李樂(lè)新（長(zhǎng)江三峽通航管理局　湖北宜昌）

船閘控制系統(tǒng)可靠性分析及提升措施

李樂(lè)新
（長(zhǎng)江三峽通航管理局湖北宜昌）

對(duì)某船閘控制系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，提出船閘系統(tǒng)可靠性分析方法和提高船閘控制系統(tǒng)可靠性的措施。

可靠性控制系統(tǒng)船閘

航運(yùn)事業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)船閘設(shè)備設(shè)施的可靠性要求不斷提高?？刂葡到y(tǒng)作為船閘運(yùn)行的核心，如何提高其工作可靠性，成為急需解決的問(wèn)題。

一、可靠性技術(shù)及其發(fā)展

狹義的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力?？煽啃缘母怕识攘糠Q(chēng)為可靠度，若將可靠度函數(shù)記為R（t），故障率函數(shù)記為λ（t），則R（t）可用λ（t），表示，見(jiàn)式（1）。

廣義的可靠性還包含可用性和維修性?？捎眯允侵府a(chǎn)品在任一隨機(jī)時(shí)刻需要和開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)時(shí)，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度?？捎眯缘母怕识攘糠Q(chēng)為可用度。穩(wěn)態(tài)條件下，可用度A可表示為式（2）。

式（2）中，MUT指平均可用時(shí)間，MDT指平均不可用時(shí)間。維修性是指在規(guī)定的條件下并按規(guī)定的程序和手段實(shí)施維修時(shí)，產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下，保持或恢復(fù)執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力。

二、船閘控制系統(tǒng)可靠性分析

1.船閘控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某船閘控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，控制系統(tǒng)由操作員站、雙機(jī)熱備PLC系統(tǒng)、現(xiàn)地控制單元和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。雙機(jī)熱備PLC系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)按照設(shè)定的運(yùn)行程序和閘閥門(mén)狀態(tài)向現(xiàn)地控制單元發(fā)布動(dòng)作命令，并實(shí)現(xiàn)信息采集、顯示和管理等功能；操作員站是船閘運(yùn)行人員實(shí)現(xiàn)集中操作和監(jiān)視的人機(jī)界面，并具有運(yùn)行參數(shù)設(shè)置功能；現(xiàn)地控制單元接受PLC系統(tǒng)的指令，實(shí)現(xiàn)閘閥門(mén)的啟閉操作；觸摸屏是運(yùn)行人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作和監(jiān)視的人機(jī)界面，也可進(jìn)行部分運(yùn)行參數(shù)設(shè)置。

2.船閘控制系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型

可靠性邏輯框圖是從可靠性角度出發(fā)研究系統(tǒng)與部件之間邏輯關(guān)系的圖形表達(dá)，表示部件的正?；蚴顟B(tài)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的影響?？煽啃赃壿嬁驁D廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)和分析，用來(lái)分析系統(tǒng)的可靠度是否與設(shè)計(jì)的可靠度目標(biāo)相符，找出系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)并加以改進(jìn)。

可靠性邏輯框圖是在系統(tǒng)工作原理框圖的基礎(chǔ)上做出的，原理圖中的功能單元可作為可靠性框圖中的組成部分，但并不考慮各單元間的順序關(guān)系。根據(jù)船閘控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，分析各功能單元之間的相互關(guān)系，結(jié)合船閘運(yùn)行工藝，可以得到船閘控制系統(tǒng)的可靠性邏輯框圖，如圖2所示。

圖1　船閘控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2　船閘控制系統(tǒng)可靠性邏輯框圖

由圖2可知，船閘控制系統(tǒng)的可靠性取決于單元10、20、30、40、50和60的可靠性。由可靠性理論可知，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性數(shù)學(xué)模型見(jiàn)式（3）。

并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性數(shù)學(xué)模型見(jiàn)式（4）。

因此，船閘控制系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型為式（5）。

為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，將熱備冗余的單元30、40等效為并聯(lián)關(guān)系，實(shí)際可靠性較并聯(lián)關(guān)系略低。

各單元的可靠性又取決于它所包含的全部元器件，根據(jù)各單元的組成結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步細(xì)化可靠性邏輯框圖，直至建立起以元器件為組成部分的可靠性邏輯框圖，并推導(dǎo)出各單元的可靠性數(shù)學(xué)模型。此處所講的元器件并不一定是不可再拆分的零部件，也可以是一個(gè)小的系統(tǒng)。如變頻器，若系統(tǒng)維修時(shí)采取整件更換的方式而不是單獨(dú)更換變頻器的某一部件時(shí)，可將變頻器作為系統(tǒng)的元器件進(jìn)行可靠性分析。以閥門(mén)控制單元為例，作出其可靠性邏輯框圖，如圖3所示。同理，根據(jù)閥門(mén)控制單元各組成部分的串并聯(lián)關(guān)系，可推導(dǎo)出其可靠性數(shù)學(xué)模型見(jiàn)式（6）。

