陳榮超，崔振武

(浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315208)

0 引言

隨著控制功能和范圍的擴(kuò)大，火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng) (Distributed Control System，DCS)系統(tǒng)的復(fù)雜性和故障的離散性增加，而其可靠性下降，DCS系統(tǒng)的某些故障引發(fā)、導(dǎo)致機(jī)組被迫停運(yùn)的情況時(shí)有發(fā)生。DCS所處的地位決定了要求其保持安全、連續(xù)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)低耗的可靠性?？煽啃约夹g(shù)始于20世紀(jì)40年代，美國軍事工業(yè)、航天航天等一些技術(shù)密集型行業(yè)中對(duì)電子設(shè)備及其系統(tǒng)要進(jìn)行可靠性分析。目前，此項(xiàng)研究課題在國內(nèi)發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用中，有專家針對(duì)電力設(shè)備兼顧可靠性和經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)狀態(tài)維修策略進(jìn)行了研究[1]，也有研究人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)提出了許多針對(duì)DCS可靠性技術(shù)的改善措施[2，3]，但對(duì)于火力發(fā)電廠DCS可靠性的專門研究還比較欠缺。

本文將立足于某火力發(fā)電廠6號(hào)機(jī)組DCS系統(tǒng) (以下沒有特別注明的地方，提及的DCS系統(tǒng)都是指6號(hào)機(jī)組DCS系統(tǒng))近年來的實(shí)際運(yùn)行和維修情況，根據(jù)DCS設(shè)備的軟硬件特點(diǎn)，分析DCS系統(tǒng)硬件和軟件可靠性，依據(jù)軟件測(cè)試來度量軟件系統(tǒng)可靠性，并評(píng)估出DCS系統(tǒng)設(shè)備的可靠性特征量。

1 火電廠DCS系統(tǒng)可靠性分析

系統(tǒng)可分為可修復(fù)和不可修復(fù)系統(tǒng)，實(shí)際工程應(yīng)用中，可修復(fù)系統(tǒng)可靠性模型復(fù)雜，分析較為困難，當(dāng)系統(tǒng)滿足兩個(gè)條件 (一、系統(tǒng)運(yùn)行條件是否恒定不變;二、系統(tǒng)是否具有“修故如新”的特性。)的情況下，可以將可修復(fù)系統(tǒng)假設(shè)為不可修復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行分析。火電廠DCS系統(tǒng)的運(yùn)行條件有規(guī)范要求，并基本維持不變，系統(tǒng)中的設(shè)備故障后以更換為主，DCS系統(tǒng)具備“修故如新”的特點(diǎn)，因此本文中，可將火電廠DCS系統(tǒng)假設(shè)為不可修復(fù)系統(tǒng)來進(jìn)行可靠性分析。

DCS系統(tǒng)可靠性分析通常將硬件可靠性和軟件可靠性分別討論。硬件可靠性技術(shù)主要包括部件、元件、產(chǎn)品或系統(tǒng)的可靠性研究，其理論和實(shí)用工具都已日趨成熟;軟件可靠性評(píng)估方法沒有硬件成熟，其不同的評(píng)估方法適用的局限性也較大。

1.1 DCS系統(tǒng)硬件可靠性分析

6號(hào)機(jī)組DCS系統(tǒng)改造于2006年，圖1是改造結(jié)束后的DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)的物理分布主要有三層網(wǎng)絡(luò)，分別是冗余的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和控制站內(nèi)的控制網(wǎng)絡(luò);有17個(gè)控制站分別控制全廠的鍋爐、汽機(jī)、電氣等專業(yè)的設(shè)備;有主、備兩個(gè)服務(wù)器，互為冗余;人機(jī)接口設(shè)備中4臺(tái)操作員站用于運(yùn)行人員操作，另有1臺(tái)工程師站用于軟件修改、信號(hào)強(qiáng)制等工作。

