CN106444711A - 一种控制系统的分级可靠性评定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种控制系统的分级可靠性评定方法，首先确定不同运行操作级别下的分级权值系数，然后计算每个单元在考虑不同级别要求下系统的可靠度；由于在不同操作级别下对功能实现的完整性有影响，引入功能完整修正系数来修正可靠度；同时考虑单个子系统对总系统的影响因子；再进行不同级别下总系统的可靠度计算。将不同的级别要求下，所计算得到的可靠度与设定值比较，得到系统控制建议。本发明通过判定在不同操作级别要求下的可靠度，从而在检修结束启机和调试结束启机时，来全面分级衡量判断是否满足可靠性条件。通过对可靠度进行分析，并且在计算可靠度的基础上进行平均故障修复时间以及可用率的分析，从而为电厂寿期服务提供很好的参考。

Description

一种控制系统的分级可靠性评定方法

技术领域

本发明涉及一种对控制系统进行分级可靠性评定的方法，属于控制系统的可靠性评定技术领域。

背景技术

随着电力行业的发展和控制行业水平的逐渐提高，生产过程所要求的过程控制、监视、管理水平不断提高，作为电厂控制核心的分布式控制系统(DCS)已成为重要的组成部分。DCS的功能几乎涵盖了生产现场的所有设备和监测系统，如数据采集系统(DAS)、模拟量控制系统(MCS)、锅炉燃烧器管理系统(BMS)、顺序控制系统(SCS)、汽轮机电液调节系统(DEH)、电气控制系统(ECS)等。

为了避免由于DCS系统本身故障造成经济损失，以及响应节能减排和减员增效的要求，DCS系统的可靠性就显得尤为重要。

已报道的技术方案有很多关于DCS可靠性的评定方法，大量文献资料也是通过统计手段定性、定量分析了硬件、网络、电源等因素对整体DCS可靠性的评价。而对于分几个不同的操作级别，来进行运行操作的分级可靠性评定的方法，目前还未见公开报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于不同操作级别下的DCS的分级可靠性，以及以此为基础对总体系统的可靠性进行评价的方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种控制系统的分级可靠性评定方法，其特征在于：该方法由以下5个步骤组成：

步骤1：基于分级权值系数确定

在一个系统中，一般有以下几个不同的级别来进行运行操作：可以现场操作，可以运行员在分布式控制系统DCS远控手动操作，可以投入单体自动控制，可以通过远方给定控制；这就要求除了定量计算每个单元的可靠度，还要计算每个单元在考虑不同级别要求下系统的可靠度，为此引入了分级权值来进一步精确衡量系统的可靠度；

将分级权值记为ω，ω的值域为[0，1]；若ω越接近1，则该单元在系统中的重要性越高，反之则越低；

对于一般串联系统、并联系统，其可靠度如下：

a)串联系统的改进型可靠度为

R_s(t)＝(ω₁R₁(t))(ω₂R₂(t))...(ω_nR_n(t)) (ω_i≠0)

如果ω_i＝0，则取ω_iR_i(t)＝1；

其中，ω_i为第i个单元的分级权值，R_i(t)为第i个单元的可靠度，i＝1，2，...，n，n为不小于1的整数；

b)并联系统的改进型可靠度为

R_s(t)＝1-(1-ω₁R₁(t))(1-ω₂R₂(t))(1-ω₃R₃(t))...(1-ω_nR_n(t))

其中，ω_i为第i个单元的分级权值，R_i(t)为第i个单元的可靠度，i＝1，2，...，n，n为不小于1的整数；

步骤2：功能完整修正系数确定

由于在不同操作级别下对功能实现的完整性有影响，因此引入功能完整修正系数ε来修正可靠度；

步骤3：确认单个子系统对总系统的影响因子

影响因子计为f，其值域为[0，1]；

若f越大，则该子系统在总系统中的重要性越高，反之则越低；

步骤4：不同级别下总系统的可靠度计算

其中，f_i为第i个子系统对总系统的影响因子，i＝1，2，...，k；k为不小于1的整数；

R′_Si(t)为功能完整修正系数修正后的第i个子系统回路的可靠度；

根据不同子系统在系统安全生产过程中起的作用，对于不同子系统设置该子系统的影响因子；

步骤5：分级可靠度判定

在不同的级别要求下，其可靠度要求值不同；设生产系统可以现场操作要求的可靠度为C₁，可以运行员在分布式控制系统DCS远控操作要求的可靠度为C₂，可以投入单体自动控制要求的可靠度为C₃，可以进行远方给定控制要求的可靠度为C₄，其中C₁＜C₂＜C₃＜C₄；

