尹永娟

(中國天辰工程有限公司 儀表電氣部，天津 300400)

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共模故障的預(yù)防以及故障因子的估計(jì)

尹永娟

(中國天辰工程有限公司 儀表電氣部，天津 300400)

摘要：冗余結(jié)構(gòu)的存在使安全性和可用性都得到了大幅提高，然而同時(shí)也產(chǎn)生了共模故障。故障事件不再被認(rèn)為是獨(dú)立的事件，而是由空間、環(huán)境、設(shè)計(jì)以及人為因素等造成的相依故障事件，共模故障會(huì)降低系統(tǒng)安全性和平均無故障運(yùn)行時(shí)間，在分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性時(shí)也要計(jì)算共模故障概率，根據(jù)導(dǎo)致共模故障的原因?qū)ふ页鲱A(yù)防其發(fā)生的方法。主要介紹了共模故障的模型、預(yù)防規(guī)則以及共模故障因子(β)的估計(jì)方法，使工程設(shè)計(jì)的計(jì)算更加精確。

關(guān)鍵詞：共模故障冗余結(jié)構(gòu)安全性可用性

Preventing of Common Mode Failure and Estimating of Fault FactorYin Yongjuan

(Instrument & Electrical Department, China Tianchen Engineering

Corporation, Tianjin, 300400, China)

Abstract：Safety and availability have been improved greatly because of redundant structure, while with generation of common mode failure. The breakdown incidents are no longer regarded as individual incident, but interdependent incidents with space, environment, design and human factors. The common mode failure will decrease system safety and average no-fault running time. The common mode failure probability needs to be calculated during system reliability analysis and design. Preventing solution has to be defined according to causes of common fault failure. Common mode failure models, prevention rules and estimation methods of beta factor for common mode failure are introduced in this paper to make the calculation of engineering design more accurate.

Key word： common mode failure; redundant structure; safety; availability

隨著安全技術(shù)及功能的應(yīng)用，通過對(duì)安全儀表系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的加深以及對(duì)其設(shè)計(jì)與評(píng)估知識(shí)的掌握，有助于設(shè)計(jì)人員更好地建立正確的安全理念，掌握科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)使生產(chǎn)更安全。

但隨著安全控制系統(tǒng)的應(yīng)用，共模故障也應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)其認(rèn)識(shí)、預(yù)防、正確的估算是安全設(shè)計(jì)中必不可少的工作。共模故障即多個(gè)元件、模塊、單元或系統(tǒng)因?yàn)橥瑯拥脑虬l(fā)生的故障，它是一種相依故障事件，由空間、環(huán)境、設(shè)計(jì)以及人為因素等造成，使得故障事件不再被認(rèn)為是獨(dú)立的事件；由于組成系統(tǒng)的各個(gè)部件之間存在相互作用，因而在它們中間發(fā)生的部件故障不再被認(rèn)為是相互獨(dú)立，對(duì)高可靠性的尤其是安全方面的系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，共模故障是必不可少的因素之一。

對(duì)于降低風(fēng)險(xiǎn)的安全系統(tǒng)，其產(chǎn)生的共模故障會(huì)降低容錯(cuò)系統(tǒng)的容錯(cuò)功能。容錯(cuò)系統(tǒng)提供幾個(gè)模塊，當(dāng)一個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可以繼續(xù)工作。如果由于單一原因，多個(gè)模塊發(fā)生共模故障，則容錯(cuò)系統(tǒng)失效。在一些情況下，多個(gè)冗余設(shè)備由于共模應(yīng)力而存在故障，對(duì)于安全儀表系統(tǒng)，其冗余的檢測(cè)元件必然也存在著共模故障。

1共模故障的預(yù)防

共模故障會(huì)降低系統(tǒng)安全性和平均無故障運(yùn)行時(shí)間，在分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性時(shí)也要計(jì)算共模故障概率，根據(jù)導(dǎo)致共模故障的原因?qū)ふ页鲱A(yù)防其發(fā)生的方法，總結(jié)為以下三個(gè)基本規(guī)則。

