第三章集散控制系统性能指标.ppt

第三章 集散控制系统性能指标的评估,第一节 集散控制系统的可靠性 第二节 集散控制系统的易操作性 第三节 集散控制系统的可组态性 第四节 集散控制系统的其他性能指标,1,1可靠性定义 （1）指机器、零件或系统，在规定工作条件下，在规定的时间内具有正常工作性能的能力。 （2）狭义的可靠性指一次性使用的机器、零件或系统的使用寿命。 （3）集散控制系统可靠性是指广义的可靠性。它是可修复的机器、零件或系统，在使用中不发生故障，一旦发生故障又易修复，使之具有经常使用的性能。因此，它还包含了可维修性。,第一节 集散控制系统的可靠性,一、可靠性,2,2、衡量可靠性的指标 可靠度、MTBF、MTTR及故障率。 （1）可靠度（Reliability） 用概率来表示零件、设备和系统的可靠程度，具体定义是：指机器、零件或系统，从开始工作起，在规定的使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，用R（t）表示即：,第一节 集散控制系统的可靠性,3,（2）MTBF（Mean Time Between Failures）：平均无故障时间指可以边修理边使用的机器、零件或系统，相邻故障期间的正常工作时间的平均值。（正常运行时间） 选择MTBF值高的产品，将给我们带来更高的竞争力。 （3） MTTR（Mean Time To Repair） 指设备或系统经过维修，恢复功能并投入正常运行所需要的平均时间。 （故障时间）,第一节 集散控制系统的可靠性,4,（4）故障率（Fai1ure Rate） 通常指瞬时故障率。它是指能工作到某个时间的机器、零件或系统，在连续单位时间内发生故障的比例，用(t）表示。又称失效率、风险率。 故障率等于 t以后的单位时间内失效元件数与t时刻仍然有效的元件数之比。 例如：正在运行中的100只硬碟，一年之内出了2次故障，则每个硬碟的故障率为0.02次/年。,第一节 集散控制系统的可靠性,5,例3-1,（1）6000台产品,每天工作10小时,工作一个月后有6台失效,MTBF是多少？ （2）1000台产品,每天工作24小时,工作一个月后有0.5台失效,MTBF是多少？ （3）那当1000台产品,每天工作24小时,连续工作一个月,要使其MTBF为第一种情况时的值时,需使其失效低于多少台?,6,假定：寿命服从指数分布,1)6000台*10小时*30天=1800000台时，一个月内坏了6台 =6/180W MTBF=180W/6=30W小时 2)1000台*24小时*30天=720000台时，一个月内坏了0.5台 =0.5/72W MTBF=72W/0.5=144W小时 3) 6/180=2.4/72 也就是说180W台时内坏了6台 与 72W 内坏了2.4台是等效的,答案,7,1、维修性（Maintenance）定义 指可修复的机器、零件或系统，发生故障后进行维修，使其恢复正常工作的能力。 2、维修的三要素 机器、零件或系统是否被设计得容易维修； 进行维修的技术人员技能； 维修所需的备品备件、设备。 这三者之间的相互联系关系到维修的速度快慢。,第一节 集散控制系统的可靠性,二、可维修性,8,3、在集散控制系统中，采用接插板的方法使零件易于维修，通过自诊断系统的诊断及面板故障显示使对维修人员的技能要求降低，必需的备品贮备使更换变得方便，这些措施使集散控制系统的维修性大大改善。,第一节 集散控制系统的可靠性,9,4、衡量维修性的指标 常用的有维修度和平均修复时间 （1）维修度（Maintenabi1ity） 可修复的机器、零件或系统，在规定的条件（指维修三要素）下，在规定时间（0，）内完成维修的概率。用M（）表示。,第一节 集散控制系统的可靠性,【例3-2】某插接卡在运行中发生故障25件，其修复时间分别为：18，20，21，23，24，27，30，35，37，37，38，41，42，44，45，46，48，49，51，52，55，60，62，67，72（分）。则1小时维修度可由：,10,（2） MTTR（Mean Time To Repair） 平均修复时间是故障发生后，需事后维修的时间的平均值。