如果在现场操作要求级别下计算的系统可靠度R＜C₁，则建议立即停机进行消缺；如果在运行员DCS远控要求级别下计算的系统可靠度R＜C₂，则建议停机进行消缺；如果在单体自动控制要求级别下计算的系统可靠度R＜C₃，则建议加强监控；如果在远方给定控制要求级别下计算的系统可靠度R＜C₄，则说明系统运行状况良好。

优选地，所述步骤1中，对于混联系统的可靠度如下：

1)并-串混联系统(先并联后串联)的改进型可靠度为

其中，ω_ij表示第j个单元对第i个系统的分级权值，j＝1，2，...，n，i＝1，2，...，m_j，i、j均为整数；R_ij(t)为第j个单元对第i个系统的可靠度；

2)串-并混联系统(先串联后并联)的改进型可靠度为

其中，ω_ij表示第j个单元对第i个系统的分级权值，j＝1，2，...，n，i＝1，2，...，m_i，i、j均为整数；R_ij(t)为第j个单元对第i个系统的可靠度。

优选地，所述步骤2中，采用现场操作级别下可靠度的功能完整修正系数ε＝0.25，运行员在分布式控制系统DCS远控手动操作级别下可靠度的功能完整修正系数ε＝0.5，采用投入单体自动控制级别下操作可靠度的功能完整修正系数ε＝0.75，采用远方自动控制操作级别下可靠度的功能完整修正系数ε＝1。

本发明提供的方法克服了现有技术的不足，通过判定在不同操作级别要求下的可靠度，从而在检修结束启机和调试结束启机时，来全面分级衡量判断是否满足可靠性条件。通过对可靠度进行分析，并且在计算可靠度的基础上进行平均故障修复时间以及可用率的分析，从而为电厂寿期服务提供很好的参考。

附图说明

图1为控制系统的分级可靠性评定方法的流程图；

图2为本实施例混联回路的可靠度分析图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

图1为控制系统的分级可靠性评定方法的流程图，本实施例中，某厂的MCS回路为一个典型的功率控制回路，有四个操作级别：现场操作，运行员在DCS远控手动操作，投入本地自动控制，远方自动控制。

步骤1：基于分级权值系数确定

在分析该回路的可靠度时，同样假定不考虑各个单元间连接的接线和通讯的可靠性，设各个功率测量值为冗余配置互不相关且其可靠度为R₁(t)，控制器的可靠度为R₅(t)，输入AI卡件的可靠度为R₃(t)，PID设置合理有效的可靠度为R₄(t)，远方画面正确以及偏置设定合理有效的可靠度为R₅(t)，手操站A/M画面正确以及设置合理有效的可靠度为R₆(t)，输出AO卡件的可靠度为R₇(t)，油动机的可靠度为R₈(t)，阀门的可靠度为R₉(t)等，则转换为串并联回路可靠度分析，如图2所示。

则三个功率测量单元组成的系统为并联回路，其可靠度为1-[1-R₁(t)]³；其余均为串联回路，则该MCS的回路可靠度为

(1-[1-R₁(t)]³)·R₂(t)·R₃(t)·R₄(t)·R₅(t)·R₆(t)·R₇(t)·R₈(t)·R₉(t)

同时再考虑各个不同级别的可靠性中的分级权值ω_i，设ω₁-ω₉分别为各个单元的分级权值，则该MCS回路的可靠度为

(1-ω₁ ³[1-R₁(t)]³)·(ω₂R₂(t))·(ω₃R₃(t))·(ω₄R4(t))·(ω₅R₅(t))·(ω₆R₆(t))·(ω₇R₇(t))·(ω₈R₈(t))·(ω₉R₉(t))ω_i≠0

