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扬州大学硕士学位论文大型泵站子系统可靠性模型建立及其DCS可靠性分析姓名：孙振华申请学位级别：硕士专业：泵站工程指导教师：汤方平;汤正军20070501 摘要泵站T程是解决洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化当今世界三大水资源问题较为有效的工程措施之一，其承担着区域性防洪、排涝、灌溉、调水和供水的蕈任，主要用于农田排灌、城市给排水以及跨流域调水等，在水资源的合理调度和管理中起着不可替代的重要作用。随着南水北调东线工程的实施，大型泉站工程在水利工程中的作用更加突出，同时对大型泵站机电设备运行的可靠性提出了越来越高的要求，迫切需要对大型泵站系统的可靠性进行深入研究。本文首先介绍了可靠性工程的指标和各种常用可靠性模型，包括可修复系统和预防性维修系统可靠性模型。结合工作单位江都管理处所属四座大型泵站多年运行情况，进行了可靠性指标的详细计算。然后利用可靠性模型，对大型泉站的电机与水泉系统、水导轴承部件、监控主机、微机励磁和微机保护系统，以及软件系统分别进行了可靠性计算与分析。针对大型泵站自动化监控系统快速发展及其重要性的现状，以江都一站自动化监控系统为例，在分析了其系统功能和系统结构后，建立了泵站监控系统硬件和软件可靠性模型。然后对监控系统可靠性指标进行计算，计算结果并4i是很理想，接下来蕈点对监控系统中的PLC子系统、微机测温子系统、微机保护子系统和通讯网络子系统展开具体分析，总结出具体提高监控系统可靠性的措施，主要有以下几个方面：●PLC的电源、外部配线、接地以及抗干扰设计；●微机测温传感器的接线、输入输出以及软件部分；●微机保护抗干扰设计、装置的接地、软件及容错设计；●网络通讯系统的网络结构、防病毒与防漏洞攻击、安全策略及加密技术。通过上述措施，可提高大型泵站系统运行的安全性和可靠性。关键词：大型泉站可靠性可靠性指标分布式控制系统(DcS) AbstractThepumpingsmfionprojectisoneofeffectivemeasureswhichcouldresolvetheglobalthreeproblemsaboutwaterresourcesuchasflooddisaster,dmughtandwatershortageandthedeteriorationofthewaterenvkonment，whichbeartheimt)0rtanttaskofregionalfloodcontrol，waterlogging，irrigation,WaterTransferandWaterSupply,andmainlybeusedinfarmirrigationanddrainage，urbanwaterandwastewaterandinterbasinwatertransfer．Thepumpingstationprojectplaythevitalrolethatcouldn’tbereplacedinreasonableaaemperingandadministeringwaterresourc2．WiththeEnst-RouteSouth-to-NorthWaterTransferProjectisimplemented，large—scalepumpingstationswillplayamereimportantroleinWaterConservancyProject,atthesametimehi曲erandhigherdemandsonoperatingreliabilityoftheelectromechanicalequipmentisrequired，SOthethoroughstudyonreliabilityofthelarge—scalepumpingstationssystemisurgentlyneeded．Inthispaper,reliabilityindexandvariousofreliabilitymodelsareintroducedfirstly,whichincludereliabilitymodelofrepaimblesystemandPreventiveMaintenancesystem．Accordingtofourlarge—scalepumpingstationslongtermrunningcondition,reliabilityindexiscalculateddetailedly．Then,calculateandanalysethereliabilityofthemotorandpumpingsystem，WaterPilotBearings，MonitoringHostComputer,microcomputerexcitation,microcomputerprotectionSystemandsoftwaresystemofthepumpingstationwithreliabilitymodels．Contraposetherapiddevelopmentingactualityandimportanceoftheautomaticmonitoringsystem,takingautomaticmonitoringsystemofJiangduPumpingStation1asexample，constructthehardwareandsoftwareofpumpingstationmonitoringsystemrehabilitymodelsafteritsfunctionandstructureofsystemareanalysed．Thencalculatethereliabilityindexofthemonitoringsystem,butresultsofcalculationisnotideal，whichisbecausethattheassemblageofcomplicatedadvancedequipmentcausetoahighfailuremte．Followingthat，analyzethePLCsob—systemofmonitoringsystem，microcomputerthermometricinstrumentsub--system，microcomputerprotectionsub—systemandcommunicationnetworksub-systemindetail，pointoutthemethodsthatcouldimprovethesystemreliabilityofmonitoringsystem，whicharesummarizedasfollowing：1ElectricalsourceofthePLC，externalwiring，Anti—InterferenceandGrounding Design2TheconnectionofTemperatureSensor,theinputandoutputsystemandsoftware3Anti—Interferencedesignofmicrocomputerprotection，groundingoftheequipment,softwareandfault—tolerancedesign4Networkofnet-workcommunicationsystem,preventingAttacksofvirusandsoftwarepatch，safestrategyandEncryptTechnologyThroughabovemeasures，securityandrdiabilityofpumpingstationsystemshouldbeimproved．Keyword：Large—scalepumpingstation,reliability,reliabilityindex，distributedcontrolsystem(DCS) 符号说明符号物理含义R可靠度彳可用度A固有可用度以可达可用度F累积故障概率(不可靠度)故障率(失效率){故障密度函数MTTF平均故障前时间MTBF平均故障间隔时间M1了R平均修复时间爿不可用度U修复率^trrF,平均首次敌障时间 孙振华：人犁泉站子系统W靠性横犁的建讧及其DCSur靠什馆析1绪论1．1泵站在水资源利用与管理中的重要作用水是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是维系生态与环境可持续的控制性要素。实现水资源的可持续利用，保障经济社会的可持续发展，是世界各国共同砷临的重要问题。随着各国经济的高速发展，水资源的战略地位愈来愈重要，水资源的高效利用和有效管理越来越得到各国政府的高度重视。泵站丁程是解决洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化当今世界三大水资源问题较为有效的工程措施之一，其承担着区域性防洪、排涝、灌溉、调水和供水的重任，主要用于农田排灌、城市给排水以及跨流域调水等，在水资源的合理调度和管理中起着不可替代的作用。随着现代化建设的不断加快，水泉站工程在我国得到了迅猛发展，其发挥的重要作用也越发显现。因而，泵站的可靠性研究也显得尤为重要。1．2大型泵站可靠性研究的重要性可靠性工程是研究部件、元件、系统在规定的环境下、规定的时间内以给定的置信水平无故障的执行其设计功能的概率和能力，其工作范畴可划分成可靠性管理、可靠性设计与分析和可靠性试验。可靠性工程提供理论和实用工具，用来规定、预测、设计或试验部件、元件、系统的可靠性性能，以获得最优可用性、可维修性、安全性和质量。”1可靠性包括广义和狭义两种解释。广义可靠性是指系统在其整个寿命周期内完成规定功能的能力，它包括狭义可靠性以及维修眭、保障性和可用性；狭义可靠性是指系统在某一规定时间内发生失效的难易程度。““21可靠性分析是系统科学运行管理的重要内容与手段，也是评价系统优劣的一项主要指标。大型采站系统的可靠性是指在规定的环境下、规定的时间内、在一定条件下泵站系统安全运行、完成其功能的概率和能力。通过分析泵站系统主要机电设备、辅助设备的可靠性、可用率等指标，评价与预测系统各组成部分的可用率，达到降低故障率、提高可用率的日的。大型泵站通过可靠性管理，对合理安排设备检修、评价通过检修或技术改造后的效果都将起到积极的作用。可靠性研究将在南水北调_T=程沿线各泵站中发挥重要作用。南水北调工程是解决我国北方地区水资源紧缺问题的蕈要战略举措。随着南水北调工程的实施，沿线各泵站年运行时问要求达到8000小时，其中任何一座泵站或某台机组的故障及其检 扬卅1人学[程颂十学他论文修都_i可避免地会对全线T程的调水能力产生影响，这对沿线泉站系统的呵靠性提出了更加苛刻的要求。冈此，在泵站的科学研究和技术发展方面，廊该把提高设备的可靠性作为主要目标。将大型泵站作为一个系统工程进行可靠性研究，在国内刚剐起步，因此，开展此项研究对提高我国泵站运行管理的可靠性具有非常重要的意义。1．3可靠性工程在泵站系统的研究可靠性理论以及可靠性分析在泵站方面已有一些应用，如泵站主水泵、主电机、油气水辅机系统的可靠性分析，国内现有的研究有：文献[9]中张子贤、刘家春同志从水泵与动力机配套运行的角度，给出了水泵机组运行的可靠性度量的表达式，将功率备用系数与机组运行的可靠度联系起来；运用概率与统计方法建立了水泵机组运行可靠度计算模型，给出了切实可行的计算方法。对离心泵、轴流泵各30种泵型、不同功率备用系数时，机组运行的可靠度进行了计算，并对汁算的结果进行了分析。文献[to]中储训、贾仁甫、邵正荣认为江苏大型泵站工程现代化的主要任务是进一步提高大型泵站防洪、灌溉、排水、调水标准，全面提高全省抗御自然灾害能力；全面改善泉站运行环境和管理条件；应用先进科技，提高大型泵站机电设备的质量、性能和安全性、可靠性。文献[11]中李长友、刘自放以城市供排水泵站系统为例，提出了泉站系统方案设计的可靠性问题及其评价方法。1．4论文主要研究内容大型象站主要由主水泉机组(包括水泵、电机)、油气水辅助系统、电气设备系统以及微机自动化监控系统组成。随着泵站技术的不断发展，泵站系统的功能／1i断完善、成熟，同时也越发复杂，在运行过程中常常会发生各种难以预料的问题和故障。所以，必须对泵站系统进行可靠性分析与评估，以保证泵站系统可靠、安全运行。泵站系统大致可以分为主水泉机组(包括水泵、电机)、油气水辅机系统、高压电气设备系统以及微机监控自动化系统，通过这些子系统的联合工作才能确保主机组功能的正常发挥。可靠性理论以及可靠性分析在象站方面已有部分应用，如象站主水泉、主电机、油气水辅机系统的可靠性分析，但在泵站自动化监控系统方面的可靠性分析至今并一2． 孙振华：人掣泉站于系统ur靠性横犁的建●发其DCS町椎r}=分析没有涉及，随着泵站自动化监控系统功能的不断增强，其复杂程度也大为增加，当故障出现时往往需要得到专业自动化设计、维护人员的技术支持以及产品供应商的技术支持，不利于现场故障的迅速排除。所以，通过对泵站自动化监控系统的可靠性分析研究来提高其可靠度是十分必要的。本文主要是研究可靠性理论在大型泵站子系统可靠性模型建立及自动化监控系统的可靠性分析方面的运用，以提高泉站运行的可靠性。论文中将首先建立一些可靠性模型，将这些模型运用到象站系统中，同时结合工作单位江都管理处所属四座大型泵站多年运行情况，进行泵站机组可靠性指标详细计算。针对大型泵站自动化监控系统快速发展及其重要性的现状，将可靠性模型运用到泵站的DCS监控系统的可靠性计算，展开具体分析，并提出具体提高监控系统可靠性的措施。 扬州人学L程倾十学位论文2可靠性工程简介2．1可靠性工程的发展可靠性学科的发展是从第二次世界大战期间(1940～1945)开始，由于科学技术的迅速进步，使国防_丁=业和军事工业中的设备系统愈来愈复杂，使用环境也较为恶劣，困此产品的可用性直接决定于产品的可靠性和维修性。可靠性工程发展经历了以下三个阶段：美国发展可靠性技术最早，成立了第一个正式机构：电子装置可靠性咨询委员会(AGREE)。为实现军用电子装置的可靠性，该委员会要求对科学、技术、生产、维修、使用和培训等各有关领域的可靠性进行监视。1956年初设置了9个专业分会，并于1960年左右陆续制定了军用规格、标准(MIL，MIL-STD)，成为现在可靠性标准体系的基础。这是可靠性T程发展的第一个阶段，即调查研究、制定技术规范和标准的阶段。第二阶段是从1957年至1962年，这一阶段主要是设计试验阶段，即从可靠性环境试验到生产过程中的全面质量管理。第三阶段是1968年以后，可靠性保证阶段，即全面实现以可靠性为中心的管理。我国可靠性工程起步于20世纪60年代，主要在航空、航天、电子、机械等领域开展研究工作。进入20世纪80年代以后，可靠性工程得到了迅速发展，在可靠性数学和可靠性理论上己达到一定水平，特别是武器装备的可靠性管理和研究工作取得长足的进步。我国已经颁布了一系列可靠性方面的国家标准和国家军用标准，并在大型下程项日中得到了应用。⋯”12．2可靠性工程的主要特点可靠性是系统的一项重要质量指标，不仅具有质量的属性，又有其自身特点。一是规定条件下的可比性。系统的可靠性4i仅受使用工况、环境条件的限制，且随规定时间长短、规定的系统功能不同而不同，特别象泵站工程这样较为复杂的机电类系统。