分散控制系統(tǒng)在線(xiàn)可靠性評(píng)估系統(tǒng)研究與應(yīng)用

張棟良，陳 森，賈帥兵，張勝利

（1.上海電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090；2.國(guó)家電投集團(tuán)平頂山熱電有限公司，河南 平頂山 467036；3.國(guó)核自?xún)x系統(tǒng)工程有限公司，上海 200241）

0 引言

作為發(fā)電廠(chǎng)的神經(jīng)中樞，分散控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行關(guān)系到電力生產(chǎn)的安全與經(jīng)濟(jì)效益。而隨著智能化電廠(chǎng)的發(fā)展，電廠(chǎng)精細(xì)化檢修成為電廠(chǎng)工業(yè)過(guò)程的維護(hù)運(yùn)行目標(biāo)和發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）可靠性研究方法往往是對(duì)DCS 的結(jié)構(gòu)分析或可靠性試驗(yàn)［1-2］，即在實(shí)際應(yīng)用之前用概率理論方法實(shí)現(xiàn)。而通過(guò)實(shí)時(shí)和歷史信息數(shù)據(jù)的結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和集成判斷DCS設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀況、其健康程度以及可靠性狀況可為電廠(chǎng)DCS 的精細(xì)化檢修以及狀態(tài)檢修提供手段［3］?，F(xiàn)有的多數(shù)DCS系統(tǒng)都能夠通過(guò)自檢提供實(shí)時(shí)的控制設(shè)備狀態(tài)參數(shù)［4］，如控制器的處理器負(fù)荷、內(nèi)存占用率等，但對(duì)于DCS 系統(tǒng)可靠性的深層次指標(biāo)，如系統(tǒng)中各設(shè)備的平均故障間隔時(shí)間（Mean Time Between Failwres，MTBF）、失效率λ（t）、可靠度R（t）、可用率等標(biāo)志系統(tǒng)健康度和可靠性的指標(biāo)尚未形成在線(xiàn)評(píng)價(jià)體系。這些評(píng)價(jià)將在DCS 系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行中起到運(yùn)維指導(dǎo)的作用從而提高DCS 系統(tǒng)的可靠性，避免由DCS 本身的故障帶來(lái)的電力生產(chǎn)事故。

要進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)計(jì)算需要采集DCS 系統(tǒng)發(fā)生異常的大量時(shí)間信息，如控制單元（Control Unit，CU）主輔狀態(tài)切換時(shí)間，DCS 系統(tǒng)AI、AO、DI、DO、RTD、TC 輸入輸出卡件等報(bào)警信息、故障信息，以及故障、報(bào)警發(fā)生的時(shí)間、頻次，DCS 系統(tǒng)的主備電源系統(tǒng)切換、報(bào)警、掉電等信息以及發(fā)生的時(shí)間，DCS 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀態(tài)變化及網(wǎng)絡(luò)掉線(xiàn)等信息及發(fā)生的時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)端口信息、交換機(jī)CPU 使用率、內(nèi)存使用率及網(wǎng)絡(luò)掉線(xiàn)及發(fā)生的時(shí)間。通過(guò)以上信息的獲取和記錄，實(shí)時(shí)和歷史信息數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和集成判斷DCS 設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀況，可靠性狀況，并通過(guò)有效地評(píng)價(jià)為電廠(chǎng)DCS 的精細(xì)化檢修以及狀態(tài)檢修提供可視化手段。

1 DCS在線(xiàn)可靠性監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)組成

DCS 在線(xiàn)可靠性監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)可按照設(shè)備狀態(tài)信息采集、設(shè)備級(jí)可靠性指標(biāo)計(jì)算、系統(tǒng)級(jí)可靠性評(píng)價(jià)三個(gè)層次來(lái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 DCS系統(tǒng)在線(xiàn)可靠性監(jiān)測(cè)與預(yù)評(píng)估系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

在設(shè)備狀態(tài)信息采集層，能反映DCS 系統(tǒng)可靠性的多源基礎(chǔ)信息通過(guò)多種渠道進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，內(nèi)容包括：

