CN107924347A

CN107924347A - 用于确定电气设备的平均故障时间的方法

Info

Publication number: CN107924347A
Application number: CN201680048186.5A
Authority: CN
Inventors: R.托内; P.戈尔
Original assignee: Schneider Electric SE
Current assignee: Schneider Electric SE; Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2018-04-17
Anticipated expiration: 2036-07-20
Also published as: ES2866032T3; EP3338188A1; WO2017029053A1; EP3338188B1; CN107924347B; US20190012846A1; US10991169B2

Abstract

本发明涉及一种用于确定电气设备的平均故障时间的方法。并且涉及一种用于调节电源的预定平均故障时间以及用于评估调整的平均故障时间的方法。这是通过提供一种方法来实现的，该方法通过考虑运行条件和运行负载来确定平均故障时间。

Description

用于确定电气设备的平均故障时间的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定电气设备的平均故障时间的方法，并且更具体地涉及一种用于调整电源的预定平均故障时间的方法以及用于评估调整的平均故障时间的方法。

背景技术

已知多种方法用于确定电气设备的平均故障时间，通常称为“平均故障时间”(MTTF)。特别是，该信息对于改善设备使用寿命的预测以及预测其维护或更换非常重要。该信息就正确运行对于工业过程性能至关重要的电气设备而言尤为重要。例如在可编程逻辑中使用的电源模块就是这种情况。电源模块实际上是可编程控制器的关键部件，在故障预测维护或更换(永久或临时)之前，必须永久了解其工作寿命。

发明内容

本发明的目的是提高用于确定电器的平均故障时间的方法的预测准确度。该方法特别适用于可编程逻辑控制器的电源模块。这是通过提供一种方法来实现的，该方法通过考虑运行条件和运行负载来确定平均故障时间。

在一方面，该方法包括：

-确定平均温度值(AOTj)，在运行时间期间电气设备在平均温度值运行；

-确定所确定的平均温度值(AOTj)所处的温度范围，所述范围具有对应于平均故障时间的第一预定值的第一(上限)温度值和对应于平均故障时间的第二预定值的第二(下限)温度值；

-基于所述平均温度值(AOTj)、所述温度范围的第一(上限)值、温度范围的第二(下限)值、所述平均故障时间的第一预定值和所述平均故障时间的第二预定值来确定电气设备的调整的平均故障时间(MTTF)。

以这种方式，针对电气设备的外部温度运行条件来调整平均故障时间。

另一方面，该方法还包括：

-基于所述电气设备的运行时间和实际负载来确定补偿的运行时间；以及

-将补偿的运行时间与调整的平均故障时间进行比较；和/或

-确定调整的平均故障时间与补偿的运行时间之间的时间差。

以这种方式，随着考虑到电气设备的实际电气负载，作为年龄指示器的运行时间的预测准确度得到提高。

根据一个方面，确定调整的平均故障时间包括应用以下表达式：

其中：

-Tx是温度范围的第二(下限)值；

-Ty是温度范围的第一(上限)值；

-AOTj是确定的平均温度值；

-MTTF_Tx是预定的第二平均故障时间；

-MTTF_Ty是预定的第一平均故障时间；

-MTTF_Ti是调整的平均故障时间。

根据另一方面，所述方法包括测量电器中的温度的步骤，其可以是循环的或非循环的，以及在每个温度测量后的温度的平均值的更新步骤。

本发明还涉及一种用于包括微控制器的可编程控制器的电源模块，所述微控制器布置成用于实施如上定义的用于确定电源模块的平均故障时间的方法。

本发明还涉及一种可编程控制器，其包括CPU模块、至少一个电源模块和一个或多个输入/输出模块，所述电源模块如上所定义，也就是说能够执行确定其在出现故障之前的寿命的方法。