二是可靠性的时间质量指标。对系统可靠性的评定一般要在系统使用后，或通过模拟试验后才能进行，所以称为t>O的质量。三是强调可用性。可靠性并不是笼统地要求长寿命，而是强调在规定的使用时间内能台充分发挥其功能，即产品的可用性。．4． 孙振华：人硝泉站子系统可靠性模型的建口及其DCS}，，靠性分析四是统计、抽样特性。系统可靠性的观测值很难预料，可利用概率统计理论估计以及抽样、截尾的试验方式获得。五是指标体系。一般来说，系统的可靠性可由多种指标形式表示，包括耐久性、无故障性、维修性、可用性和经济性，应分别用各种定量指标表示，形成一个指标体系。⋯2．3可靠性工程的技术内涵可靠性工程是为适应系统的高可靠性要求而发展起来的新兴学科，也是一门综合了众多学科的成果以解决可靠性为出发点的边缘学科。可靠性弥补了传统的质量、寿命概念的不足，表达了系统的时间质量特性，更符合实际使用目的的要求。可靠性工程是专门针对产品的“故障”进行研究的科学，由于故障是无法完全避免的，只要是产品，就可能出现故障，可靠性工程的作用是利用一定的资源开展可靠性t作，降低故障的危害程度，减少故障发生的频率。因此，现代的全面质量管理、质量保证等活动中都把可靠性作为管理的重要目标之一。“’2．4可靠性与质量管理可靠性管理是通过试验和现场使用信息的反馈，以设计预测的事前分析技术为中心，预防故障的发生，保证可靠性目标的实现。目前国外的质量管理已有很大发展，尤其是提倡全面质量管理(TQC)和在此基础上发展起来的质量保证(QA)，强调全过程的管理。国内实行的是全面质量管理(TOC)体制，但并不完善，偏重于生产过程的质量管理，强调产品性能参数的抽检合格率，对设计过程和售后阶段的管理过程还很薄弱。冈此，需要在现有管理体制内引入可靠性，加强信息反馈管理，完善过程的管理循环。2．5泵站系统可靠性指标2．5．1可靠度与可用度～般来说，对不可修系统取可靠度参数R(f)，对可修复系统则取可用度参数爿ffl。可用度是可修复系统的首要特征量，表示系统在某一时刻要求完成某一任务，在任务开始时处于能工作或可投入使用状态的一种度量。“1系统可靠度是时间的函数，其表达式为 扬卅f人学f程帧士学位论文R(f)=P(善>f)(2-1)式中，f一系统故障前T作时间：t一规定的时问由可靠度定义可得阶竿㈣式中，Ⅳn一当t=0时，在规定条件下进行工作的系统数；r(f)一在O～t时刻的工作时间内，系统累计故障次数(产生后不予修复)可修复系统的稳态可用度有两种方法表示：同有可用度4=平均无故障时间(MTBF)可达可用度A。=平均无故障时间(MTBF)+平均修复时间(MTTR)总工作时间一总停工时间总工作时间2．5．2累积故障分布函数累积故障概率F(f)(即不可靠度)是指系统在规定的条件下和规定的时间内，丧失规定功能的概率，是时问的函数，其表达式为，(f)=JP(善≤})(2-3)同时，由可靠度定义可得F(f)：掣(2-4)』V0式中，r(f)、Ⅳ。同式(21．2)中的，(f)、Ⅳ。2．5．3故障霉腰函数与口】靠厦密度函数由上式可得川，=等=f击警也=肌妙ps，式中锄归击掣，称之为故障密度溅则有R(f)31一，(f)21～If(t)dt2Jf(t)dt(2—6)o御 孙振华：人犁泉站子系统Ⅱ『靠ft模唧J的建芷及其DCS可括性分析2．5．4故障率系统-[作到某时刻尚未发生故障，在该时刻后单位时间内发生故障的概率，称之为故障率(即失效率)11]，用函数2(0表示，其表达式为加)=蔫(2-7)式中，dr(t)一t时刻后，dt时间内系统故障数M(f)一t时刻系统的完好数2．5．5故障率、可靠度及故障密度函数的关系加)2器2丽dr(t)丽No(t)2嚣(2-8)由于，(f)=一_dR(t)，所以有dt加肛一鬻12(t)dt=一InR(t)]oR(f)：P一肛瑚当系统的故障服从指数分布时，故障率为常数，R(t、=e一“2．5．6平均无故障时间、平均修复时间(1)平均故障前时间(M刀F)设Ⅳn个不可修复系统在同样条件下进行试验，t：⋯tM，其半均故障前时间为1ⅣnMTTF=土yt．No智?(2—9)系统的可靠度表达式为：(2-10)测得其全部故障时间为t．、f2—11)当N0趋向无穷时，MTTF为系统故障时间这一随机变量的数学期望，则有 扬州人学I程倾十’r位论文MTTF=fry(oat=ftdR(t)=一[tR(t)12十lR(1)at=fR(t)dt(2-12)当系统寿命服从指数分布时，则有MTTF=pⅦ=1L(2-13)(2)平均无故障时间(MTBF)若可修系统在运行中发生了N0次故障，故障修复后重新投入运行作时间为t，、t：⋯t。，则平均无故障时间为1No下MTBF=二yt，=上Nn鼍?N。每次连续工r2—14)显然，系统的平均无故障时间与系统的维修效果有关；A越小、MTBF越长的系统可靠性能越高。(3)平均修复时间(MTTR)平均修复时间也是可修复系统的一个重要指标，它是一个统计值，相对MTBF来说～般是较短的，因为不同技术水平的人修复同一故障所用的时间不一样，所以只能通过试验和经验来确定。可靠度R(t)、可用度A(t)、故障率2(t)、故障密度函数f(t)、平均故障前时间MTTF、平均无故障时间MTBF、平均修复时问MTTR己成为衡量系统可靠性的主要系列指标，通常用可靠度R(t)(或可用度爿(f))、平均故障前时间MTTF(或平均无故障时间MTBF)来直接表示系统的可靠性。 孙振华：大型泵站子系统u，靠竹模犁的建立及其DCS可靠性分析3系统可靠性模型可靠性模型是为预计或评估系统的可靠性而建立的可靠性框图及其数学模型。在分析、研究系统可靠性时，要准确的处理各部分之间、各部分与系统之间的影响是很复杂的，所以需要作一些假设，忽略一些次要冈素，建立起表示系统中各部分之间关系的框图及模型，以便于进行可靠性预计、分配和定量评估。泵站系统可靠性是指泵站系统在规定的条件下、规定的时间内完成抽排(引)水功能的能力。泵站系统是较为复杂的系统，主要由主水泵机组(水泵、电机)、油气水辅助系统、电气设备系统及自动化监控等系统组成。随着泵站自动化监控系统功能的不断增强，其复杂程度也大为增加，对泵站自动化监控系统进行可靠性分析研究是十分必要的。泵站子系统可靠性模型建立的目的在于定量分配、估算和评估系统的可靠性，并通过分析各机电设备系统可靠性、可用度等指标，评价、预测泵站系统及其各子系统的可靠性，以减少系统故障率、停运率，提高系统可用率，在更高的程度上发挥泉站的效益。系统的可靠性可以用系统的可靠度冠来表示。泵站系统的可靠度是指在给定时段内，以满足供排水要求为前提，泵站完成供排水要求的概率。同样，泵站监控系统的可靠度是指在给定时间内，保证泵站主辅机系统监控功能的要求及监控系统自身正常T作运行的概率。3．1简单系统可靠性模型基础3．1．1串联系统模型串联系统是指组成系统的所有单元中，任一单元的失效就会导致整个系统的失效，只有在所有元件全部正常时，系统才完好，如图3-1所示。—[!]—[互]—[互)—[丑图3-I串联系统串联系统是最常见，也是最基本的系统模型，既可以是电阻、电容、电感等电子元件组成的串联电子电路，也可以是油气水系统中的某一条管路，或者是南水北调—『=程中几个泵站组成的梯级泉站群。在采站系统中，电机与水泉组成的子系统是最重要的串联系统。，设串联系统中各单元的可靠度分别为R。、R：、R，⋯R。，则串联系统的可靠 扬州人学l桴琐十学位论文度足为：R，=RtR2R3⋯R。=兀R，(3一1)t=l由上式可知，串联系统可靠度是所有串联单元可靠度的乘积，这种结构称为链型结构或最弱环结构，因为系统可靠度小于系统中任一单元的可靠度。随着系统单元的增加，串联系统的可靠度越低。所以，提高串联系统可靠度，菠尽量减少其单元数量，同时应提高所有单元的可靠度。3．1．2并联系统模型并联系统是指组成系统的所有单元均失效时系统才失效，只要有任一单元正常系统即完好，如图3-2所示。图3-2并联系统并联系统模型是最简单的冗余系统模型，在泵站系统中有很多应用，如同一梯级的几个泵站、象站中的备用机组、监控系统备用UPS电源、高压开关中的并联跳闸线圈等。设并联系统中各单元的可靠度分别为R。、R：、R，⋯R。，则并联系统的可靠度R，为：R，=1一(1一R，)(1一R2)(1一R3)···(1一R。)=1一r1(1一R，)(3—2)I=I由上式可知，并联系统可靠度比所有并联单元的可靠度高，并随着并联单元数量的增加而增加。通过计算可以得出：①对于可靠度相同的单元，双单元并联，系统可靠度提高50％，三单元并联，系统可靠度只能提升33％。随着并联单元数量的增加，系统可靠度提升越少；②可靠性高的单元并联，系统可靠度提高的快，可靠性较低的单元并联，系统可靠度提高相对较少。考虑到系统费用的增加，双单元并联最为合适。所以，采站系统中采用的并联系统，特别是电气系统多采用双单元备份技术。同时，在并联单元数量确定的情况．10． 孙振华：大趔泵站子系统ur靠忖模型的建立度其DCS吖靠惟分析下，应尽量提高每个单元的可靠度，以提高并联系统的可靠度。3．1．3混联系统模型混联系统是指先并联再串联或先串联再并联的系统，前者称为并一串联系统，即单元冗余：后者称为串一并联系统，即系统冗余。设单元的可靠度分别为墨、R：、R，⋯R。，不可靠度分别为Ql、Q：、Q3⋯Q。对于单元冗余，系统可靠度为Rcs=(1一Q?)(1一Q；)(1一Q；)⋯(1一Q：)=n(1一Q；)=l兀(1一Q『)I|FI(1+Q1)I”n¨”l=lL1=1JLl=lJ(3—3)对于系统冗余，系统可靠度为广412R。=1-I1一FIRiI(3—4)通过计算可知，R。-R$>0。所以，在任何情况下，在单元方面的冗余总是优于整个系统方面的冗余。⋯在泉站系统中，除了备用机组、备用开关外，特别是微机自动化监控及其应用系统中较多的采用了单元冗余，对系统或设备的关键(重要)单元进行冗余，如监控系统存储器备份、监控主机热备技术等等，可在节省投资的前提下，较大幅度提高系统可靠度。3．2可修复系统可靠性模型系统可通过维修或更换零件，使系统恢复其规定功能，该过程称之为修复。可修复系统的可靠性模型通常建立在马尔科夫过程基础上。建立可修复性系统模型，是对系统的可修复性进行定量分析的关键，也是进行系统维修性设计、预计和分配的基础。“1对于工程硕十来讲，应将学习内容与自己的．T作内容相联系，结合工作单位所属泵站-[程管理、运行维修的实际情况，展开学习与研究。因此，泵站系统的可靠性研究鹿突出系统的可维修特性，特别是建立系统相应的可修复可靠性模型。泵站系统是一种可修复系统，对系统或设备进行检查、保养、试验和维修，可降低系统故障率、提高系统的可靠性，使系统恢复其规定功能。所以，系统模型中部件除了丁作状态、失效状态外，还增加了榆修状态以及备用状态，这对研究系统 扬州1人学I‘程硕士学位论文的可靠度更加有实际意义。3．2．1随机过程随机过程的定义：设E是随机试验，s是一次随机试验的结果，S={S}是其状态空间。若对于每一个s∈S，可确定时间t的函数X(s，f)，t∈T，其中，为时间t的变化范周。所以，对于所有的s∈S，都可得到一系列时间t的函数，称此函数为随机过程。为简便起见，通常省去X(s，f)，t∈T式中的S，用x(t)表示随机过程。“13，2，2马尔科夫过程所谓马尔科夫过程是指：对于∽(f)，t∈，}随机过程，若已知系统在时刻气处于状态S的条件下，在时刻t系统所处的状态和时刻t。以前及有限次前所处的状态无关，该性质称为“无记忆性”或“无后效性”，并称此随机过程为马尔科夫过程。“1对于泵站系统来说，系统中故障的出现和修复都是随机的，且系统以后的状态只和当前的状态有关，而与以前的状态无关。所以，泉站系统的状态交替过程为马尔科夫过程，其数学表达式为：设{x<1)，t∈T}是随机过程，参数集r是连续时间参数集，状态空间为S={sl，s2，墨，⋯，已}，若p[x。=z。I(x。=工．)n⋯N(X。一。=Xn-!)】=Pk。=x。lX。一，=x。一。】XleS则称{z(f)，t∈T}为状态空间s上的连续时间马尔科夫过程。用马尔科夫过程求可修复系统的可靠性模型时，以如下假设为前提：1)各单元寿命分布及维修分布均服从指数分布；2)各单元和系统都只有正常工作和故障两种状态，在系统开始T作时，各单元均处于正常工作状态；3)在很短时间间隔内，最多只出现一次故障。上述假设符合大部分可修复系统的实际情况。“13．2，3单元件系统可靠性模型(马尔科夫过程模型)最简单的系统为单元件构成的系统，当元件正常时系统正常，当部件故障时系统失效，所以元件只能在0、1两种状态问转移。0表示系统正常T作状态，l表示系统失效状态，x(t1表示t时刻系统的状态，状态转移如图3-3。 孙振华：人犁泉站子系统“，靠性模掣的建征及其DCS可靠性分析图3-3单兀件n--I修复系统状态转移图设元件的寿命分布是失效率为^的指数分布，故障后的修复时间分布是以u为参数的指数分布。当元件在时刻“+址)处于状态“l”的概率仅与元件在时Nt的状态有关，而与更早的状态无关，这符合马尔科夫过程的特点。元件在“0、1”两状态之间相应的转移概率为P防O+出)=1I工e)=ol=p。，陋)z2AtP口(f+△f)=0IxO)=1】=P。。(血)z芦缸尸kO+出)=0『Ⅳ(f)=o】=P000。)*1一础p[xO+△f)=1I工0)=1】=P。0d)“1-#at式中，忽略了垃中发生的二次以上转移的概率，所以采用近似号。吼和吼为转移密度，其公式分别为旷她掣㈣4，：lim—1-弓—(At)“出_+o△f(3—5)(3-6)所以相应有：q。。=A，q．。=∥，g。=五，ql=∥，均为常数，所以马尔科夫过程是齐次的。转移概率矩阵为懈巴舟[2出。2讪At]c。-z，转移密度矩阵为 扬州大学1．拧硕f‘学位论文蚀业谗桫[1--，3．4LtAt麓1¨0。1怙At≯um一+om—oII必f一，△fJj其中，，为单位矩阵，I=率为0O!一(3—8)由全概率公式P[刎=∑JP【彳IE】JP[E]可得，部件在时刻O+出)所处状态的概Plo+血)=∑P。Gb目O)=Pj(f)如(△f)+∑儿(f)p自(△f)+。(出)(3—9)k=Ot‘J由式(3-9)可得在状态0时，即J=0Po(t+At)=Po(r)p。。(△f)+p．(t)p，。(At)=po(t)(1一尬)+P．(f)Ⅳ出所以有=po(t)-[2p。(t)-up。(f)p业掣=-2po(r)御，(，)》10)在状态l时，即j=1PlO+出)=P，(t)p．。(At)+p。(f)岛．(At)=P，(f)(卜pat)+Po(f)旯△f所以有=pl(f)_[旯‰(f)一,up．(f)]出业掣砘o)嗍o)∽11)△f寸0时，取极限得．14． 孙振华：人掣泉站子系统u，靠仕摸刑的建芷及其DCS町靠性分析麒一砜(f)+胁(f)》㈦I掣砘(f)_枷)”“。初始条件为p。(o)=1，Pl(0)=o对方程组(3—12)进行拉氏变换，可得将初始条件代入后，可解得{绺Pi高篡黑y悟均I#巩G)一。(o)=元p。G)一，妒．G)、’卜)2耥丢击+志击争Ⅲh垆高2÷而1一孑1而击其函数图象如图3—4所示卜卜孝砖8咖圳‘伊㈣⋯)=南+南e却埘f图3—4Po(f)、p。(f)函数曲线图．15．t 扬州大学l程硕十学位论文当f寸o。时，可得半稳状态概率(或称长期概率)，即P。和Pl，对应的p。(f)、P．(f)为瞬时状态概率(或称短期概率)。f口．：。L：!：!!墨：丝翌!：4r∥“1+五／／a“n“I．