圖1 6號(hào)機(jī)組DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 No.6 unit DCS system structure

可靠性框圖是按單一和可視的方式表示系統(tǒng)中單元之間可靠性關(guān)系的一種方法，與單元的物理連接無關(guān)。根據(jù)DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，可以得出以下DCS系統(tǒng)、子系統(tǒng)的可靠性框圖。圖2是DCS系統(tǒng)層次的可靠性框圖，是一個(gè)串—并聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖。圖中，A表示控制站的可靠度;B1，B2表示系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)1，2的可靠度;C1，C2表示服務(wù)器1，2的可靠度;D1，D2表示監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)1，2的可靠度;E表示人機(jī)接口設(shè)備的可靠度。

圖2 6號(hào)機(jī)組DCS系統(tǒng)可靠性框圖Fig.2 No.6 unit DCS reliability block diagram analysis

由圖2可得DCS系統(tǒng)硬件的系統(tǒng)總可靠度為

框圖中，A是各個(gè)控制站的串聯(lián)集合，根據(jù)17個(gè)控制站的串聯(lián)組合，可以得到控制站子系統(tǒng)層次的可靠度的算法公式

框圖中，E是人機(jī)接口設(shè)備的集合，包括4臺(tái)操作員站和1臺(tái)工程師站。在DCS系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，工程師站設(shè)置為操作員口令，等同于操作員站，因此，人機(jī)接口站子系統(tǒng)可以看作是并聯(lián)組合，其算法公式可以表示為

對(duì)控制站可靠性的分析可分析到控制站單元層次的可靠性，每個(gè)控制站由I/O模塊、冗余控制網(wǎng)絡(luò)、冗余主控單元和冗余電源模塊組成，DCS系統(tǒng)控制站 (以10號(hào)站為例)的可靠性框圖如圖3。圖3中，R10pa，R10pb分別是電源模塊A，B的可靠度;R10ca，R10cb分別是主控制器A，B的可靠度;R10na，R10nb分別是串行網(wǎng)絡(luò)A，B的可靠度;R10mo是模塊的可靠度。因而可由圖3得到10號(hào)控制站的可靠度計(jì)算公式 (4)，DCS系統(tǒng)各控制站結(jié)構(gòu)相同，可通過式 (4)得出其他各控制站的可靠度。

圖3 6號(hào)機(jī)組DCS系統(tǒng)10號(hào)控制站可靠性框圖Fig.3 No.6 unit DCS No.10 control station reliable diagram

1.2 根據(jù)故障數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)可靠性

在計(jì)算DCS系統(tǒng)可靠度時(shí)，一種方法是可根據(jù)電子元器件的可靠度逐一向上計(jì)算模塊單元可靠度、子系統(tǒng)可靠度，直至計(jì)算出系統(tǒng)的可靠度。這種計(jì)算方法，需要知道模塊單元中電子元器件的排列結(jié)構(gòu)和所有元器件的固有可靠度，計(jì)算過程繁瑣并且有些元器件的固有可靠度等數(shù)據(jù)作為設(shè)備使用單位無法得到，不適合單位對(duì)系統(tǒng)實(shí)際使用中的可靠度分析，使用部門通過分析設(shè)備發(fā)生的故障來分析可靠性，是一種合適的可靠性分析方法。系統(tǒng)的可靠性分析可以通過收集到的故障數(shù)據(jù)分析來進(jìn)行。

大量統(tǒng)計(jì)資料證明，電子產(chǎn)品失效機(jī)理隨著時(shí)間的增長，失效率趨近于一個(gè)穩(wěn)定值，見式(5)。在電廠MAXIMO缺陷管理系統(tǒng)中，可以查閱到DCS系統(tǒng)中發(fā)生的設(shè)備故障詳細(xì)情況以及故障發(fā)生的時(shí)間和原因等，通過收集2006年升級(jí)改造后一個(gè)大修周期內(nèi)產(chǎn)生的與DCS系統(tǒng)有關(guān)的故障數(shù)據(jù)，可以得出DCS系統(tǒng)單元模塊的MTTF。在得到了單元、子系統(tǒng)的MTTF以后，就可以計(jì)算得出單元、子系統(tǒng)的故障率和可靠度。

