第三章集散控制系统性能指标的评估.ppt

串联系统可靠度
n
Rs R1R2 R3 Rn Ri i 1
注：在串联系统中只要有一个可靠度等于0， 那整个系统的可靠度就为0。
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并联系统可靠度
Rp 1 (1 R1)(1 R2 )(1 Rn )
n
1 (1 Ri ) i 1
注：在并联系统中，并联的子系统越多，可靠性 越高。
工作时间 A 工作时间 不工作时间
A
MTBF
MTBF MTTR
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MTTF
MTBF MTTR
MTBF越大,MTTR越小的系统可靠性越高.
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二、提高可靠性的途径
从可靠性设计和维修性两方面分析
1、可靠性设计的准则
（1）有效地利用以前的经验 （2）尽可能减少零件数 （3）采用标准化产品 （4）检查、调试及互换容易实现 （5）零件互换性好 （6）可靠性特殊设计方法
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供电系统的冗余：外部双重化供电（交流供电或干 电池\不间断电源等）、内部大容量电池供电保护 RAM数据；自动化水平高的集散系统中，冗余供电 系统也可采用多级并联供电。
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，智能现场总线设备 进行数据通信； 现场总线链路主设备的冗余。至少设置一个链路主 设备的后备。
M (60) 22 100% 88% 25
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例3：某机器在某年的维修时间和件数统计如 下：
维修完
时间，h
1
2
3
4
5
6
维修完
件数
20
15
5
3
1
1
MTTR
总维修时间 总维修件数

78 40
1.95h
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可修复系统的可靠性
有效度：可修复的机器、零件或系统，在某 特定的瞬间内维持其性能的概率。
操作两项设计准则。 冗余设计：系统某一部件故障时自动切换到
备用部件，使系统不受故障影响。 降级操作：系统某一部件故障时能旁路或
降级操作，从而降低故障影响的设计。
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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。
第三章 集散控制系统性能指标的评估
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第一节 集散系统的可靠性
一、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。
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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）
Rp
n1eti0(t)ii!MTBF n

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维修性及维修性指标
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、进行维修人员的技能； 3、维修所需的备品备件、设备。
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维修性指标
维修度：可修复的机器、零件或系统，在规 定的条件下，在规定时间内完成维修的概率
t
R(t
)


e
0

(t
) dt
9
偶然失效期
3 初期失效期
失
效 率
2
1
耗损失效期
200
寿 命 /h
1000
失效率浴盆曲线
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电子产品可靠度的计算
一般在分析电子产品的可靠性指标时，都是 产品在偶然失效期的可靠性。
R(t) et
注：利用上式可以求取不同工作时间内的可靠 度,但计算时t不得超出偶然失效期.
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冗余系统的可靠度
工作冗余（使若干同样装置并联运行，只有全部 失效，系统才停止工作）
Rp 1 (1 R1)(1 R2 )
R（p t） e1t e2t e(12 )t MTBF 1 1 1
1 2 1 2
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冷后备系统
n个相同部件，一个部件工作，其余备用，第一 件失效后启动第二部件，直到全部部件失效。
售后服务和备品备件：人员培训、售后维 修、升级及备品备件的服务。
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冗余技术
信息同步技术： 工作部件和冗余部件之间实现无扰动切换 技术的集成。
故障检测技术：工作部件需要及时被检测、隔离。包括故 障检测、故障定位、故障隔离和故障报警等。
故障仲裁和切换技术。对故障进行分析、比较和仲裁，确 定是否需要切换。切换时需高速、安全、正确和无扰动。
运行人员对全过程的被控变量（控制、 监视）有全面的监视，掌握设备的开 停等信息。
概貌显示画面：过程变量的位号、过 程变量与设定值的偏差、过程变量的 棒图、报警限值、报警信息等。
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运行人员定性了解过程变量是否超过它 的规定值，与极限值的偏离程度。
评价： 根据系统提供的概貌画面、运行人员的
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2、提高集散系统可靠性的措施
（1）不易发生故障的硬件设计 故障预防准则。为了提高MTBF，从下面
几个方面考虑硬件的设计和系统的选型： 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
薄。 需要操作员的经验、知识和思维方式对信息
进行处理和理解，从而降低操作透明度。 （3）集散控制系统： 建立与生产过程、模拟仪表及其相似的趋势
显示画面、面板，实时更新等。用来提高操 作透明度。
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二．易操作性
易操作性：集散系统所提供的操作环境容易 为操作员所接受，并根据提供的信息对生产 的全过程进行操作。
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操作站的冗余：2—3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。
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（3）能迅速排除故障的硬件设计
为迅速排除故障，减小MTTR，除了具有足够的备 品备件以及提高维修人员技能外，在硬件设计方
要求、画面提供的信息量等进行综合评 价。
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（3）操作功能
集散控制系统的操作：过程操作、组 态操作和维修操作 ①过程操作：对控制回路的操作、对 各控制点的操作
控制回路的操作：控制方式、设定值、 手动输出值、报警限制值、控制器作 用方式、调整参数等。
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控制点的操作：设备的开停、正反转、控制 方式、连锁状态、报警限制等。

M ( ) P(T ) 0 m(t)dt
MTTR平均修复时间：故障发生后，需事后维 修的时间平均值。
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例2：某插接卡在运行中发生故障25件，其 修复时间分别为：18，20，21，23，27， 30，35，37，37，38，41，42，44，45， 46，48，49，51，52，55，60，62，67， 72(分),则一小时维修度：
2) lim R(t) 0 t
3) 0 R(t) 1 4) R(t) 是时间t的单调递减函数
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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
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例1
已知某电子元件的 1/1000，求该元
件工作50h、1000h的可靠度。
R(50) exp( 50 ) 0.951 1000
R(1000) exp(1) 0.368
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串并联情况下的可靠度
一个复杂系统的可靠度除了与构成系统的子 系统及其元器件的可靠度有关，还与系统的 结构形式有关。
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:

m 0 R(t)dt
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失效率（故障率）
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
R (t )R(t t )
(t) t
R(t )
(t) 1 dR(t)
R(t) dt
3
2、衡量可靠性的指标
（1）可靠度 （2）平均故障间隔时间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）
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可靠度
无故障正常状态下的概率，用R(t)表示，即： R(t) = P(X>t) 性质：1) R(0)=1
分级画面显示，进行故障定位，读取硬 件配置的有关参数。
评价：显示画面的内容是否有利于维修 定位。
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（三）容错技术
注意区别提高易操作性的容错技术与提 高可靠性的容错技术
发生误操作 容错技术：发生误操作时不影响正常运行 安全性：进入相应操作环境的安全许可措施
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一．操作透明度
操作透明度：生产过程的操作信息是否清 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。
（1）检测仪表使用初期：现场工作、有实感 的理解过程（真实、形象）
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（2）CRT集中显示和操作： 操作员对生产过程的状态的认识和实感变淡
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过程操作画面的切换比重大（过程之间相互耦合、联 系等）
减少工作量、提高可靠性，减少过程操作画面的切换操作
切换画面的方法：固定键、动态键、下拉菜单、画面 编号、页面切换等。
评价过程显示功能的优劣： 固定健、动态键的数量； 画面显示全面；切换方法简 易；调用的快捷性。