t肘阳nMTTR(3q6)IP．：—L：!!型：丝婴：：一P2石万2访鬲万一MTBF+MTTRA式(3—16)中，A为可用率，是元件在平稳状态下的工作概率，是平均无故障工作时间与平均周期之比；j为不可用率，是平均停运时间与平均周期时间之比。公式表明系统运行若干时间后，其可用率、不可用率已与系统初始状态无关。“1可维修单元件系统也是最简单的事后维修系统，通过采用低故障率^的元件，同时提高元件的维修率u，来提高该系统的可靠度。3．2．4冗余系统可靠性模型冗余系统在泉站系统中有较多戍用，也是提高泵站系统可靠度的有效措施之～，对冗余系统的可靠性模型的建立，能显著提高重要部件的平均无故障时间，提高系统的可靠性。设系统由两个可修复部件A、B组成，部件的故障率为^，修复率为p。当A部件工作时，B部件备用，A部件失效时，B部件接替A部件，保证系统处于正常状态。所以，该系统具有三种状态：0状态一两部件均能运行，但只有一个部件在运行，另一部件备用，此时系统处于正常状态；1状态一一部件故障失效，另一部件正常运行，系统也处于正常状态；2状态一两个部件均失效，系统处于失效状态。“1图3-5即为冗余系统的状态转移图。^Axt1一(P+^)AtuAt图3-5冗余系统的状态转移图一16一 孙振华：大型泵站子系统u，靠性模掣的建口发其DCS可靠忡分析在时刻O+血)瞬间，系统处于⋯0状态的概率为Po(t+出)=Po(tXl一尬)+p．Oh凸f=poO)一髓尹。O)一印，O)1△f丛竺堕!翘：一勿。O)+舻．(f)At‘。’’’。、’在时刻(f+＆)瞬间，系统处于“1”状态的概率为Pm(f+出)=，．(tXl一脚X1一,tAt)+P。(fM缸=P。(tXl一RAt一肚)+Po(fn缸巫生必：助。O)一(A+∥)p，O)At’’。‘‘。在时刻O+址)瞬间，系统处于“2”状态的概率为p：(f+At)=PlO)尬+P2(f)丛掣嘞o)At一0mj-，取极限得一线性微分方程组p：O)=一ap。O)+艘。(f)p：O)=劫。(f)一(旯+10P，O)(3一17)p：O)=at,，(f)式(3．2．4．1)可表达为矩阵方程：r—AAo]b：(f)p：(f)，：(f)】=b。(f)Pt(f)P20)】}∥一(A+∥)五I(3—18)l00j．‘．有P’O)=尸O)4进行拉氏变换后可得P+(s)=P(o)陋一,q-’(3—19) 扬州人学翻呈硕十学位论文s+A[SI一爿】-l=l一∥0式中，为单位矩阵。其特征方程为Is+旯一兄I一卢s+^+∥10即sb2+(2A+∥弦+丑2J_0，从而解得80=0玎(3—20)(3—21)焉=三[一(22+∥)+√百而](3-22)旷*一(2A+p)一瓜面]代入式(3—20)后，可得[sI-A]一2石丽1J+A+“D一墨)O—S：)“(S—J1)(s一52)s(s+兄十Ⅳ)加∥，Bs(兄+∥)五(s+A)0J2+(2丑+∥p+A／L0一s1)0一J2)旯+“0一s．)0一,72)O0∥s(s—S1)0一s2)五(s+五)s(s—J1)O—s2)lJ由初始条件得：JD(o)=阮(o)n(o)P2(o)】=D00】．‘．有尸(s)=b。(s)p．(s)P2(s)】．18．23)。mo0=O_占]II_=j0—．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．L 孙振华：夫犁泉站子系统町靠住丰萸型的建屯及其DCS町靠件分析=D00】占+丑+“0一s，)0一s2)∥O—J，)0一s：)0O—J．)O—s：)^+“矛s(s—s1)0一s2)A0+丑)(5一s1)(5一s2)s(s—s1)(s—s2)o三=f兰±墨±壁墨l(s一墨)O一82)(s一而)0一S2)=b。(s)PJ(s)P2(s)】式中风(。)：坐竺堕(j一)一坐型兰(j一)舶)：』一(上一上)删=刀BS2争志SIc击St卜未(St了c去)|Jsls‘Jl—s2JJ—s2一s2JJ一占2对l：式进行反拉氏蛮换得p。(f)：丛生v，一尘竺堕。，，5·一S2'Yl—S2n(f)：—!L一(gV—P“)dI—J2肿)：1+生三芷系统可靠性工作概率4(f)为4(f)：1一p：(f)：—!一(s。8叫占l—J2所以，可修复冗余系统的平均无故障时间MTBF为(3—24)(3—25)(MTBF)，=r警出=字=丢+昙A-》ze，枷S。一S．^。^如果元件是不可修复的，即Ⅳ=0，则有平均故障前时间M刀F为赤 扬州人学r程坝十学位{宅文(MTTF)≥{／L(3—27)可修复冗余系统的平均无故障时间MTBF与平均故障前时间^4刀F之比为坐堡g：1+旦(3-28)(MTTF)。23．这说明，可维修冗余系统的脚相对于无维修的冗余系统来说延长了砉，其提高程度达到轰。所以，在减小故障率A的前提下，尽量提高修复率∥，可大大提高可维修系统的MTBF。3．2．5基于马尔科夫过程的吸收状态和平均首次故障时间在冗余系统中，尽管某一时刻整个系统处于故障状态的概率很小，但系统处于故障状态仍是可能的。这是冈为：①冗余元件可能处于故障状态，或尚未修复；②元件损坏后无法进行维修。“1把系统处于的故障状态叫做吸收状态。如果一且迸入状态S就不能转移出七，则S称为吸收状态。吸收状态的特点是：在该状态的停留概率为1，向其它状态转移概率则等于零。吸收状态的物理意义是：元件处于损坏状态，所以停留在该状态的概率为1；由于元件已经损坏，在未修复前就不能继续—[作，所以向其他状态转移的概率为零。系统的状态方程为P。(f)=P(t)A(3-29)将P’(f)、P(t)按T作状态和故障状态分块，得[Qj(f)舛(f)】=妇一)Q，(r)】Io"吾I=【Qw(f)口Q，(f)c】(3—30)其中Q。(f)=k。p)P。(f)⋯P。(f)】是由工作状态概率构成的矩阵；Q，(t)=b㈨(t)⋯P。(f)J是由故障状态概率构成的矩阵。．‘．有 孙振华：大犁泉站子系统可靠性模掣的建札及其DCS吖靠f}分析Q。(f)=Q。(f)口Q'F(t)=Q，(t)c系统可靠工作函数为月，(f)=∑P。(f)=Q，(f)％(3—31)式中e，是元素为1的矩阵。进行拉氏变换得R：(s)=Q；(s)％(3—32)对式Q：(f)=Q。(f)口也进行拉氏变换得避；(s)一Q，(0)=Q；(s)B璐(s)=Qw(O)[sI一曰rI所以有R；(j)=Q，(o)p—B】-lP，(3—33)由定义可得，系统平均首次故障时间MTBF。的计算公式为MTBF,=f即)dt=蛳s掣叫(o)=一鲂(o)∥断(3_34)对可修复元件组成的冗余系统，部件的故障率为^，修复率为u，状态转移图如图3-6所示。^At1一(“+^)Atu△t从式(3-6)可得，系统的转移密度矩阵A为4=ljf—c—≥∥，{l=Eo"cIc。一ss，式(3-55)中B：I以A=I 扬州大学I程坝1学位论文c=圈系统．T=作状态概率为Q，(o)=b。(o)P，(o)】廿1=扑：∥系统平均首次故障时间为MTTF,=砉【10】【A：p=Dol知删=竽伊。e，由两个独立元件构成的并联系统，元件故障率分别为^。、^。，修理率分别为u。、Ⅱ。，系统状态转移如图3-7所示，其中状态4为吸收状态。九2图3—7可修复冗余系统状态转移图系统转移密度矩阵为所以A=一(^+如)∥l∥2O一(∥。+如)0O=瞄B=[一‘丑2主如’一c∥≈A：，一。旯置0：，]、C=『要]c3-380／1，=l∥l一(∥l+A2)I、=I五2I()∥：一(旯l+2)IA1J系统_【作状态概率为Q，(o)=b．(o)P2(o)P3(o)】=D00】MTTF。=一OⅣt0)B～ew．22一Ot丑O)2∥以。一。兄(一 孙振华：大型泵站子系统町靠什模型的进、7发其DCS叮靠扎分析其中『A。+九=Boo】l一“l一鸬一^／zl+如01=·-—————————-_-—-—·————·--------————·—-一五l五2(A+五2+／zl+／z2)甜团fD]【10o】lEI(3—39)HD=^(^+∥2)+如(以+∥1)+(^+∥2)(如+∥1)E=∥。(^+，如)一如(∥：一“)+(^+如)(^+∥2)F=∥2(如+／z1)+^(∥2一／zI)+(^+兄2)(t+p1)．·．有MrfF：尘!垄±坐12±生!垄±!12±!垄±坐!!!生±笪2丑如(丑+五十pl+／z2)另有一>>^，∥2>>z2，所以丑+如+∥l+u2≈∥l+u2丑(丑+以)+如(如+“)+∞l+∥2)(五2+／z1)≈“／z2···崛2丽百,ul‘／丽2若系统为串联元件组成，这时状态l、2、3也为吸收状态，所以B=【_(丑+五：)】系统的平均首次故障时间为MTTF,=一【1]卜(^Ⅷ州=去(3-41)(3—42)(3-43)3．2．6基于马尔科夫过程的频率和持续时间法频率和持续时间法是分析电力系统可靠性的一种基本方法，它是基于马尔科夫过程与电力系统具体情况相结合的产物，在电力系统可靠性分析中应用十分广泛。频率和持续时间法的主要内容是：在平稳状态下建立起状态概率、状态频率和状态持续时阃的关系，在求出系统各状态的平稳状态概率，就可求出状态频率和状态持 扬州人学1．柙颂十学位论文续时间。“’应用频率和持续时间法基本步骤是：①定义系统的范围和状态；②求出系统各状态的平稳状态概率；③求出状态概率及持续时间。几个定义：系统在状态拍q频率f是指系统在平稳状态下，每单位时间里停留在状态f(进入或离开)的期龌次数。状态i的持续时间r是指系统停留在状态珀自平均持续时间。对于两个独立元件构成的并联系统，元件故障率分别为^。、^。，修理率分别为u。、p。，系统状态转移如图3-8所示。图3-8两独立元件构成的并联系统的状态转移图状态l：元件1工作，元件2T作；状态2：元件1故障，元件2工作；状态3：元件1工作，元件2故障；状态4：元件l故障，元件2故障。爿=状态概率方程为^l一(∥l+兄2)O尢0一(∥2+A1)pl0^．(∥1+∥2)兄一“心o”“心。一 孙振华：大利泉站于系统町靠性模掣的建仃驶其DCS叮椎惟分析即b。P：P，P4】_一(A．+22)∥l,u2O=【o0^一(∥．+A2)0,u20】尢0一(∥2+A1),ul一(^+如)pl+∥IP2+u2P3=0AlPI一(∥l+22)p2+∥2P4=0也PI一(u2+；t1)P3+∥IP4=0A2P2+AlP3一(ul+∥2)p4=0O^(H+u2)(3-45)(3-46)式中只有3个方程是独立的。由全概率定理还应加上n+P：+P，+P．=1，可得以下这个矩阵方程：l^，^l一(^+屯)10一(／L2+A1)ul@l+五)0∥2卢1／a20运用高斯消去法，将增广矩阵进行变换1九^一(Al+屯)1O1一(∥2+^)u10u20∥2025．PIP2P3p4扎。哪，恻塑!至堡， 扬州人学I程侦十学化论文1一丑∥2+旯20式中E=拿(如+∥：)(1+半)+乃+∥：^^2F：(学+1)22^I+∥‘代入后得l1∥2+五10∥2+旯2tEFPl+P2+P3+P4=1一五P2—2lP3+(∥l+p2)P4=0(旯2+／12)p3+(A2+∥2)p4=22Ep4=F胪而蒜p，：——』壁L一1。(兄l+∥1)(旯2+∥2)^，“1儿2丙巧蔫而^l／L，儿2瓦了磊赢了历系统在各状态频率，为(3-48)(3—49)(3—50)●兄O1O 孙振华：大犁泵站子系统町靠什模犁的建讧及其DCS町靠¨分析．，：2p·(五·+Az)2i五i；了‰(At+t)f2=P2("屯)=币‰(”屯)f3=P3(^+∥z)=ii了‰(五t+口z)f4=P4(”此)=而‰(,UI+,U2)所以，系统在各状态平均时间r为(3-52)进一步可计算出系统确切状态指标和积累状态指标，并用于系统电源可靠性的评估。确切状态是指系绕冶好出现某一停运容量的状态称为确切容量状态，简称确切状态。出现这种状态的概率和频率分别称为确切状态概率和频率。“1上面计算的四种状态都是确切状态，其可靠性指标见表3-1。表3-1确切状态可靠性指标状态编码确切状态概率确切状态频率持续时间l∥l／Z2／D∥，∥2(^+兄：)／D1／(A．1+A2)2丑∥2／DA∥2(∥l+A2)／D1／(∥l+如)3五2H／D如ul(A+∥2)／D1／(2I+／z2)4^p2／D^∥2(∥l+IZ2)／D1／(／,l+∥2)D=(丑+∥1)(A2+／Z2)3．2，7非指数分布的修复时间大多数状态空间模型都是以下述假设为基础的：使系统改变状态的事件出现的时间服从指数分布。分析认为，对连续时间确是如此。但对于停运时间(即修复时间)往往不服从指数分布，它是一随机变量，其概率密度的形状很接近于铃形曲线。一27． 扬州人学f程顺十学伯论文描述系统的随机过程，就是非马尔科夫过程，解决这类问题的主要方法是通过追加变鼍法和分级法把非马尔科夫过程变换为码尔科夫过程。“13．2．7．1追加变量法追加变量法是通过增加状态的数日，状态间的转移率仍为常数，仍按马尔科夫过程处理。“1以单部件构成的系统为例，设连续T作时间服从指数分布，分布函数为F(t1=1一e“‘，连续停运时间的分布函数为M(t)=1一e一一pte～，即假定元件的修复过程经过两个阶段，每个阶段的时间都服从指数分布，因而元件的停运过程用两个状态而不是用一个状态来表示。在这种情况下，元件的状态空间转移图见图3—9，其中“0”为工作状态，⋯1’、⋯2均为停运状态。t例3—9修理时I搠小服从指数分布时的状态仝fHJ图当At寸0时，取极限得一线性微分方程组Pj(f)=-2．p。(t)+13p。(f){P：(f)=-pp。(t)+pp2(f)(3—53)P：(f)=2p。(f)一PP：(f)．‘．转移密度矩阵A为『一^0A]4=l∥一∥0(3—54)l0∥一∥J解以下方程细可求的平稳状态概率l一五b。P。P：】l∥l0Po+PJ+P2=10旯]1poI=【ooo】【∥一∥JI 孙振华：人掣泉站子系统町靠性模犁的建●及具DCS町椎什分析式中P。、P．、P：分别为状态“0”、“l”、⋯2的平稳状态概率。所以有平稳状态概率为一和o+140l=0一艘l+脚2=0Po+Pl+P2=1胪彘AP12p22—2A+—g(3—57)其结果与停运过程服从指数分布的结果有所区别。如果元件的连续_T作时间和连续停运时间都是非马尔科夫过程，工作过程和停运过程分别用两个状态表示，其分布函数分别为F(t)=1一e～一Ate～、^彳(f)=1一e一”一pte一”。对应的状态空间如图2—10所示，其中其中0、1为工作状态，2、3为停运状态。图3—10工作时M和修理时『HJ均4i服从指数分布的状态空『HJ图转移密度矩阵A为A=解以下方程组可求的平稳状态概率一AAO0一A02∥0一u0u一∥(3—58) 扬州人学I程颁十学位论文b。P．P：P，】所以平稳状态概率为一A旯0一A∥0O0A-Ⅳ0壮一#po+pl+p2+P3=1po=p1p2=p3[o00](3-60)则当t寸OO时，在平稳状态下的可用率A为A=P。+n=_L(3—61)^+“3．2．7．2分级法分级法中，把描述检修的非指数型分布的状态分解为许多子状态，称为“级”。“级”按给定的次序排列，他们之间的转移率是常数。停留在各级的总时间相当于修复的持续时间，并可假定为4i同的分布。“级”的连接可以是串联的或并联的。⋯3．3预防性维修系统可靠性模型预防性维修是一种汁划性的维修活动，最常用的形式是定期柃修。进行预防性的维护和检查，可使设备始终保持良好的工作状态。典型的维护榆查办法足定期保养，从而延长设备的工作寿命，减少使用费用。所以，常用预防维修逐步代替事故后的检修。”