電氣自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性測(cè)試方法分析

孫偉，甄力，王彥貞，胡寶玲

（河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北保定，071000）

1 當(dāng)前我國(guó)電氣設(shè)備自動(dòng)化中存在的問(wèn)題分析

1.1 電氣設(shè)備元件質(zhì)量有待提升

在電氣設(shè)備控制設(shè)備當(dāng)中，其中每一個(gè)元件都有可能會(huì)影響到自動(dòng)化功能的實(shí)施效果，因此，必須要保證電氣設(shè)備元件的高質(zhì)量。目前導(dǎo)致我國(guó)電氣設(shè)備自動(dòng)化水平提升速度較慢的一個(gè)核心原因便在于元件質(zhì)量不能很好地滿足自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)。近些年，我國(guó)范圍內(nèi)出現(xiàn)了諸多生產(chǎn)元件的企業(yè)和工廠，但是這些企業(yè)和工廠在發(fā)展壯大過(guò)程中都遭遇到了一個(gè)瓶頸，那就是缺少核心技術(shù)的支持[2]?？v觀我國(guó)當(dāng)前生產(chǎn)電氣設(shè)備元件的這些企業(yè)和工廠，其日常業(yè)務(wù)多是在進(jìn)行機(jī)械化、重復(fù)性的生產(chǎn)，有很大一部分企業(yè)和工廠都缺少質(zhì)量體系的支撐，元件質(zhì)量管理也欠缺完善性和系統(tǒng)性。此外，在該市場(chǎng)當(dāng)中，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的不合理也導(dǎo)致了同類型企業(yè)工廠之間的惡性競(jìng)爭(zhēng)，企業(yè)和工廠不得不將更多精力投放到市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)上面，很難再拿出足夠的資本和精力去發(fā)展技術(shù)，電氣設(shè)備元件質(zhì)量提升速度也比較慢。

1.2 電氣設(shè)備工作環(huán)境維護(hù)工作不到位

在電氣設(shè)備自動(dòng)化水平的影響因素當(dāng)中，電氣設(shè)備的工作環(huán)境在其中也發(fā)揮著不容小覷的影響力。如果電氣設(shè)備的工作環(huán)境比較惡劣或者存在一些問(wèn)題，那么其便會(huì)在不同程度上影響和干擾到電氣設(shè)備自動(dòng)化操作的順暢性，久而久之，電氣設(shè)備自身的性能也會(huì)慢慢隨之下降，電氣設(shè)備當(dāng)中的一些內(nèi)部構(gòu)件也可能會(huì)因此受到損壞。

2 電氣自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性測(cè)試方法闡述

2.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法，對(duì)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的可靠性測(cè)試主要是通過(guò)模擬的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法來(lái)對(duì)電氣自動(dòng)化設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)使用條件進(jìn)行模擬，檢測(cè)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備在遇到各種問(wèn)題和情況時(shí)的反應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中做好各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計(jì)，再分析系之后明確檢測(cè)設(shè)備的可靠性指標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法有利也有弊。其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法可獲取到比較高質(zhì)量的數(shù)據(jù)信息，而且操作也相對(duì)簡(jiǎn)單一些，因?yàn)橐磺卸际窃趯?shí)驗(yàn)操作可控范圍之內(nèi)，受外界因素影響比較小，而且其可以通過(guò)反復(fù)多次的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的效果。其弊端主要體現(xiàn)在，鑒于實(shí)驗(yàn)條件的局限性，需要準(zhǔn)備數(shù)量較多的試驗(yàn)品，而且實(shí)驗(yàn)的成本和費(fèi)用都是比較高的[3]，此外所選產(chǎn)品的批量和成本因素也有可能影響到實(shí)驗(yàn)成果。目前而言，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法主要應(yīng)用于大批量產(chǎn)品生產(chǎn)當(dāng)中，其應(yīng)用效果也是比較理想的。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，即在真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境當(dāng)中來(lái)測(cè)試電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的質(zhì)量。一般現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試會(huì)選擇和電氣自動(dòng)化控制設(shè)備實(shí)際運(yùn)用環(huán)境相似度比較高的地方。如此一來(lái)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法獲得的數(shù)據(jù)也會(huì)更加真實(shí)一些，而且也可以在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法當(dāng)中獲得實(shí)際運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中監(jiān)測(cè)設(shè)備的諸多參數(shù)，為后續(xù)實(shí)際應(yīng)用提供重要參考依據(jù)。

