第6_章_DCS的性能指標(biāo) (1)

1、6.1 DCS 的可靠性6.2 提高系統(tǒng)利用率的措施6.3 DCS 的安全性第6 章 DCS 的性能指標(biāo)6.1 DCS 的可靠性6.1.1 可靠度R(t)6.1.3 平均故障間隔時間(MTBF)6.1.4 平均故障修復(fù)時間(MTTR)6.1.5 平均壽命m6.1.6 利用率A6.1.2 失效率(t)第6章 DCS 的性能指標(biāo)6.1.1 可靠度R(t)1. 定義 可靠度即是用概率來表示的零件、設(shè)備和系統(tǒng)的可靠程度。它的具體定義是：設(shè)備在規(guī)定的條件下(指設(shè)備所處的溫度、濕度、氣壓、振動等環(huán)境條件和使用方法及維護(hù)措施等)，在規(guī)定的時間內(nèi)(指明確規(guī)定的工作期限)，無故障地發(fā)揮規(guī)定功能(應(yīng)具備的技術(shù)指標(biāo)

2、)的概率?？煽慷仁且粋€定量的指標(biāo)，它是通過抽樣統(tǒng)計確定的。設(shè)有 N 0個同樣的產(chǎn)品，在同樣的條件下同時開始工作，經(jīng)t時間運行后有Nf(t)個產(chǎn)品w未發(fā)生故障，則其可靠度： R(t) = Nf(t) / N 0 (0R(t)1) 式中，求取概率R(t)的N 0和 Nf(t)必須符合數(shù)據(jù)統(tǒng)計中的大數(shù)規(guī)律。 N 0必須足夠大，R(t)才有意義。也就是說，對于一種產(chǎn)品，必須抽取足夠多的樣本進(jìn)行實驗，得到的R(t)才真正反映它的可靠度。第6章 DCS 的性能指標(biāo)2. 串并聯(lián)系統(tǒng)可靠度 一個復(fù)雜系統(tǒng)的可靠度除了與構(gòu)成系統(tǒng)的子系統(tǒng)及其元器件的可靠度有關(guān)外，還與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。在串聯(lián)系統(tǒng)中只要有一個發(fā)生故

3、障，系統(tǒng)就會發(fā)生故障；而并聯(lián)系統(tǒng)中除非全部子系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)才出故障。(1) 串聯(lián)系統(tǒng)可靠度。串聯(lián)系統(tǒng)可靠度Rs是各子系統(tǒng)可靠度的乘積，用公式表示：第6章 DCS 的性能指標(biāo)式中， R 1 ， R 2 ， R 3 ， R n為各子系統(tǒng)的可靠度。 (2) 并聯(lián)系統(tǒng)可靠度。從理論上說，并聯(lián)的單元越多，可靠性越高，但是并聯(lián)子系統(tǒng)越多，系統(tǒng)的硬件將增加，實際工程中兩者必須兼顧。并聯(lián)系統(tǒng)可靠度 R P表示如下： 式中， (1 R 1) ， (1 R 2 )， (1 R 3 )(1 R n) 為各子系統(tǒng)發(fā)生故障的概率。第6章 DCS 的性能指標(biāo) 如果并聯(lián)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的可靠度均為r ，則 表6-1 列出

4、r、n 不同取值的計算結(jié)果，由表可知，并聯(lián)子系統(tǒng)越多，系統(tǒng)的可靠度越高。另外，當(dāng)r=0.9時，并聯(lián)子系統(tǒng)數(shù)為2和3時，兩者 RP都在0.99 以上，差別僅在小數(shù)點后面第三位。這說明當(dāng)n2 時，并聯(lián)子系統(tǒng)對增加系統(tǒng)可靠度的貢獻(xiàn)并不顯著，實際工程中常選用 n=2 的并聯(lián)子系統(tǒng)。這一結(jié)果即是冗余技術(shù)的基礎(chǔ)。第6章 DCS 的性能指標(biāo)第6章 DCS 的性能指標(biāo)第6章 DCS 的性能指標(biāo)6.1.2 失效率(t)失效率(t)是指系統(tǒng)運行到t 時刻后，單位時間內(nèi)可靠度的下降與t 時刻可靠度之比，用公式表示為:將上式改寫成微分形式，得對(t)從0t 積分，可得(6-3)(6-4)(6-5) (t)的單位是時間