1在元件冈故障而进行修复的同时，通常采用预防性维修来增加两次事故间的平均时间。假定一部件有三种状态：正常状态(N)、预防维修状态(M)和事故维修状态(R)，他们之间的转移率为常数，其状态转移如图3—1l所示。塑～ 孙振华：人型泉站子系统ur枯住模犁的建t及其DCSu，靠性分析1一f^+^p△tAtl贰(f)=一(A+厶)p，(t)+guPu(t)+,uPR(f){矗(f)=九p。(f)一肋办(f)(3—62)lp'R(t)=ap，(f)一／zp。(f)系统转移密度矩阵为l一(A+A村)五^，A=l∥"一∥ⅣL∥0系统平稳状态概率方程为p。P。所以有以下方程组办】B吲厶A一∥^，0l=【o00】(3—64)0一Ⅳ1pN+pM七PR=1训I；]=[{]=*州幻1．31一∞伊，1●●●●●，lJ兄O∥¨： 扬州人学1稃坝+学位论文而‰融礼托m1]=而‰豳睁es，p”2瓦了瓦]LIILIM万瓦PM∥A+“+堕耻”～≈M+?。}业u(3—66)若盟<<1，则可用率PⅣ“了L，不可用率只z—#L_。UⅥ^q-p^’U对于该可修复预防性维修模型，需把两次相邻维修之间的时间作为一个随机变量，并假设转移率为常数，随是近似处理与实际情况有出入，但该模型对半稳状态的情况仍提供了清晰的说明。“1随着南水北调东线丁：程的开工，长江水北送过黄河已成为可能，这意味着东线T程沿线各泉站将担负起南水北调的重任，开机运行时间将比原先大为增加，从原有平均3000～4000小时延长至8000小时以上。开机时间的增加，使得原有在汛期后集中一二个月时间进行大修的模式有所变化，对机组及自动化监控系统的榆修将更多的依赖于预防性维修及机组的合理运行调度。‰It：； 孙振华：大犁泵站子系统町钷性模型的建讧及其DCS町靠住分析4大型泵站子系统可靠性指标计算4．1大型泵站水泵与电机系统可靠性指标计算泵站系统中，水泵和电机是最蕈要的设备，我们可将每台水泵机组组成的串联系统作为一个整体，主机组解体大修看成是该串联系统的修复。根据机组的技术状况和零件的磨损、腐蚀、老化程度以及运行维护条件确定主机组检修周期，由泵站运行检修导则可知，一般主机组榆修周期为3000～20000小时。通过大修，对机组进行全晒解体、检查和处理，更新易损件，修补磨损件，对机组的同轴度、摆度、垂直度(水平)、高程、中心、间隙等进行重新调整，消除机组运行过程中的重大缺陷，恢复机组各项指标。通过对江都管理处所属四个大型泵站三十多年运行数据的统计，可以计算出四个站机组的平均固有可靠度和可达可靠度。表4-1为江都水利丁程管理处所属4个大型泵站各台机组的平均运行周期(即系统的平均无故障时间MTBF)，表4—2是4个大型泵站各台机组的总运行时间及大修次数表。表4一l江都管理处泵站机组平均运行刷期(吖四F)统计表单位：小时机组一站二站三站四站14114121238713218144322。149681244321539141723412963135842790487454“12926969115593911754133961225219209135246413840117072459414943741261511916295321406384152731160824413941562810411112斗均MTBF13424119492027412714注：①一一：站8台机组，二站10台机组，四站7台机组；②由丁：一、二站改造前的机组已运行30多年，其数据更加全面完整，所以均采用改造 扬州大学I．程倾士学位论文前机纽数据。其中，一站统计时间为1963～1994年，二站统引‘时『HJ为1964～1996年。三站统计时间为1969年至2005年，四站统计时『HJ为1977年至2005年。我处四厘泵站每台主机组的半均检修时1日J为：一、二站约20大(480小时)，三、四站约40天(960小时)，该数据即为主机组系统的半均修复时间MTTR。四个站机组的固有可用度(多台机组平均)为：一站4l-a。一--而面MT而BF丽=面1丽3424=。．965二站4：一。=币1丽1949=o，96l三站钆。=面2了0丽274丽=o．955四站4。一=面1而2714丽=o．930四个站机组的固有可用度范罔是：一站：0．960≤4≤0．970二站：O．953≤4≤0．966三站：O．920≤以≤O．969四站：0．901≤A。≤0．940表4—2江都管理处符站机组总运行时『HJ统计及大修次数表单位：小时一站二站=m四站机组时间次数时『日J次数时『H】次数时『HJ次数l“68273581798610416965773142。7302348632159914447086063“72512584818610777l36121574472890488381711438556382585471805585719611040546762256”73839488094510815945977447“720904858095110819370315734． 孙振华：大础泉站子系统町椎性校型的建Z戍其DCS可谨忆分析8。731714854ll6104744394994256104965066注；①、②同表2—1注释①、②则四个站机组的可达可用度见表4-3所示。表4—3江都管理处各站机组可达可用度机组一站二站三站四站1”0．9650．9450．933240．9740．9720．96lO．919340．9670．9660．9730．890440．9740．9620．9580．880540．9670．9660．9650．929640．9740．9730．9640．936740．9730．9720．9740．904840．9740．9660．973940．9421040．940从上面计算得出的各项可靠性指标的数据来看，我处四座大型泵站中水泵组机组构成的串联系统的可靠度还是较高的，这与辅机系统、自动化监控系统的可靠度以及机组安装榆修水平分不开的。4．2大型泵站子系统可靠性模型计算分析4．2．1单元件系统可靠性模型应用水导轴承是水泵的重要部件，也是大型水泵机组每次榆修的重点，需要定期对其进行榆查以及维修更换。即使这样，在运行中还是会出现未到榆修周期，水导轴承就已磨损严鼋，导致机组运行中振动强烈，迫不得己停机榆修的情况。表4—4便是我处4个大型泉站长时间运行以来水导轴承榆修情况统计分析后具体数据。 扬州人学『‘程硕十学位论文表4—4我处所属4个大犁泵站水导轴承榆修f6况统计表机一站站二站四站组号大修次数轴承引起大修次数轴承引起大修救数轴承引起人修次数轴承引起14536262412。4351426234536372444274l8254546242536443534141744352317l844363l946210。63统计3524462043184112注：①一、二：站8台机组，三站10台机组，四站7台机组；②由于一、二站改造前的机组已运行30多年，其数据更加全面完整，所以均采用改造前机组数据。其中，一站统计时间为1963～1994年，二：站统计时间为1964～1996年。三站统计时间为1969年至2005年，四站统计时间为1977年至2005年。③一站使用的足橡胶轴承，从79年开始陆续改用聚胺酯轴承；二站使用的是橡胶轴承，从74、75年起陆续改用聚胺酯轴承：三站使用的足油轴承，疏齿密封；四站使用的是油轴承，平血密封。根据统计数据可知：一站从建站至94年改造，共运行31年，8台机组共大修了35次，榆修中更换或对水导轴承进行处理，总数占到了榆修总数的68．6％；二站从建站至96年改造，共运行32年，8台机组麸大修了46次，榆修中更换或涉及到水导轴承处理，总数占到了检修总数的43．5％；其中24次其中20次三站从建站至2005年，共运行36年，lO台机组共大修了43次，其中18次榆修中更换或涉及到水导轴承处理，总数占到了检修总数的41．7％；四站从建站至2005年，共运行28年，7台机组共大修了41次，其中12次榆 孙振华：大型泉站子系统可靠竹_模掣的建寸及其DCS可靠忭分析修中更换或涉及到水导轴承处理，总数占到了检修总数的29．3％。综合我处所属四个大型泵站多年运行榆修情况来看，水泉水导轴承的检修及更换已成为采站主机组检修的主要原因之一。所以，提高水导轴承的可靠度对提高泵站主机组的可靠度来说有很大的影响。1)橡胶轴承一、二站前期使用的橡胶轴承，润滑水中泥沙含量、泥沙粒径和硬度是影响橡胶轴承运行寿命的晕要因素。一、二站抽引的长江水中含极细砂壤土，达到0．05～0．3公斤／立方。根据多年统计数据表明，机组运行10000～13000小时左右，橡胶轴承直径磨损约2m，导致轴承承载面受力不均，润滑水膜因局部过负荷而产生破坏，从而加剧磨损。加之橡胶轴承质地较软，江水中的泥沙易磨损橡胶轴承和大轴，检修时需要对大轴进行喷镀处理，费时费力。对于橡胶轴承的易磨损特性，建议吸取大型水轮机橡胶轴承可以调节轴承间隙的措施，改造橡胶轴承结构，可简便其维护特性，从而延长其使用寿命，以提高机组的平均无故障时间(MTBF)和运行可靠性。“21按单元件模型其可用度A、不可用度A分别为I风：—壁一：———三——一：95．99％厂／t+21+48吖11500(4-1)n：三：———上—一：4．01％I‘‘∥+^1+11500／4802)聚胺酯轴承聚胺酯轴承制造工艺要求较高，产品性能存在分散性，备用轴承在自然环境下的存放有老化过程。同时，聚胺酯轴承存在遇水膨胀的问题，轴承与大轴间隙过小时，机组运行过程中会出现较为严重磨损啃轴现象，因此聚胺酯轴承对安装的要求很高。安装前，必须根据其膨胀率进行适当车削，同时对轴颈采用硬质金属面层。在温度高的夏季，聚胺酯轴承膨胀率大，问隙要放大一点，冬季温度低聚胺酯轴承膨胀率小，间隙要放稍小，同样也能达到延长使用寿命、提高可靠性的目的。根据单位进行聚胺酯材料进行浸水试验，其入水膨胀率为盯=一十o-2其中盯为轴承间隙，q为轴承配合间隙，以为聚胺酯膨胀量仉=0．15+0．2D／1000其中D为主轴直径o'2=2．5％d其中d为聚胺酯材料厚度 扬州人学J程侦十学位论文证其轴承的配合间隙。呻1卜孝2而哆1-96．9％旧。，In：土：——1．一：3．1％3)酚醛树脂轴承我处二站还试用了P23酚醛树脂轴承，该种轴承有很高的耐磨性，承载能力很强，在良好的清水润滑条件下，使用寿命较长。使用该轴承的3。机组运行时间长达10年，累汁开机时间达6、7万多小时后，各项检查数据仍在合格范同内。但酚醛树脂导热性能较差，吸水膨胀，必须留有足够的间隙，同时受工艺、加工质量影响，性能存在一定分散性。为延长其使用寿命，可以采取油润滑措施，并解决好轴承密封性能和供油的可靠性，以保证轴承良好的润滑，也可采取非承载区设润滑油槽，以利于散热及排除磨损的污屑。4)弹性金属塑料瓦水润滑轴承近年来，弹性金属塑料瓦(以下简称塑料瓦，其成分为聚四氟乙烯)水润滑轴承已在象站开始使用并取得了成功。塑料瓦有以下优点：蠕变性和弹性模量小；线膨胀系数仅为0．00008／'(2，持续运行瓦温低(可比巴氏合金瓦运行瓦温降低10～15℃)；具有良好的水润滑性能，对水质有较强适应性，对异物有良好的嵌入性，耐磨性能好，运行隋况稳定，不损伤轴颈；耐化学腐蚀、耐老化能力强；安装、检修方便；使用寿命长，可达10～20年。塑料瓦有很多优点，但在使用中还应注意以下几个问题：①塑料瓦涂层厚度只有1．5～2Ⅲ，有效使用厚度只有1．2～1．5mm。一旦瓦面露出铜丝，就表示瓦的寿命已到。所以，根据运行经验，使用塑料瓦应有一个磨合期，其磨损以第1年为最大，一般应小于0．10mm。如果超过O．10mm，需进行榆．38． 孙振华：大型泵站子系统wf靠惟丰蔓型的建F驶其DCS町靠性分析查轴。塑料瓦经过磨合期以后，磨损量将大大降低，正常情况下5年不应超过0．10m。②制造质量问题塑料瓦是由青铜丝组成的弹性金属层与氟塑料(涂层)在一定温度条件和压力下，形成具有一定弹性模量的弹性金属塑料复合层的瓦面，由于塑料冷却的收缩而成为1个“锅巴”形，再通过加温、加压把瓦面钎焊在钢坯上。以上两道工序_]二艺复杂，要求很高。塑料瓦面、金属弹性层、钢坯3者线膨胀系数相差很大，如工岂不当，在加工中就容易形成很大的内应力，严重时会造成瓦面的裂纹，造成塑料面与弹性层、瓦面四周与钢坯的开裂与脱焊，这种开裂破坏了塑料瓦的整体性，在运行中开裂处弹性层失去作用，而且会越来越扩大，直接导致瓦面磨损的加藿，在安装检修中应注意。除上述几种轴承外，还可采用新型材料的轴承，如无膨胀的新型聚胺酯轴承、复合树脂材料轴承、陶瓷轴承等。这些新型材料制成的轴承具有良好的导热性和耐磨性能，即使在润滑条件不好的情况下，也能有较长的使用寿命，从而提高机组的平均无故障时间(MTBF)和运行可靠性。“14．2．2冗余系统可靠性模型应用可修复冗余系统的平均无故障时间M册Fif,,1(MTBF)，：—22．万+一,u。^大型泵站中，监控系统主从监控汁算机同步热各技术原理为：开始运行时监控从机首先向监控主机数据库注册，报告本机地址，并向主机发送时钟同步请求、数据库组态信息同步请求、组态画面同步请求。当主机正常工作时，从机小断向主机发送实时数据同步请求，信息同步请求。当主机超过标定时间内不响应从机请求时，从机便接管控制，停止向主机发送同步请求，启动I／O驱动程序采集数据，这时从机将变为主机，直至主机修复。双机热备同步内容包括实时数据、历史数据、同步时钟，以及同步组态内容。每台监控主机的平均无故障时间MTBF约5000小时(故障包括硬件、软件及通讯部分)，平均修复时间MTTR为20小时。泵站监控系统监控主机的故障率和修复率分别为 扬』-Il大学l稃帧十学位论文旯：—L：上：0．0002MTBF5000l∥2而上：o．0520采用双机热备冗余技术后(M脚卜竽=鼍罴严-1260000(4—3)我处一、二站自动化监控系统改造后，采用了监控主机同步热备技术，运行多年来，未发生过圉监控主机故障导致监控系统失效。可见，采用冗余技术后，大大增加了平均无故障时间，提高了监控系统的可用性。4．2．3基于马尔科夫过程的平均首次故障时间应用对于两个独立元件构成的并联系统，其平均故障前时间肘刀E4i石fl瓦lfli；2_西大型泵站微机励磁系统，微机励磁主机集成度高，是整个微机励磁系统的核心，其可靠性对微机励磁系统来说全关重要，新型号的励磁系统都配置了备份主机，则其平均故障前时间MTTF,为“=i．t2==j而1=面1=o．05^=也=丽1丽=志=oo0021唧2蕊21=20甄20=625000h(4-4)50005000、2020’可见，采用了冗余后，可大大延长微机励磁主机的平均首次故障时间，也既提高了平均无故障时间。在泉站自动化监控系统中，组成冗余系统的很多元件一日-损坏是无法及时修复，有的甚垒是无法修复的，例如监控存储系统(冗余硬盘)，微机保护中的采用的插板、插件，因这些板卡采用贴片工艺生产，大规模集成电路芯片一，日损坏，在现场很难修复，只有调换插件或更换备品。所以，不能冈采用了冗余而忽略了减少各单元的故障率z并备足备品备件。 孙振华：犬掣泉站子系统呵椎性模型的建●及其DCS可靠性分析4．2．4预防性维修系统可靠性模型应用泵站自动化监控系统中的微机保护、微机励磁需每年进行一次常规调试，根据我处4座泵站多年来的总结，每次调试中都会发现一些问题和隐患。这些问题的发现和隐患的排除，保证了机组运行时监控系统的可靠工作，提高了其可靠性。每年常规调试的时间间隔通常为一个运行周期，约5000小时，则有九2j蒜每次微机保护、微机励磁调试时间为5日，则，。