如果ω_i＝0，则取ω_iR_i(t)＝1

1)若考虑级别为仅操作员手动可以实现功率控制，则相关单元的分级权值为1，

(1-ω₁ ³[1-R₁(t)]³)·(ω₂R₂(t))·(ω₃R₃(t))·(ω₆R₆(t))·(ω₇R₇(t))·(ω₈R₈(t))·(ω₉R₉(t))

2)若考虑级别为本地自动控制，则在1)的基础上考虑PID的可靠度，ω₄＝1，则该MCS的回路可靠度为

(1-ω₁ ³[1-R₁(t)]³)·(ω₂R₂(t))·(ω₃R₃(t))·(ω₄R₄(t))·(ω₆R₆(t))·(ω₇R₇(t)).(ω₈R₈(t))·(ω₉R₉(t))

3)若考虑级别为远方自动控制，则在2)的基础上考虑远方画面正确以及偏置设定合理有效的可靠度，ω₅＝1，则该MCS的回路可靠度为

(1-ω₁ ³[1-R₁(t)]³)·(ω₂R₂(t))·(ω₃R₃(t))·(ω₄R₄(t))·(ω₅R₅(t))·(ω₆R₆(t)).(ω₇R₇(t))·(ω₈R₈(t))·(ω₉R₉(t))

步骤2：功能完整修正系数确定

由于在不同操作级别下对功能实现的完整性有影响，因此引入功能完整系数ε来修正可靠度，一般取：采用现场操作级别下可靠度的功能完整修正系数ε＝0.25，运行员在DCS远控手动操作级别下可靠度的功能完整修正系数ε＝0.5，采用投入单体自动控制级别下操作可靠度的功能完整修正系数ε＝0.75，采用远方自动控制操作级别下可靠度的功能完整修正系数ε＝1。

步骤3：确认单个子系统对总系统的影响因子

影响因子记为f_i(i＝1，2，…，n，n为不小于1的整数)，其值域为[0，1]；若f_i越大，则该子系统在总系统中的重要性越高，反之则越低。

步骤4：不同级别下总系统的可靠度计算：

R′_Si(t)为修正后的子系统回路的可靠度。

其中，根据不同子系统在系统安全生产过程中起的作用，对于不同子系统设置该子系统的影响因子；对于一些重要的保护回路，其影响因子设置为f_i最大；对于一些重要的设备子系统和一些涉及到机组安全稳定运行的重要MCS子系统，其影响因子f_i设置为较大。

步骤5：分级可靠度判定，是否满足要求。在不同的级别要求下，其可靠度要求值不同。设生产系统可以现场操作要求的可靠度为C₁，可以运行员在DCS远控操作要求的可靠度为C₂，可以投入单体自动控制要求的可靠度为C₃，可以进行远方给定控制要求的可靠度为C₄，其中C₁＜C₂＜C₃＜C₄。

如果在现场操作要求级别下计算的系统可靠度R＜C₁，则建议立即停机进行消缺；如果在运行员DCS远控要求级别下计算的系统可靠度R＜C₂，则建议停机进行消缺；如果在单体自动控制要求级别下计算的系统可靠度R＜C₃，则建议加强监控；如果在远方给定控制要求级别下计算的系统可靠度R＜C₄，则说明系统运行状况良好。

Claims (3)

1.一种控制系统的分级可靠性评定方法，其特征在于：该方法由以下5个步骤组成：

步骤1：基于分级权值系数确定

在一个系统中，一般有以下几个不同的级别来进行运行操作：可以现场操作，可以运行员在分布式控制系统DCS远控手动操作，可以投入单体自动控制，可以通过远方给定控制；这就要求除了定量计算每个单元的可靠度，还要计算每个单元在考虑不同级别要求下系统的可靠度，为此引入了分级权值来进一步精确衡量系统的可靠度；

分级权值记为ω，ω的值域为[0，1]；若ω越接近1，则该单元在系统中的重要性越高，反之则越低；

对于一般串联系统、并联系统，其可靠度如下：

c)串联系统的改进型可靠度为

R_s(t)＝(ω₁R₁(t))(ω₂R₂(t))...(ω_nR_n(t))(ω_i≠0)