1）控制單元的CPU 負(fù)荷率、內(nèi)存占用率、離線(xiàn)時(shí)間、主備切換時(shí)間等；

2）I/O 卡件的故障、報(bào)警、離線(xiàn)、異常等事件的時(shí)間；

3）電源模塊的電壓、掉電、報(bào)警和切換等事件的時(shí)間；

4）網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的CPU 負(fù)荷、內(nèi)存占用率、各端口吞吐率、離線(xiàn)時(shí)間等；

5）人機(jī)接口的CPU 負(fù)荷率、內(nèi)存使用率、CPU溫度、硬盤(pán)占用率、離線(xiàn)時(shí)間等。

在設(shè)備級(jí)可靠性指標(biāo)計(jì)算層，利用基礎(chǔ)設(shè)備狀態(tài)信息的采集，利用可靠性相關(guān)指標(biāo)的概率統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法，計(jì)算單臺(tái)設(shè)備的可靠性指標(biāo)，內(nèi)容包括控制單元、I/O卡件、電源模塊、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、人機(jī)口等設(shè)備的可靠度、失效率、可用率、平均故障間隔時(shí)間、可靠性等級(jí)等。

在設(shè)備級(jí)可靠性指標(biāo)的計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)備權(quán)重、依賴(lài)關(guān)系等對(duì)DCS 系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。系統(tǒng)級(jí)可靠性性評(píng)價(jià)的工作包括DCS 狀態(tài)的可視化、系統(tǒng)可靠性的實(shí)時(shí)在線(xiàn)評(píng)估、系統(tǒng)可靠性報(bào)表以及系統(tǒng)維護(hù)建議。

1.2 DCS狀態(tài)信息采集

DCS 可靠性在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。在不影響DCS 系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下，可靠性監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)經(jīng)防火墻分別與DCS 系統(tǒng)的OPC Server 相連，并通過(guò)DCOM 協(xié)議、SNMP 協(xié)議［5］、RPC 協(xié)議［6-7］等獲取相應(yīng)的DCS數(shù)據(jù)庫(kù)中點(diǎn)信息［8-9］。

圖2 DCS可靠性在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在DCS 可靠性監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)中，獲取的信息存儲(chǔ)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，由監(jiān)控畫(huà)面子程序進(jìn)行顯示；由歷史記錄子程序進(jìn)行存儲(chǔ)；由可靠性評(píng)估子程序進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠性計(jì)算。

2 DCS系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)

在可靠性分析中，產(chǎn)品分為可修復(fù)產(chǎn)品和不可修復(fù)產(chǎn)品，DCS系統(tǒng)部件出現(xiàn)故障會(huì)影響其功能實(shí)現(xiàn)，但經(jīng)維修可以恢復(fù)，屬于可修復(fù)產(chǎn)品?；诳煽啃愿怕手笜?biāo)計(jì)算公式計(jì)算平均故障間隔時(shí)間、失效率、可靠度等，再根據(jù)相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［10］建立DCS設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)的模型和算法。

2.1 平均故障間隔時(shí)間

平均故障間隔時(shí)間是指在產(chǎn)品生命周期內(nèi)每?jī)纱喂收祥g隔的工作時(shí)間的平均值。

式中：ti為第i次故障發(fā)生的時(shí)間；N為產(chǎn)品生命周期內(nèi)的總故障次數(shù)。

2.2 可靠度

可靠度是指系統(tǒng)在設(shè)計(jì)技術(shù)范圍內(nèi)，能夠完成預(yù)定功能的概率。數(shù)學(xué)定義為：在零時(shí)刻投運(yùn)的某部件在（0，t）內(nèi)不失效的概率。t時(shí)刻產(chǎn)品的可靠度為

式中：N0為產(chǎn)品總數(shù)；Nf(t)為t時(shí)刻故障產(chǎn)品數(shù)目?？煽慷仁墙y(tǒng)計(jì)概率，是時(shí)間的函數(shù)，0≤R(t)≤1。

