分散控制系統(tǒng)（DCS）的可靠性

分散控制系統(tǒng)（DCS）的主要作用是對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制、監(jiān)視、管理和決策,因此要求它必須具有很高的可靠性,這樣才能保證工廠的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。為了實現(xiàn)這一點(diǎn),在分散控制系統(tǒng)中采用了許多提高可靠性的措施。我主要從可靠性的一般概念、可靠性分析方法、分散控制系統(tǒng)中采用的可靠性措施,以及軟件的可靠性問題進(jìn)行簡單的論述。
可靠性的研究工作隨著大規(guī)模計算機(jī)系統(tǒng)和國際性計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展,可靠性問題己經(jīng)成為一個十分重要的問題,可靠性理論也在這種形勢下不斷地發(fā)展和完善,可靠性技術(shù)的研究內(nèi)容大致分為四個方面:可靠性設(shè)計、可靠性分析、可靠性試驗、可靠性管理。
可靠性設(shè)計旨在按照一定的技術(shù)要求,設(shè)計和制造出可靠性高、不易損壞的產(chǎn)品；可靠性分析則是通過對有關(guān)數(shù)據(jù)的收集、分析和計算得出一些關(guān)于可靠性問題的評價和結(jié)論；可靠性試驗是驗證系統(tǒng)可靠性是否達(dá)到規(guī)定指標(biāo)的手段,它能暴露系統(tǒng)設(shè)計中可能存在的問題；可靠性管理著眼于從管理方面提高整個系統(tǒng)的可靠性,例如制定合理的檢修周期,配備合適的備品備件,安排適量的檢修人員等。
一、分散控制系統(tǒng)中的可靠性措施
在分散控制系統(tǒng)中,采用了許多提高可靠性的技術(shù)措施。這些技術(shù)措施是建立在以下四種基本思想上的:一是要使系統(tǒng)本身不易發(fā)生故障,即所謂的故障預(yù)防；二是在系統(tǒng)發(fā)生故障時盡可能減少故障所造成的影響,即所謂的故障保安和故障弱化；三是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,能夠讓系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行,即所謂的故障容許；四是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,可以在不停止系統(tǒng)運(yùn)行的情況下進(jìn)行維修,即所謂的在線維修。基于這四種基本思想,分散控制系統(tǒng)中采用了各種各樣的可靠性措施。

1 嚴(yán)格進(jìn)行質(zhì)量管理和提高系統(tǒng)硬件水平
硬件是系統(tǒng)正常工作的物質(zhì)基礎(chǔ),也是影響系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵所在。因此,提高硬件的平均故障間隔時間MTBF是提高系統(tǒng)可靠性的重要措施。為了實現(xiàn)這一點(diǎn),分散控制系統(tǒng)的制造廠家采取了許多措施。
1.對元器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選和老化
所謂篩選,就是將不符合使用條件的元器件,通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄓ枰蕴蕹Ｋ^老化就是在元器件投入使用之前,將其置于一定的工作條件下,使有可能發(fā)生參數(shù)漂移的元器件逐步穩(wěn)定。
2.元器件的降額使用
電子元器件都有一定的使用條件,這些使用條件是以元器件的某些額定參數(shù)值來表示的。實踐證明,當(dāng)元器件的工作條件低于額定值時,其工作比較穩(wěn)定,發(fā)生故障的機(jī)會也比較少。所以為了提高可靠性,往往將元器件降額使用。降額的幅度要從可靠性和經(jīng)濟(jì)性兩方面綜合考慮,因為元器件的額定參數(shù)越高,價格也越高。
3. 充分考慮到參數(shù)變化的影響
在電路設(shè)計上充分考慮到元器件在使用過程中受參數(shù)變化造成的影響,使之在各種不利情況下均能正常工作。
4. 采用低功耗元件
低功耗元件的發(fā)熱量比較少,它們的故障率相對來說比較低。另外,普遍采用低功耗元件可以大大地減輕電源的負(fù)擔(dān),提高電源的可靠性。
5. 采用噪聲抑制技術(shù)
在工業(yè)控制現(xiàn)場,各種各樣的干擾脈沖常常是造成控制系統(tǒng)硬件故障的原因。因此,采用噪聲抑制技術(shù)是提高系統(tǒng)可靠性的一種行之有效的辦法。
6. 耐環(huán)境設(shè)計
在系統(tǒng)硬件的設(shè)計上,充分考慮各種環(huán)境因素的影響,采用適當(dāng)?shù)睦鋮s、抗震、防塵、防腐等技術(shù)措施,以提高系統(tǒng)抵御外部環(huán)境侵襲的能力。

