CN111190415B - 一种工业控制系统可用率测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业控制系统可用率测试方法及系统，属于燃气行业、火电行业、核电行业工业控制系统技术领域，其步骤如下：(1)确定被测试对象的范围；(2)针对被测试对象，开展故障模式影响分析；(3)确定出每一类设备、每一种故障模式对系统可用率的贡献；(4)实际可用率的测试。本发明的工业控制系统可用率测试方法具有以下优点：通过统计对可用性有影响的故障模式，比现有技术更加准确；本发明给出了明确的设备故障权重确定方法，能够让使用者针对具体系统的功能、架构确定出合适的设备故障权重。

Description

一种工业控制系统可用率测试方法及系统

技术领域

本发明涉及一种工业控制系统可用率测试方法及系统，属于燃气行业、火电行业、核电行业工业控制系统技术领域。

背景技术

工业控制系统需要进行可用率测试，测试通过才能进行正式商业运营。

目前，工业控制系统可用率测试方法主要依据《DL/T 659-2016火力发电厂分散控制系统验收测试规程》，具体工作方法如下：确认被测试系统的可用率，一般为0.999，某些关键行业或关键系统要求更高，例如核安全级DCS的可用率不应小于0.9999；确定被测试系统的范围，一般只考虑工业控制系统本身，不包括传感器和执行器；确定可用率测试周期，一般为60天，工业控制系统在60天内，若累计故障停用时间不超过1.4小时，则可认为工业控制系统可用率测试结果不低于0.999；若累计故障停用时间不超过8.4分钟，则可认为工业控制系统可用率测试结果不低于0.9999；可用率测试公式如下：

A＝(T_t-T_f)/T_t (1)

可用率测试公式中的参数及关键事件说明如下：

a)T_t：实际试验时间，指整个连续测试统计时间扣除由于非本系统因素造成的空等时间；

b)T_f：故障时间，指被测试系统中任一设备或子系统在实际测试时间内因故障而停用的时间经加权后的综合；

c)t_fi：第i个设备或子系统故障停用时间；

d)K_fi：第i个设备或子系统的故障加权系数；

e)在可用率测试周期内，定义关键事件，例如主备冗余控制器故障、全部操作员站主要功能丧失、冗余通信故障等，当这些关键事件发生超过一定次数时，则认为测试不通过。

在可用率测试周期内，当关键事件发生，造成可用率测试不通过时，应再一次进行可用率测试，测试期延长一倍，并应从出现事件时刻开始，延长测试周期，若仍达不到要求，则认为可靠性评估没有通过。

现有技术仅给出火电DCS的最终权重结果，其他行业或系统的使用者难以使用。

当前可用率测试方法主要存在以下缺点：1)可用率各设备的权重，《DL/T 659-2016火力发电厂分散控制系统验收测试规程》仅给出了一个参考值，并没有给出确定方法，而实际工业控制系统的设备、架构和功能重要度都不同，在没有方法的前提下，很难仅根据一个参考值就确定出较为合理的权重；2)在可用率测试过程中，《DL/T 659-2016火力发电厂分散控制系统验收测试规程》并不区分设备的故障模式，只要有故障，即认为对可用率有影响，而在实际运行过程中，并不是所有的故障模式都会对可用率造成影响。

因此，提供一种新的工业控制系统可用率测试方法及系统，该方法首先识别出对可用性有贡献的故障模式，并基于设备故障后果严重程度、设备数量综合给出设备故障的权重值，最终统计出更加有效、真实的可用率；成为该技术领域急需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的之一是开发出一种新的工业控制系统可用率测试方法，首先识别出对可用性有贡献的故障模式，并基于设备故障后果严重程度、设备数量综合给出设备故障的权重值，最终统计出更加有效、真实的可用率。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：

一种工业控制系统可用率测试方法，其步骤如下：

(1)确定被测试对象的范围

确定被测试对象的范围，具体到现场可更换单元；

(2)故障模式影响分析

最小分析颗粒度为现场可更换单元，统计对可用率有贡献的故障模式及其后果严重程度，对可用性无影响的故障排除出测试范围；

(3)故障模式对工业控制系统可用率的贡献

根据设备故障严酷度和设备数量，应用综合权衡法，确定出每一类设备、每一种故障模式对系统可用率的贡献；

(4)实际可用率的测试

可用率测试测试开始后，统计发生的有效故障模式f_ij及其实际维修时间RT-1_ij：

有效故障模式为确信、关联的故障模式，应满足以下3项特征才属于有效故障模式：

被测试对象自动运行过程中出现功能异常，由其内部的故障诊断电路识别并报出明确的故障代码；

故障状态明显且持续，可以复现，闪发故障等虚警信号不包括在内；

故障状态成功被现场日志系统所记录，并经维护人员、设备供应商确认；

满足上述3个条件的故障模式为有效故障模式f_ij，作为有效原始信息，用于可用率测试；

实际维修时间RT-1_ij，是指从有效故障模式f_ij的发生时刻RT-1-start_ij，到有效故障模式被排除，系统恢复正常运行时刻RT-1-end_ij，两者的时间差，有效故障模式f_ij的发生时间RT-1-start_ij，与维修活动完成系统恢复正常时间RT-1-end_ij均由现场日志系统所记录；