附图说明

仅通过示例，将参照附图描述本公开的实施例，其中：

图1示意性地示出了可编程控制器的架构；

图2是更新平均温度值的流程图；

图3示意性地示出了由可编程控制器的电源模块的微控制器实现的用于确定模块的平均故障时间的方法；

图4是根据本发明的方法的流程图；以及

图5示意性地示出了根据本发明的电源的框图。

具体实施方式

图1示出了包括通过背板总线3(“背板”)互连的多个模块的可编程控制器。PLC包括CPU模块4和多个I/O模块5。为了运行，可编程控制器包括向所有模块提供至少一个电源电压的电源系统1、2。供电电压通过电力系统施加到背板总线3。

根据本发明的电源系统包括至少一个电源模块1。其还可以包括第二电源模块2。然后，两个模块1、2冗余关联以总是提供PLC的电源所需的至少一个电压。

在该示例中，控制器的模块1、2、4、5都经由连接器连接到背板总线3，电力通过该连接器，且数据通过其在模块之间交换。通过总线3，模块使用通信协议(例如I2C(“内部集成电路”))相互通信。

第一电源模块1和第二电源模块2各自包括微控制器，分别指定为第一UC1微控制器和第二UC2微控制器。每个微控制器UC1、UC2包括通信模块，布置成根据所选的通信协议通过总线3发送和接收消息。

在图1中，背板总线3包括：

-两条通信线30、31，用于第一和第二两个微控制器模块(I2C总线)之间的通信，

-电源线32，两个模块通过该电源线供应用于为可编程控制器的模块供电的电压，

-线33，每个微控制器系统可以在该线上向CPU模块发出信号以通知其不再能够提供冗余电源，

-线34，每个微控制器系统在该线上通知PLC的CPU模块和其他模块它们能够提供所需的电源电压。

在每个电源模块中，微控制器UC1、UC2适于确定电源模块的运行时间和模块中使用的电子电路的平均故障时间。通常，这个时间以小时表示。

此外，它实现了图3所示的算法。温度传感器(T°)位于模块内并连接到微控制器，以规则或不规则的间隔发送记录的温度值。

微控制器UC1、UC2已经存储了若干个温度值(例如三个温度Tx、Ty、Tz)，模块的电子电路的平均故障时间的若干个对应的预定理论值。对于每个温度值而言，理论值由电路中存在的每个部件的故障率确定。

对于每个温度Tx、Ty、Tz而言，平均故障时间值如下获得：

其中λ_i、λ'_i、λ″_i对应于模块的电子电路的每个部件i(i表示从1到n个部件)在相应的温度Tx、Ty和Tz的故障率。因此微控制器存储MTTF_Tx、MTTF_Ty和MTTF_Tz，在本示例中针对三个温度Tx、Ty、Tz而言。

在运行中，微控制器按以下方式进行：

参照图3，在第一步骤E1中，微控制器确定模块在确定的和已知的运行时间期间的平均温度即平均值。温度由传感器T°测量并传送给微控制器，且运行时间通过RTC确定。该平均温度例如在每个温度读数之后被更新。为了更新该平均值AOTj，微控制器可以应用图2所示的算法：

-对于每个测量温度，微控制器执行的步骤是，将已测量的CTj温度与先前测量计算的平均值AOTj-1进行比较：

-如果测量的CTj温度小于先前的平均值AOTj-1，则新的平均值是：

-如果测量的CTj温度高于先前的平均值AOTj-1，则新的平均值是：

返回到图3，在第二步骤E2中，微控制器将在前一步骤中确定的平均温度值AOTj与温度Tx、Ty和Tz进行比较，对于温度Tx、Ty和Tz中的每个而言，微控制器已经存储了平均故障时间的预定值MTTF_Tx、MTTF_Ty、MTTF_Tz。

温度AOTj的平均值因此被定位在一个温度范围内，包括第一即上限值和第二即下限值。然后微控制器为较高的值选择存储的平均故障时间的相应的预定值并且为较低的值选择存储的平均故障时间的相应的预定值。