各元器件的可靠性取決于它的故障率。故障率是指產(chǎn)品工作到某一時(shí)刻時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率。故障率與平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）的關(guān)系可以表示為：λ=1/MTBF。目前，大多數(shù)元器件性能說(shuō)明中均提供了平均無(wú)故障時(shí)間的數(shù)值。因此，根據(jù)各元器件的平均無(wú)故障時(shí)間可以求出其故障率，將故障率數(shù)值代入船閘控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中，就可以得到船閘控制系統(tǒng)的可靠度。

3.船閘控制系統(tǒng)可靠性分析

通過(guò)分析船閘控制系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型，可以得出以下結(jié)論。

（1）船閘控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)組成的元器件較多，系統(tǒng)的可靠性決定于各組成元器件的可靠性。

（2）通過(guò)設(shè)置冗余設(shè)備或備用回路，提高了系統(tǒng)整體的可靠性，如冗余的CPU、I/O模塊和現(xiàn)場(chǎng)總線提高了PLC單元的可靠性，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)提高了閥門(mén)控制單元的可靠性。

（3）系統(tǒng)各單元可靠性之間存在著固有差異，根據(jù)相關(guān)資料和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，操作員站的可靠度較其它單元相對(duì)較低。

（4）系統(tǒng)的可用度除取決于系統(tǒng)固有的可靠度外，還取決于系統(tǒng)中各串聯(lián)單元故障后的故障處理時(shí)間。

圖3　閥門(mén)控制單元可靠性邏輯框圖

（5）建立系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型時(shí)，未考慮電纜等可靠度極高的部件。實(shí)際應(yīng)用中，若外部環(huán)境惡劣，這些設(shè)備的可靠性也不容忽視。

三、船閘控制系統(tǒng)可靠性持續(xù)改進(jìn)措施

系統(tǒng)可靠性的特征量眾多，分析和計(jì)算較為繁瑣，不可能對(duì)每個(gè)特征量都進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。為達(dá)到持續(xù)跟蹤和提高系統(tǒng)可靠性的目的，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的工況和人們對(duì)系統(tǒng)的要求選取重點(diǎn)特征量，并在日常工作中加以統(tǒng)計(jì)分析。

船閘是為克服船舶過(guò)壩水位差而建設(shè)的水工建筑物，在兩批船舶過(guò)閘之間存在著時(shí)間間隔，人們關(guān)心的重點(diǎn)是船閘在船舶進(jìn)閘完畢后需要運(yùn)行時(shí)的可靠程度，因而選取故障率λ（t）作為其可靠性的特征量。同時(shí)，船閘一旦出故障，其停機(jī)時(shí)間將直接影響過(guò)閘船舶的順利過(guò)閘，從而影響過(guò)閘船舶的經(jīng)濟(jì)效益，系統(tǒng)故障維修時(shí)間的長(zhǎng)短也是人們關(guān)心的重點(diǎn)，故同時(shí)選取可用度A作為系統(tǒng)可靠性的特征量。為達(dá)到降低系統(tǒng)故障率、提高系統(tǒng)可用度的目的，根據(jù)船閘控制系統(tǒng)可靠性分析結(jié)論，提出以下持續(xù)改進(jìn)措施。

（1）定期統(tǒng)計(jì)、分析系統(tǒng)的故障率和可用度，找出影響系統(tǒng)可靠性的主要因素，分析各類(lèi)元器件的故障率。

（2）通過(guò)維修或更新改造，用高可靠性的產(chǎn)品替代可靠性較低的產(chǎn)品，提高系統(tǒng)各元器件的可靠性。

（3）對(duì)修復(fù)或更換時(shí)間超出規(guī)定值的產(chǎn)品，應(yīng)盡可能地考慮冗余設(shè)置，并加強(qiáng)日常預(yù)防性維修工作力度。

（4）優(yōu)化系統(tǒng)故障報(bào)警程序，提高故障報(bào)警定位的準(zhǔn)確性，防止衍生故障的產(chǎn)生，減少故障判斷時(shí)間。

（5）各元器件盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)件，并提高各元器件的可達(dá)性，使故障元器件能夠容易被找到，并易于拆卸和更換。

四、結(jié)語(yǔ)

可靠性技術(shù)貫穿了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和使用的全過(guò)程。系統(tǒng)可靠性分析可以理清系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次和各單元間的相互關(guān)系，幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)、管理人員找出薄弱環(huán)節(jié)，有針對(duì)性地采取改進(jìn)措施，提高系統(tǒng)的可靠性。

〔編輯利文〕

U641.3+35

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