2 使系統(tǒng)故障時處于安全狀態(tài)
1.限制故障范圍
系統(tǒng)在工作中不斷地進(jìn)行在線故障檢測, 一旦發(fā)現(xiàn)故障,就將故障設(shè)備與系統(tǒng)隔離,使它不致于影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。
2. "凍結(jié)"CPU輸出
如果系統(tǒng)檢測到CPU故障,則立即"凍結(jié)"控制系統(tǒng)的輸出信息,以免造成輸出混亂。

3 采用后備措施
1.手動后備
對于重要的控制回路,可以采用手動后備的方法來提高可靠性。一旦自動控制失靈，可以手動控制生產(chǎn)過程。分散控制系統(tǒng)有三種處于不同層次上的手動操作方式,見下圖：

二、軟件的可靠
　　以上所討論的是硬件的可靠性,下面將簡要介紹軟件可靠性的一般概念。軟件可靠性方面的研究工作起步較晚,但近年來逐漸引起人們的重視。其主要原因是,軟件的可靠性不高不僅會影響系統(tǒng)的工作,甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)的癱瘓,造成不可挽回的事故。例如,在1963年,一個隱藏的軟件錯誤曾經(jīng)使美國飛往火星的火箭發(fā)生爆炸,造成一千萬美元的損失。軟件可靠性的研究目前還不太成熟,但掌握一些基本概念,對于更好地認(rèn)識軟件可靠性問題是有禪益的。
1　軟件的可靠性
軟件的可靠性最初僅僅被認(rèn)為是軟件的準(zhǔn)確性。如果軟件能夠準(zhǔn)確無誤地完成所要求的功能,人們就認(rèn)為軟件是可靠的。然而,這最起碼的要求也常常不能得到滿足。有人做過統(tǒng)計,對于初次編出的軟件,平均每100--4000條指令就會出現(xiàn)一個錯誤。這些錯誤需要在調(diào)試、聯(lián)調(diào)、試運(yùn),甚至到運(yùn)行時才能陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)和改正。近年來,人們對軟件可靠性賦以更廣泛的含義,即便于使用和便于擴(kuò)展。如果一個軟件不便于使用,不便于擴(kuò)展,就認(rèn)為這個軟件存在著缺陷。軟件的質(zhì)量主要由以下六方面的因素決定:
　（1）時間因素 與硬件一樣,軟件也有MTBF、MTTR等指標(biāo)。除此之外,還有以下時間指標(biāo):系統(tǒng)平均不工作間隔時間MTBD(Mean Time Between System Downs)、平均停機(jī)時間MDT(Mean Down Time)。
　（2）缺陷頻數(shù) 包括軟件缺陷數(shù)、文件缺陷數(shù)、用戶提出的補(bǔ)充要求數(shù)。
　（3）與軟件可靠性有關(guān)的百分率 除了與硬件相似的可靠性、可用性、可維修性、故障率等百分率之外,還有以下幾種百分率:
不合格率: 不能算故障但應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)的事件叫不合格事件,它的出現(xiàn)率叫不合格率。
延遲率: 一項要求在規(guī)定時間T內(nèi)完成的任務(wù),由于軟件不可靠,實際完成時間為T1，則定義D= T1-T為延遲時間,D/T叫延遲率。
誤操作率: 這與操作者的操作水平有關(guān),但在一定程度上反映了軟件說明書是否清楚,以及軟件是否適用于操作。
原因不明率: 出現(xiàn)了軟件故障但查不出原因,從而無法糾正的故障率叫原因不明率,它反映了軟件的可維修性。
同故障事件率: 第一次出現(xiàn)的故障在采取措施糾正后仍重復(fù)出現(xiàn)的再現(xiàn)率叫同故障事件率。它反映了糾正措施不徹底。
