分散控制系統(tǒng)在線可靠性評估系統(tǒng)研究與應(yīng)用

張棟良，陳 森，賈帥兵，張勝利

（1.上海電力大學(xué)自動化工程學(xué)院，上海 200090；2.國家電投集團平頂山熱電有限公司，河南 平頂山 467036；3.國核自儀系統(tǒng)工程有限公司，上海 200241）

0 引言

作為發(fā)電廠的神經(jīng)中樞，分散控制系統(tǒng)的可靠運行關(guān)系到電力生產(chǎn)的安全與經(jīng)濟效益。而隨著智能化電廠的發(fā)展，電廠精細化檢修成為電廠工業(yè)過程的維護運行目標(biāo)和發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）可靠性研究方法往往是對DCS 的結(jié)構(gòu)分析或可靠性試驗［1-2］，即在實際應(yīng)用之前用概率理論方法實現(xiàn)。而通過實時和歷史信息數(shù)據(jù)的結(jié)合進行數(shù)據(jù)挖掘和集成判斷DCS設(shè)備的當(dāng)前運行狀況、其健康程度以及可靠性狀況可為電廠DCS 的精細化檢修以及狀態(tài)檢修提供手段［3］。現(xiàn)有的多數(shù)DCS系統(tǒng)都能夠通過自檢提供實時的控制設(shè)備狀態(tài)參數(shù)［4］，如控制器的處理器負荷、內(nèi)存占用率等，但對于DCS 系統(tǒng)可靠性的深層次指標(biāo)，如系統(tǒng)中各設(shè)備的平均故障間隔時間（Mean Time Between Failwres，MTBF）、失效率λ（t）、可靠度R（t）、可用率等標(biāo)志系統(tǒng)健康度和可靠性的指標(biāo)尚未形成在線評價體系。這些評價將在DCS 系統(tǒng)的長期運行中起到運維指導(dǎo)的作用從而提高DCS 系統(tǒng)的可靠性，避免由DCS 本身的故障帶來的電力生產(chǎn)事故。

要進行可靠性評價計算需要采集DCS 系統(tǒng)發(fā)生異常的大量時間信息，如控制單元（Control Unit，CU）主輔狀態(tài)切換時間，DCS 系統(tǒng)AI、AO、DI、DO、RTD、TC 輸入輸出卡件等報警信息、故障信息，以及故障、報警發(fā)生的時間、頻次，DCS 系統(tǒng)的主備電源系統(tǒng)切換、報警、掉電等信息以及發(fā)生的時間，DCS 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀態(tài)變化及網(wǎng)絡(luò)掉線等信息及發(fā)生的時間，網(wǎng)絡(luò)交換機端口信息、交換機CPU 使用率、內(nèi)存使用率及網(wǎng)絡(luò)掉線及發(fā)生的時間。通過以上信息的獲取和記錄，實時和歷史信息數(shù)據(jù)結(jié)合進行數(shù)據(jù)挖掘和集成判斷DCS 設(shè)備的當(dāng)前運行狀況，可靠性狀況，并通過有效地評價為電廠DCS 的精細化檢修以及狀態(tài)檢修提供可視化手段。

1 DCS在線可靠性監(jiān)測與評估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)組成

DCS 在線可靠性監(jiān)測與評估系統(tǒng)可按照設(shè)備狀態(tài)信息采集、設(shè)備級可靠性指標(biāo)計算、系統(tǒng)級可靠性評價三個層次來設(shè)計與實現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 DCS系統(tǒng)在線可靠性監(jiān)測與預(yù)評估系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

在設(shè)備狀態(tài)信息采集層，能反映DCS 系統(tǒng)可靠性的多源基礎(chǔ)信息通過多種渠道進行采集和存儲，內(nèi)容包括：

1）控制單元的CPU 負荷率、內(nèi)存占用率、離線時間、主備切換時間等；

2）I/O 卡件的故障、報警、離線、異常等事件的時間；

3）電源模塊的電壓、掉電、報警和切換等事件的時間；

4）網(wǎng)絡(luò)交換機的CPU 負荷、內(nèi)存占用率、各端口吞吐率、離線時間等；

5）人機接口的CPU 負荷率、內(nèi)存使用率、CPU溫度、硬盤占用率、離線時間等。

在設(shè)備級可靠性指標(biāo)計算層，利用基礎(chǔ)設(shè)備狀態(tài)信息的采集，利用可靠性相關(guān)指標(biāo)的概率統(tǒng)計計算方法，計算單臺設(shè)備的可靠性指標(biāo)，內(nèi)容包括控制單元、I/O卡件、電源模塊、網(wǎng)絡(luò)交換機、人機口等設(shè)備的可靠度、失效率、可用率、平均故障間隔時間、可靠性等級等。