2.3 失效率

失效率是指產(chǎn)品運(yùn)行到t時(shí)刻后，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的數(shù)量與t時(shí)刻完好的數(shù)量之比。t時(shí)刻產(chǎn)品的失效率為

在偶然失效期內(nèi)

對(duì)于DCS 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電子設(shè)備壽命服從指數(shù)分布，故失效率λ為常數(shù)，可靠度為

3 在線(xiàn)DCS可靠性評(píng)估算法

對(duì)DCS 各設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄，并在設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)各設(shè)備的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)算法如下。

第一步，計(jì)算DCS 的CU、卡件、電源等設(shè)備的平均故障間隔時(shí)間

式中：tMTBFx為單個(gè)設(shè)備x的平均故障間隔時(shí)間；tMTBF0為設(shè)備初始的平均故障間隔時(shí)間；ti（i=2，3，…，n）為設(shè)備的第i次故障時(shí)間；t0為設(shè)備投入運(yùn)行的時(shí)間點(diǎn)。

平均故障間隔時(shí)間的計(jì)算就是對(duì)幾次故障的間隔時(shí)間取平均值，對(duì)其計(jì)算分為兩種情況：一是設(shè)備投運(yùn)后還未發(fā)生故障，此時(shí)，設(shè)備的平均故障間隔時(shí)間用初始平均故障間隔時(shí)間tMTBF0表示；二是設(shè)備投運(yùn)后發(fā)生一次及以上故障，則將設(shè)備的平均故障間隔時(shí)間代入式（6）求解，實(shí)現(xiàn)對(duì)初始平均故障間隔時(shí)間的替代。

第二步，計(jì)算DCS 的CU、卡件、電源等設(shè)備的失效率。CU、卡件和電源均屬于電子元件，壽命服從指數(shù)分布，指數(shù)分布的失效率為常數(shù)且與平均故障間隔時(shí)間互為倒數(shù)，故其計(jì)算公式如式（4）所示。

第三步，利用式（2）計(jì)算DCS的CU、卡件、電源等設(shè)備的可靠度?？煽慷戎档拇笮》从沉嗽O(shè)備正常完成其預(yù)定功能的概率大小。

第四步，評(píng)價(jià)DCS 的CU、卡件、電源等設(shè)備的可靠性等級(jí)。根據(jù)電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立設(shè)備可靠性等級(jí)評(píng)估體系，如式（7）所示。

式中：Ei為被評(píng)估設(shè)備的可靠性分值；ESi為被評(píng)估設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)分值，定為100；∑n(1，n)Edi表示被評(píng)估設(shè)備的扣分值，是指設(shè)計(jì)、基建、生產(chǎn)階段被評(píng)估設(shè)備未達(dá)到要求所扣的分值之和，本評(píng)價(jià)系統(tǒng)中，認(rèn)為各階段設(shè)備均達(dá)要求，扣分值為0；RE為被評(píng)估設(shè)備的可靠度值，即第三步所計(jì)算出的R（t）；PE為被評(píng)估設(shè)備預(yù)期的可靠度值，DCS系統(tǒng)屬于A 類(lèi)設(shè)備，故值為1；LE被評(píng)估設(shè)備的壽命系數(shù)，設(shè)計(jì)壽命年限內(nèi)為1，年限外為0.9Yr-Yd，其中，Yr為設(shè)備運(yùn)行年數(shù)，Yd為設(shè)計(jì)壽命年限本評(píng)價(jià)算法中，認(rèn)為被評(píng)估設(shè)備均在壽命年限，該值為1；TE為被評(píng)估設(shè)備的重要性類(lèi)別，DCS 系統(tǒng)屬于A 類(lèi)設(shè)備，故值為1；ME重要設(shè)備重復(fù)性故障系數(shù)，本評(píng)價(jià)系統(tǒng)中定該值為1。

第五步，計(jì)算DCS 系統(tǒng)整體可靠度，這一步的計(jì)算是利用上一步單個(gè)設(shè)備可靠性分值和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［11］中源于各設(shè)備在DCS 中加權(quán)系數(shù)表來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