5、的倒數(shù)，一般采用1/h，它的物理意義是指系統(tǒng)工作到t 時刻，單位時間內(nèi)失效的概率。由式(6-3)可見，不同產(chǎn)品由于R(t)不同，(t)亦各不相同，對于電子產(chǎn)品而言，(t)與時間t 的關(guān)系如圖6.1 所示，這就是著名的浴盆曲線。 該曲線可分為3 個部分：初期失效區(qū)、偶然失效區(qū)、耗損失效區(qū)。第6章 DCS 的性能指標(biāo)第6章 DCS 的性能指標(biāo)圖6.1 失效率浴盆曲線(1) 初期失效區(qū)。(t)隨t 的增大而減小，引起產(chǎn)品失效的主要原因是生產(chǎn)過程中的缺陷，隨著時間的推移，這種情況迅速減少.(2) 偶然失效區(qū)。該區(qū)間內(nèi)(t)很低，且?guī)缀跖c時間無關(guān)，這一時期也稱為壽命期或恒失效區(qū)，它持續(xù)的時間很長。(3)

6、 耗損失效區(qū)。這個期間(t)隨時間的增大而增大，此時因產(chǎn)品已達(dá)到其壽命，所以失效率迅速上升。6.1.3 平均故障間隔時間(MTBF)(Mean Time Between Failure，MTBF)是指各次故障間隔時間ti的平均值，平均故障間隔時間即各段連續(xù)工作時間的平均值?？捎檬?6-7)表示MTBF是一個通過多次采樣檢測，長期統(tǒng)計后求出的平均數(shù)值。第6章 DCS 的性能指標(biāo)6.1.4 平均故障修復(fù)時間(MTTR) 平均故障修復(fù)時間(Mean Time To Repair，MTTR)是指設(shè)備或系統(tǒng)經(jīng)過維修，恢復(fù)功能并投入正常運行所需要的平均時間。用公式表示式中，ti為每次維修所花費的時間。MT

7、TR也是一個統(tǒng)計值，它遠(yuǎn)小于MTBF。MTBF越大，MTTR越小的系統(tǒng)可靠性越高。第6章 DCS 的性能指標(biāo)6.1.5 平均壽命m 按照可靠度的定義，如果一種產(chǎn)品在時刻t 內(nèi)正常工作的概率為R(t)，該產(chǎn)品的平均壽命m可用R(t)的數(shù)學(xué)期望值來表達(dá)： 對電子產(chǎn)品R(t)=e-t所以 即電子產(chǎn)品的平均壽命是其失效率的倒數(shù)。如果產(chǎn)品出現(xiàn)故障后無法修復(fù)，則其壽命m 又可稱作平均無故障時間(Mean Time To Failure，MTTF)；如果故障后可以修復(fù)，則其壽命m 代表的是平均故障間隔時間(MTBF)。DCS的故障應(yīng)是可修復(fù)的，所以可將平均壽命m 稱為MTBF。第6章 DCS 的性能指標(biāo)第6

8、章 DCS 的性能指標(biāo)6.1.6 利用率A利用率是可修復(fù)產(chǎn)品的一個可靠性指標(biāo)，又稱有效率或有效度，它表征了產(chǎn)品正常工作時間和總時間的比率。有效度有三種形式：瞬時有效度、平均有效度和極限有效度。1. 瞬時有效度它是系統(tǒng)在某一時刻具有規(guī)定功能的概率，記作A(t)，這是一個時間函數(shù)。假定系統(tǒng)在偶發(fā)故障期，故障次數(shù)服從失效率為的泊松分布，由此可推出其瞬時有效度：式中，為失效率， 為修復(fù)率，第6章 DCS 的性能指標(biāo)2. 平均有效度它是在某段規(guī)定時間內(nèi)瞬時有效度的平均值。3. 極限有效度亦稱穩(wěn)態(tài)有效度，是時間趨于無限大時瞬時有效度的極限值。根據(jù)式(6-11)，可求得A()：如果把系統(tǒng)的MTBF 作為完成

9、正常運行的時間，把MTTR看作為故障時間，則極限有效度就是設(shè)備或系統(tǒng)可能工作的時間系數(shù)，亦稱為利用率或使用率。對串聯(lián)系統(tǒng)： A=A1 A 2 A 3An對并聯(lián)系統(tǒng)： A =1(1A 1)(1A 2)(1A 3)(1A n)式中，A1，A2，An 為各子系統(tǒng)的利用率，在實際計算中，串、并聯(lián)系統(tǒng)的劃分應(yīng)根據(jù)集散控制系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)而定。6.2 提高系統(tǒng)利用率的措施6.2.1 提高元器件和設(shè)備的可靠性6.2.2 提高系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力6.2.3 容錯技術(shù)的應(yīng)用第6章 DCS 的性能指標(biāo)6.2.1 提高元器件和設(shè)備的可靠性 硬件質(zhì)量的好壞是系統(tǒng)可靠與否的基礎(chǔ)，必須加強對硬件的質(zhì)量管理。(1) 建立嚴(yán)格

