共模故障的預(yù)防以及故障因子的估計

尹永娟

(中國天辰工程有限公司 儀表電氣部，天津 300400)

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共模故障的預(yù)防以及故障因子的估計

尹永娟

(中國天辰工程有限公司 儀表電氣部，天津 300400)

摘要：冗余結(jié)構(gòu)的存在使安全性和可用性都得到了大幅提高，然而同時也產(chǎn)生了共模故障。故障事件不再被認為是獨立的事件，而是由空間、環(huán)境、設(shè)計以及人為因素等造成的相依故障事件，共模故障會降低系統(tǒng)安全性和平均無故障運行時間，在分析設(shè)計系統(tǒng)的可靠性時也要計算共模故障概率，根據(jù)導(dǎo)致共模故障的原因?qū)ふ页鲱A(yù)防其發(fā)生的方法。主要介紹了共模故障的模型、預(yù)防規(guī)則以及共模故障因子(β)的估計方法，使工程設(shè)計的計算更加精確。

關(guān)鍵詞：共模故障冗余結(jié)構(gòu)安全性可用性

Preventing of Common Mode Failure and Estimating of Fault FactorYin Yongjuan

(Instrument & Electrical Department, China Tianchen Engineering

Corporation, Tianjin, 300400, China)

Abstract：Safety and availability have been improved greatly because of redundant structure, while with generation of common mode failure. The breakdown incidents are no longer regarded as individual incident, but interdependent incidents with space, environment, design and human factors. The common mode failure will decrease system safety and average no-fault running time. The common mode failure probability needs to be calculated during system reliability analysis and design. Preventing solution has to be defined according to causes of common fault failure. Common mode failure models, prevention rules and estimation methods of beta factor for common mode failure are introduced in this paper to make the calculation of engineering design more accurate.

Key word： common mode failure; redundant structure; safety; availability

隨著安全技術(shù)及功能的應(yīng)用，通過對安全儀表系統(tǒng)認識的加深以及對其設(shè)計與評估知識的掌握，有助于設(shè)計人員更好地建立正確的安全理念，掌握科學(xué)的設(shè)計方法，優(yōu)化設(shè)計使生產(chǎn)更安全。

但隨著安全控制系統(tǒng)的應(yīng)用，共模故障也應(yīng)運而生。對其認識、預(yù)防、正確的估算是安全設(shè)計中必不可少的工作。共模故障即多個元件、模塊、單元或系統(tǒng)因為同樣的原因發(fā)生的故障，它是一種相依故障事件，由空間、環(huán)境、設(shè)計以及人為因素等造成，使得故障事件不再被認為是獨立的事件；由于組成系統(tǒng)的各個部件之間存在相互作用，因而在它們中間發(fā)生的部件故障不再被認為是相互獨立，對高可靠性的尤其是安全方面的系統(tǒng)進行評價時，共模故障是必不可少的因素之一。

對于降低風險的安全系統(tǒng)，其產(chǎn)生的共模故障會降低容錯系統(tǒng)的容錯功能。容錯系統(tǒng)提供幾個模塊，當一個模塊發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以繼續(xù)工作。如果由于單一原因，多個模塊發(fā)生共模故障，則容錯系統(tǒng)失效。在一些情況下，多個冗余設(shè)備由于共模應(yīng)力而存在故障，對于安全儀表系統(tǒng)，其冗余的檢測元件必然也存在著共模故障。

1共模故障的預(yù)防

共模故障會降低系統(tǒng)安全性和平均無故障運行時間，在分析設(shè)計系統(tǒng)的可靠性時也要計算共模故障概率，根據(jù)導(dǎo)致共模故障的原因?qū)ふ页鲱A(yù)防其發(fā)生的方法，總結(jié)為以下三個基本規(guī)則。

1.1冗余單元物理上分離(分開)

如果冗余單元相互獨立，就降低了共模故障發(fā)生的可能性，大部分的環(huán)境應(yīng)力參數(shù)是冗余單元之間的物理間距的函數(shù)。如果冗余單元間的安裝距離太近，就會產(chǎn)生相同的物理和電子應(yīng)力，在這種情況下，β參數(shù)值會很大。

通過把冗余設(shè)備放在相隔離的位置，可以減少環(huán)境因素對系統(tǒng)的影響。從軟件方面來說，可以通過使用異步操作來減少共模故障產(chǎn)生，避免控制器之間的同步，使用不同的操作模式也可以減少軟件的共模故障，將數(shù)據(jù)保存在各自的單元。

1.2多樣性(相異)