與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法不同，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法成本相對(duì)較低，因?yàn)槠鋵?duì)測(cè)試所使用的測(cè)試設(shè)備要求并不像實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法那么高，而且借助環(huán)境資源和優(yōu)勢(shì)，也可以減少一定的測(cè)試費(fèi)用，縮減測(cè)試成本。

目前，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法主要分為三種模式：其一，可靠性在線測(cè)試，何為在線測(cè)試，顧名思義，即測(cè)試是在電氣自動(dòng)化控制設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行的，并不需要暫停電氣自動(dòng)化控制設(shè)備，也不會(huì)影響整個(gè)生產(chǎn)鏈條的運(yùn)行。其二，脫機(jī)測(cè)試，脫機(jī)測(cè)試，即把需要檢測(cè)的元件從電氣自動(dòng)化控制設(shè)備當(dāng)中取下來(lái)，由專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備專門對(duì)這些元件進(jìn)行測(cè)試。其三，停機(jī)測(cè)試，顧名思義，就是要停止電氣自動(dòng)化控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，再對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。其具體如圖1所示。

圖1 可靠性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法構(gòu)成圖

在這三種測(cè)試模式當(dāng)中，脫機(jī)和停機(jī)測(cè)試的具體操作要簡(jiǎn)單一些，因?yàn)樵O(shè)備都是處于停止?fàn)顟B(tài)，并不需要考慮對(duì)設(shè)備運(yùn)行所產(chǎn)生的影響，這兩種測(cè)試更適合應(yīng)用在一些相對(duì)簡(jiǎn)單的電氣自動(dòng)化控制設(shè)備當(dāng)中。而在線測(cè)試主要被應(yīng)用在一些復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)于這類電氣自動(dòng)化控制設(shè)備而言，其必須要在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)才能夠判斷出準(zhǔn)確的位置，因此，必須要選擇在線測(cè)試的方式。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的可靠性要更強(qiáng)一些，和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法相比，其不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在：第一，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法中所使用到的測(cè)試儀器和設(shè)備都要更加先進(jìn)和高端一些，但因?yàn)椴槐阌诎徇\(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)操作和使用，所以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法只能使用條件一般的測(cè)試儀器和測(cè)試設(shè)備，為了彌補(bǔ)這一缺憾，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中就還需要采用更好的測(cè)試手段和方式。第二，一般情況下，電氣設(shè)備自動(dòng)化的線路板會(huì)安裝在封閉機(jī)箱的內(nèi)部，所以在引進(jìn)測(cè)試信號(hào)時(shí)會(huì)有一定的難度，現(xiàn)在有很多電氣自動(dòng)化控制設(shè)備在一開(kāi)始的設(shè)計(jì)階段就為其測(cè)試方法留足了空間，通常會(huì)提前預(yù)留出測(cè)試用的插座，但是，因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)試中還需要比較長(zhǎng)的信號(hào)線，因此，便使得現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試安裝和連接工作難度變大。

2.3 保證實(shí)驗(yàn)方法

關(guān)于保證實(shí)驗(yàn)方法，其和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法都不同，保證實(shí)驗(yàn)方法針對(duì)是出廠之前的電氣自動(dòng)化控制設(shè)備，即按照既定的要求來(lái)對(duì)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備進(jìn)行出廠前的故障試驗(yàn)。通常情況下，由于一種電氣自動(dòng)化控制設(shè)備當(dāng)中包含著非常多的元件，所以故障模式中隨機(jī)性會(huì)非常大，在故障測(cè)試當(dāng)中可以看出故障呈指數(shù)分布，換而言之，電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的功能失效率是處于變動(dòng)狀態(tài)的，其會(huì)隨著時(shí)間的變化而不斷改變，保證實(shí)驗(yàn)方法是對(duì)電氣自動(dòng)化設(shè)備早期失效情況所進(jìn)行的測(cè)試?；诂F(xiàn)實(shí)情況考慮，電氣自動(dòng)化控制設(shè)備都是大批量加工制造出來(lái)的，即使是采用保證實(shí)驗(yàn)方法來(lái)進(jìn)行測(cè)試，其也不能保證對(duì)全部電子自動(dòng)化控制設(shè)備來(lái)進(jìn)行測(cè)試，所以只能是隨機(jī)選取同一批次中的少量樣品來(lái)進(jìn)行可靠性測(cè)試，從樣品測(cè)試結(jié)果中來(lái)判斷同一批次電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的可靠性。