该故障模式的实际加权维修时间为RT-2_ij，如下式(3)所示：

RT-2_ij＝RT-1_ij×K_ij (3)

统计所有实际发生的故障及相应的加权维修时间，最终根据下式(4)算出实际可用率：

优选地，步骤(1)中，所述现场可更换单元为板卡、模块等，并统计好设备类型及相应数量，确定测试周期和可用率指标。

优选地，步骤(1)中，具体的基础指标如下：

被测试对象总共有N种设备；

第i种设备的数量为M_i，其中i＝1,2,…,N；

测试指标为A_t，对于工业控制系统，通常有0.999≤A_t<1；

测试周期为T_t，对于工业控制系统，通常T_t＝1440h，当关键事件发生时，应进行适当地延长。

优选地，步骤(1)中，还规定统计关键事件：在可用率测试之前，规定一些关键事件，这些关键事件不进行统计计算，只要发生一次或者两次，即算测试失败。

优选地，步骤(1)中，所述关键事件的定义及发生次数随着行业、系统和功能的不同而不同，总体上可以根据故障严酷度确定。

优选地，步骤(2)中，开展故障模式影响分析后，得到如下技术指标：

第i种设备对可用性有影响的故障模式总共有F_i种；

第i种设备第j种故障模式为f_ij；

第i种设备第j种故障模式的理论维修时间为RT_0_ij；

第i种设备第j种故障模式的严酷度为S_ij，其中j＝1,2,…,F_i，通常S_ij≤3；

第i种设备第j种对可用性有影响的故障模式频数比为Q_ij，其中j＝1,2,…,Fi，且有

优选地，所述步骤(3)中，综合权衡数据如下表1所示：

表1综合权衡数据表

分别是第i种设备最后一种故障模式、此故障模式的故障严酷度和此故障模式的理论维修时间。

优选地，所述步骤(3)中，当某种设备数量越多、对应故障模式的严酷度越高、频数比越大、维修时间越长时，这类设备的故障模式对系统可用性的贡献就越大，因此，设备故障权重系数应考虑这些因素的贡献；假设第i种设备第j种对可用性有影响的故障模式的权重系数比为K_ij，则有：

本发明的另一目的是开发出一种新的工业控制系统可用率测试系统，首先识别出对可用性有贡献的故障模式，并基于设备故障后果严重程度、设备数量综合给出设备故障的权重值，最终统计出更加有效、真实的可用率。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：

一种工业控制系统可用率测试硬件系统，其特征在于：包括一个或多个显示装置和一台或多台测试计算机，测试计算机具备在线和离线采集故障信息的功能，若被测对象具备通信端口与测试计算机相连，且数据协议格式相匹配，则测试计算机可以采集到被测对象的实时状态信息，故障发生时自动记录次数；对于运行时间，被测对象与测试计算机相互连接，若双方数据协议格式匹配，可进行周期校时，进而获取到被测对象的运行时间；测试计算机具备可视化功能，故障数据信息和运行时间信息可实时显示，所述显示装置与所述测试计算机相连接。

有益效果：

本发明的工业控制系统可用率测试方法及系统具有以下优点：首先，通过统计对可用性有影响的故障模式，本发明的可用率测试方法要比现有技术更加准确，现有技术统计的可用率较为保守；其次，本发明给出了明确的设备故障权重确定方法，能够让使用者针对具体系统的功能、架构确定出合适的设备故障权重，现有技术仅给出火电DCS的最终权重结果，其他行业或系统的使用者难以使用。

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1为本发明工业控制系统可用率测试方法的总体工作流程图。

图2为本发明工业控制系统可用率测试方法中故障模式影响分析流程图。

图3为本发明应用实施例1中安全仪表系统典型架构示意图。

图4为本发明工业控制系统可用率测试硬件系统以及被测对象的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明工业控制系统可用率测试方法的总体工作流程图；如图 2所示，为本发明工业控制系统可用率测试方法中故障模式影响分析流程图。