,第一节 集散控制系统的可靠性,11,三、提高可靠性的途径,集散控制系统的可靠性是评估集散控制系统的一个重要性能指标。通常，制造厂商提供的可靠度数据都在99.99至99.9999。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。除了系统制造时应该保证符合设计要求外，通常可以从可靠性设计和维修性两方面进行分析。,第一节 集散控制系统的可靠性,12,1可靠性设计的准则 2提高集散控制系统硬件可靠性措施 3提高集散控制系统软件可靠性措施,第一节 集散控制系统的可靠性,13,1可靠性设计的准则,在可靠性设计时，遵循下列准则： 有效地利用以前的经验； 尽可能减少零件件数，尤其是故障率高的零件数； 采用标准化的产品； 检查、调试和互换容易实现； 零件互换性好； 可靠性特殊设计方法，例如，冗余设计、安全装置设计、及安全设计、可靠性预测等。,可靠性设计是完全新型的一种设计。采用了可靠性设计，就能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。,14,2提高集散控制系统硬件可靠性的措施,（1）冗余结构设计 （2）不易发生故障的硬件设计 （3）迅速排除故障的硬件设计,15,（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。 按冗余部件、装置或系统的工作状态，可分为工作冗余（热后备）和后备冗余（冷后备）两类。 按冗余度的不同，可分为双重化冗余和多重化（n：1）冗余。,16,设计冗余结构的范围应与系统的可靠性要求、自动化水平及经济性一起考虑。为了便于多级操作，实现分散控制、集中管理的目标，在集散系统的应用时，越是处于下层的部件、装置或系统越需要冗余，而且冗余度也越高。 供电系统冗余、过程装置的冗余（分为装置冗余和CPU插板冗余两类）、通信系统冗余、操作站冗余。,（1）冗余结构设计,17,（2）不易发生故障的硬件设计,为了提高使用寿命，可从下述几方面考虑硬件的设计和系统的选型。 1）运动部件：由于电子元器件的使用寿命比机械运动部件的使用寿命长。因此，运动部件的寿命就成为衡量系统可靠性的指标。 例如，集散控制系统的组态和编程数据可以放在内存，也可以存放在硬盘。由于硬磁盘存在机械运动部件，因此，选用的集散控制系统应采用内存储器存取，以提高可靠性。 例如，鼠标的检测有光线直接反射和经球面反射的，由于球面的运动易引起故障，因此，可选用直接反射式的鼠标。,18,2）接插卡件：接插卡件在集散控制系统组成中占很大比重。它的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以及卡件和卡件座的接触部件设计。 集散控制系统中的接插卡件是在计算机控制的自动化流水线上生产的，采用了先进的制造工艺，例如波峰焊接、多层印刷板、镀金处理等。还采用了可靠性测试和检验，提高了接插卡件的可靠性。 卡件和卡件座的接触部位的设计既要有可靠性、又要有维修性的要求，通常采用插接、压接、螺丝固定、插脚和插座接触部位镀金等措施。,（2）不易发生故障的硬件设计,19,3）元器件：包括机械与电子元器件。选用名牌工厂生产的高性能、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。 4）电路优化设计：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。,（2）不易发生故障的硬件设计,20,（3）迅速排除故障硬件设计,1)自诊断：集散控制系统中的自诊断功能通常由硬件和软件共同完成。硬件的设计是使系统发生故障时引起标志位的变化，并激励相应故障显示发光二极管。软件的设计是对检测值与故障限值进行比较，并据此发出信号。一个性能良好的集散控制系统应具有很强的自诊断功能，它能够对各种接插卡件进行诊断，并显示故障。,21,2)硬件设计：易检修、更换、不易发生故障的硬件设计包括机械部件和电子线路的设计。通常，对需要常检修和更换的部件采用接插卡件的机械设计。在电子线路设计方面，采用各卡件自成系统，它的插入和拔出不影响其他卡件的运行，保险丝安装部件易于更换等措施。 