船闸控制系统可靠性分析及提升措施

2015-08-19李乐新长江三峡通航管理局湖北宜昌

设备管理与维修 2015年7期

关键词：系统可靠性故障率框图

李乐新（长江三峡通航管理局　湖北宜昌）

船闸控制系统可靠性分析及提升措施

李乐新
（长江三峡通航管理局湖北宜昌）

对某船闸控制系统进行可靠性分析，提出船闸系统可靠性分析方法和提高船闸控制系统可靠性的措施。

可靠性控制系统船闸

航运事业的高速发展，对船闸设备设施的可靠性要求不断提高。控制系统作为船闸运行的核心，如何提高其工作可靠性，成为急需解决的问题。

一、可靠性技术及其发展

狭义的可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性的概率度量称为可靠度，若将可靠度函数记为R（t），故障率函数记为λ（t），则R（t）可用λ（t），表示，见式（1）。

广义的可靠性还包含可用性和维修性。可用性是指产品在任一随机时刻需要和开始执行任务时，处于可工作或可使用状态的程度。可用性的概率度量称为可用度。稳态条件下，可用度A可表示为式（2）。

式（2）中，MUT指平均可用时间，MDT指平均不可用时间。维修性是指在规定的条件下并按规定的程序和手段实施维修时，产品在规定的使用条件下，保持或恢复执行规定功能状态的能力。

二、船闸控制系统可靠性分析

1.船闸控制系统结构

某船闸控制系统结构图如图1所示，控制系统由操作员站、双机热备PLC系统、现地控制单元和网络设备等组成。双机热备PLC系统是控制系统的核心，负责按照设定的运行程序和闸阀门状态向现地控制单元发布动作命令，并实现信息采集、显示和管理等功能；操作员站是船闸运行人员实现集中操作和监视的人机界面，并具有运行参数设置功能；现地控制单元接受PLC系统的指令，实现闸阀门的启闭操作；触摸屏是运行人员进行现场操作和监视的人机界面，也可进行部分运行参数设置。

2.船闸控制系统可靠性数学模型

可靠性逻辑框图是从可靠性角度出发研究系统与部件之间逻辑关系的图形表达，表示部件的正常或失效状态对系统状态的影响。可靠性逻辑框图广泛应用于系统可靠性设计和分析，用来分析系统的可靠度是否与设计的可靠度目标相符，找出系统中的薄弱环节并加以改进。

可靠性逻辑框图是在系统工作原理框图的基础上做出的，原理图中的功能单元可作为可靠性框图中的组成部分，但并不考虑各单元间的顺序关系。根据船闸控制系统结构图，分析各功能单元之间的相互关系，结合船闸运行工艺，可以得到船闸控制系统的可靠性逻辑框图，如图2所示。

图1　船闸控制系统结构图

图2　船闸控制系统可靠性逻辑框图

由图2可知，船闸控制系统的可靠性取决于单元10、20、30、40、50和60的可靠性。由可靠性理论可知，串联系统的可靠性数学模型见式（3）。

并联系统的可靠性数学模型见式（4）。

因此，船闸控制系统可靠性数学模型为式（5）。

为简化计算过程，将热备冗余的单元30、40等效为并联关系，实际可靠性较并联关系略低。

各单元的可靠性又取决于它所包含的全部元器件，根据各单元的组成结构可进一步细化可靠性逻辑框图，直至建立起以元器件为组成部分的可靠性逻辑框图，并推导出各单元的可靠性数学模型。此处所讲的元器件并不一定是不可再拆分的零部件，也可以是一个小的系统。如变频器，若系统维修时采取整件更换的方式而不是单独更换变频器的某一部件时，可将变频器作为系统的元器件进行可靠性分析。以阀门控制单元为例，作出其可靠性逻辑框图，如图3所示。同理，根据阀门控制单元各组成部分的串并联关系，可推导出其可靠性数学模型见式（6）。

各元器件的可靠性取决于它的故障率。故障率是指产品工作到某一时刻时，在单位时间内发生故障的概率。故障率与平均无故障时间（MTBF）的关系可以表示为：λ=1/MTBF。目前，大多数元器件性能说明中均提供了平均无故障时间的数值。因此，根据各元器件的平均无故障时间可以求出其故障率，将故障率数值代入船闸控制系统数学模型中，就可以得到船闸控制系统的可靠度。

3.船闸控制系统可靠性分析

通过分析船闸控制系统可靠性数学模型，可以得出以下结论。

（1）船闸控制系统本质上是一个串联系统，系统组成的元器件较多，系统的可靠性决定于各组成元器件的可靠性。

（2）通过设置冗余设备或备用回路，提高了系统整体的可靠性，如冗余的CPU、I/O模块和现场总线提高了PLC单元的可靠性，双电机驱动提高了阀门控制单元的可靠性。

（3）系统各单元可靠性之间存在着固有差异，根据相关资料和现场经验数据，操作员站的可靠度较其它单元相对较低。

（4）系统的可用度除取决于系统固有的可靠度外，还取决于系统中各串联单元故障后的故障处理时间。

图3　阀门控制单元可靠性逻辑框图

（5）建立系统可靠性数学模型时，未考虑电缆等可靠度极高的部件。实际应用中，若外部环境恶劣，这些设备的可靠性也不容忽视。

三、船闸控制系统可靠性持续改进措施

系统可靠性的特征量众多，分析和计算较为繁琐，不可能对每个特征量都进行统计分析。为达到持续跟踪和提高系统可靠性的目的，应根据系统的工况和人们对系统的要求选取重点特征量，并在日常工作中加以统计分析。

船闸是为克服船舶过坝水位差而建设的水工建筑物，在两批船舶过闸之间存在着时间间隔，人们关心的重点是船闸在船舶进闸完毕后需要运行时的可靠程度，因而选取故障率λ（t）作为其可靠性的特征量。同时，船闸一旦出故障，其停机时间将直接影响过闸船舶的顺利过闸，从而影响过闸船舶的经济效益，系统故障维修时间的长短也是人们关心的重点，故同时选取可用度A作为系统可靠性的特征量。为达到降低系统故障率、提高系统可用度的目的，根据船闸控制系统可靠性分析结论，提出以下持续改进措施。

（1）定期统计、分析系统的故障率和可用度，找出影响系统可靠性的主要因素，分析各类元器件的故障率。

（2）通过维修或更新改造，用高可靠性的产品替代可靠性较低的产品，提高系统各元器件的可靠性。

（3）对修复或更换时间超出规定值的产品，应尽可能地考虑冗余设置，并加强日常预防性维修工作力度。

（4）优化系统故障报警程序，提高故障报警定位的准确性，防止衍生故障的产生，减少故障判断时间。

（5）各元器件尽可能选用标准件，并提高各元器件的可达性，使故障元器件能够容易被找到，并易于拆卸和更换。