一种工业控制系统可用率测试方法，其步骤如下：

(1)确定被测试对象的范围

确定被测试对象的范围，具体到现场可更换单元；现场可更换单元为板卡、模块等，并统计好设备类型及相应数量，确定测试周期和可用率指标，具体的基础指标如下：

被测试对象总共有N种设备；

第i种设备的数量为M_i，其中i＝1,2,…,N；

测试指标为A_t，对于工业控制系统，通常有0.999≤A_t<1；

测试周期为T_t，对于工业控制系统，通常T_t＝1440h，当关键事件发生时，应进行适当地延长；还应规定统计关键事件：在可用率测试之前，应规定一些关键事件，这些关键事件不进行统计计算，只要发生一次或者两次，即算测试失败；所述关键事件的定义及发生次数随着行业、系统和功能的不同而不同，总体上可以根据故障严酷度确定；

(2)针对被测试对象，开展故障模式影响分析

最小分析颗粒度为现场可更换单元，统计好对可用率有贡献的故障模式及其后果严重程度，对可用性无影响的故障排除出测试范围；开展故障模式影响分析后，得到如下技术指标：

第i种设备对可用性有影响的故障模式总共有F_i种；

第i种设备第j种对可用性有影响的故障模式为f_ij；

第i种设备第j种对可用性有影响的故障模式的理论维修时间为RT-0_ij；

第i种设备第j种对可用性有影响的故障模式的严酷度为S_ij，其中j＝1,2,…,F_i，通常S_ij≤3；

第i种设备第j种对可用性有影响的故障模式频数比为Q_ij，其中j＝1,2,…,F_i，且有

(3)确定出每一类设备、每一种故障模式对系统可用率的贡献

根据设备故障严酷度和设备数量，应用综合权衡法，确定出每一类设备、每一种故障模式对系统可用率的贡献；

综合权衡数据表如下表1所示：

表1综合权衡数据表

分别是第i种设备最后一种故障模式、此故障模式的故障严酷度和此故障模式的理论维修时间。

当某种设备数量越多、对应故障模式的严酷程度越高、频数比越大、维修时间越长时，这类设备的故障模式对系统可用性的贡献就越大，因此，设备故障权重系数应考虑这些因素的贡献；假设第i种设备第j种对可用性有影响的故障模式的权重系数比为K_ij，则有：

(4)实际可用率的测试

可用率测试测试开始后，统计发生的有效故障模式f_ij及其实际维修时间RT-1_ij：

有效的故障模式为确信、关联的故障模式，应满足以下3项特征才属于有效故障模式：

被测试对象自动运行过程中出现功能异常，由其内部的故障诊断电路识别并报出明确的故障代码；

故障状态明显且持续，可以复现，闪发故障等虚警信号不包括在内；

故障状态成功被现场日志系统所记录，并经维护人员、设备供应商确认；

满足上述3个条件的有效故障模式f_ij，才能作为有效原始信息，用于可用率测试。

实际维修时间RT-1_ij，是指从有效故障模式f_ij的发生时刻RT-1-start_ij，到有效故障模式被排除系统恢复正常运行时刻RT-1-end_ij，两者的时间差，有效故障模式f_ij的发生时间RT-1-start_ij，与维修活动完成系统恢复正常运行时刻RT-1-end_ij均由现场日志系统所记录；

该故障模式的实际加权维修时间为RT-2_ij，如下式(3)所示：

RT-2_ij＝RT-1_ij×K_ij (3)

统计所有实际发生的故障及相应的加权维修时间，最终根据下式(4)算出实际可用率：

应用实施例1

针对安全仪表系统应用本发明，如图3所示，为本发明应用实施例1中安全仪表系统典型架构示意图；安全仪表系统典型架构包括工程师站，服务器，现场控制站等，工程师站与服务站相连接，现场控制站为三个，其中两个现场控制站包括站间通信单元，第三个现场控制站包括CPU单元、站间通信单元、IO通信主站、模拟量输入单元(AI)/数字量输入单元(DI)、模拟量输出单元(AO)/数字量输出单元(DO)；三个现场控制站一端之间通过点对点通信单元相连接，第三个现场控制站中的CPU单元一端分别与站间通信单元和IO通信主站相连接，另一端与服务器通过通信网络相连接；IO通信主站分别与模拟量输入单元(AI)/数字量输入单元(DI)和模拟量输出单元(AO)/数字量输出单元(DO)相连接；第三现场控制站中的模拟量输入单元(AI)/数字量输入单元(DI)和模拟量输出单元(AO)/数字量输出单元(DO)和另两个现场控制站的另一端通过停堆断路器相连接。