3)专用诊断、检修设备：为了便于诊断和检修，大多数集散控制系统制造厂商还制造了专用设备，用于在线和离线检查和修理，有些设备还可以进行仿真运行。,（3）迅速排除故障硬件设计,22,4)售后服务和备品备件：通常，集散控制系统制造和销售商会给买方提供一定的人员培训。但为了使集散控制系统能正常运行，及时得到售后维修、升级及备品备件的服务，在国内设有相应产品维修中心是十分必要的。,（3）迅速排除故障硬件设计,23,3提高集散控制系统软件可靠性的措施,（1）分散结构设计 如把整体设计分为控制器模件、历史数据模件、打印模件、报警事件模件等子系统的软件设计。 （2）容错技术 在软件设计中的容错技术是指在软件设计时，对误操作不予响应的技术。 （3）标准化 采用标准化软件可以提高软件运行的可靠性。,24,思考题,1、试述可靠性的定义。广义可靠性和狭义可靠性的主要区别在哪里？ 2、用于衡量可靠性的指标有哪些？,25,第二节 集散控制系统的易操作性,集散控制系统的操作包括生产过程操作、组态和编程操作以及维护和修理操作。 易操作性包括: 操作透明度:集散控制系统提供的操作信息量和更新速度等； 易操作性:方便地达到所需的操作要求，不易发生误操作； 容错技术:发生误操作时不影响正常运行； 安全性:进入相应操作环境的安全许可措施。 易操作性是一个使用性能指标，它与集散系统的整体性能有密切关系！,26,一、操作透明度,操作透明度（Operating Transparency)指生产过程的操作信息量是否清晰地为操作员所接受和理解，并被应用于生产过程的操作中去的能力。 为了增强操作员的实感，在集散控制系统的设计中普遍建立了与模拟仪表面板相类似的面板或组显示画面，建立了与模拟记录仪表相类似的趋势显示画面，建立了报警和警告（事件）的一览报表等。 此外，对于二位式的开关信号，如阀门、泵、马达的启停，开关、信号灯的开、关等采用颜色变化或者充满与否的软件设计。对于物位、温度的变化采用具有动感的升降画面和颜色变化等。,27,与操作透明度有关的性能,提供的系统画面，包括用户画面、概貌画面、组画面、趋势画面等的数量； 每幅画面中动态更新的数据点的数量； 更新的速率； 画面切换的速率 所采用的CPU、内存、CRT分辨率,28,二、易操作性,定义：易操作性指集散控制系统所提供的操作环境容易为操作员接受，并根据所提供的信息对生产全过程进行操作。 内容： 1操作环境,29,操作员的操作环境是操作员的工作场所，它应使操作员能舒服地工作。 操作数据、状态等信息易于辨认； 报警或事件发生的信息能引起操作员注意； 开关和操作便于操作，使操作员最快地达到所需要的操作要求。 它涉及宜人学、系统组态、结构等方面的知识。,从操作员到CRT中心的视线应尽可能地与CRT平面垂直，而CRT或显示画面的顶部应在水平视线或视线下； 操作员的座椅，它的高度、后仰角和转盘调整； CRT虽然可以显示多种颜色，但不易引起视力疲劳的颜色应是琥珀色、绿色等 为了易于辨认，显示的点阵数据，它的高度应大于2.5mm； 报警和紧急故障的状态显示应该醒目，红色及闪烁是常常采用的。事故处理的操作应位于显著的部位。,30,根据宜人学的研究，在设计和系统组态时应注意下列几点：,二、易操作性-操作环境,31,二、易操作性-操作功能,（1）显示功能 CRT的显示画面可分为过程操作画面和维修、组态画面。 概貌画面、过程画面、组画面、回路画面、历史趋势画面、报警画面等。 系统维修、系统组态、回路组态、报警组态、趋势组态等。,2操作功能 集散控制系统的操作功能主要是通过操作站实施，从易操作性来分析操作功能的实施，其判别的准则是如何获取所需要的信息，即经过多少项操作步骤来达到能提供所需信息的画面，以及如何对过程实施操作。,过程操作中，过程操作画面的切换占很大的比重，这是由于过程之间有相互的耦合，互相有影响、过程变量的设定值、工作方式、控制参数、报警和警告参数等要进行改变和调整、要对不同的过程实施不同的操作（包括事故处理），因此，无论从减少劳动量，还是提高可靠性来讲，减少过程操作画面的切换操作是很有必要的。 