以下將通過整理一個(gè)大修周期之內(nèi) (2006年12月11日至2010年9月21日)的故障數(shù)據(jù)得到的各控制站子系統(tǒng)、人機(jī)接口站子系統(tǒng)等的MTTF、故障率λ以及可靠度R(t)。在故障統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，控制站16號(hào)、23號(hào)、25號(hào)站，工程師站，以及監(jiān)控網(wǎng)1在大修周期內(nèi)沒有故障發(fā)生，根據(jù)DCS系統(tǒng)硬件生產(chǎn)廠家的說明，將這部分沒有發(fā)生故障的設(shè)備的可靠性時(shí)間確定為100 000 h。根據(jù)式 (4)可以得出各控制站的可靠度，以10號(hào)控制站為例，式 (6)就是其可靠度計(jì)算公式

同理，可以得出人機(jī)接口、服務(wù)器、系統(tǒng)網(wǎng)、監(jiān)控網(wǎng)等子系統(tǒng)的MTTF、故障率λ，以及可靠度R(t)的計(jì)算結(jié)果，見表1。

表1 6號(hào)機(jī)組DCS系統(tǒng)設(shè)備的MTTF、故障率λ，以及可靠度R(t)Tab.1 MTTF，failure rate，reliability of No.6 unit DCS equipment

由上可得DCS子系統(tǒng)硬件的可靠度RE(t)，RH(t)

1.3 火電廠DCS系統(tǒng)軟件可靠性分析

軟件可靠性較難用一個(gè)特征量來完全代表所有軟件，不同類型的軟件在不同的情況下可以采用不同的可靠性模型和可靠性特征量。有技術(shù)人員提出了基于缺陷度量的軟件可靠性度量方法[4]。有專家探討了軟件失效的機(jī)理并提出了基于三角形模糊數(shù)算術(shù)運(yùn)算的軟件可靠性評(píng)估方法[5]。

軟件測(cè)試是根據(jù)軟件開發(fā)的要求和軟件內(nèi)部結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的測(cè)試用例，并利用這些測(cè)試用例去執(zhí)行程序，以發(fā)現(xiàn)軟件錯(cuò)誤的過程。在軟件的開發(fā)過程中，往往通過軟件測(cè)試來度量軟件的可靠性。在DCS軟件現(xiàn)場(chǎng)使用中，可以考慮先通過故障模式及影響分析確認(rèn)DCS軟件的失效模式及其各故障的分類等級(jí)，再根據(jù)軟件測(cè)試中的可靠性度量方法來估計(jì)DCS軟件的可靠性。為了方便計(jì)算和比較，統(tǒng)計(jì)時(shí)間定為100天。從MAXIMO缺陷管理系統(tǒng)DCS軟件故障數(shù)據(jù)記錄中可以查到，DCS軟件運(yùn)行100天之內(nèi)，出現(xiàn)了各1次的邏輯程序故障 (C級(jí)故障)、內(nèi)部計(jì)算出錯(cuò) (C級(jí)故障)、操作顯示故障 (D級(jí)故障)、報(bào)表數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤 (E級(jí)故障)以及打印錯(cuò)誤信息 (E級(jí)故障)等，以及多達(dá)7次的自動(dòng)系統(tǒng)未達(dá)性能要求故障(E級(jí)故障)，根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的軟件測(cè)試估算公式，可以得到DCS軟件運(yùn)行100天之后的可靠度估算值:

將t=2 400代入計(jì)算各式，可得以下DCS各子系統(tǒng)和整個(gè)系統(tǒng)的可靠度:

即DCS系統(tǒng)工作2 400 h(100天)后的可靠度為0.452，其中硬件可靠度為0.536 5，軟件可靠度為0.842 3。

2 提高DCS系統(tǒng)可靠性的技術(shù)措施

由上文對(duì)火電廠DCS系統(tǒng)的可靠度探討可知火電廠DCS系統(tǒng)的故障率是比較高的，究其原因，主要有以下幾點(diǎn):

(1)火電廠DCS系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和試驗(yàn)時(shí)的條件差別甚大，存在諸多干擾源。

(2)生產(chǎn)廠家的提供的理論計(jì)算是在理想化情況下的計(jì)算結(jié)果，而且生產(chǎn)廠家的試驗(yàn)只是涵蓋了部分DCS系統(tǒng)的軟硬件，不能完全仿真實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

(3)火電廠現(xiàn)場(chǎng)操作、維護(hù)人員工作失誤等影響了可靠性。

(4)火電廠DCS系統(tǒng)設(shè)備安裝過程不規(guī)范也會(huì)導(dǎo)致DCS設(shè)備可靠性的降低。

為了克服上述問題對(duì)火電廠DCS系統(tǒng)可靠性的影響，需要在DCS系統(tǒng)的可靠性技術(shù)措施上進(jìn)行分析、研究。針對(duì)目前的DCS系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合分析了DCS系統(tǒng)的故障，提出了幾項(xiàng)提高電廠DCS系統(tǒng)可靠性的技術(shù)措施并加以實(shí)施:

(1)部分控制站負(fù)荷率較高并達(dá)到45%及以上，而一般要求分散控制單元負(fù)荷率不超過40%。主控單元負(fù)荷率相對(duì)較高是誘發(fā)主控單元故障的重要原因，為此對(duì)部分負(fù)荷率較高的I/O站進(jìn)行改進(jìn)，盡量分散I/O模塊到其他站內(nèi)，同時(shí)將部分性能計(jì)算方案的掃描周期由250 ms改為1 s，另對(duì)一些相對(duì)次要的控制算法的掃描周期由250 ms改為500 ms，將負(fù)荷率控制在30%以內(nèi)。

(2)根據(jù)控制站控制網(wǎng)Profibus-DP協(xié)議的要求，總線的特性阻抗應(yīng)該為110 Ω左右，如果總線連接出現(xiàn)“虛接”，則總線的特性阻抗將發(fā)生改變。當(dāng)總線虛接阻抗過大時(shí)，終端匹配器會(huì)產(chǎn)生過匹配的現(xiàn)象，從而使終端匹配器失去匹配的作用，導(dǎo)致控制網(wǎng)離線故障的產(chǎn)生。造成DP總路“虛接”有多種原因，其中主要是安裝不夠緊固，垂直安裝的模塊底座受機(jī)械振動(dòng)引起觸點(diǎn)松動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不佳 (如濕熱等)引起觸點(diǎn)氧化。在停機(jī)檢修時(shí)應(yīng)緊固模塊底座，同時(shí)用萬用表測(cè)量一串底座DP鏈路的電阻值，確認(rèn)是否小于2Ω。機(jī)組運(yùn)行時(shí)如出現(xiàn)此現(xiàn)象，則可臨時(shí)并接底座上的DP通訊端子，能有效防止此類故障的發(fā)生。

通過采取技術(shù)措施，確實(shí)可以減少DCS系統(tǒng)設(shè)備故障，提高DCS系統(tǒng)可靠性。更適宜的方法是針對(duì)DCS系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行RCM分析，執(zhí)行RCM過程，通過確定重要功能設(shè)備或單元，進(jìn)行故障模式及影響分析，應(yīng)用邏輯決斷選擇維修類型并最終形成火電廠DCS系統(tǒng)的以可靠性為中心的維修決策，提高DCS系統(tǒng)可靠性。

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