测试时间为60天，可用率目标为At≤0.9999。

经分析统计，得到此安全仪表系统的综合权衡数据表(仅考虑对可用性有影响的故障模式)如下表2所示。

表2典型安全仪表系统权衡数据表

根据公式(5)，可得各个故障模式的权重系数，如下表3所示。

表3 安全仪表系统故障权重系数表

可用率测试开始后，记录到2次故障：1次为AI通道精度漂移，属于I/O通道故障；1次为点对点通信单元通信故障，这两次故障均不属于关键事件，这2次故障的实际加权维修时间为：

RT_2_实际＝0.048426×10+0.087167×15＝1.792(分钟) (6)

因此，最终的实际测试可用率如下：

满足A_t≥0.9999的要求。

如图4所示，为本发明工业控制系统可用率测试硬件系统以及被测对象的结构示意图；本发明的工业控制系统可用率测试硬件系统，包括一个或多个显示装置和一台或多台测试计算机，测试计算机具备在线和离线采集故障信息的功能，若被测对象具备通信端口与测试计算机相连，且数据协议格式相匹配，则测试计算机可以采集到被测对象的实时状态信息，故障发生时自动记录次数；对于运行时间，被测对象与测试计算机相互连接，若双方数据协议格式匹配，可进行周期校时，进而获取到被测对象的运行时间；测试计算机具备可视化功能，故障数据信息和运行时间信息可实时显示，所述显示装置与所述测试计算机相连接。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (5)

1.一种工业控制系统可用率测试方法，其步骤如下：

(1)确定被测试对象的范围

确定被测试对象的范围，具体到现场可更换单元；

(2)故障模式影响分析

统计对可用率有贡献的故障模式及其后果严重程度，对可用性无影响的故障排除出测试范围；

(3)确定出每一类设备、每一种故障模式对系统可用率的贡献

根据设备故障严酷度和设备数量，应用综合权衡法，确定出每一类设备、每一种故障模式对系统可用率的贡献；

(4)实际可用率的测试

可用率测试开始后，统计发生的有效故障模式f_ij及其实际维修时间RT-1_ij：

有效故障模式为确信、关联的故障模式，满足以下3项特征：

被测试对象自动运行过程中出现功能异常，由其内部的故障诊断电路识别并报出明确的故障代码；

故障状态明显且持续，复现，虚警信号不包括在内；

故障状态成功被现场日志系统所记录，并经维护人员、设备供应商确认；

满足所述3项特征的有效故障模式f_ij，作为有效原始信息，用于可用率测试；

实际维修时间RT-1_ij，是指从有效故障模式f_ij的发生时刻RT-1-start_ij，到有效故障模式被排除系统恢复正常运行时刻RT-1-end_ij，两者的时间差，有效故障模式f_ij的发生时间RT-1-start_ij，与维修活动完成系统恢复正常时间RT-1-end_ij均由现场日志系统所记录；

该故障模式的实际加权维修时间为RT-2_ij，如下所示：

RT-2_ij＝RT-1_ij×K_ij (3)

其中，K_ij为第i种设备第j种对可用性有影响的故障模式的权重系数比；

统计所有实际发生的故障及相应的加权维修时间，最终根据下式(4)算出实际可用率：

步骤(2)中，开展故障模式影响分析后，得到如下技术指标：

第i种设备对可用性有影响的故障模式总共有F_i种；

第i种设备第j种对可用性有影响的故障模式为f_ij；

第i种设备第j种对可用性有影响的故障模式的理论维修时间为RT_0_ij；

第i种设备第j种对可用性有影响的故障模式的严酷度为S_ij，其中j＝1,2,…,F_i，通常S_ij≤3；

第i种设备第j种对可用性有影响的故障模式频数比为Q_ij，其中j＝1,2,…,F_i，且有

所述步骤(3)中，

2.根据权利要求1所述的工业控制系统可用率测试方法，其特征在于：步骤(1)中，所述现场可更换单元为板卡或模块，并统计好设备类型及相应数量，确定测试周期和可用率指标。

3.根据权利要求2所述的工业控制系统可用率测试方法，其特征在于：步骤(1)中，具体的基础指标如下：

被测试对象总共有N种设备；

第i种设备的数量为M_i，其中i＝1,2,…,N；

测试指标为A_t，对于工业控制系统，通常有0.999≤A_t<1；

测试周期为T_t，对于工业控制系统，通常T_t＝1440h。

4.根据权利要求3所述的工业控制系统可用率测试方法，其特征在于：步骤(1)中，还规定统计关键事件：在可用率测试之前，规定一些关键事件，发生一次或者两次，即算测试失败。

5.根据权利要求4所述的工业控制系统可用率测试方法，其特征在于：步骤(1)中，所述关键事件的定义及发生次数随着行业、系统和功能的不同而不同，根据故障严酷度确定。

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