1.1冗余單元物理上分離(分開)

如果冗余單元相互獨(dú)立，就降低了共模故障發(fā)生的可能性，大部分的環(huán)境應(yīng)力參數(shù)是冗余單元之間的物理間距的函數(shù)。如果冗余單元間的安裝距離太近，就會(huì)產(chǎn)生相同的物理和電子應(yīng)力，在這種情況下，β參數(shù)值會(huì)很大。

通過把冗余設(shè)備放在相隔離的位置，可以減少環(huán)境因素對(duì)系統(tǒng)的影響。從軟件方面來說，可以通過使用異步操作來減少共模故障產(chǎn)生，避免控制器之間的同步，使用不同的操作模式也可以減少軟件的共模故障，將數(shù)據(jù)保存在各自的單元。

1.2多樣性(相異)

多樣性即在冗余結(jié)構(gòu)中使用不同設(shè)計(jì)的單元，進(jìn)而避免共模故障。如安全儀表系統(tǒng)，測(cè)量壓力罐的液位時(shí)，檢測(cè)元件可以采用雷達(dá)物位計(jì)和差壓液位計(jì)構(gòu)成“1oo2”冗余結(jié)構(gòu)。

在使用該規(guī)則時(shí)，必須要考慮成本。多樣性不可能消除所有的共模設(shè)計(jì)失誤，如系統(tǒng)設(shè)計(jì)失誤；另外，還必須解決同步、校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)失配的問題。

在環(huán)境共模因素影響下，冗余裝置可以使用不同的方法來提高共模應(yīng)力，多樣性就是為了使冗余設(shè)備不對(duì)共模應(yīng)力做出反應(yīng)。不同的生產(chǎn)方式也會(huì)消除部分的共模影響，但是不同生產(chǎn)商制造的產(chǎn)品會(huì)增大維護(hù)和操作的復(fù)雜性。硬件的多樣性只有在冗余單元對(duì)共模力沒有響應(yīng)時(shí)才會(huì)起作用。

軟件的多樣性可以表現(xiàn)為使用由不同的工作人員采用不同編程語言編寫的軟件，但會(huì)增加成本，降低軟件執(zhí)行能力。

連接不同的設(shè)備組成一個(gè)容錯(cuò)系統(tǒng)時(shí)，造成的設(shè)計(jì)失誤使問題更加復(fù)雜，多樣性會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)料的事件，在設(shè)計(jì)這種系統(tǒng)時(shí)要特別小心。

1.3高強(qiáng)度設(shè)計(jì)

為惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)的控制器使多個(gè)單元失效的環(huán)境應(yīng)力的有限值比較高，所以在容錯(cuò)結(jié)構(gòu)中能夠起到更好的作用，降低設(shè)備故障率及共模故障率，增加設(shè)計(jì)強(qiáng)度會(huì)減小共模故障。即購買故障率低的產(chǎn)品來組成冗余系統(tǒng)，可以降低系統(tǒng)的共模故障概率。

系統(tǒng)的操作和維護(hù)可能產(chǎn)生共模故障，將錯(cuò)誤的請(qǐng)求送到同步工作的控制器會(huì)導(dǎo)致它們同時(shí)失效。復(fù)雜的操作應(yīng)是自動(dòng)化的，對(duì)于操作和維護(hù)應(yīng)該使用簡(jiǎn)單的技術(shù)，可修復(fù)裝置應(yīng)該被鎖定，以保證模塊和接線的安裝不會(huì)出錯(cuò)，預(yù)防性的維護(hù)在某些情況下也可以維護(hù)裝置的高強(qiáng)度。

2共模故障的模型

幾乎每個(gè)冗余系統(tǒng)都存在著共模故障，有幾個(gè)不同的模型來描述它，如： 簡(jiǎn)單的β模型、古希臘多字母模型、挪威石油公司的先進(jìn)β模型、Alpha因子模型，這里只介紹簡(jiǎn)單的β模型和古希臘多字母模型。

