DCS可靠性设计优化方案

可靠性是指机器、零件、系统在规定的工作条件下，在规定的时间内具有正常工作性能的能力。DCS的可靠性是指可修复的机器、零件、系统在使用中不发生故障，即便发生故障又容易修复，使之具有经常使用的性能。

8.2.1.1　DCS的可靠性

DCS的可靠性包含了可维修性，常采用可靠度、平均故障时间、发生故障的平均时间和故障率衡量可靠性。

1.可靠度

可靠性（Reliability）是指机器零件、系统从开始工作起，在规定的适用条件下的工作周期内，达到所规定的性能，即无故障正常状态的概率。

2.平均故障时间

平均故障时间（Mean Time Between Failures，MTBF）是指可以边修理边使用的机器、零件、系统，相邻故障期间的正常工作时间的平均值。

3.发生故障的平均时间

发生故障的平均时间（Mean Time To Failure，MTTF）是指不能修理的机器、零件、系统，从工作至发生故障为止的工作时间的平均值，即不可修理产品的平均寿命。

4.故障率

故障率（Failures Rate）：通常是指瞬时故障率。瞬时故障率是指能工作到某个时间的机器、零件、系统，在连续单位时间内发生故障的比例。故障率又称失效率、风险率。

DCS的可靠性是评估DCS的重要性能指标。通常，制造厂商提供的可靠度数据都是99.99%。由于可靠性指标具有统计特性，因此，在评估系统可靠性时，可以采用那些提高系统可靠性的措施来分析。

8.2.1.2　DCS可靠性设计准则

提高DCS的可靠性最为适用的措施就是可靠性设计。可靠性设计是一种完全新型的设计方法，是用于实现设计质量，即可靠性、性能、效率、安全、经济等项指标的设计。采用可靠性设计，就能够设计出在使用过程中不易发生故障，即使发生故障也容易修复的产品。

日本横河公司对DCS的可靠性设计提出了以下3个准则。

1.系统运行不受故障影响的准则

系统运行不受故障影响的准则包括冗余设计和多级操作两方面的内容，冗余设计可以使系统某一部件发生故障时能自动切换，多级操作可以使系统某一部件发生故障时能够旁路或者降级使用。

2.系统不易发生故障的准则

系统不易发生故障的准则是非常重要的可靠性设计准则，就是要从系统的基本部件着手，提高系统的MTBF。

3.迅速排除故障的准则

迅速排除故障的准则是一条很重要的维修性设计准则，包括故障诊断、系统运行状态监视、部件更换等设计，用于缩短系统的MTTR。

8.2.1.3　DCS硬件可靠性设计

要想提高DCS的整体可靠性，进行可靠性设计，需要按照可靠性设计的准则提高硬件可靠性。

1.冗余结构设计

冗余结构设计可以保证系统运行时不受故障的影响，按照冗余部件、装置、系统的工作状态，可分为工作冗余和后备冗余两类。按照冗余度的不同，可分为双重化冗余和多重化冗余。

设计冗余结构的范围应与系统的可靠性要求、自动化水平以及经济性一起考虑。为了便于多级操作，实现分散控制、集中管理的目标，在冗余设计时，越是处于下层的部件、装置、系统，越需要冗余，而且冗余度也越高。

DCS冗余设计一般需要考虑供电系统的冗余、过程控制装置的冗余、通信系统的冗余、操作员站的冗余。

1）供电系统的冗余

从系统外部供电时，采用双重化供电冗余是最常用的方法。冗余电源可以是另外一路交流供电电源，也可以是干电池、蓄电池、不间断电源。在DCS中，为了在发生供电故障时，系统数据仍然不会丢失，还要对RAM采用镉镍电池供电。对于自动化水平较高的大型DCS的冗余供电系统，也可采用多级并联供电。

2）过程控制装置的冗余

这一部分可分为装置冗余和CPU插板冗余两类。装置冗余通常用多重化（n∶1）冗余方式，典型的n值可为8～12，通过控制器指挥仪来协调。CPU插板冗余常为多重化冗余，采用热后备方式。(www.xing528.com)