3 電氣自動(dòng)化設(shè)備控制可靠性測(cè)試案例分析——以某一水電站的電氣設(shè)備為例

3.1 水電站發(fā)電控制設(shè)備——?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)

勵(lì)磁系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括功率柜、滅磁開(kāi)關(guān)子系統(tǒng)、勵(lì)磁控制系統(tǒng)以及調(diào)節(jié)器等。勵(lì)磁系統(tǒng)中的各個(gè)組成部分都有著非常緊密的關(guān)聯(lián)性，如果該系統(tǒng)當(dāng)中的任何一個(gè)組件出現(xiàn)了問(wèn)題，那么勵(lì)磁系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行效果都會(huì)受到影響，甚至?xí)斐烧麄€(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)的癱瘓。由此可見(jiàn)，不同子系統(tǒng)之間是存在一個(gè)或門關(guān)系的，而且在不同的子系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)也都存在著或門關(guān)系。

圖2 水電站勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖

3.2 電氣自動(dòng)化控制設(shè)備元件的可靠性指標(biāo)

首先，可修復(fù)元件的可靠性指標(biāo)：水電站發(fā)電系統(tǒng)中所運(yùn)用的電氣自動(dòng)化控制設(shè)備元件，有很大一部分是可以修復(fù)的。關(guān)于這部分可修復(fù)元件的可靠性指標(biāo)，其具體體現(xiàn)在可用率與不可用率、可靠度與不可靠度兩個(gè)方面。其一，關(guān)于可用率與不可用率，可用率就是元件在正常使用狀態(tài)下的正常工作的概率，而不可用率，就是元件在正常使用狀態(tài)下出現(xiàn)不正常工作的概率。可用率與不可用率的具體數(shù)值相加是等于一的。其二，關(guān)于可靠度與不可靠度。何為可靠度，即元件在實(shí)際使用過(guò)程中，在一定時(shí)間段內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題且一直正常工作的概率。而其中一定時(shí)間段指的是元件從開(kāi)始工作到出現(xiàn)第一次故障時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。而不可靠度，指的是元件從開(kāi)始正常工作到某個(gè)時(shí)間段內(nèi)第一次沒(méi)有正常工作的概率。這一對(duì)可靠性指標(biāo)數(shù)值相加也是等于一的。

其次，不可修復(fù)元件的可靠性指標(biāo)：對(duì)不可修復(fù)元件的可靠性進(jìn)行分析時(shí)，壽命和時(shí)間是非常重要的要素，壽命本身屬于一個(gè)連續(xù)性隨機(jī)變量，通常會(huì)用概率分布函數(shù)去對(duì)它的分布規(guī)律進(jìn)行描述，即F(t)=P{T≤t}，這其中，t代表的便是這個(gè)不可修復(fù)元件的使用壽命和時(shí)間。

4 如何準(zhǔn)確選擇合適的電氣自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性測(cè)試方法

選取什么樣的測(cè)試方法會(huì)在很大程度上影響著電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的使用效果，因此，必須要綜合考量多重因素之后再確定采用哪一種測(cè)試方法，其需要對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、產(chǎn)品類型、實(shí)驗(yàn)程序以及其它具體情況進(jìn)行全面考察。電氣自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性測(cè)試前提條件如圖3所示。