不同的集散系统制造厂商提供了不同的切换画面的方法,32,二、易操作性-操作功能,切换画面的方法,常用的几种方法如下： 按压位于键盘或CRT屏旁的经定义的固定键调用画面； 按压位于键盘的经定义的动态键切换画面； 通过菜单、下拉菜单和光标移动及确认的操作调用画面； 通过画面编号的输入调用画面； 通过页面切换键和画面返回键切换画面； 通过触摸屏幕上已组态的动态键来切换画面；通过画面目录、光标定位确认调用画面； 通过光标移动使调用的画面滚动显示等。,33,（2）过程监视功能 生产过程的平稳操作，要求操作人员对全过程的被控变量有全面的监视，这些被控变量可以是需要控制的，也可以是需要监视的过程变量。此外，设备的开停等信息也需要操作员了解和掌握。为此，集散控制系统中都建立了概貌显示画面。,34,二、易操作性-操作功能,概貌显示画面，根据CRT分辨率及系统的不同，每幅画面可显示几十个至近百个过程变量。由于是概貌画面，对过程变量不需要数值，通常显示的内容是过程变量的位号、过程变量与设定值的偏差或者过程变量的棒图、报警限值或报警信息。操作员对于概貌画面提供的信息的要求是定性的了解过程变量是否超过它的极限值，与极限值偏离的程度。 由于集散系统具有过程监视功能，因此使操作员的操作变得容易。在评价该操作功能时，应根据系统提供的概貌画面，工艺操作人员的要求，画面提供的信息量等进行综合，作出评价。,35,二、易操作性-操作功能,（3）操作功能 操作分为过程操作、组态操作和维修操作。 过程操作的主要内容 控制回路的操作和控制点的操作。 1)控制回路的操作包括控制方式、设定值、手动输出值、报警限值、控制器作用方式、调整参数等操作。 2)控制点的操作包括对具有通断功能设备开停、正反转、控制方式、联锁状态、报警限值操作。,36,二、易操作性-操作功能,从易操作性的观点对过程操作功能进行评价，可以从专用键的多少、动态键能否使用、参数调整是否方便等方面进行考虑。一个具有良好的易操作性的集散系统，它常常配备了专用的操作键区。 组态操作是为系统、回路、报警、趋势等组态时进行的操作。 组态操作有离线和在线之分。离线组态有利于和安装时间同步进行，可缩短总投产时间。在线修改可不影响正常生产的运行，而进行回路结构等的改动。对于已运转的系统需要技术改造时特别有用。,37,二、易操作性-操作功能,早期的集散控制系统，它的组态操作接近于机器码或助记符，采用组态字，并列写组态表，然后输入系统。这是由于组态工作通常由制造厂商完成，用户较少介入的结果，用户对组态工作的难易程度不够关心。 随着用户对组态工作的介入，组态软件的编制采用了高级程序语言，如对控制组态，只要对所需的控制模块（或称控制算法、组态元素等）送入有关数据即可。这些数据包括系统数据、模块数据、连接数据等。,38,二、易操作性-操作功能,为了方便组态，对于大量的数据采用系统默认值，以减少输入的工作量。对于不少调整参数采用通过操作站、手握式编程器进行调整。由于采用这些措施，从组态操作的硬件来看，应该尽可能多地包含操作用键钮，以利于组态。从软件来看，应该有灵活的组态软件，减少输入工作量；有清晰的提示，使组态操作人员易于掌握，便于操作。 组态工作的难易与快慢只有在相互比较的基础上才能确定。,39,二、易操作性-操作功能,3容错技术 这里所说的容错技术和为提高可靠性所采用的容错技术有所区别。后者主要是指系统中某部分发生故障时，系统仍能正常运行或降级运行。而前者则指系统运行中由于误操作时，系统仍能正常运行。它通过下列措施实现。,40,二、易操作性容错技术,（1）多重确认 对于重要的操作步骤，采用双重或多重的确认方法是防止误操作影响的有效方法。例如，为防止误操作，常常对不同的操作环境设置有通行证作用的口令（Password）。输入正确的口令，才能进入相应的操作环境。为了防止口令失密，也可加入具有密钥的硬件开关。又如，对于口令的更改，必须采用输入两次相同新口令的双重确认方法。,41,二、易操作性容错技术,（2）硬件保护 在安装接线和调试时，或者由于误操作，把高电平的电源线引入输入接线板时，如果没有硬件保护，就会引起输入单元甚至过程控制装置的损坏。因此，绝大多数集散控制系统都在信号输入部分设置硬件保护电路，如二极管、双金属热电流保护器、保险丝等，防止由于误操作影响系统运行。