如果ω_i＝0，则取ω_iR_i(t)＝1；

其中，ω_i为第i个单元的分级权值，R_i(t)为第i个单元的可靠度，i＝1，2，...，n，n为不小于1的整数；

d)并联系统的改进型可靠度为

R_s(t)＝1-(1-ω₁R₁(t))(1-ω₂R₂(t))(1-ω₃R₃(t))...(1-ω_nR_n(t))

其中，ω_i为第i个单元的分级权值，R_i(t)为第i个单元的可靠度，i＝1，2，...，n，n为不小于1的整数；

步骤2：功能完整修正系数确定

由于在不同操作级别下对功能实现的完整性有影响，因此引入功能完整修正系数ε来修正可靠度；

步骤3：确认单个子系统对总系统的影响因子

影响因子计为f，其值域为[0，1]；

若f越大，则该子系统在总系统中的重要性越高，反之则越低；

步骤4：不同级别下总系统的可靠度计算

$R\left(t\right)=\left(f_1{R}_{s1}^{,}\left(t\right)\right)+\left(f_2{R}_{s2}^{,}\left(t\right)\right)+\mathrm{...}+\left(f_n{R}_{sn}^{,}\left(t\right)\right)=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{f}_i{R}_{si}^{,}\left(t\right)$

其中，f_i为第i个子系统对总系统的影响因子，i＝1，2，...，k；k为不小于1的整数；

R′_Si(t)为功能完整修正系数修正后的第i个子系统回路的可靠度；

根据不同子系统在系统安全生产过程中起的作用，对于不同子系统设置该子系统的影响因子；

步骤5：分级可靠度判定

在不同的级别要求下，其可靠度要求值不同；设生产系统可以现场操作要求的可靠度为C₁，可以运行员在分布式控制系统DCS远控操作要求的可靠度为C₂，可以投入单体自动控制要求的可靠度为C₃，可以进行远方给定控制要求的可靠度为C₄，其中C₁＜C₂＜C₃＜C₄；

如果在现场操作要求级别下计算的系统可靠度R＜C₁，则建议立即停机进行消缺；如果在运行员DCS远控要求级别下计算的系统可靠度R＜C₂，则建议停机进行消缺；如果在单体自动控制要求级别下计算的系统可靠度R＜C₃，则建议加强监控；如果在远方给定控制要求级别下计算的系统可靠度R＜C₄，则说明系统运行状况良好。

2.如权利要求1所述的一种控制系统的分级可靠性评定方法，其特征在于：所述步骤1中，对于混联系统的可靠度如下：

1)并-串混联系统的改进型可靠度为

$R_s\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\Π}}\{1-\underset{i=1}{\overset{m_j}{\Π}}\[1-{\mathrm{\ω}}_{ij}{R}_{ij}\left(t\right)\]\}$

其中，ω_ij表示第j个单元对第i个系统的分级权值，j＝1，2，...，n，i＝1，2，...，m_j，i、j均为整数；R_ij(t)为第j个单元对第i个系统的可靠度；

2)串-并混联系统的改进型可靠度为

$R_s\left(t\right)=1-\underset{i=1}{\overset{m_j}{\Π}}\{1-{\mathrm{\ω}}_{ij}\underset{j=1}{\overset{n}{\Π}}{R}_{ij}\left(t\right)\},({\mathrm{\ω}}_{ij}\≠0)$

其中，ω_ij表示第j个单元对第i个系统的分级权值，j＝1，2，...，n，i＝1，2，...，m_j，i、j均为整数；R_ij(t)为第j个单元对第i个系统的可靠度。

3.如权利要求l所述的一种控制系统的分级可靠性评定方法，其特征在于：所述步骤2中，采用现场操作级别下可靠度的功能完整修正系数ε＝0.25，运行员在分布式控制系统DCS远控手动操作级别下可靠度的功能完整修正系数ε＝0.5，采用投入单体自动控制级别下操作可靠度的功能完整修正系数ε＝0.75，采用远方自动控制操作级别下可靠度的功能完整修正系数ε＝1。