2.1β模型

簡(jiǎn)單的β模型，假設(shè)系統(tǒng)只存在一個(gè)共模故障，即所有通道共同發(fā)生的共模故障。β表示共同原因發(fā)生的故障占總的故障的百分比。

IEC 61508依據(jù)簡(jiǎn)單的β模型給出的不同冗余的計(jì)算公式。

如共模故障因子為β，故障率為λ，則共模故障的故障概率為

λ=λβ

(1)

而非共模故障的故障概率為

λ=λ(1-β)

(2)

式(2)在計(jì)算安全儀表系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)時(shí)會(huì)應(yīng)用到。

2.2古希臘多字母模型

此模型分析比較復(fù)雜，它假設(shè)每2個(gè)通道、3個(gè)通道均有共模故障發(fā)生，假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)“2oo3”冗余，其有3個(gè)通道，即A，B，C。如果用古希臘多字母模型將存在4個(gè)不同的共模故障因子，即A—B的共模故障因子、B—C的共模故障因子、A—C的共模故障因子、A—B—C的共模故障因子。因?yàn)樵撃Ｐ蛷?fù)雜，所以平時(shí)應(yīng)用時(shí)一般選擇β模型，無論它們的模型是什么，算法復(fù)雜或簡(jiǎn)單，只要β估計(jì)合理，所得的結(jié)果都是近似相等的。

3β的估計(jì)方法

用β參數(shù)衡量的共模強(qiáng)度決定于物理和電子設(shè)備的應(yīng)用，上述的三個(gè)規(guī)則是影響共模強(qiáng)度的最重要因素，物理分離和電子分離設(shè)備受共模應(yīng)力的影響小，可以減小β參數(shù)值，多樣性設(shè)計(jì)也可以減小β參數(shù)，可以將這幾種方法結(jié)合使用。對(duì)于硬件故障，專家估計(jì)β參數(shù)值的范圍為0.005～0.110，軟件故障的β參數(shù)值的范圍為0.05～0.60。所以，β參數(shù)的估計(jì)是很重要的。

R.A. Humphreys提出了一個(gè)估計(jì)β的方法：

1) 分離。物理上的分離(規(guī)則1)。

2) 相似性。多樣性的等級(jí)(規(guī)則2)。

3) 復(fù)雜性。設(shè)計(jì)強(qiáng)度的方案，假設(shè)越復(fù)雜的設(shè)計(jì)越可能發(fā)生故障。

4) 分析。設(shè)計(jì)方案的測(cè)試。

5) 操作程序。抵制操作錯(cuò)誤的系統(tǒng)強(qiáng)度的方案。

6) 培訓(xùn)。抵制操作和維護(hù)錯(cuò)誤強(qiáng)度的方案。

7) 環(huán)境的控制。訪問設(shè)備的方案，嚴(yán)格地訪問設(shè)備將減少操作和維護(hù)錯(cuò)誤的幾率。

8) 環(huán)境的測(cè)試： 產(chǎn)品強(qiáng)度的方案(規(guī)則3)。

該方法考慮許多合法的人為共模故障源，在表1中并沒有包括。Humphreys的方法對(duì)“高強(qiáng)度系統(tǒng)”很適用。表1沒有給出粗糙設(shè)計(jì)的信任。Humphreys方法將使得β的估計(jì)值變大。如果粗糙設(shè)計(jì)，高強(qiáng)度元件備用，或在這個(gè)模型中包含人為因素故障率，則Humphreys方法是較好的。

表1　β因子評(píng)估

最終的β因子為所有的和。

4結(jié)束語

對(duì)冗余結(jié)構(gòu)的可靠性影響因素中，β的影響最大。故認(rèn)識(shí)共模故障，預(yù)防其產(chǎn)生，盡量降低β的值，在進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)可靠性分析時(shí)正確地評(píng)估β，使工程設(shè)計(jì)的計(jì)算更加精確，也使整個(gè)工廠得到安全的保證。此文對(duì)實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用以及可靠性的計(jì)算均有一定的幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]WILLIAM M G. Control Systems Safety Evaluation and Reliability [M]. ISA, 1998.