多樣性即在冗余結(jié)構(gòu)中使用不同設(shè)計的單元，進而避免共模故障。如安全儀表系統(tǒng)，測量壓力罐的液位時，檢測元件可以采用雷達物位計和差壓液位計構(gòu)成“1oo2”冗余結(jié)構(gòu)。

在使用該規(guī)則時，必須要考慮成本。多樣性不可能消除所有的共模設(shè)計失誤，如系統(tǒng)設(shè)計失誤；另外，還必須解決同步、校準和數(shù)據(jù)失配的問題。

在環(huán)境共模因素影響下，冗余裝置可以使用不同的方法來提高共模應(yīng)力，多樣性就是為了使冗余設(shè)備不對共模應(yīng)力做出反應(yīng)。不同的生產(chǎn)方式也會消除部分的共模影響，但是不同生產(chǎn)商制造的產(chǎn)品會增大維護和操作的復(fù)雜性。硬件的多樣性只有在冗余單元對共模力沒有響應(yīng)時才會起作用。

軟件的多樣性可以表現(xiàn)為使用由不同的工作人員采用不同編程語言編寫的軟件，但會增加成本，降低軟件執(zhí)行能力。

連接不同的設(shè)備組成一個容錯系統(tǒng)時，造成的設(shè)計失誤使問題更加復(fù)雜，多樣性會產(chǎn)生不可預(yù)料的事件，在設(shè)計這種系統(tǒng)時要特別小心。

1.3高強度設(shè)計

為惡劣環(huán)境設(shè)計的控制器使多個單元失效的環(huán)境應(yīng)力的有限值比較高，所以在容錯結(jié)構(gòu)中能夠起到更好的作用，降低設(shè)備故障率及共模故障率，增加設(shè)計強度會減小共模故障。即購買故障率低的產(chǎn)品來組成冗余系統(tǒng)，可以降低系統(tǒng)的共模故障概率。

系統(tǒng)的操作和維護可能產(chǎn)生共模故障，將錯誤的請求送到同步工作的控制器會導(dǎo)致它們同時失效。復(fù)雜的操作應(yīng)是自動化的，對于操作和維護應(yīng)該使用簡單的技術(shù)，可修復(fù)裝置應(yīng)該被鎖定，以保證模塊和接線的安裝不會出錯，預(yù)防性的維護在某些情況下也可以維護裝置的高強度。

2共模故障的模型

幾乎每個冗余系統(tǒng)都存在著共模故障，有幾個不同的模型來描述它，如： 簡單的β模型、古希臘多字母模型、挪威石油公司的先進β模型、Alpha因子模型，這里只介紹簡單的β模型和古希臘多字母模型。

2.1β模型

簡單的β模型，假設(shè)系統(tǒng)只存在一個共模故障，即所有通道共同發(fā)生的共模故障。β表示共同原因發(fā)生的故障占總的故障的百分比。

IEC 61508依據(jù)簡單的β模型給出的不同冗余的計算公式。

如共模故障因子為β，故障率為λ，則共模故障的故障概率為

λ=λβ

(1)

而非共模故障的故障概率為

λ=λ(1-β)

(2)

式(2)在計算安全儀表系統(tǒng)的安全完整性等級時會應(yīng)用到。

2.2古希臘多字母模型

此模型分析比較復(fù)雜，它假設(shè)每2個通道、3個通道均有共模故障發(fā)生，假設(shè)一個系統(tǒng)“2oo3”冗余，其有3個通道，即A，B，C。如果用古希臘多字母模型將存在4個不同的共模故障因子，即A—B的共模故障因子、B—C的共模故障因子、A—C的共模故障因子、A—B—C的共模故障因子。因為該模型復(fù)雜，所以平時應(yīng)用時一般選擇β模型，無論它們的模型是什么，算法復(fù)雜或簡單，只要β估計合理，所得的結(jié)果都是近似相等的。

3β的估計方法

用β參數(shù)衡量的共模強度決定于物理和電子設(shè)備的應(yīng)用，上述的三個規(guī)則是影響共模強度的最重要因素，物理分離和電子分離設(shè)備受共模應(yīng)力的影響小，可以減小β參數(shù)值，多樣性設(shè)計也可以減小β參數(shù)，可以將這幾種方法結(jié)合使用。對于硬件故障，專家估計β參數(shù)值的范圍為0.005～0.110，軟件故障的β參數(shù)值的范圍為0.05～0.60。所以，β參數(shù)的估計是很重要的。