3）通信系统的冗余

几乎所有DCS都采用双重化通信系统的冗余结构。过程控制装置和操作员站之间的数据通信根据网络的不同，可以是总线或环形拓扑结构。操作员站和上位机之间也存在数据通信。各站间和其他装置通过网间连接器或适配器进行数据通信。在DCS中存在数据通信的部位几乎无例外地采用了冗余结构。

4）操作员站的冗余

操作员站冗余常采用2～3台操作员站并联运行，组成双重化冗余或（2，3）表决系统冗余。各操作员站通常可以调用工艺过程的全部画面和数据信息，有些系统采用各操作员站分管工艺过程的一部分信息，当某一台操作员站发生故障时，再把该分管部分分配给工作的操作员站进行操作。

另外，对于DCS输入／输出信号的插卡部件、上位机，也可以组成冗余结构。

冗余设计是以投入相同的装置、部件为代价提高系统可靠性的。在实际设计选型时，应该根据工艺过程特点、自动化水平、系统可靠性要求，提出合理的冗余要求。同时，还要进行经济分析和经济指标考虑。

2.不易发生故障的硬件设计

一般来说，为提高系统使用寿命，主要从运动部件、接插卡件和元器件考虑硬件的设计和系统选型。

1）运动部件

由于机械运动部件的使用寿命要比电子元器件的使用寿命短，所以系统中使用的运动部件的寿命就成为衡量系统可靠性的指标。

2）接插卡件

接插卡件在DCS组成中所占比重较大，其可靠性会直接影响全系统的正常运行。接插卡件的可靠性设计，包括卡件本身的设计、卡件与卡件座的接触部件的设计。DCS中的接插卡件是在计算机控制的自动流水线上生产的，采用了波峰焊接、多层印制板、镀金处理等先进的制造工艺、可靠性测试和检验，提高了接插卡件的可靠性。

3）元器件

对元器件，包括机械和电子元器件，都应选用高性能、规格化、系列化的元器件，如大规模集成电路、超大规模集成电路、微处理器芯片、耐磨损传动器件等。对元器件要进行严格的预处理和筛选，按照可靠性标准检查全部元器件。

另外，还需采用电路优化设计方法，采用大规模和超大规模的集成电路芯片，尽可能减少焊接点，连接线优化布置、选用优化性能的元器件等电路优化设计，不仅能够提高系统的可靠性，防止和降低干扰的影响，而且可以降低成本，提高竞争能力。电路优化设计还包括使DCS具有多级控制系统的总体设计，这种总体设计可以使系统在发生局部故障时能够降级控制，直到手动控制。这类总体设计属于结构优化设计，也属于电路优化设计的一部分。

3.迅速排除故障的硬件设计

为了能够迅速排除故障，减少MTTR，除需要具有足够的备品备件、不断提高维修人员技能以外，还需对DCS采用自诊断和实用的硬件措施设计。

1）自诊断设计

DCS的自诊断硬件设计是使系统在发生故障时，能够使标志位发生变化，并激励相应故障显示灯亮，DCS的自诊断软件设计，是能够将检测值与故障限值进行比较，并依据比较结果发出信号。

2）实用的硬件措施设计

实用的硬件措施设计主要是针对需要经常检修、更换的部件所采用的硬件设计措施，以及保证部件不易发生故障的硬件设计措施，这种硬件设计措施包括机械部件设计和电子线路的设计，对于需要经常检修和更换的部件，则采用接插卡件的机械设计。

8.2.1.4　DCS的软件可靠性设计

DCS的可靠性设计除了考虑硬件可靠性，还需要考虑提高其软件的可靠性。

1.分散结构软件设计

将整体的软件结构分散成各子系统的设计，各自独立，共享资源。这种分散结构的软件设计既有利于设计工作的开展，也有利于软件工作的调试，如把整体设计分为控制器模块、历史数据模块、打印模块、报警模块、事件模块等子系统的软件设计。

2.软件容错技术设计

软件设计中的容错技术，是指对误操作不予响应的软件设计。不予响应是指对于操作人员的误操作，如操作人员没有按照设计顺序操作时，软件不会按照这项操作去输出相应的操作指令，有的软件会根据误操作类别输出有关的操作出错的信息。

3.采用标准化软件

采用标准化软件也可以提高软件运行的可靠性，避免许多软件运行问题。