可靠性經(jīng)費(fèi)率: 為軟件可靠性及維修所付出的費(fèi)用與總軟件費(fèi)用之比叫可靠性經(jīng)費(fèi)率。
(4)軟件投入 包括開發(fā)軟件所消耗的工日數(shù)或工時數(shù),對軟件檢查的項目數(shù),對用戶提出的要求采取對策的費(fèi)用等。
(5)軟件特性 包括軟件是首次開發(fā)的還是基本套用的、復(fù)雜程度、標(biāo)準(zhǔn)化程度、結(jié)構(gòu)及規(guī)模大小、軟件的壽命周期等。
(6)使用方面特性 軟件使用方面的特性(例如,在線系統(tǒng)、實時系統(tǒng)等)、計算機(jī)的特點(diǎn)、所用的體制、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等。
2軟件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
在此僅介紹以下幾種常用的軟件質(zhì)量指標(biāo):
(1)平均不工作間隔時間MTBD。設(shè)Tv為軟件正常工作總時間,d為系統(tǒng)由于軟件故障而停止工作的次數(shù),則有 MTBD=Tv/(d+1)
(2)系統(tǒng)不工作次數(shù)(在一定時間內(nèi))。由于軟件故障停止工作,必須由操作者去介入再啟動才能繼續(xù)工作的次數(shù)。
〈3〉平均修復(fù)時間MTTR。它反映了出現(xiàn)軟件缺陷后采取對策的效率。對于在線系統(tǒng)而言,一般要求MTTR<2d,普通系統(tǒng)的MTTR<7d。
(4)平均停機(jī)時間MDT。由于軟件故障,系統(tǒng)停止工作時間的均值。對于在線系統(tǒng)而言,要求MDT<10min，普通系統(tǒng)的MDT<30min。
(5)可用性A。設(shè)Tv為軟件正常工作時間,TD為軟件故障使系統(tǒng)不工作的時間,則
定義:
A =TV /(TV +TD)
上式也可以表示為
A=MTBD/(MTBD+MDT)
(6)初期故障率。一般以軟件交付使用方的三個月為初期故障率期。初期故障率以每100h的故障數(shù)為單位。它用來評價軟件交付使用時的質(zhì)量,并且預(yù)測何時軟件可靠性基本穩(wěn)定。一般要求初期故障率不超過1,即每百小時不到一個故障。
　(7)偶然故障率。一般以軟件交付給使用方后的四個月為偶然故障期,偶然故障率一般以每1000h的故障數(shù)為單位,它反映了軟件處于穩(wěn)定狀態(tài)下的質(zhì)量。一般要求偶然故障率不超過1,即每1000h不到一個故障,亦即MTBF超過1000h。
(8)使用方誤用率。使用方不按照軟件說明書等文件進(jìn)行使用所造成的錯誤叫使用方誤用。在總使用次數(shù)中,使用方誤用次數(shù)所占的百分率叫做使用方誤用率。
(9)用戶提出補(bǔ)充要求數(shù)。如果用戶對軟件提出了補(bǔ)充要求,則反映了軟件的功能尚不能充分滿足用戶的需要。如果這種情況在軟件應(yīng)用了一段時間以后頻繁出現(xiàn),則說明軟件已經(jīng)進(jìn)入老化期,應(yīng)該開發(fā)新的軟件來取代它。一般在偶然故障期,用戶每月提出的要求數(shù)不應(yīng)超過1。如果平均數(shù)己超過1,則認(rèn)為軟件己進(jìn)入老化期。
(10)處理能力。處理能力有各種指標(biāo)。例如可以用每秒鐘處理多少過程輸入變量、更換每一幅CRT畫面需要幾秒鐘等來表示。
以上介紹了分散控制系統(tǒng)可靠性方面的一些基本概念。這些概念對于正確理解和合理應(yīng)用分散控制系統(tǒng)都是很重要的。因此我們要對DCS系統(tǒng)的可靠性要加強(qiáng)重視，希望大家都能對DCS系統(tǒng)的安全可靠性有一個正確的了解。