在設(shè)備級可靠性指標(biāo)的計算的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)備權(quán)重、依賴關(guān)系等對DCS 系統(tǒng)進行可靠性評價。系統(tǒng)級可靠性性評價的工作包括DCS 狀態(tài)的可視化、系統(tǒng)可靠性的實時在線評估、系統(tǒng)可靠性報表以及系統(tǒng)維護建議。

1.2 DCS狀態(tài)信息采集

DCS 可靠性在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。在不影響DCS 系統(tǒng)安全運行的前提下，可靠性監(jiān)測與評估系統(tǒng)通過以太網(wǎng)經(jīng)防火墻分別與DCS 系統(tǒng)的OPC Server 相連，并通過DCOM 協(xié)議、SNMP 協(xié)議［5］、RPC 協(xié)議［6-7］等獲取相應(yīng)的DCS數(shù)據(jù)庫中點信息［8-9］。

圖2 DCS可靠性在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在DCS 可靠性監(jiān)測與評估系統(tǒng)中，獲取的信息存儲于實時數(shù)據(jù)庫，由監(jiān)控畫面子程序進行顯示；由歷史記錄子程序進行存儲；由可靠性評估子程序進行實時可靠性計算。

2 DCS系統(tǒng)可靠性評價指標(biāo)

在可靠性分析中，產(chǎn)品分為可修復(fù)產(chǎn)品和不可修復(fù)產(chǎn)品，DCS系統(tǒng)部件出現(xiàn)故障會影響其功能實現(xiàn)，但經(jīng)維修可以恢復(fù)，屬于可修復(fù)產(chǎn)品。基于可靠性概率指標(biāo)計算公式計算平均故障間隔時間、失效率、可靠度等，再根據(jù)相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［10］建立DCS設(shè)備可靠性評價的模型和算法。

2.1 平均故障間隔時間

平均故障間隔時間是指在產(chǎn)品生命周期內(nèi)每兩次故障間隔的工作時間的平均值。

式中：ti為第i次故障發(fā)生的時間；N為產(chǎn)品生命周期內(nèi)的總故障次數(shù)。

2.2 可靠度

可靠度是指系統(tǒng)在設(shè)計技術(shù)范圍內(nèi)，能夠完成預(yù)定功能的概率。數(shù)學(xué)定義為：在零時刻投運的某部件在（0，t）內(nèi)不失效的概率。t時刻產(chǎn)品的可靠度為

式中：N0為產(chǎn)品總數(shù)；Nf(t)為t時刻故障產(chǎn)品數(shù)目。可靠度是統(tǒng)計概率，是時間的函數(shù)，0≤R(t)≤1。

2.3 失效率

失效率是指產(chǎn)品運行到t時刻后，單位時間內(nèi)發(fā)生故障的數(shù)量與t時刻完好的數(shù)量之比。t時刻產(chǎn)品的失效率為

在偶然失效期內(nèi)

對于DCS 系統(tǒng)來說，電子設(shè)備壽命服從指數(shù)分布，故失效率λ為常數(shù)，可靠度為

3 在線DCS可靠性評估算法

對DCS 各設(shè)備的運行情況進行監(jiān)測和記錄，并在設(shè)備運行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對各設(shè)備的可靠性進行評價，評價算法如下。

第一步，計算DCS 的CU、卡件、電源等設(shè)備的平均故障間隔時間

式中：tMTBFx為單個設(shè)備x的平均故障間隔時間；tMTBF0為設(shè)備初始的平均故障間隔時間；ti（i=2，3，…，n）為設(shè)備的第i次故障時間；t0為設(shè)備投入運行的時間點。

平均故障間隔時間的計算就是對幾次故障的間隔時間取平均值，對其計算分為兩種情況：一是設(shè)備投運后還未發(fā)生故障，此時，設(shè)備的平均故障間隔時間用初始平均故障間隔時間tMTBF0表示；二是設(shè)備投運后發(fā)生一次及以上故障，則將設(shè)備的平均故障間隔時間代入式（6）求解，實現(xiàn)對初始平均故障間隔時間的替代。

第二步，計算DCS 的CU、卡件、電源等設(shè)備的失效率。CU、卡件和電源均屬于電子元件，壽命服從指數(shù)分布，指數(shù)分布的失效率為常數(shù)且與平均故障間隔時間互為倒數(shù)，故其計算公式如式（4）所示。

第三步，利用式（2）計算DCS的CU、卡件、電源等設(shè)備的可靠度。可靠度值的大小反映了設(shè)備正常完成其預(yù)定功能的概率大小。

第四步，評價DCS 的CU、卡件、電源等設(shè)備的可靠性等級。根據(jù)電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立設(shè)備可靠性等級評估體系，如式（7）所示。