R.A. Humphreys提出了一個估計β的方法：

1) 分離。物理上的分離(規(guī)則1)。

2) 相似性。多樣性的等級(規(guī)則2)。

3) 復(fù)雜性。設(shè)計強度的方案，假設(shè)越復(fù)雜的設(shè)計越可能發(fā)生故障。

4) 分析。設(shè)計方案的測試。

5) 操作程序。抵制操作錯誤的系統(tǒng)強度的方案。

6) 培訓(xùn)。抵制操作和維護錯誤強度的方案。

7) 環(huán)境的控制。訪問設(shè)備的方案，嚴格地訪問設(shè)備將減少操作和維護錯誤的幾率。

8) 環(huán)境的測試： 產(chǎn)品強度的方案(規(guī)則3)。

該方法考慮許多合法的人為共模故障源，在表1中并沒有包括。Humphreys的方法對“高強度系統(tǒng)”很適用。表1沒有給出粗糙設(shè)計的信任。Humphreys方法將使得β的估計值變大。如果粗糙設(shè)計，高強度元件備用，或在這個模型中包含人為因素故障率，則Humphreys方法是較好的。

表1　β因子評估

最終的β因子為所有的和。

4結(jié)束語

對冗余結(jié)構(gòu)的可靠性影響因素中，β的影響最大。故認識共模故障，預(yù)防其產(chǎn)生，盡量降低β的值，在進行安全儀表系統(tǒng)可靠性分析時正確地評估β，使工程設(shè)計的計算更加精確，也使整個工廠得到安全的保證。此文對實際的設(shè)計應(yīng)用以及可靠性的計算均有一定的幫助。

參考文獻：

[1]WILLIAM M G. Control Systems Safety Evaluation and Reliability [M]. ISA, 1998.

[2]Josef B?rcs?k. Electronic Safety Systems, Hardware Concepts, Models and Calculations [M]. Germany, 2003.

[3]IEC. IEC 61511 Functional Safety—Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector [S]. IEC, 2003.

[4]BRITISH STANDARD. EN 61508-6 Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-related System [S]. BS EN, 2002.

[5]左信,周華,鄭加平.安全儀表系統(tǒng)可靠性影響參數(shù)的敏感性分析[J].化工自動化及儀表，2010，37(03)： 66-68.

[6]尹永娟.安全儀表系統(tǒng)設(shè)計工作步驟及實現(xiàn)[J].石油化工自動化，2011，47(增刊1)： 48-51.

[7]張建國.安全儀表系統(tǒng)在過程工業(yè)中的應(yīng)用[M].北京： 中國電力出版社，2010.

[8]舒逸聃，趙勁松.安全儀表系統(tǒng)安全完整性等級驗證研究進展[J].計算機與應(yīng)用化學(xué)，2011(12)： 1585-1588.

[9]陽憲惠，郭海濤.安全儀表系統(tǒng)的功能安全[M].北京： 清華大學(xué)出版社，2007.

西安定華ELL?系列外測液位儀表

ELL?系列外測液位儀表是一種完全非接觸式液位測量儀表，由于不用在罐壁上開孔、不用法蘭、不接觸罐內(nèi)液體和氣體的產(chǎn)品特點，在安裝時不清罐、不動火、不停產(chǎn)，可輕松實現(xiàn)在線安裝調(diào)試。在儲罐原有液位計損壞更換、安全技改項目中有著顯著的優(yōu)勢。在測量易燃易爆、劇毒、強腐蝕、易揮發(fā)的液體時，不開孔、無漏點，即使在儀表損壞或維修狀態(tài)下，也絕無引起泄漏、毒害及爆炸等危害的可能。外測液位儀表憑借產(chǎn)品特點，已成為儲罐液位測量首選儀表，技改更換最佳解決方案。

ELL?系列外測液位儀表根據(jù)用途不同分為兩種規(guī)格，ELL-FI外測液位計和ELL-SA外測液位開關(guān)。ELL-FI外測液位計用于球罐、臥罐及立罐等儲罐內(nèi)液體高度的連續(xù)精確測量，其精度可達0.1%F.S.，溫度范圍-50～250℃，防爆和防護等級為ExdⅡCT6、IP67；而ELL-SA外測液位開關(guān)主要用于罐內(nèi)液體高度的點式測量，實現(xiàn)高、低位報警，其精度達到了±1mm，防爆和防護等級為ExdⅡCT6、IP67。

目前，該產(chǎn)品已在中石油、中石化、延長石油、中鹽集團、藍星集團、中海油、中化藍天、東岳集團、中國華能集團、特變電工及LG等國內(nèi)外近千家知名企業(yè)的數(shù)百種實際工況中投入實際應(yīng)用，并且受到用戶好評。(西安定華電子有限公司)

中圖分類號：TP217

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)03-0005-03