3去泵站监控系统微机保护、微机励磁的故障率和平均故障调试修复率分别为A2砧磁+‰护2赢丽+丽丽1=1．25×104∥2磊1所以，采取常规调试后的不可用率P。为m2瓦‰2赢％2／．tM——×——1．25×10。+1／48+芈120=0．583％(4—5)可见，采取每年的常规调试，可以较好的保证微机保护、微机励磁系统的可靠工作，对提高机组运行中监控系统的可靠性是很有帮助的。在泵站机组运行的间隙，如果我们再对微机励磁和微机保护进行预防性调试，但往往由于时间限制，调试时间可控制在2个工作日左右，并以运行周期1000小时为例，则不可用率p：为如=志砌=磊1A=％磁+蚀护=1．25×l。’4卢=去1．25×104--一X----一1．25×10。+1／48+芈48=0．404％(4—6)所以，采取每年定期常规调试结合一些预防性调试，可大大降低不可片j率P。， 扬州人学l程碗+学位论文通过计算，采用常规调试和防性调试，微机保护和微机励磁系统的不可用率分别降到了O583％、0404％，虽然提高的绝对值较小，但相比之下后者的小可用率比前者减少了31％，从而提高监控系统的可靠性，保证采站主机组的可靠T作。 孙振华：大型泵站子系统ur靠制模掣的建一及其DCS口，靠住分析5泵站自动化监控系统可靠性分析由于泵站系统是较为复杂的系统，在运行过程中常常会发生各种难以预料的问题和故障。所以，必须对象站系统进行可靠性分析与评估，以保证泵站系统可靠、安全运行。泵站系统大致可以分为主机系统(包括水泵、电机)、油气水辅机系统、高压电气设备系统以及自动化监控系统，通过这些子系统的联合工作才能确保主机组功能的正常发挥。可靠性理论以及可靠性分析在泵站方面已有部分应用，如泵站主水泵、主电机、油气水辅机系统的可靠性分析，但还应在泵站自动化监控系统方面进行可靠性的深入分析。随着泵站自动化监控系统功能的不断增强，其复杂程度也大为增加，使得故障发生的可能性同时增大，操作人员对自动化系统的依赖性也越来越大，而分析、排除故障的能力却越发显得不足。当故障出现时往往需要得到专业设计、维护人员以及产品供应商的技术支持，不利于现场故障的迅速排除，所以对泵站自动化监控系统进行可靠性分析是十分必要的。5．1泵站自动化监控系统概述大型泉站自动化监控系统是集信号采集、测量、控制、保护、管理于一体的微机自动化综合系统，其功能包括泵站主机组运行参数的测量、控制、保护，相应辅机设备运行的测量、控制，节制闸的控制调度，以及水情数据的收集处理，并能实现主控室内集中数据的显示、分析、处理，现场分散控制和保护，通过通讯网络进行实时数据的采集和传输。””“15．1．1泵站自动化监控系统功能要求1、监测功能对站用变压器、主机组、泵站辅助设备、水工建筑物的各种电量、非电量运行数据及水情数据进行巡回检测、采集和记录，根据这些参数的给定限值进行监督、报警等。可包括电气参数(站变高低压侧、机组及辅机、高低压配电装置的电流、电压、频率、有功及无功功率、功率因数、励磁电流电压等)、温度(站变油温，电动机绕组、推力轴瓦、导向轴瓦等)、压力(冷却水母管压差、机组冷却水压力、水 扬州J、学L拧坝卜学位论文导进口乐力、润滑油压力、压缩空气压力、扬压力等)、开关量(主机系统、辅机系统、电气设备等电气开关状态和快速闸门、真空破坏阀、闸门等开关状态、继电保护状态等)及主机转速、叶片角度、闸门高度等，还可以进行电量、抽水量和开机时间累积等。2、控制功能控制功能是指自动根据象站当时运行状态，按照给定的控制模型或控制规律对主机组的启停、泵站电气设备、辅助设备、节制闸等水工建筑物进行自动控制。为提高自动控制的可靠性，在对泵站主要设备进行控制时，由微机自动形成操作票窗口、自动检查各种操作条件，实时显示被操作设备状态及每步操作结果。为保证控制方式的灵活性、主要设备的控制有自动控制、手动控制和试验状态三种方式并可相互切换。3、保护功能：利用微机保护系统可实现对主变、所变、站变、主机组及母线保护。不同对象，保护要求不尽相同。计算机综合自动化系统的保护功能不仅包括传统的保护功能，如主机保护、主变保护、站变保护，还应具有以下特殊功能，如通信功能、远方整定功能、保护功能的远方投切、信号传输及复归功能、保护独立性。4、管理功能在泵站综合自动化系统中，管理的内容相当广泛，大致可分为四个方面：与监督、测量有关的管理：与控制有关的管理；与保护有关的管理以及其它管理。5．1．2泵站自动化监控系统结构在—[业控制领域的计算机应用的体系结构已经确定，一般遵守国际标准化组织ISO的开放系统且联OSI七层模型。现场总线作为工业现场采集控制设备互联介质，已开发出许多成熟产品。基于现场总线的计算机采集、控制装置是泵站系统现场的主要设备。根据泵站的实际情况和系统的具体要求，可将其分为如下四级结构：第一级，现场级。由安装在泉站现场的若干台功能独立的智能设备(智能单元)进行泉站各种数据的采集，如现场控制、保护及各种状态信号、保护信号的收集]二作，并利用通信线路互连起来，可相互以及和上一级嘲络进行通信。第二级，监督控制级。该级设置在泉站控制审内，对第一级现场采集的所有数据进行处理、分析、存储，形成撤表，完成所有控制指令的收集和发布，完成保护一44— 孙振华：人型泉站子系统町靠¨模型的建以及其DCSu，柱性分析动作的分析和指示，用流程图、趋势图或棒状图、表格等方式表达整个采站的数据，还可进行机组等设备的启动准备丁作的榆测、判断和显示，收集和分析机组启动数据。另外还包括对系统功能组态、流程图制作、保护定值整定、控制模型修改等。第二级，泵站管理级。这一级是泵站管理单位的计算机网络，不仅可接收监督控制级送来的各种实时数据及历史数据，还可对管理处所有的事务进行管理，向上一级管理部门发送各种数据或接收上一级管理部门的命令和指示。第四级，决策管理级。类似于高层管理部门的工作，通过公共数据交换网络或公共电话网传输信息，通过对当前水情数据的分析，具有调度、决策功能。5．2硬件系统可靠性模型随着大型泵站自动化监控、监测系统的成功应用，越来越多的大型泵站陆续建立起自动化系统，这不仅大大促进了泵站管理工作的现代化，同时也为泵站高效、安全运行打下更为坚实的基础，有利于合理配置人力资源，充分发挥泵站的经济效益和社会效益。泵站监控系统大多采用DCS(DistributedControlSystem)系统，这是一种基于通讯l，哪络的分层分布式控制系统，通过分散设立的控制设备对水泵机组运行中的各个环节进行实时监控。因为采用分散控制结构，使得系统故障对机组运行过程的影响被分散化，并且分散系统很容易实现冗余，所以DCS系统有较高的的可靠性和可用性。泵站DCS监控系统主要由监控计算机、网络通信系统、微机保护系统、微机励磁系统、PLC系统、温度监控系统等组成，其各硬件系统使用寿命等可靠性指标可在产品手册上查得，但整个I)CS系统的可靠性不仅取决于这些硬件，而且系统的组成结构及网络通信系统有关。泵站DCS监控系统是一个可修复系统，系统中采用软、硬件结合的故障诊断和定位技术、带电更换设备(模块)技术、同步恢复等先进技术来实现不中断生产情况下的修理或更换，从而保证DCS系统长期可靠工作。其可靠性分析可采用马尔科夫过程模型，以系统状态之间的转移概率为基础，来建立系统状态转移方程组来描述系统可靠性，但当系统较为复杂，部件较多时，状态转移方程组的阶数很高，无法求解，甚至可能无法建立方程。可靠性分析的组合模型法比较简单，但要求已知各组成模块的可靠性参数。结合这两种模型法的特点，先用马尔科夫模型法对系统 扬州I大学l。程硕士学位论文各部件进行可靠性分析得出可靠性模型和参数，然后用组合模型法对系统的可靠性进行模型化简，再作整个系统的可靠性分析。DCS系统可靠性分析中，／|i仅应考虑各功能模块，也廊考虑刚络通讯模块。5．2．1DOS系统网络通讯可靠性模型对DCS系统网络通讯功能来说，正常工作依赖于硬件和软件的配合运行，所以其可靠性刁i仅取决于通讯l叫络的硬件可靠性，而且也取决于通讯数据的可靠性。”1网络通讯模块的硬件可靠性与电子产品可靠性相同，可用参数为五。和gNH的可维护系统可靠性模型来表示；通讯数据传输的可靠性一般由数据的差错检验和出错重发技术来保证，其采用的纠错能力很强的CRC榆错码和多蕈检错技术使得误码漏检率为零，因此仅考虑由随机躁声和干扰而引起的数据传输出错的情况，所以差错的概率分布函数为：FND(f)=1一e-”‘式中，‰为数据传输出错率，它等于平均数据流量．，k和误码率EⅣD的乘积，在一定通讯条件下为一常量。数据重发成功时间的概率分布函数为：GNo(t、=1一P一””‘式中，∥。是荤发成功率，它等于平均蕈发时间的倒数，在稳定运行时也是一常量。所以，网络通讯功能数据传输的可靠性就可用参数为兄ⅣD和∥。的可维护系统可靠性模型来表示。综合硬件可靠性与数据传输可靠性，网络通讯模块可靠性可以用两个单元串联的可靠性模型来描述，其等效参数为：九N=XqH+XND“N=tANH+九ND)“NH“ND}qNHpND+九ND“NH十九NH九N0t5-1)5．2．2DCS系统各功能模块可靠性模型各功能模块的可靠性模型与网络通讯功能的可靠性模型相似能模块硬件和软件的可靠性。””其中，硬件部分的可靠性同样可以用可维修系统可靠性模型也要同时考虑功模型参数为故障 孙振华：人掣泉站子系统可靠性模犁的建置及其DCS町靠住分析率旯。和修复率PMn。由于各功能模块中运行的是成熟的软件产品，其运行出错主要是由于数据出错或随机下扰引起的，出错事件可以看成是相互独立的随机事件，其概率分布函数为％O)=1一e-“‘t≥0式中，丑。为软件运行出错率，它等于平均软件运行出错时间的倒数，与DCS系统运行环境及系统抗干扰能力有关。模块运行软件出错后一般是采取程序模块复执或莺启动的修复措施来恢复，其恢复时间的概率分布函数为GⅧ(f)=1一e-,o”‘t20式中，laMs为软件运行恢复率，它等于平均软件运行恢复时间的倒数。所以，各功能模块的可靠性模型也可以用马尔科夫模型来描述。各功能模块的可靠性模型可描述为功能模块硬件和功能模块软件的串联模型，模型等效参数为：AM2九MH+忑MslaM=qMH+九Ms、l王MMHMsi谊MHpk镕+AMsPun+九MH九Ms、(5-2)5．3软件系统可靠性模型及应用软件系统的可靠性不仅取决于各个模块的可靠性，而且也取决于这些模块是否被执行，所以软件系统的可靠性与程序的逻辑流有关，逻辑流程代表了模块间的转移，这个转移过程也可用马尔科夫过程来表示。⋯1令R=Rl0R1：0·。··．，0R。P薯誓]cs—s，肚匕⋯．i。J∞书’矩阵R是由模块可靠度R组成的对角线矩阵，矩阵Peflffgf诛p。是逻辑流程由模块i转移到模块．，的概率。 扬州人学1．符硕十学位论文矗≯一11c5-4LqqJ，Q=RP=I；i()Hl’’+⋯^月吼=R。P{，q,j表示模块f正确执行后转移到模块J的概率。用C表示软件系统的成功状态，F表示软件系统的失效状态，以矩阵Q为基础加上成功状态C、失效状态F后得到一个n+2维方阵T：T=RlPll·一RlPl^01—1tR，p，0R⋯PR。1一R。0l0O1矩阵T的元素瓦代表了从状态f到状态／的一步转移概率Y=lirayZ=㈣一‘(5—5)Y仍然是一个n+2维方阵，其中元素一。表示从状态1经过x步到状态C的概率，所以系统的可靠性R。=K“R．还可采用下列简便方法求得，令S=(，一Q)1其中I是单位矩阵R，=S1．。·R。该可靠性预计方法有以下二点说明：(1)由于软件系统可靠性的计算与程序的流程有关，冈此对于系统承担的各种不．48— 孙振华：大型泉站子系统町靠性模犁的建口及其DCSu，靠性分折同的任务，其可靠性预计值是不同的。对于负有多种任务的软件，每种任务的可靠性必须分别汁算：(2)用这个方法预计得出的可靠度与时间无关，是执行一次任务成功的概率；(3)当与硬件进行系统可靠性综合时，软件的可靠性预计值需要根据任务周期转换为以时间为基准的量值。以我处一站自动化监控上位机软件系统为例，其系统功能为工程设备运行中各种数据的采集、处理、控制、显示、打印等，所以将系统分为5个模块，即数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块、数据控制模块、打印功能模块。通过分析各个模块的同有特征和开发特征后，计算出模块的可靠度分别为R．=0．98、R2=0．97、R3=0．96、R4=0．96、R4=0．98。由此可得到矩阵R=0．98O0．97O．960．960O．98根据系统的实际工作状态及需求说明，得出系统的状态转移矩阵从上两式可得PQ=可求得的矩阵s为o．8555o．451．0Oo．838o．437o．433095Oo．0950o．450．1O0．45O00．0930．437O0Oo．099o．4320OO．05Oo．1O0O0．096Oo．049O0O 扬州人学1．稽帧十学位论文S=13．29412．40612．24612．63002．19638242．0232．087O03750．6532．1060，356O0．0360．0630．2021．034OO．6510．6080．6000．619O所以，可求出该软件系统的可靠度为R，=Sl5’R。=0．651×0．98=0．638上式计算结果说明，虽然各功能模块的可靠度较高，但软从件系统这个整体来看，其最终的可靠度还小是很理想，除采用各种办法来提高各模块的可靠度外，还麻采用双机热备技术，这样才能大大提高上位机软件系统的可靠性，从而保证泉站自动化监控系统的可靠运行。5．4大型泵站自动化监控系统可靠性指标计算就江都一站计算机近地监控、远程监测系统工程为例，对大型泵站自动化监控系统进行可靠性指标计算并进行分析，提出提高可靠性的具体措施。5．4．1江都一站自动化监控系统简介江都一站自动化监控系统采用集散型分布式控制形式(即DCS系统)，系统实现目标是：使用先进的泵站监测监控软件，实现测量、控制、管理一体化的综合自动化系统。采用先进的测量、传感、保护和控制设备，实现站内主、辅机系统及电气设备运行状态的实时监测；实时采集、存储各炎运行数据，实现系统内资源共享；利用以太网络实现泉站的监测、管理，在江苏水利广域网和江都管理处局域}嘲上可对该站主机及相关电气设备运行状态进行监测，使广域叫上的所有用户可以通过Web方式浏览泉站的主要运行状况和统iI数据；充分合理利用水利一r：程的综合效益，为江都处泉站优化运行、苏北水资源的优化配置提供条件。““系统功能组成：改造后系统实现站内8台主机组、辅机、励磁系统和相关电气设备的近地自动监控功能以及站上下游水位、站用电量、抽水流量、抽水水量及抽水效率的远程自动监测功能，监测数据实时上传至江都管理处工情数据库。 孙振f#：大型泉站子系统町靠住模砸的迕●．及其DCS¨T靠什分{斤监图5-1江都一站监控监测系统示意图至处局域网测温监控系统微机保护图5—2江都一站监控监测系统网络拓扑图5．4．2江都一站自动化监控系统分析图5-1、5-2分别为江都一站监控系统示意图和眦络拓扑图。从图中可知，江都一站自动化监控系统大致可分为6个子系统，分别是；监控主机子系统、通讯刚络子系统、PLC子系统、微机励磁子系统、微机保护子系统以及微机测温子系统。其中，微机测温子系统与微机保护子系统的通讯均通过各自的Rs一485接口与PLC子系统的刚络通讯模块相连接；微机励磁子系统、PLC子系统则通过各自的以太I叫通讯模块经过集线器HUB与上位机通讯，从而构成以T业以太I叫络。可见，大型泵站白簪一系兰，一¨∞[一一芦机一一宁一～工丫l一巳一 扬州人学I秆慷十学位论文动化监控系统是由许多子系统构成的复杂系统，各子系统也是由多个子功能模块组成的，并通过通讯网络子系统互联。