10、的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)選元器件，建立元器件的性能老化模型，有效地篩選元器件，消除元器件早期失效對系統(tǒng)可靠性的影響。(2) 研究元器件失效的機制，并制定有效措施，規(guī)定合理的使用條件。(3) 提高組件的制造工藝水平，強化檢驗措施，把由組件制造工藝引起的故障降到1095109。 集散控制系統(tǒng)組件一般要經(jīng)過目測檢查、高溫老化、冷熱縮脹循環(huán)試驗。元器件在0125間反復(fù)循環(huán)10次，每次持續(xù)15min，間隔30s；對塑料封裝的元器件要在25100間做交替試驗，最后進(jìn)行交流參數(shù)測試。第6章 DCS 的性能指標(biāo)6.2.2 提高系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力，也是提高集散控制系統(tǒng)可靠性的一個重要方面。集散控

11、制系統(tǒng)中的控制單元或接口單元，有時甚至是操作站也要置于現(xiàn)場，因此必須要采取嚴(yán)格的抗干擾措施，防止電磁耦合、空間傳輸或?qū)Ь€傳輸引入干擾信號。電磁干擾的形式主要有電源噪聲、輸入線引入的噪聲和靜電噪聲。對電源引進(jìn)的干擾通常采用電源低通濾波器，通過電感、電容組成的吸收裝置抑制電源噪聲。在電源進(jìn)線端加裝浪涌吸收器，可有效防止感應(yīng)雷電對設(shè)備的破壞。第6章 DCS 的性能指標(biāo)供電系統(tǒng)進(jìn)線應(yīng)注意盡量用粗線。穩(wěn)壓電源要加靜電屏蔽，且與繼電器、燈泡、開關(guān)等分開。與計算機接口的線要用雙絞線，扭絞的絞距要小。地線是侵入噪聲的主要渠道，通常應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)采用匯流排或粗導(dǎo)線接地。當(dāng)組件之間有電位差時，采用光耦合器件或變壓器進(jìn)行

12、信號的隔離傳輸，可收到很好的效果。為確保系統(tǒng)安全，各類裝置均有接地系統(tǒng)，例如：防雷接地、信號接地、電源公共端接地、同軸電纜接地、機殼接地、防爆柵安全接地、上位計算機單獨接地等。為了適應(yīng)不同工業(yè)環(huán)境的需要，集散控制系統(tǒng)設(shè)計了不同形式的機柜，有透氣、敞架式，也有密封強制循環(huán)式的機柜，使組件與現(xiàn)場的惡劣環(huán)境完全隔離。第6章 DCS 的性能指標(biāo)6.2.3 容錯技術(shù)的應(yīng)用容錯技術(shù)是指當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤或故障時，仍能正確執(zhí)行全部程序。容錯技術(shù)可分成局部容錯技術(shù)和完全容錯技術(shù)。前者是從系統(tǒng)中去除有“病”的功能部件，重新組成一個新系統(tǒng)，讓原系統(tǒng)降級使用；而后者則是切換前后功能完全相同。當(dāng)然這兩者都是自動進(jìn)行的，無

13、需人工干預(yù)。要達(dá)到容錯目標(biāo)的根本辦法是采用冗余技術(shù)，就是采用多余的資源來換取系統(tǒng)的可靠性。一般包括硬件冗余技術(shù)、軟件冗余技術(shù)、信息冗余技術(shù)和時間冗余技術(shù)。第6章 DCS 的性能指標(biāo)1. 硬件冗余技術(shù)硬件冗余技術(shù)就是增加多余的硬件設(shè)備，以保證系統(tǒng)可靠地工作。按冗余結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)中所處的位置，可分為元件級、裝置級和系統(tǒng)級冗余。按冗余結(jié)構(gòu)的形式可分為工作冗余(熱備用)、后備冗余(冷備用)和表決系統(tǒng)三種。(1) 工作冗余。(2) 后備冗余。(3) 表決系統(tǒng)第6章 DCS 的性能指標(biāo)2. 冗余系統(tǒng)的選擇系統(tǒng)硬件可靠性設(shè)計一般采用以下方法：(1) 根據(jù)系統(tǒng)元器件的失效率，計算系統(tǒng)的可靠度，同時考慮經(jīng)濟性、可維