圖3 電氣自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性測(cè)試前提條件

4.1 如何確定實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地

針對(duì)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的可靠性測(cè)試，在確定試驗(yàn)場(chǎng)地時(shí)首先需要明確測(cè)試的目的是什么，要根據(jù)測(cè)試的實(shí)際目的去確定選擇什么樣的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。比如，需要對(duì)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備在成長(zhǎng)運(yùn)行使用中的可靠性進(jìn)行測(cè)試，或者是要獲取到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，那么在選擇實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地時(shí)就要盡可能選擇和該設(shè)備實(shí)際工作環(huán)境接近的場(chǎng)所。再比如，如果是要對(duì)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備中的一些特定指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，那么就必須要結(jié)合具體情況謹(jǐn)慎選擇試驗(yàn)場(chǎng)地，確保實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的適配性。

4.2 如何正確選擇實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品

在對(duì)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性進(jìn)行測(cè)試時(shí)，所選擇的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品必須要具備該類產(chǎn)品的典型特征，而且要具有一定的代表性。目前，伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和運(yùn)用，電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的種類變得越來(lái)越多。從產(chǎn)品運(yùn)行角度來(lái)分析，實(shí)驗(yàn)室常用的設(shè)備可分為兩種類型，一種是可連續(xù)運(yùn)行使用的設(shè)備，另一種是間斷性運(yùn)行的設(shè)備。從規(guī)模型號(hào)來(lái)看，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品可分為大中小微四種類型。

4.3 如何正確選擇實(shí)驗(yàn)環(huán)境

不同類型的電氣自動(dòng)化控制設(shè)備，對(duì)工況的要求也是不同的。一般情況下，在測(cè)試電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的可靠性時(shí)首先會(huì)選擇非惡劣實(shí)驗(yàn)環(huán)境，因?yàn)樵诜菒毫訉?shí)驗(yàn)環(huán)境當(dāng)中，電氣自動(dòng)化控制設(shè)備所處應(yīng)力會(huì)更低一些，尤其獲得的可靠性測(cè)試結(jié)果也會(huì)更加客觀和準(zhǔn)確。

4.4 如何正確選擇實(shí)驗(yàn)程序

在對(duì)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的可靠性進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程中，采用什么樣的實(shí)驗(yàn)程序?qū)ζ淇煽啃詼y(cè)試結(jié)果有著至關(guān)重要的影響。通常情況下，專業(yè)技術(shù)人員會(huì)根據(jù)所要測(cè)試的電氣自動(dòng)化控制設(shè)備類型以及實(shí)際環(huán)境等因素來(lái)確定適用什么樣的實(shí)驗(yàn)程序。在實(shí)驗(yàn)程序當(dāng)中，其需要明確清楚各項(xiàng)可靠性指標(biāo)的記錄情況、實(shí)驗(yàn)時(shí)間間隔以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集方式等，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的意外情況做出預(yù)測(cè)和制定出切實(shí)可行的應(yīng)急保障措施。在電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的可靠性實(shí)驗(yàn)操作中必須嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范要求，以此來(lái)保證獲得準(zhǔn)確、可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.5 如何科學(xué)組織實(shí)驗(yàn)工作

在電氣自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性測(cè)試當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)組織工作也是其中至關(guān)重要的組成部分，要想確保實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的理想性，就必須要確保試驗(yàn)組織機(jī)構(gòu)足夠合理、嚴(yán)謹(jǐn)以及高效。實(shí)驗(yàn)組織工作主要包括實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的管理、具體工作的協(xié)調(diào)與安排、參與實(shí)驗(yàn)人才的確定和管理以及收集整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、科學(xué)處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果等等。除此之外，實(shí)驗(yàn)組織工作還包括對(duì)可靠性設(shè)計(jì)工程師、設(shè)備制造工程師、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)工程師的工作進(jìn)行組織協(xié)調(diào)，確保工作的高效推進(jìn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前關(guān)于電氣自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性的測(cè)試方法主要包括實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以及保證實(shí)驗(yàn)三種方式，在這三種方式當(dāng)中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方式的適用范圍要更為廣泛一些，其也是這三種方式中實(shí)用性最高的一種測(cè)試方式，但這并不意味著在選擇電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的可靠性測(cè)試時(shí)就必須要首選現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方式，其還是要根據(jù)電氣自動(dòng)化控制設(shè)備類型、測(cè)試目的等因素來(lái)進(jìn)行綜合考量，最終選擇出一種更為合適的可靠性測(cè)試方法。