冈此，大型泵站DCS系统的可靠性分析可从各功能模块及通讯嘲络的可靠性分析开始。5．4．3江都一站自动化监控系统可靠性指标计算由于各功能子系统在监控系统中均发挥重要作用，其中任一子系统故障都可能导致整个监控系统的失效，迫使机组运行中断。如微机励磁系统故障导致励磁电流很小或为零，从而使同步电动机失步或失励运行并跳闸停机；当继电保护装置故障时会导致机组在没有保护装置的情况下运行，这时也应立即停机检查以排除故障；当PLC系统故障时，导致油气水系统参数1i正确，不能保证机组正常运行，也会导致故障停机；微机测温系统故障，运行管理人员将无法实时查询主电机绕组温度、推力轴承瓦温、水导轴承瓦温及变压器绕组温度等，这时虽然还可通过定时巡视机旁测温仪表及变压器绕组上的试温片，但由于测温仪表故障率高、可靠性较低以及测温片易受振动脱落等原因，使得值班运行人员无法准确及时获知机组各温度参数而被迫停机；监控主机故障或通讯嘲络故障也将导致整个监控系统失效而被迫停机。因此，对于自动化监控系统来说必须确保每一功能子系统正常T作才能保证整个监控系统及机组的正常工作，这符合串联系统正常运行的定义，即要求每一部件均正常工作时系统才正常。所以，在对自动化监控系统进行分析时可认为整个监控系统构成的是一个串联系统，因此采用串联系统的模型对其进行可靠性计算。以江都一站自动化监控系统为例，参考各种设备的《产品手册》及《江都一站计算机近地监控、远程监测系统_T=程施工报告》，各功能子系统平均无故障时间MTBF及对应的故障率^详见表5一l。“”表5-1各功能子系统平均无故障时『HJ肘阿F及故障率^、r均无故障时MM髓旷(小时)故障率监控主机200005．0×105集线器1000010x104网络接线4000025×105PLC系统4000025×10’微机励磁系统100001．0×104微机保护系统400002．5×lO。 孙振华：大型泵站子系统日T靠性模型的建市及其DCS可靠性分析所以可得串联系统故障率为各单元的故障率的和，所以采站自动化监控系统的故障率为A系统=A监控机+旯集线嚣+知络接线+jk+五励磁+丑保护+A铡温=5．O×10—5+1．0x10—4+2．5×10一5+2．5×lO5+1．0×10一4+2,5x10—5+1．O×10一4=4．25×10_4(5．7)所以，江都一站自动化监控系统的平均无故障时间MTBF为MTBF=÷L=了—L—了=2353h(5—8)如统4．25x10。。7经过计算，一套先进的泵站微机自动化监控系统的平均无故障时间MTBF仅为2300多小时，看上去数值较小，约为连续开机3个多月的时间。这样的结果大大低于南水北调T程对沿线泉站要求的8000小时的年开机运行时间，让人难以接受。所以，我们应对这个结果进行分析、澄清，因为现代大型泵站自动化监控系统的结构日趋复杂，功能日臻完善，对可靠性的要求也越来越高，达到高可靠性的难度也越来越大。泵站系统做为一个较为复杂的系统，系统中涉及到各种测量、控制、保护、通讯子系统，从功能上看任一子系统的故障都将导致整个系统失效，所以系统平均无故障时间相应较低。从我处一站、二站、四站三座大型泉站的自动化监控系统的使用情况来看，系统总体性能稳定、工作可靠，各项指标达到设计要求，控制安全可靠，测量精度通过0．5级以上仪表进行检验，其榆测完全达到设备的标称值。泵站自动化系统的实现大大改变了过上落后的人工监测方式，避免了采站重要运行参数人T巡视的不便和可能带来的疏忽。但是同时，由于集成电路、自动化元件、传感器等部件工艺水平的限制及其质量的小稳定、分散性，造成系统运行中各种故障、出错的情况也时有发生，加上采站操作管理人员的素质和技术水平条件的限制，造成一些小故障不能及时发现而导致故障扩大以及产生一些工作失误。因此，必须对泵站自动化监控系统的各子系统进行可靠性分析与评估，针对存在的弱点加强维护、维修T作，确保自动化监控系统安全可靠。5．5大型泵站自动化监控系统可靠性分析通过对大型采站自动化监控系统的使用与分析后，我们认为影响整个系统可靠．53— 扬州人学I稃顺十!#他论文性的冈素比较多，除了组成系统的各部件奉身的T艺水平、质量这些产品内部冈素外，外部环境冈素以及操作管理人员因素也非常荤要，下面就这几个方面进行简单分析。1)内部冈素系统内部冈素指系统本身的各种缺陷、质量问题，如元件失效，电路开路，电容短路等，有时也包括元件、系统设计中的一些问题。元件是构成系统的最基本单位，也是系统可靠性分析的出发点。每个生产厂家在生产设备时已充分考虑到这一点，一般需要进行元件老化筛选，严把质量关。作为用户来讲只是使用，所以影响系统可靠性的内部冈素主要是由生产厂家来考虑。但我们必须了解产品或设备的失效期及失效发生规律，电子产品及其零部件在整个使用寿命期内失效发生的规律可用“寿命特性曲线”来说明，如图5-3所示，失效率X与其工作时间t之间具有图示的典型失效曲线，俗称“浴盆曲线”，按照曲线的形状，在电子产品使用的整个过程中，可将其失效分为三类。”1使用时辎，图5-3寿命特性曲线第一部分为早期失效期，这段时期内引起产品失效的主要原冈是设计、制造及生产、安装、调试过程中的缺陷造成的。冈为使用初期，容易暴露上述缺陷而导致失效，冈此失效率往往较高，但随着使用时间的延长，其失效率则很快下降。若产品在出厂前即进行旨在剔除这类缺陷的过程，则在产品正式使用时，可使失效率大体保持恒定值。第二部分为随机失效期，其中^很小，这一时期也称为寿命期。在理想的情况下，产品或装备发生损伤或老化之前，应是无“失效”的。但是由于环境的偶然变化、操作时的人为差错或者由于管理／fi善，仍可能产生随机失效或称偶然失效。偶然失效率是随机分布的，其很低而且基本上是恒定的。这一时期是产品最侍工作时间。偶然失效率(^)的倒数即为失效的平均时间。第二部分为耗损失效期，耗损失效又称损伤累积失效。经过随机失效期后，电 孙振华：夫型泉站于系统町靠性模型的建口及其DCS可靠性分析子产品中的零部件已到了寿命后期，于是失效率开始急剧增加。如果在进入耗损失效期之前进行必要的预防维修，它的失效率仍可保持在随机失效率附近，从而延长产品的随机失效期。我们研究可靠性是指产品在随机失效期的可靠性指标，当认为设备到了随机失效期，就应该进行状态检修或状态更换，并做好预防工作，避免系统出现重大故障。随机失效期是一个统计数据，需要做细致的工作进行大量的数据统计，才能得出适合自动化监控系统不同设备的随机失效期。2)外部因素及人为冈素外部因素是指系统可靠性受许多外部环境因素的影响，如环境温度、湿度，电源的波动，强烈的电磁干扰、冲击、震动，腐蚀，线路端子连接的松紧等。人为冈素是指操作管理人员自身的素质，对系统技术的了解及掌握程度，这对系统的正常使用与维护也是至关重要的。外部因素将在各子系统中进行分析，人为因素将在可靠性管理中进行分析。5．5．1可编程控制器(PLO)系统可靠性分析可编程序控制器(PLC)是综合计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型通用自动控制装置，具有体积小、功能强、可靠性高、维护方便等一系列优点，近年来在工业自动化、机电一体化等领域应用十分广泛。由于PLC生产厂家在硬件和软件上都采取了一些抗干扰措施，一般不需要用户采取特别的抗干扰措施就可以直接在工业环境中使用。但由于泵站现场大功率高压设备集中，设备的启停以及可控硅的非过零触发均会产生较大的电磁T扰。冈此，必须对PLC系统的抗电磁干扰、冗余设计和软件抗干扰等可靠性T作做进一步研究。1)电源抗干扰性提高可编程序控制器的可靠性，电源抗干扰性能力非常重要，可采取以下措施：(1)使用隔离变压器：将其屏蔽层良好接地，对抑制电嘲与大地中的噪声有较好的效果。使用中必须注意：屏蔽层要良好接地；二次侧连接线要使用双绞线。(2)用滤波器代替隔离变压器，在一定频率范同内也有一定抗干扰作用，但选择好滤波器频率范罔较困难。常用方法是同时使用滤波器和隔离变压器。注意隔离变压器的一次侧和二次侧连接线要用双绞线，且一二次侧要分隔开，接线如图5—4。 扬州人学1程顺十学位论文隔离变j}、器r————————]—r———————]t习黻器p驭刈D(姒]黜懦iL_。双绞线双绞线L图5-4滤波器和隔离变压器的接线2)采用光电耦合器为了抑制外部噪声对PLC控制系统的干扰，在PLC控制系统中引入光耦合器是行之有效的。光电偶合器由输入端的发光元件和输出端的受光元件组成，利用光传递信息，使输入与输出在电气上完全隔离。其体积小、使用简便，在现场不同干扰情况下，可组成各种不同的抑制_|二扰线路。(1)用于输入输出的隔离，不仅可以用在数字电路中，也可以用在模拟电路中。(2)用于减少噪声与消除干扰，使用时应注意频率不能太高。用于低电压时，其传输距离以100米以内为宜。光电耦合器抑制噪卢有两点：一是使输入端噪卢不传递给输出端，只传递有用信号；二是由于输入端到输出端的信号利用光传递，极间电容很小，绝缘电阻很大，因而输出端的信号与噪声也不会反馈到输入端。3)外部配线的可靠性措施(1)使用多芯信号电缆时，要避免I／0线和其它控制线、电源线共用同一电缆；(2)如果各接线架是平行的，则各接线架之间至少相隔300rim；(3)当控制系统要求400V、IOA或220V、20A的电源容量时，I／0线与电源线的间距4i能小于300mm；若在设备连接点外，I／O线与电源线彳i可避免地敷设在同一电缆沟内时，则必须用接地的金属板将它们相互屏蔽，接地电阻要小于100Q；(4)尽量避免直接驱动大功率、高电压的接触器、电磁阀，可以在输出与负载元件之问增加继电器进行隔离；(5)CPU机架与扩展机架之间及扩展机架之间应留70～120rrm距离，以便走线和冷却；(6)交流输入、输出信号与直流输入、输出信号应分别使用各自的电缆；(7)集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线，必须使用屏蔽电缆，屏蔽电缆的处理如图5-5，屏蔽层在输入、输出侧悬空而在控制侧接地； 孙振华：丈犁泉站子系统u，榷忭校璎的建屯发其DCS叮靠性分析图5-5屏蔽电缆接线(8)模拟量I／ON号线较长时，应采用不易受干扰的4～20mh电流信号传输方式；(9)模拟量信号线和数字传输线分开布线，并分别采用屏蔽线，屏蔽层应接地；⑩双绞线多用于双线传输通道，一根传送信号或供电，另～根作为返回通道。使用目的是使相邻“扭节”的感应电动势方向相反，大小相等，相互抵消，使得总的感应电动势为零。双绞线单位长度内的绞合次数越多抗干扰效果越好。使用双绞线时，应注意：一是应尽量采用图5．6a所示一端接地方式；避免使用图5-6b的两端接地方式，冈有地环路存在，会削弱双绞线的抗干扰效果；二是两组绞距相等的双绞线不能平行敷设，以免不能减弱相互之间的磁耦合，如图5-6c所示；应采用图5．6d所示的双绞线的绞距不等的配线。HEMBEDAutoCAD．Drawing．16㈤◇◇＆×Ⅺ(b)≥◇g铡!}感应侧(d)三H：二一：．++：：)≤)≤)∈)∈)∈嬲被感应侧感应侧L[)一Tp一一一一—二-=≤i≤≥×j三>洲!}被感应侧图5-6双绞线用法分析最后要说的是，在双绞线的最尽头两端，仍要保持扭绞形状。在使用屏蔽线时，屏蔽层应良好接地、信号返回线只在一端接地。信号线中间有接头时，屏蔽层应牢同连接并进行绝缘处理，避免多点接地。屏蔽层不接地，会产生寄生耦合作用，由于屏蔽层的面积较大，反而增大寄生耦合电容，更易产生_F扰，所以戍避免。4)PLC控制系统的接地电子设备的接地是抑制TI扰的需要，正确良好的接地可消除或减少各种形式干，‘7． 扬州人学f程地卜学他沧支扰，保证电子设备或控制系统可靠稳定工作。良好的接地可减少PLC、控制柜与地之间电位差引起的噪声；可抑制混入电源和输入／输出信号线的干扰；可防止由漏电流产生的感应电压等。接地可分为两大炎：安全接地和信号接地。安全接地通常与大地等电位，而信号接地却不一定与大地等电位。在很多情况下，安全接地点不适合用做信号接地点，因为会使噪卢问题更加复杂化。接地电阻是指接地电流经接地体注入大地时，在土壤中以电流场形式向远处扩散时所遇到的土壤电阻。它属于分布电阻，由接地导线的电阻、接地体的电阻和大地的杂散电阻三部分组成。接地体的电阻应小于4Q，常用的接地体有铜板、金属棒、镀锌圆钢等。一般接地装置的接地电阻应小于10o。控制系统的接地方式如图5—7所示。图5-7a为控制系统和其它设备独立接地，该接地方式最好，若无法实现，也可使用图5—7b中的并联接地方式。但不允许使用图5—7c中的串联接地方式，特别应避免与电动机、变压器等动力设备串联接地。甲甲守回甲缸)独立接地∞)并联接地(C)串联接地图5．7系统接地方法接地时还应注意：①接地线应尽量短，且截面积大于2IfⅡn2，接地电阻应小于10Q；②接地点麻尽量靠近PLC，地线长度应在20m以内；③控制器的接地线与电源线及动力线分开，二1i能避开时府垂直交叉；④—[作地与屏蔽地分开，以防互相干扰，尤其应该注意外部设备及传输介质的屏蔽接地，最好是与系统共用一个接地带，以防共模T扰对系统的影响。5)PLC软件抗干扰设计对PLC而言，可靠性主要是指软件对错误信号的滤除、设备故障判断及不同工况适应等。所以，在软件设计中，可采用数字滤波、软件容错、故障控制等有效方法，进一步提高系统的可靠性。(1)数字滤波对于较低信噪比的模拟信号，常冈现场瞬时1二扰而产生较大波动。为此，在软件设计上常采用数宁滤波技术。现场模拟量信号经A／D转换后变为离散的数字量信号，再将这些数据存入PLC中。利用数字滤波程序进行处理，滤上噪声信号获得所 孙振华：大型泵站子系统町靠忡模型的建屯及其DCS“r靠讥分析需有用信号。工程上数字滤波方法有平均值滤波法、中间值滤波法、惯性滤波法等。另一种方法是利用计时器，过滤伪输入信号。做法是在梯形图中增加计时器，当信号产生一段时间后，通过计时器完成位再触发控制程序动作，可在一定程度上避免了因瞬间错误信号造成的控制程序误动作。(2)软件容错为提高PLC运行可靠性，使PLC在信号出错时能及时发现，排除错误影响继续工作，在程序编制中还虎采取软件容错技术。①程序复执技术：程序执行中，一旦发现故障或错误，就萤新执行被干扰的先行指令。若复执成功，说明为T扰，否则输出软件处错或报警；②处理死循环：死循环主要通过程序判断出是由主要故障造成还是由次要故障造成的，然后分别做出停机和相应子程序处理；③软件延时：对重要开关量输入信号或易形成抖动的检测或控制回路，可用软件延时20ms，对同一信号多次读取，结果一致才确认有效，可消除偶发干扰。(3)故障榆测PLC自身可靠性是很高的，在CPU监控程序或操作系统中有较完整的自诊断程序，出现故障很快就能发现和解决。但PLC系统的输入／输出元器件引起的故障非常突出，如限位开关故障造成的机械顶死，接触器主触点“烧死”造成线圈断电后电机运转不停等。这些元件出现故障时PLC不能自动停机，常常在造成严重后果后才被发现，同时故障查找也费时费力。所以，麻在软件程序设计时加强PLC控制系统故障榆测范罔和能力，以提高整个系统的可靠性。常用的方法有：①时限故障榆测：由于系统工作要求，一些设备是在一定时间内运行，完成特定动作内容。因此，可利用运行时间作参考值。在设备器件开始运行同时，启动一个计时器，其时间设定值一般是正常运行情况的1．2～1．3倍。如果设备运行时间超过计时器设定时间，则进行报警或自动停机，使故障能及时发现、处理。