平均故障时间MTTF_Tx、MTTF_Ty、MTTF_Tz的预定值对应于电气设备的预定负载条件。该负载条件可以取可由电源模块1、2供应的最大功率的1％到100％之间的任何值，比如50％、60％、75％；80％、90％。

在第三步E3中，微控制器通过插值确定模块故障之前的运行时间的值。例如，如果考虑到平均温度在由Tx和Ty(Ty大于Tx)定义的范围内，则其应用以下公式：

因此，基于平均温度值(AOTj)、温度范围的第一(上限)值、温度范围的第二(下限)值以及平均故障时间的第一预定值和平均故障时间的第二预定值来确定电气设备的调整的平均故障时间(MTTF)。

图4示出了目前描述的方法的流程图，采用进一步的步骤进行了扩展，用于评估所得的平均故障时间。

再次，开始于确定电气设备在运行时间期间已经运行的平均温度值(AOTj)101，随后确定所确定的平均温度值(AOTj)所处的温度范围102，该范围具有对应于平均故障时间的第一预定值的第一温度值和对应于平均故障时间的第二预定值的第二温度值。并且基于所述平均温度值(AOTj)、温度范围的第一(上限)值、温度范围的第二(下限)值、平均故障时间的第一预定值和平均故障时间的第二预定值来确定电气设备的调整的平均故障时间(MTTF)。

在现有技术的解决方案中，将平均故障时间与电气设备的运行时间(电气设备启动并运行所经历的时间)进行比较，而与其性能无关。

根据本发明，通过基于电气设备的运行时间和实际负载确定补偿的运行时间104来调整运行时间。然后可以将补偿的运行时间与调整的平均故障时间进行比较105。和/或调整的平均故障时间与补偿的运行时间之间的时间差可以直接确定。

取决于比较的结果或确定的时间差，可以在以下情况下产生控制信号106：

-补偿的运行时间超过预定阈值；或

-确定的时间差低于预定阈值。

该预定阈值可以表示为调整的平均故障时间的百分比，比如达到平均故障时间的剩余时间的5％、7％或10％。或者，预定阈值可以表示为调整的平均故障时间的时限小时数，比如达到平均故障时间的100小时；1400小时或2000小时。

例如，当补偿的运行时间和平均故障时间之间的差异低于100小时时，可以生成控制信号。或者，例如，补偿的运行超过平均故障时间的90％。

控制信号可以用于警告操作者或提供其他警告信号。例如，当可编程控制器配有冗余电源时，它也可用于指令从一个电源切换到另一个电源。控制信号也可以用于指示其中一个冗余电源不再能够执行其备份功能。

尽管参照图4的方法已经在上面被描述为连续的步骤，但是可以同时执行上述步骤中的一些以在需要时准备好中间结果。

现在将更详细地描述确定运行时间的调整的方式。电气设备布置成在连续时刻监视运行时间和实际负载以及其存储值。确定补偿的运行时间包括确定连续时刻之间的时间间隔，通过补偿因子调整确定的时间间隔，并且用确定的调整的时间间隔更新补偿的运行时间。

补偿因子基于在确定的时间间隔和预定的负载条件期间的实际负载。电气设备通常不能在其最大运行能力下连续运行，为了应对需求的高峰而留有一定的余地。根据使用应用的类型，这个余地被设计为适应预期的需求变化，因此可能会变窄或变大。

此外，补偿因子可以表示为在时间间隔和预定的负载条件期间的实际负载的函数。该函数可以是线性的、成比例的、二次的、对数的或其组合。所有这些取决于使用应用的类型。

在一个示例中，其中运行时间和实际负载同样由电气设备监测并且在连续时刻被存储，确定补偿的运行时间可以包括应用以下表达式：

COT_i＝COT_i-1+(CT_i*CL_i)

