服从指数分布
1)6000台*10小时*30天=1800000台时，一个月内坏了6 台 λ=6/180W MTBF=180W/6=30W小时 2)1000台*24小时*30天=720000台时，一个月内坏了0.5 台 λ=0.5/72W MTBF=72W/0.5=144W小时 3) 6/180==2.4/72 也就是说180W台时内坏了6台 与 72W 内坏了2.4台是 等效的
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第一节 集散控制系统的可靠性
（4）故障率（Fai1ure Rate） 通常指瞬时故障率。它是指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 的比例，用λ(t）表示。又称失效率、风险率。 故障率等于 t以后的单位时间内失效元件数与t时 刻仍然有效的元件数之比。 例如：正在运行中的100只硬碟，一年之内出了 2次故障，则每个硬碟的故障率为0.02次/年。
22 M（60）= 100% 88% 25
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第一节 集散控制系统的可靠性
（2） MTTR（Mean Time To Repair） 平均修复时间是故障发生后，需事后维修的时间的平 均值。
总维修时间 MTTR 总维修件数
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第一节 集散控制系统的可靠性
三、提高可靠性的途径

集散控制系统的可靠性是评估集散控制系统 的一个重要性能指标。通常，制造厂商提供 的可靠度数据都在99.99％至99.9999％。因 此，在评估系统可靠性时，可以采用那些提 高系统可靠性的措施来分析。除了系统制造 时应该保证符合设计要求外，通常可以从可 靠性设计和维修性两方面进行分析。
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（3）迅速排除故障硬件设计


2)硬件设计：易检修、更换、不易发生故障的硬 件设计包括机械部件和电子线路的设计。通常， 对需要常检修和更换的部件采用接插卡件的机械 设计。在电子线路设计方面，采用各卡件自成系 统，它的插入和拔出不影响其他卡件的运行，保 险丝安装部件易于更换等措施。 3)专用诊断、检修设备：为了便于诊断和检修，大 多数集散控制系统制造厂商还制造了专用设备， 用于在线和离线检查和修理，有些设备还可以进 行仿真运行。
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第一节 集散控制系统的可靠性

3、在集散控制系统中，采用接插板的方法使零 件易于维修，通过自诊断系统的诊断及面板故 障显示使对维修人员的技能要求降低，必需的 备品贮备使更换变得方便，这些措施使集散控 制系统的维修性大大改善。
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第一节 集散控制系统的可靠性

4、衡量维修性的指标
常用的有维修度和平均修复时间 （1）维修度（Maintenabi1ity） 可修复的机器、零件或系统，在规定的条件（指维修三 要素）下，在规定时间（0，τ）内完成维修的概率。用 M（τ）表示。 【例3-2】某插接卡在运行中发生故障25件，其修复时 间分别为：18，20，21，23，24，27，30，35，37，37， 38，41，42，44，45，46，48，49，51，52，55，60，62 ，67，72（分）。则1小时维修度可由：
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第一节 集散控制系统的可靠性
二、可维修性

1、维修性（Maintenance）定义
指可修复的机器、零件或系统，发生故障后进行维修， 使其恢复正常工作的能力。

2、维修的三要素
①机器、零件或系统是否被设计得容易维修； ②进行维修的技术人员技能； ③维修所需的备品备件、设备。 这三者之间的相互联系关系到维修的速度快慢。
R(t ) N0
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第一节 集散控制系统的可靠性
（2）MTBF（Mean Time Between Failures）： 平均无故障时间指可以边修理边使用的机器、 零件或系统，相邻故障期间的正常工作时间的 平均值。（正常运行时间） 选择MTBF值高的产品，将给我们带来更高的竞 争力。
（3） MTTR（Mean Time To Repair） 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。 （故障时间）
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（2）不易发生故障的硬件设计

3）元器件：包括机械与电子元器件。选用名
牌工厂生产的高性能、规格化、系列化的元器 件，如大规模集成电路、超大规模集成电路、 微处理器芯片、耐磨损传动器件等。 4）电路优化设计：采用大规模和超大规模的 集成电路芯片，尽可能减少焊接点。

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（3）迅速排除故障硬件设计
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（3）迅速排除故障硬件设计

4)售后服务和备品备件：通常，集散控制系 统制造和销售商会给买方提供一定的人员培 训。但为了使集散控制系统能正常运行，及 时得到售后维修、升级及备品备件的服务， 在国内设有相应产品维修中心是十分必要的。
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3．提高集散控制系统软件可靠性的措施


（1）分散结构设计 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 在软件设计中的容错技术是指在软件设计时， 对误操作不予响应的技术。 （3）标准化 采用标准化软件可以提高软件运行的可靠性。