式中：Ei為被評估設(shè)備的可靠性分值；ESi為被評估設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)分值，定為100；∑n(1，n)Edi表示被評估設(shè)備的扣分值，是指設(shè)計、基建、生產(chǎn)階段被評估設(shè)備未達到要求所扣的分值之和，本評價系統(tǒng)中，認為各階段設(shè)備均達要求，扣分值為0；RE為被評估設(shè)備的可靠度值，即第三步所計算出的R（t）；PE為被評估設(shè)備預(yù)期的可靠度值，DCS系統(tǒng)屬于A 類設(shè)備，故值為1；LE被評估設(shè)備的壽命系數(shù)，設(shè)計壽命年限內(nèi)為1，年限外為0.9Yr-Yd，其中，Yr為設(shè)備運行年數(shù)，Yd為設(shè)計壽命年限本評價算法中，認為被評估設(shè)備均在壽命年限，該值為1；TE為被評估設(shè)備的重要性類別，DCS 系統(tǒng)屬于A 類設(shè)備，故值為1；ME重要設(shè)備重復(fù)性故障系數(shù)，本評價系統(tǒng)中定該值為1。

第五步，計算DCS 系統(tǒng)整體可靠度，這一步的計算是利用上一步單個設(shè)備可靠性分值和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［11］中源于各設(shè)備在DCS 中加權(quán)系數(shù)表來進行計算。

4 實施效果

DCS 在線可靠性監(jiān)測與評價系統(tǒng)在某火電廠的兩套DCS 上進行了現(xiàn)場實施，通過OPC 協(xié)議與DCS 的DA-Server 進行連接，實現(xiàn)了對DCS 各系統(tǒng)設(shè)備的實時監(jiān)測與在線評價。部分功能畫面如下。

主界面：通過邏輯配置模塊對控制單元、輸入輸出卡件、人機接口站、電源和網(wǎng)絡(luò)在畫面上進行搭建，實現(xiàn)對各設(shè)備監(jiān)控總畫面，如圖3所示，對于每一對控制單元，用綠色表示主站，用藍色表示從站，用紅色表示故障，點擊控制單元的按鈕可進入查看每個控制單元的詳細狀態(tài)信息。每對控制單元按鈕下方有對應(yīng)卡件和電源模塊的狀態(tài)顯示按鈕，如果有故障用紅色表示，若無用灰色表示，點擊卡件或電源的按鈕可以查看對于應(yīng)站的卡件或電源的狀態(tài)。

圖3 DCS在線可靠性監(jiān)測與評價系統(tǒng)主界面

控制單元狀態(tài)監(jiān)測：可以監(jiān)測CU 負荷率及內(nèi)存使用率、溫度，部分功能如圖4 所示。每個控制單元用兩個圓點表示兩個通信網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，綠色表示正常，紅色表示斷網(wǎng)，用棒圖表示CPU 負荷和內(nèi)存占用率，用實時趨勢曲線表示CPU 的溫度。右上方表示4 個電源模塊的狀態(tài)，綠色表示正常、紅色表示故障。右下角的表格顯示設(shè)備的失效率、平均故障間隔時間、設(shè)備可靠度以及可靠度評級。

圖4 控制單元狀態(tài)監(jiān)測

卡件狀態(tài)監(jiān)測：可以監(jiān)測各卡件異常狀態(tài)信息，部分功能如圖5 所示。其中用綠色表示卡件正常，紅色表示卡件故障或異常，藍色表示卡槽空置，右下角的表格顯示卡件的失效率、平均故障間隔時間、設(shè)備可靠度以及可靠度評級。

圖5 卡件狀態(tài)監(jiān)測

系統(tǒng)可靠性報表：如圖6所示，通過第3節(jié)所述計算方法，得出階段性的可靠性評估結(jié)果，包括分類設(shè)備如控制單元、卡件、人機接口、電源等的故障信息、可靠度、平均故障間隔時間；系統(tǒng)整體可靠性評級和檢修建議等。

圖6 DCS可靠性監(jiān)測與評估狀態(tài)報表

5 結(jié)語

DCS 可靠性監(jiān)測預(yù)評估系統(tǒng)通過對設(shè)備的負荷、溫度等參數(shù)和異常、失效事件記錄形成長期的監(jiān)測，再根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和概率統(tǒng)計原理建立可靠性評估模型，對DCS 系統(tǒng)的各項可靠性指標(biāo)進行在線計算，從而實現(xiàn)了DCS 系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估。通過DCS 可靠性監(jiān)測與在線評估系統(tǒng)的現(xiàn)場實施，實現(xiàn)了DCS 健康狀態(tài)和可靠性的在線量化監(jiān)測，為DCS的設(shè)備維護提供了依據(jù)，進而避免了因DCS故障引起的機組停運等事故。