其中：

-CTi是从前一时间间隔测量起经过的当前测量的时间间隔；

-CLi是基于在时间间隔和预定负载条件期间的电气设备的实际负载的补偿因子；

-COTi-1是补偿的运行时间的先前值。

参考图5，示出了根据本发明的电源的控制逻辑的框图。对于不同的相关温度值的预定平均故障时间值50存储在电源中的嵌入式本地ROM 51中。这些值用于在方框52内插平均故障时间，即平均温度值。平均温度值从方框53获得，方框53基于由温度传感器54和实时计数器55感测的温度确定平均温度值。实时计数器55还向补偿的运行时间块56提供输入以及所监视的功率负载57。在比较块59中比较补偿的运行时间56与从经内插和调整的平均故障时间导出的时限58。比较59的结果作为方框60中的时限，在该示例中表示达到平均故障时间的剩余小时数。

尽管以上参考具体实施例描述了本发明，但是本发明不限于这里阐述的具体形式。相反，本发明仅由所附权利要求书限定，除了上述具体实施例以外的其它实施例在这些所附权利要求的范围内同样是可能的。

此外，尽管上面以部件和/或功能的一些示例性组合来描述了示例性实施例，但应该理解的是，可以通过不脱离本公开的范围的构件和/或功能的不同组合来提供替代实施例。另外，特别设想的是，单独或作为实施例的一部分描述的特定特征可以与其他单独描述的特征或其他实施例的一部分组合。

Claims

1.一种用于确定电气设备的平均故障时间的方法，包括：

确定平均温度值(AOTj)，在运行时间期间电气设备在该平均温度值运行；

确定所确定的平均温度值(AOTj)所处的温度范围，所述范围具有对应于平均故障时间的第一预定值的第一温度值和对应于平均故障时间的第二预定值的第二温度值；

基于所述平均温度值(AOTj)、所述温度范围的第一值、所述温度范围的第二值、所述平均故障时间的第一预定值和所述平均故障时间的第二预定值来确定电气设备的调整的平均故障时间(MTTF)。

2.根据权利要求1所述的方法，对于所述电气设备的预定负载条件，提供平均故障时间的第一预定值和平均故障时间的第二预定值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：

基于所述电气设备的运行时间和实际负载来确定补偿的运行时间；以及

将补偿的运行时间与调整的平均故障时间进行比较；和/或

确定调整的平均故障时间与补偿的运行时间之间的时间差。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：

在以下情况下产生控制信号：

补偿的运行时间超过预定阈值；或

确定的时间差低于预定阈值。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述预定阈值表示为：

调整的平均故障时间的百分比；或

调整的平均故障时间的时限小时数。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中，所述运行时间和实际负载由所述电气设备监测并在连续时刻被存储，并且

其中，确定补偿的运行时间包括：

确定连续时刻之间的时间间隔；

通过补偿因子调整所确定的时间间隔；以及

用所确定的调整的时间间隔更新补偿的运行时间；

其中，所述补偿因子是基于在所确定的时间间隔和预定的负载条件期间的实际负载。

7.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中，所述运行时间和实际负载由所述电气设备监测并且在连续时刻被存储，并且

其中，确定补偿的运行时间包括应用以下表达式：

COT_i＝COT_i-1+(CT_i*CL_i)

其中：

-CTi是从前一时间间隔测量起经过的当前测量的时间间隔；

-COTi-1是补偿的运行时间的先前值。

8.根据权利要求6或7所述的方法，还包括：

将所述补偿因子表示为在时间间隔和预定的负载条件期间的实际负载的函数。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，确定调整的平均故障时间包括：

应用以下表达式：

其中：

-Tx是温度范围的第二(下限)值；

-Ty是温度范围的第一(上限)值；

-AOTj是确定的平均温度值；

-MTTF_Tx是预定的第二平均故障时间；

-MTTF_Ty是预定的第一平均故障时间；

-MTTF_Ti是调整的平均故障时间。

10.一种用于包括微控制器(UC1、UC2)的可编程控制器的电源模块，所述微控制器布置成用于实现根据权利要求1至9中任一项所述的方法。

11.一种可编程控制器，包括：

中央处理单元模块；

至少一个输入/输出模块；以及

至少一个根据权利要求10所述的电源模块。