[2]Josef B?rcs?k. Electronic Safety Systems, Hardware Concepts, Models and Calculations [M]. Germany, 2003.

[3]IEC. IEC 61511 Functional Safety—Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector [S]. IEC, 2003.

[4]BRITISH STANDARD. EN 61508-6 Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-related System [S]. BS EN, 2002.

[5]左信,周華,鄭加平.安全儀表系統(tǒng)可靠性影響參數(shù)的敏感性分析[J].化工自動(dòng)化及儀表，2010，37(03)： 66-68.

[6]尹永娟.安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作步驟及實(shí)現(xiàn)[J].石油化工自動(dòng)化，2011，47(增刊1)： 48-51.

[7]張建國.安全儀表系統(tǒng)在過程工業(yè)中的應(yīng)用[M].北京： 中國電力出版社，2010.

[8]舒逸聃，趙勁松.安全儀表系統(tǒng)安全完整性等級(jí)驗(yàn)證研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2011(12)： 1585-1588.

[9]陽憲惠，郭海濤.安全儀表系統(tǒng)的功能安全[M].北京： 清華大學(xué)出版社，2007.

西安定華ELL?系列外測(cè)液位儀表

ELL?系列外測(cè)液位儀表是一種完全非接觸式液位測(cè)量儀表，由于不用在罐壁上開孔、不用法蘭、不接觸罐內(nèi)液體和氣體的產(chǎn)品特點(diǎn)，在安裝時(shí)不清罐、不動(dòng)火、不停產(chǎn)，可輕松實(shí)現(xiàn)在線安裝調(diào)試。在儲(chǔ)罐原有液位計(jì)損壞更換、安全技改項(xiàng)目中有著顯著的優(yōu)勢(shì)。在測(cè)量易燃易爆、劇毒、強(qiáng)腐蝕、易揮發(fā)的液體時(shí)，不開孔、無漏點(diǎn)，即使在儀表損壞或維修狀態(tài)下，也絕無引起泄漏、毒害及爆炸等危害的可能。外測(cè)液位儀表憑借產(chǎn)品特點(diǎn)，已成為儲(chǔ)罐液位測(cè)量首選儀表，技改更換最佳解決方案。

ELL?系列外測(cè)液位儀表根據(jù)用途不同分為兩種規(guī)格，ELL-FI外測(cè)液位計(jì)和ELL-SA外測(cè)液位開關(guān)。ELL-FI外測(cè)液位計(jì)用于球罐、臥罐及立罐等儲(chǔ)罐內(nèi)液體高度的連續(xù)精確測(cè)量，其精度可達(dá)0.1%F.S.，溫度范圍-50～250℃，防爆和防護(hù)等級(jí)為ExdⅡCT6、IP67；而ELL-SA外測(cè)液位開關(guān)主要用于罐內(nèi)液體高度的點(diǎn)式測(cè)量，實(shí)現(xiàn)高、低位報(bào)警，其精度達(dá)到了±1mm，防爆和防護(hù)等級(jí)為ExdⅡCT6、IP67。

目前，該產(chǎn)品已在中石油、中石化、延長石油、中鹽集團(tuán)、藍(lán)星集團(tuán)、中海油、中化藍(lán)天、東岳集團(tuán)、中國華能集團(tuán)、特變電工及LG等國內(nèi)外近千家知名企業(yè)的數(shù)百種實(shí)際工況中投入實(shí)際應(yīng)用，并且受到用戶好評(píng)。(西安定華電子有限公司)

中圖分類號(hào)：TP217

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2015)03-0005-03