②逻辑错误检测：在设备正常运转时，控制系统的各个输入／输出信号、中间记忆装置等，相互之间存在着一定逻辑关系。一旦出现故障，就会出现异常的逻辑关系。因此，加入系统常见故障的异常逻辑关系程序，一旦这些程序被执行，就表示相应的设备故障，即可实现报警、停机等控制措施。③增加锁定逻辑，提高系统对设备故障判断在PLc程序中增加锁定逻辑，当出现异常T况时，对异常情况进行锁定，可避免因报警信号持续时间小于上位机采集时间，导致上位机无法采集这个变化而漏报．59— 扬州人’#I符倾十学位论文警或显示，为判断设备故障提供依据。6)PLC安装环境条件的影响(1)温度影响：温度变化将直接影响电子元器件的寿命和可靠性。温度每升高10℃，电阻值会增加1％，电容寿命会减少一半；若温度偏低，模拟电路精度会降低。因此，当环境温度高于55"C时，应使用风机进行降温，若环境温度过低，应设置加热器等。(2)湿度影响：湿度过大会导致金属表面生锈，电路板会冈高压或浪涌电压而引起短路，所以应把控制柜、箱设计成密封型，并放入吸湿剂如硅胶等。(3)周围空气的影响：周围空气中应避免存在伞埃、导电性粉末、腐蚀性气体、水分、有机溶剂和盐分等，否则会引起接触不良、绝缘性能变差、短路等。7)静电的预防静电影响主要有：击穿电子元器件、吸附尘埃降低绝缘、产生电磁T-扰等，具有隐蔽性、潜在性、随机性的特点，所以必须予以蕈视。人体静电是引起静电损坏的最主要因素。T：燥环境中，人体活动可产生高达几千伏甚至上万伏的静电，远远超过电子元器件所能承受的放电电压。由于人体小会感受到35KV以下电压产生的静电放电，往往在没有察觉就已对电子元器件产生致命影响。所以，工作人员在接触PLC模块等组件前，应先泻放静电或带防静电环。对设备而言，易产生静电放电的部位主要有电缆、暴露在外的金属框架等。因此，电缆屏蔽层与设备金属外壳应良好连接，静电接地电阻应小于10Q。但接地不能防止静电的产生，所以，需保持湿度在65％左右，也可采用抗静电剂、防静电透明乳胶漆或静电消除器等。⋯“⋯5．5．2微机测温系统可靠-性分析大型泵站微机测温系统可对主机组轴承瓦温、电动机绕组以及变压器绕组温度进行监视。以江都一站为例，测温系统由非线性温度传感器(铂热电阻)、ADPTl00—08远程测温模块和PLC二个部分组成，共有温度检测点114个。由于泉站微机测温系统的安装现场同样存在着各种噪卢T扰，又加上系统本身同有的偏差等原冈，对系统的准确性和可靠性有较大影响。1)传感器的接线铜热电阻传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，其工作范围在一200～650。C，具有测晕精度高、复现性和稳定性好、抗下扰能力较强的优点。温度测量电路为小平衡电桥电路，铂热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连一60— 孙振华：大型泉站子系统町椎惟模型的建以及其DCS町柜性分析接导线(从现场到温测系统)也成为桥臂电阻的一部分，这部分电阻是未知的，且随环境温度变化，造成测量误差。所以，铂热电阻必须采用二线制形式，以去除导线电阻带来的零点不准确。在接线时，一根导线接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，接错或接触不好都将对系统精确度、可靠性产生影响。2)输入／输出传输抗干扰措施输入、输出线上容易窜入干扰，必须采用隔离、滤波、屏蔽等技术，抑制下扰耦合通道。采用光电隔离，对输入、输出通道电气隔离，大幅减少输入信号中低能量的高频r1二扰。3)使用数字滤波数字滤波是通过计算程序，对采样信号进行平滑加工，提高其有用信号，消除或减少各种干扰和噪音，提高采样的真实性，以保证数据的可信度。除采用硬件措施进行滤波外，还进行软件滤波：①程序判断滤波一限幅滤波，主要用于变化比较缓慢的参数，去除随机干扰和脉冲干扰；②限速滤波—去除脉冲干扰；③平均值滤波，实质是把一个采样周期内几次采样值相加，然后再除以采样次数／1便得到该采样周期的采样值，用以去除周期干扰。将这三种方法综合使用时先限幅，限速然后均值，保证数据的真实性。测温模块应采用软件查表插值法对所测数据进行校正，该方法与易受温漂干扰的模拟电路校正相比精度更高。4)程序防“跑飞”程序在运行时，因受各种外界干扰，会产生程序“跑飞”现象。冈而系统府设置定时监视，以保证系统正常可靠地运行。如设内存变量m存放定时常数，设置中断服务，使其每次对m减1。若软件运行时未在规定周期内对Ill定时刷新，则会减少为零引起系统复位，可从瞬时故障中自动恢复，提高系统可靠性。5)环境要求除上述各项措施外，测温系统的工作环境要注意通风散热，控制湿度，避免各种尘埃、导电性粉末等的腐蚀，这一点与PLC系统的环境要求相似。”15．5．3微机保护系统可靠性分析计算机技术与继电保护技术相结合发展成为微机保护，其性能和可靠性较电磁型保护有大幅提高，并已在采站系统得到了广泛的应用。微机保护装置也是由硬件和一6l一 扬州大学J‘程倾}学位论文软件组成，既有数宁电路又有模拟电路，加之接线复杂、低电平T作方式及T作环境等，都是影响微机保护可靠工作的冈素。继电保护的可靠性是指保护装置在运行时不拒动又／fi误动，其T作过程是一种动态的过程，保护装置始终不停地以极高速度和极短周期循环执行程序，只要这个循环彳i停止，保护就始终存在着可靠性问题，下面就针对泵站使用的微机保护系统的可靠性进行分析。1)微机保护不可靠因素分析(1)微机保护装置奉身的元件故障保护装置数字电路大多采用大规模和超大规模集成电路，生产工艺也为先进的贴片工艺，实践让明元件损坏率很低，但泵站继电保护装置的T作环境中存在各种电磁干扰，干扰对保护装置元件的可靠性工作有影响，这一点必须考虑；其次，保护装置中除数宁电路外，还有许多模拟电路及元件，它们对于扰的影响非常敏感，所以，也应该考虑其可靠性；微机保护装置的工作电—乎较低，其干扰问题显得较为突出；装置的集成度高，元件拥挤，接线复杂，并列走线较多，尤其在较高频率下工作，其自身的干扰4i容忽视。(2)干扰冈素干扰因素I‘分复杂，有来自内部，也有来自外部。内部干扰主要有杂散电容和电感的结合引起的不同信号感应、长线路传输造成电磁波的反射、多点接地造成的电流差干扰等；外部干扰有设备辐射电磁波产生的强电场或磁场，以及来自电源的t频干扰等。就装置本身而言，内部干扰可以在设计或调试中使之尽量减少，外部干扰则只能通过合理的措施将其屏蔽。干扰从形式上可分为差模干扰和共模T扰，一般情况下，两种干扰是共同存在的。(3)软件冈素微机保护的软件可靠性是指假设硬件准确无误，系统受T+扰时，在实际运行中软件完成预定功能的可靠程度，主要包括保护原理的正确性、逻辑结构的严密性及汁算方法的准确和半稳性。由于用真实的故障环境来试验相对困难，所以只能在软件设计时要求：①用数宁仿真和现场记录作出大量的高线计算；②全面周到的静模试验和动模试验；⑧施工现场结合应用日的及一些特殊要求的调试总结。21提高微机保护可靠性的措施(1)提高元件质量，采用冗余技术 孙振华：人型泵站子系统呵靠性模型的建口及其DCS町靠性分析对于微机保护装置来说，元件损坏并／fi是主要原因，只要在硬件组装时进行质量检测、提高装配工艺和注意环境卫生条件，在装置上尽量采用屏蔽技术，硬件的损坏率是很低的。结合软件装置的自动检测、容错设计，都将大幅提高硬件装置的可靠性。系统的容错设计对克服元件损坏、提高装置运行可靠性有较大帮助，在设备硬件结构上采用冗余技术，可大大提高装置的可靠性。冗余技术一般有静态冗余法、动态冗余法和综合冗余法三种方法。(2)防干扰措施大量研究及试验表明，电磁干扰是对微机保护装置可靠性影响最大的因素，对模拟电路来说会使电路误翻转，从而导致误操作或误动；对数字电路则造成数据或地址传送错误，导致微机运行故障或功能障碍，导致计算或逻辑错误和程序运行出错。各种抗干扰措施主要是切断各种干扰的耦合途径，防止f扰进入保护装置内，具体方法有：①装置的接地。这是抑制干扰的主要方法之一，包括装置的外壳接地、数字电路的数字地、模拟地、功率地及屏蔽地等。对于装置的外壳，从安全和抗干扰两方面考虑必须接地；对于微机保护的内部插件，相互之间应严格遵从一点接地的原则，对印刷电路板的接地线尽量减少其长度，接地线的宽度一般不小于3mm且地线分布成网状；为避免数字地上电平的跳跃会造成很大的尖峰干扰以及影响A／D转换的处理精度，应使模拟地与数字地之间只能一点相连，且连线应尽量短；功率地一般要求完全的独立接地。对于共模干扰，应尽量使装置内部的零电位悬浮，不与机壳相连，尽量提高它们之间的绝缘强度并减少其分布电容，即将抑制板周围都用零线或+5v电源封闭，减少板上其它部分与机壳之间的直接耦合。当共模下扰侵入时，系统各点对机壳的电位随电源线一起浮动，其电位差不变。可靠、正确的接地对微机保护装置的安全很重要，在设备安装、调试及运行中应引起重视。②屏蔽与隔离。屏蔽是防止电场及磁场干扰的最好手段。装置内数宁与模拟部件的外壳均应采用铁质材料。干扰电场很强时，还应加装铜网里衬。隔离主要是使端子排上任一点与微机部分无直接电气联系，以防外部浪涌进入。主要措施有：模拟量输入：模拟量包括交流电压、电流和直流量。对交流可采用变压器进行隔离，而对直流量则采用光电隔离；对交直流的隔离采用整流一逆变方法。 扬州人学J拧倾十学位论文开关帚输入：可采用具有较小耦合电容的光电耦合芯片来进行隔离。开关量输出：主要指出口及信号等触点信号。为防止线圈电感回路切换产生T扰的影响及继电器电源与微机装置电源的电气联系，信号传递应采用光电耦合。数字量输出：也应采用光电隔离。③滤波、退耦和旁路滤波和退耦是抑制差模T扰的主要措施。在交流信号输入通道，设置具有抗T-扰的前置低通滤波器，而在交、直流的输入端子之间设置退耦电容，可旁路高频差模干扰信号；微机部分中电源的内阻会使各组件间存在耦合而形成T：扰源，可采用退耦电路进行供电，具体除在公用电源端并联大容量的电解电容外，还要并联高频电容，进一步减少小电源的交流阻抗，同时也可抵消电解电容内的电感效应；对集成电路，一般在集成电路芯片的电源输入端并联退耦电容。对输入端子的共模干扰，一个有效的抑制方法是在端子与大地即机壳之间并联0147uF的旁路电容，为保证安全，电容要有足够高的耐压。目前，一般是将抗干扰电容集中装在保护屏上，各引入量先经抗干扰电容再引至微机保护装置。④对供电电源的要求现代微机保护装置主要采用逆变后的开关电源。蓄电池直流电源逆变成20kHz的电压后经高频变压器隔离，其稳压能力及抗干扰效果都很好。⑤插件的合理分布与配置为进一步减少干扰影响，可把电路分成几个插件，将核心部件(如CPU、ROM、RAM、A／D转换器等)集中在一个或几个插件上，放在内层屏蔽箱内，使之远离干扰源和与T-扰源(如电源、变压器等)。(3)防止串入干扰导致误动和拒动的措施为抑制内部下扰的发生，必须采用针对性措施，具体有：①对采用数据的校验。在采样输入时将错误数据检测出并去除，保证数据正确。②防止程序运行“跑飞”。程序“跑飞”会导致CPU进入死循环，使装置具有超时自动复归的能力。③执行程序校核，程序运行时进行校核是抗下扰的晕要措施，主要有按保护程序功能顺序校核、按出口密码校核及对同组采集数据复算、对比校核。(4)保护装置故障白检技术应采用白榆测技术对硬件故障进行枪测和报警，以便修复和处理。日前主要有以下几种方法，按检测时机分为即时榆测和周期柃测；按榆测对象分为元器件榆测和一“． 孙振华：大型泵站子系统¨，椎竹模犁的建口及其DCS町靠性分析成组功能检测。(5)系统的容错设计容错设计主要是指硬件结构上的冗余技术，硬件的冗余技术主要有三种方法：静态冗余法、动态冗余法和混合冗余法。(6)软件可靠性问题微机保护的软件可靠性是指在运行中，假定硬件正确、系统受干扰时，软件完成预定功能的可靠程度。主要包括以下几个方面，保护原理的正确性、逻辑结构的严密性及计算方法的准确性和平稳性。微机保护的软件可靠性难于在电力系统现场进行各种故障的真实试验十分困难，所以在软件的研制阶段就显得很重要，可采用以下措施：用数字仿真和现场试验记录作大量的离线汁算；全面周到的静态模拟和动态模拟试验；长时间的现场运行，积累运行经验。另外，提高软件可靠性的办法有：用平滑技术来克服算法结果的分散性；用同功能冗余减少软件判断失误。⋯15．5．4网络通讯系统可靠性分析大型象站自动化监控系统功能的实现需要建立在网络通讯系统基础之上，下面仍以江都一站自动化监控系统为例。改造前，江都一站自动化监控系统采用的是RS-485总线，现场设备使用RS-485通讯口以半双工方式与上位机通讯，通讯速率较低，一般仅为几fK，难以实现真正意义上的动态实时监控监测功能。并且随通讯距离的增加，传输速率大为降低，同时对网络的配置、接线、匹配等具有较高的要求，可靠性问题突出。改造后，江都一站监控系统通过丁业以太网络进行泵站近地监控和远程监测。以太网络是一个经济、开放的总线系统，支持多种低成本的通信媒体，信号传输距离长、速率高，抗干扰能力强，可以提供灵活、广泛的支持。工业以太网络作为泉站总线后，监控系统与各主要设备之间可进行双向高速通讯，其中可包含设备标识符、设备状况及诊断信息。_[作人员在主控机上即可实时、动态掌握现场主要电气设备如PLC、微机保护、微机励磁系统的工作状况，也能在线对其系统参数进行实时、准确、可靠的调整，提高了系统的可靠性、可控性和可维护性，极大提高了监控系统的可靠性。采用工业以太嘲络的同时，也导致了新的安全方面问题，随着网络的开放性、互 扬州人学『：程顺卜学仲论文连性及数据共享程度的扩大，使网络的重要性和影响也越来越大。监控系统内部网络与外部嘲络连接的安全防范问题也成为蕈要议题。如果由于恻络的安伞原冈引起机组误启动，开关误动、拒动、整定参数的错误更改、上传数据紊乱等，将给自动化监控系统的安全稳定运行带来严重威胁，甚至会引起事故。1)工业以太嘲络可靠性分析自动化监控刚络安全包括硬件设备的安全、软件系统的稳定运行、口令密钥的保管、泵站运行采集的重要数据以及系统配置信息不冈偶然或恶意的原因(如收到非法跳闸命令、非法修改定值和非法干扰信息等)而遭到破坏、更改和泄露。在规划、设计泵站自动化监控系统时，着重考虑的大多是如何实现自动化系统的功能及其运行可靠性，而眦络的安全问题并没有得到足够的重视。所以，下面将重点讨论采用以太网络后，监控系统的安全隐患分析及相应措施。(1)存在的主要安全隐患①网络结构问题采用工业以太网络作为监控系统通讯}叫络后，由于条件限制，泵站监控系统与管理部门办公嘲一起接入单位局域网(即办公嗍、监控网合二为一)。监控网中的主机通过应用程序进行通讯，并向整个单位局域网及外部网络开放特定的端口服务。这使得局域【啁及外部网络中的主机可以很容易的对监控嘲主机或分配口地址的设备发起攻击。同时，无法对单位局域I卿辛主机的访问权限进行有效设黄，也无法对正常访问或是非正常的蚓络攻击实施有效监控，留下很大的安全隐患。②计算机病毒威胁计算机病毒是一种人为制造、在计算机运行中对其系统或数据起破坏作用的程序。计算机病毒并不独立存在，而是隐蔽在一些可执行程序之中，不仅影响计算机运行速度，使之不能正常运行；还会使机器处于瘫痪，破坏硬件，丢失数据。通常就把这种具有破坏作用的程序称为计算机病毒。计算机病毒除具有隐蔽性、可执行性、破坏性等特点外，在局域【删环境中，还具有感染速度快、扩散血J一、传播形式复杂多样、难于彻底清除、破坏性大、可激发性以及潜在性的众多特点。只要一台机器中了毒，就会／fi停攻击嘲络中所有计算机，迅速感染所有没有防护的机器。