4 實(shí)施效果

DCS 在線(xiàn)可靠性監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)在某火電廠(chǎng)的兩套DCS 上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，通過(guò)OPC 協(xié)議與DCS 的DA-Server 進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DCS 各系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與在線(xiàn)評(píng)價(jià)。部分功能畫(huà)面如下。

主界面：通過(guò)邏輯配置模塊對(duì)控制單元、輸入輸出卡件、人機(jī)接口站、電源和網(wǎng)絡(luò)在畫(huà)面上進(jìn)行搭建，實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備監(jiān)控總畫(huà)面，如圖3所示，對(duì)于每一對(duì)控制單元，用綠色表示主站，用藍(lán)色表示從站，用紅色表示故障，點(diǎn)擊控制單元的按鈕可進(jìn)入查看每個(gè)控制單元的詳細(xì)狀態(tài)信息。每對(duì)控制單元按鈕下方有對(duì)應(yīng)卡件和電源模塊的狀態(tài)顯示按鈕，如果有故障用紅色表示，若無(wú)用灰色表示，點(diǎn)擊卡件或電源的按鈕可以查看對(duì)于應(yīng)站的卡件或電源的狀態(tài)。

圖3 DCS在線(xiàn)可靠性監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)主界面

控制單元狀態(tài)監(jiān)測(cè)：可以監(jiān)測(cè)CU 負(fù)荷率及內(nèi)存使用率、溫度，部分功能如圖4 所示。每個(gè)控制單元用兩個(gè)圓點(diǎn)表示兩個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，綠色表示正常，紅色表示斷網(wǎng)，用棒圖表示CPU 負(fù)荷和內(nèi)存占用率，用實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線(xiàn)表示CPU 的溫度。右上方表示4 個(gè)電源模塊的狀態(tài)，綠色表示正常、紅色表示故障。右下角的表格顯示設(shè)備的失效率、平均故障間隔時(shí)間、設(shè)備可靠度以及可靠度評(píng)級(jí)。

圖4 控制單元狀態(tài)監(jiān)測(cè)

卡件狀態(tài)監(jiān)測(cè)：可以監(jiān)測(cè)各卡件異常狀態(tài)信息，部分功能如圖5 所示。其中用綠色表示卡件正常，紅色表示卡件故障或異常，藍(lán)色表示卡槽空置，右下角的表格顯示卡件的失效率、平均故障間隔時(shí)間、設(shè)備可靠度以及可靠度評(píng)級(jí)。

圖5 卡件狀態(tài)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)可靠性報(bào)表：如圖6所示，通過(guò)第3節(jié)所述計(jì)算方法，得出階段性的可靠性評(píng)估結(jié)果，包括分類(lèi)設(shè)備如控制單元、卡件、人機(jī)接口、電源等的故障信息、可靠度、平均故障間隔時(shí)間；系統(tǒng)整體可靠性評(píng)級(jí)和檢修建議等。

圖6 DCS可靠性監(jiān)測(cè)與評(píng)估狀態(tài)報(bào)表

5 結(jié)語(yǔ)

DCS 可靠性監(jiān)測(cè)預(yù)評(píng)估系統(tǒng)通過(guò)對(duì)設(shè)備的負(fù)荷、溫度等參數(shù)和異常、失效事件記錄形成長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，再根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和概率統(tǒng)計(jì)原理建立可靠性評(píng)估模型，對(duì)DCS 系統(tǒng)的各項(xiàng)可靠性指標(biāo)進(jìn)行在線(xiàn)計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)了DCS 系統(tǒng)的健康狀態(tài)評(píng)估。通過(guò)DCS 可靠性監(jiān)測(cè)與在線(xiàn)評(píng)估系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了DCS 健康狀態(tài)和可靠性的在線(xiàn)量化監(jiān)測(cè)，為DCS的設(shè)備維護(hù)提供了依據(jù)，進(jìn)而避免了因DCS故障引起的機(jī)組停運(yùn)等事故。