此外，对于可能引起误动作的各类电磁干扰也采取硬件和软件的保护、滤波措施。,42,二、易操作性容错技术,（3）不予响应 在软件编制时，为防止操作影响生产运行，常采用不予响应的方法。对误操作，如按动与操作无关的键时，不发生操作指令或者在显示的警告区提示和发出警告声响。 （4）分工管理 对于多台操作站运行的场合，给予各操作站不同的分工范围，每台操作站只对所管辖的生产过程可以实施过程操作，对非管辖的部分只具有过程监视和显示功能。,43,二、易操作性容错技术,（5）数据保护 采用存取控制和数据变换的方法，防止采用非法手段存取和更改数据。由于集散控制系统通过通信网络进行数据传送，因此，对传送数据应予保护。存取控制是用存取矩阵的方法，控制用户对共享数据库数据的存取，防止非法窃取或更改数据。数据变换则用变换方法，把数据进行变换，使合法用户才能读取数据。,44,二、易操作性容错技术,4安全性 集散控制系统的安全性是指防止非法操作、非法存取所采取的防护措施。与计算机、微处理器对安全性的防护措施类似，集散控制系统的防护措施最常用的有下述几种： （1）用户识别和确认 （2）通信网络的安全性,45,二、易操作性安全性,第三节 集散控制系统的可组态性,集散控制系统的可组态性是使用性能指标。 它与集散控制系统本身所具有的组态语言、高级控制算法的特点；采用的共享数据库的性能；系统程序、应用程序和运算速度等有关，它与组态人员技能也有关。 对于已给的控制系统结构，所选的集散控制系统能否实施这样的结构；当控制方式，方案变化时，该系统能否按需要的方式过渡，这些都是可组态性应考虑的问题。,46,一、组态,定义: 组态（Configuration）是用集散控制系统所提供的功能模块或算法组成所需的系统结构完成所需功能 操作站的显示组态则是用集散控制系统提供的组态编辑软件组成所需的各种显示画面 为了完成某些特定的功能，采用集散控制系统提供的组态语言编写有关程序也属于组态范围 内容：集散控制系统的组态包括系统组态、画面组态和控制组态。,47,返回,第四节 集散控制系统的其他性能指标,一、可扩展性 二、实时性 三、环境适应性 四、经济性,48,一、可扩展性,1可扩展性的含义 集散控制系统的可扩展性表现在下列几方面。 集散控制系统的分散过程控制装置的机柜或机架内有足够的空间增加输入输出卡件，这些卡件是同一系统的产品。此外，CPU应有能力对增加的卡件和相应的控制算法进行处理。 集散控制系统的许多设备通过通信网络进行联系，在生产发展需要时，应能方便地增加设备或者删除设备。,49,集散控制系统的通信网络也可以随生产的发展或联网的要求而扩展延伸。 集散控制系统是全开放的结构，它允许符合开放系统互连网络协议的其他厂商的集散控制系统与之通信，也允许其本身连到其他厂商的集散控制系统去。,50,一、可扩展性（续）,2从网络拓扑结构分析可扩展性 在集散控制系统中，通信网络大多是局域网。 它的拓扑结构主要有总线型、星形、环形、混合型拓扑结构等。 3通信网络的扩展 通信网络的扩展有二种情况。一种情况是同类型通信网络的扩展，通过网桥（Bridge）的连接，把同类通信网络扩展。另一种情况是不同类型的通信网络扩展，它是通过网间连接器（Gateway）来完成的。,51,一、可扩展性（续）,二、实时性,集散控制系统的通信网络，它的响应时间常在几毫秒至几百毫秒。为此，在选择集散控制系统时要考虑实时性能。 1通信速率 通信速率与很多因素有关。选用的网络拓扑结构、通信媒体和网络接口的传送速率都会影响通信速率。存取控制和通信管理的方法也会影响通信速率。,52,2媒体存取控制 在通信网络中，为了对通信进行控制和管理，避免发生通信的碰撞和冲突，采用了媒体存取控制方式来管理通信。 媒体存取控制是指节点在向通信媒体存信息或者从通信媒体取信息时的控制规则。 存取控制的总目的是保证通信能正确和快捷地进行。 3减少无效通信量 4实时控制的数据结构和多任务应用软件,53,二、实时性（续）,三、环境适应性,包括对环境场所的有害气体、温度、湿度等因素的适应能力以及对环境电磁干扰的适应能力等。,54,55,图1 总线拓扑结构,图2 星型拓扑,图4 星型总线型拓扑结构,图3 总线型拓扑结构,