即使一台汁算机中病毒被清除，但其余计算机中的病毒还会使其交叉感染，导致再次中毒。搜索本地嘲络中每台计算机的文件共享，以“尼姆达”病毒为例，病毒程序会彳i停无论是文件服务器还是终端客户机，一旦找到，便安装一个隐藏文件，名为Riched20．dll到每一个包含doc和eml文件的日．66— 孙振华：人型泵站子系统ur靠竹模犁的建扛及其DCS呵柜r}=分析录中。当用户通过Word、写字板、Outlook打开doc和eml文档时，应用程序将执行Riched20．d11文件，从而使机器被感染，同时还可感染远程服务器被启动的文件。当电子邮件带有“尼姆达”病毒时，只要阅读或预览该邮件，而不需要打开附件，就会继续发送带毒邮件给你通讯簿里的所有朋友的计算机，将病毒程序小断复制、传播，侵蚀网络通讯带宽，严重影响网络性能。③存在网络漏洞的攻击现代操作系统代码数量巨大，并由成百上千工程师的共同设计编写，安全漏涧难以避免。随着软硬件技术的发展，操作系统的功能越来越强大，但配置越来越复杂。面对横跨多种平台、不同版本、不同种类的操作系统，系统管理员显得力不从心，经常会造成配置上失误，从而产生安全问题。同时，由于p哪络采用的通信协议并不是为安全通信而设计的，这些协议和网络设备存在一些固有的安全隐患，入侵者可利用这些漏洞，通过}哪络实施攻击。系统安全漏洞涉及口令设置、文件权限、账户管理、组管理、系统配置等。在网络管理中，即使制定了完善的网络安全和网络管理策略，再有经验的网络管理者也不可能完全依靠自身的能力建立卜分完善的安全系统，这是因为：①即使安全策略已_卜分可靠，但是随着网络结构和应用的不断变化，安全策略随时存在失效的风险，必须及时进行相应的调整；②由于系统漏洞的不断发现，黑客可随时找到攻击这些漏洞的工具并发起攻击，依靠网络管理人员的个人力量无法与巨大的黑客群体进行抗衡；③传统方式的安全策略采取被动挨打的方式，等待入侵者的攻击，而缺乏主动防范的功能；④来自内部刚的病毒的破坏；⑤内部}哪络各网段上运行不同应用，而这些应用又要共享某些数据，这些放有共享数据的主机没有有效的保护措施，容易受到攻击。④网络传输缺乏安全保证局域网的传输过程中存在很多不安全的原因，窃听者可以通过网络连接或是接受电磁辐射等手段，嗅探或侦听到传输数据，若数据在刚络上以明文传输，这样黑客可以轻易地窃取用户的账号、口令、文件、电子邮件等鼋要信息，造成信息的泄密。同时黑客可以跟踪系统的运行情况，对系统进行攻击和破坏。若数据加密较为简单，也同样存在着被黑客破解的风险。非法嗅探或侦听造成的信息泄露或篡改，系统受到攻击，都将给网络造成无法想象的损失。当监控}c)4与办公9c】4同在一个嘲段中时，办公网中的计算机可以很容易的对监控嘲主机或设备进行嗅探、侦听，甚至攻击，给监控阀的通讯带来很大的风险。同时， 扬州，、学I程顺十学位论文办公嘲对网络带宽的占用非常明显，特别是当M络中用广进行长时间下载或是观看刚络视频时，都会对监控嘲的数据传输产生延迟，甚至堵塞。所以从网络使用安全以及可靠性来说，监控9叫必须与办公刚实施分离，至少也麻刚络分段进行管理。⋯1(2)麻采取的安全策略①虚拟专用嘲络VPN(VirtualPrivateNetwork)技术虚拟专用嗍络VPN可理解成虚拟出来的企业内部号线，核心就是利用公共嘲络建立虚拟私有阌。它通过特殊的加密通讯协议，将连接在局域网(或广域网)中、位于不同地方的两个或多个内部嘲络之间建立～条专有的通讯线路，就好比是架设了一条专线，但并不需要再铺设物理线路。VPN技术是路由器具有的莺要技术之一，目前在交换机、防火墙设备以及WINDOWS2000软件也都支持VPN功能。虚拟专用网络V'PN为网络的安全提供了一个较好的解决方案，是一种以公用嘲络为基础的传输连接。虽然建立于公共网络上。但同使用专用线路连接一样，享有很高的安全性、优先性、可靠性和可管理性，同时建设周期、投入资金和维护费用却大大降低。VPN的另一个重要优点是能够在不同平台之间传输数据，而无需专门的平台和协议。除了提供网络之间数据的安全传输，VPN也可以提供主机到主机的安全隧道。通过L2TP，IPSec等协议及密码技术的处理，向用户提供虚拟的专用网络服务技术。其采用的关键技术包括安全隧道技术、信息加密技术、用户认证技术和访问控制技术。另外，VPN技术对远程监测、监控甚至维护也提供了方便，可安全保证在江苏水利广域嘲及管理处局域嘲上对泵站主机及相关配电和电气设备运行状态进行监测、监控，使得泵站自动化监控系统的安全性、可靠性大为提高。VPN主要有3种应用方式：a、IntranetVPN，用于企业内部各局域刚的安全互联ib、个人远程接入VPN，用于经过授权的移动个人接入企业的局域嘲；c、ExtranetVPN，用于若下个企业的IntranetVPN安全互联。②病毒防护及防火墙技术计算机M络病毒的防护是长期而艰巨的任务。首先，在思怨上蕈视，加强管理，防止病毒的入侵。禁止在监控嘲主机上使用外来软盘、光盘、移动存储，并统一安装杀毒软件，保证计算机不被新的病毒传染。经常对磁盘进行查毒，若发现病毒就及时杀除。由于新病毒的／ii断出现以及病毒／1i断变异，所以，经常需要及时更新杀毒软件和防火墙，以保证能查杀出所有病毒。防火墙为刁i同I删络之间构建了一道安全屏障，通过选择性拒绝非法端口及其连接，允许合法TCP／IP数据流通过，以保证内部刚的数据和信息不会流向非法地点。一68． 孙振华：大窄泉站子系统u，谨r|．横犁的建正及其DCS“f靠r}分析目前防火墙技术已经比较成熟，通常使用包过滤、应用级嘲关、电路级嘲关和规则榆查防火墒等安全控制手段实现其安全防护功能。其中，包过滤防火墙只榆查地址和端口，对网络更高协议层的信息无理解能力，对网络的保护有限，但其具有速度快、费用低的优点；应用级网关可以实现较好的访问控制，采用通过网关复制传输数据的方式避免端到端之间直接建立联系，但是每～种协议都需要相应的代理服务，并且数据传输速度受到限制，不利于实时性要求较高的场合；电路级网关工作于会话层，一般与应用级网关结合在一起，它还具有IP地址代理的功能，但缺点是不能检查应用层的数据；规则检查防火墙则综合了以上3种防火墙的特点，允许主机到主机的直接连接，根据某种算法检查进出防火墙的应用层数据是否与合法数据包一致，来达到安全访问的目的。③移动代理(mobileagent)技术一旦外部的非法入侵者突破防火墙，进一步的网络安全防护丁作就要由本地入侵监测系统负责。此时需要一个智能系统对非法入侵实时检测并迅速采取相应的对策，移动代理技术则为其实现提供了一条便捷途径。代理(agent)的概念来源于人丁：智能领域，一般是指任何具有智能和一定的自治性、按用户的意愿接受和处理的软件系统，当代理能够从l嘲络上的一个主机移动到另一个主机时，就可以称之为“移动代理”。移动代理技术是目前安全领域的研究热点，尤其适用于分布式系统，一般利用Java的安全机制实现。自动化监控系统正在朝着分布式应用发展，因此，可将该技术戍用于泵站局域网的安全管理中。基于移动代理技术的自适应网络安全模型，其特点是每一个被监视的设备都对应一个移动代理，这些移动代理作为系统的安全警察存在，当检测到被监视设备遭到攻击时，就立刻向代理管理机请求并执行相应对策，如果该移动代理不能解决问题，代理管理机可以中止其运行并创建一个新类型的移动代理负责完成安全对策的执行。这种安全机制的主要优点是：①非法入侵者突破防火墙时，在线学习系统可以总结入侵者的特点并制定相应的对策，防止其他的设备遭到攻击；②工作效率高，大部分的移动代理可以在当地解决安全问题，与传统的安全代理相比，有效减少了嗍络负载；③安全管理更加便利，管理者可以在一个复杂的网络系统中统一调度安全策略。④加密技术加密技术是最基本、最常用而又最有效的信息安全技术，可以有效地限制截获、中断、篡改、伪造的概率，从而达到保证信息安全的目的。针对泉站计算机刚络， 扬州人学l稃顺十学位论文选用～些最常用的加密算法，例如㈣际数据加密算法就町以满足要求，密钥长度在56～128位比较合适。加密利解密的过程耗时很小，可以认为基本不影响信息(青、视频信息除外)传输的实时性。对于泵站埘络通讯系统来说，加密的信息可包括：保护装置等安全自动装置的整定、跳闸指令及其它控制、报警信息等。2)RS-485网络可靠性分析RS-485标准最初由电子工业协会(EIA)于1983年制定并发布，后修订名为11A／EIA-485一A，不过人们还是习惯的称之为RS-485标准。RS-485是一个电气接口规范，它只规定了平衡驱动器和接收器的电特性，并没有规定插件、传输电缆和通信协议。RS-485标准定义了一个基于单对平衡线的多点、双向(半双工)通信链路，是一种极为经济、并具有一定噪声抑制、传输速率、传输距离和宽共模的通信平台。在泵站自动化监控系统中，基于RS-485标准的通讯嗍络运用多年，其标准也已被广泛接受。但在实际使用中，还有一些具体问题并没有得到深入广泛的共识，以至于影响到整个通讯系统的性能与可靠性，下面就基于RS-485标准的通讯嘲络的可靠性进行分析。(1)|】69络配置RS-485支持半双—r=或全双，T模式，网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。彳i支持环形或星型删络。因为随着通信距离的延长或通信速率的提高，信号在各支路末端反射后与原信号叠加，造成信号质量下降。所以，最好采用一条总线将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以使引出线中的反射信号对总线信号的影响最小。另外还应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点也会发生信号的反射。(2)总线匹配是台对RS-485总线进行终端匹配取决于数据传输率、电缆长度及信号转换速率，判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配的经验准则足：当信号的转换时间(上升或F降时间)超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。当考虑终端匹配时，有多种方案。最简单的是在总线两端各接一只阻值等于电缆特性阻抗的电阻，如图5-8(a)所示。大多数双绞线特性阻抗大约在100Q至120Q之间。该方法简单有效，但有一缺点，匹配电阻需消耗较大功率，对于功耗有严格限制的系统来说不太适合。另一种Rc匹配的方法较为省电，利用电容C隔断直流成分可节省大部分功率，如图58(b)所示。还有一种采用二极管的匹配方案，利 孙振华：大型泉站子系统町靠性模刷的建记发其DCS町靠忡分析用二极管的钳位作用迅速消弱反射信号，如图5-8(c)所示，达到改善信号质量的H的。T》———一(b)图5-8终端匹目d方案(3)引出线RS-485总线上的每个收发器通过一段引出线接入总线，引出线过长时，由于信号在引出线中的反射，也会影响总线上的信号质量。系统允许的引出线长度和信号转换时间、数据速率有关，其经验公式为：Lmax=(tRISEx0．2m／ns)／lO。从公式可知，减缓信号的前后沿斜率有利于降低对于总线匹配，引出线长度的要求，改善信号质量。同时，还使信号中的高频成分降低，减少电磁辐射。所以有些厂家在RS-485接口器中增加了摆率限制电路来减缓信号前后沿，但也限制了数据传输速率。所以，在选择接口器时，并不是速率越高越好，府根据系统要求，选择最低速率的器件。(4)地线与接地系统的接地是非常关键而又常常被忽视的问题，没有合理的接地对网络系统的可靠性影响较大，尤其在比较恶劣的环境中。对RS-485嘲络来说，存在一些误区，认为RS-485通信链路不需要信号地，只需简单的用一对双绞线将各个接口的A、B端连接起来。该办法在某些环境下也可-亡作，但给系统带来了很大隐患，主要有：①共模干扰。RS-485接口采用差分方式传输信号，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需要检测两线之间的电位差就可以了。但收发器只有在共模电压不超过一定范围(．7v至+12V)的条件下才能正常工作，当共模电压超出此范围时就会影响通信的可靠，甚至损坏接口，并在信号线上产生于扰电流。②电磁辐射。驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路(信号地)，如果没有，就会以辐射的形式返回源端，整个RS．-485总线就会像一巨大天线向外辐射电磁波。 扬州人学f程倾1学他论文因此，对于RS-485总线来说，一条低阻的信号地是必刁i可少的。通过低阻信号地将两个端口的工作地连接起来，使共模1一扰电压被短路。需要注意的是，该方法只适用于高阻型共模干扰，因为电源内阻大，短接后小会形成很大的短路电流，当共模干扰源内阻较低时，会在接地线上形成较大的环路电流，从而影响正常通信，可采用以下措施：a、若干扰源内阻不是很小，可在接地线上加限流电阻限制干扰电流；b、采用浮地技术，隔断接地环路；c、采用隔离接口。③、瞬态保护由于接地措施只对低频率的共模千扰有保护作用，对于频率较高的瞬态干扰就无能为力了。这是冈为引线存在电感，在高频瞬态-f=扰下，接地线等同于开路，这时会形成高达上千伏的电压，只是持续时间很短。如果1i加以防护，在切换大功率感性负载以及闪电时都会产生很高的瞬态干扰，需采用隔离或旁路方法加以防护。⋯“⋯ 孙振华：大型泉站子系统u，靠性模犁的缱移及其DCS可靠性分析6总结1．确立了象站系统几项主要的可靠性指标。一般来说，对泉站不可修系统取可靠度R(t)或平均故障前时间M刀F，对泵站可修复系统则取可用度A(t)或平均无故障时间MTBF，并根据我处四座大型采站三十多年运行统计数据，计算出各泉站每台机组的平均同有可用度和可达可用度。2．建立了简单系统可靠性模型和采站典型系统可靠性模型，有单元件可修系统可靠性模型、冗余系统可靠性模型、预防性维修系统可靠性模型、软件系统可靠性模型以及DCS监控系统可靠性模型。在泵站可修复系统可靠性模型分析中，根据单元件可修复系统和串联可修系统的状态空间图，列出相应的状态转移方程，然后求得系统的首次出现故障的平均时间肘刀F和系统处于稳态时的可用度彳，并将其运用到水泵与电机组成的串联系统可靠性分析中，对引起机组检修的主要冈素一一水导轴承进行分析，并提出了提高其可靠性的技术措施；在冗余系统可靠性模型分析中，求出系统的平均无故障时间MTBF和系统可用度A(，)，并运用到自动化监控系统监控主机热各技术的可靠性分析中：在软件系统可靠性模型分析中，以我处一站监控系统自动化监控主机软件子系统为例进行了可靠度计算。在DCS监控系统可靠性模型分析中给出了DCS监控系统网络通讯等各功能模块的可靠性模型等效参数。3．对自动化监控系统进行平均无故障时间MTBF和故障率A的计算，计算结果并不是很理想，这是因为越是先进复杂的设备组合在一起，其故障率可能相对较高，接下来蕈点对监控系统中的PLC子系统、微机测温子系统、微机保护子系统和通讯网络子系统展开具体分析，总结出了一系列具体提高监控系统可靠性的措施，主要有以下几个方面：●PLC的电源、外部配线、接地以及抗干扰设计；●微机测温传感器的接线、输入输出以及软件部分；●微机保护抗于扰设i,t‘、装置的接地、软件及容错设i-h●网络通讯系统的刚络结构、防病毒与防漏洞攻击、安全策略及加密技术。 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