14、護(hù)性、操作性等，以確定最佳方案。(2) 在元器件可靠度不符合要求時，實行降額使用，即讓元器件工作在規(guī)定的環(huán)境條件及負(fù)載條件1/2 或以下的數(shù)值，以降低使用要求來換取可靠性的提高。(3) 當(dāng)單個元器件達(dá)不到要求的可靠度時，應(yīng)考慮采用冗余結(jié)構(gòu)。第6章 DCS 的性能指標(biāo)信息冗余技術(shù)是利用增加的多余信息位提供檢錯甚至糾錯的能力。增加多余的信息位后，能實現(xiàn)檢錯還是糾錯，主要取決于出錯后的數(shù)據(jù)相對于原數(shù)據(jù)怎樣分布，如果原數(shù)據(jù)的出錯碼相互之間并不重復(fù)，則能根據(jù)出錯數(shù)據(jù)判定原數(shù)據(jù)是什么，因此能糾錯，這樣的代碼稱作“糾錯碼”。另一種情況是原數(shù)據(jù)的出錯碼之間互相重復(fù)，根據(jù)接收的錯誤碼不能判斷其發(fā)送的原碼，這樣的

15、代碼只能稱作檢錯碼。第6章 DCS 的性能指標(biāo)4. 檢錯碼實例在差錯控制系統(tǒng)中所采用的檢錯碼種類很多，常用的有奇偶檢驗碼和循環(huán)碼。(1) 奇偶校驗碼。奇偶校驗碼是最簡單的檢錯碼，它是使代碼(包括n 位信息位和1 位校驗位)中含“1”的個數(shù)保持奇數(shù)或偶數(shù)，前者稱為奇數(shù)校驗，后者稱為偶數(shù)校驗。例如：對于信息001100 采用奇數(shù)校驗時代碼是0011001，末位校驗位是“1”，采用偶數(shù)校驗時，代碼是0011000，末位校驗位是“0”。這種簡單的奇偶校驗，可以發(fā)現(xiàn)1 位錯，但是當(dāng)代碼傳輸中同時出現(xiàn)偶數(shù)個代碼錯誤時，它是無法發(fā)現(xiàn)的第6章 DCS 的性能指標(biāo)(2) 循環(huán)碼。循環(huán)碼的編碼方式有以下兩種： 第

16、一種把n 位信息的代碼多項式F(x)乘以xm。(m 為冗余位的數(shù)目)除以某個m 次生成多項式G (x)(模2 除法)，得到的余數(shù)R(x)另加在F(x)上，作冗余位一起發(fā)送。接收方收到循環(huán)碼后，用已知的G(x)去除，若不能整除，即表示出錯。 例如：數(shù)據(jù)110101，寫成代碼多項式F(x)=x5+x4+x2+1,并設(shè)G(x)=x2+1，即(102)2，則按 F(x)x2/G(x =(x 7+x6+x4+x2)/(x2+1)=(x5+x4+x3+x+1) (x+1)， 即余數(shù)為11。因此所得循環(huán)碼是11010111，接收方將它除以101，如能整除即判為正確信息。TDC-3000 BASIC中的31位

17、HW字，其中最后5位BCH 碼就是循環(huán)檢錯碼。第6章 DCS 的性能指標(biāo) 第二種是發(fā)送F(x)與G(x)的乘積。這樣接收方只需判斷所得代碼是否能被G(x)整除，若不能就是出錯。而且所得的商就是信息位。對上例，發(fā)送的代碼多項式為 (x5+x4+x2+x+1)(x2+1)=x7+x6+x5+1， 即所得的循環(huán)碼是11100001。 循環(huán)碼的檢錯能力與選擇的生成多項式G(x)有關(guān)，所進(jìn)行的除法是模2除法。第6章 DCS 的性能指標(biāo)5. 時間冗余技術(shù)通過消耗時間資源達(dá)到容錯的目的。這種錯誤都帶有瞬時性和偶然性，過一段時性可能不再出現(xiàn)。(1) 指令復(fù)執(zhí)方法。(2) 程序卷回方法。(3) 冗余傳送方式又分

18、為以下3 種方式。 返送方式 連發(fā)方式 返送校驗信息方式第6章 DCS 的性能指標(biāo)6. 全系統(tǒng)的多級操作控制 集散控制系統(tǒng)除了橫向的分散控制、分散顯示、分散數(shù)據(jù)庫外，還具有縱向的分級控制特性，使得上位機、操作站、控制器甚至手操單元，都可直接控制現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)了縱向冗余。只要最低一級的控制功能不消失，系統(tǒng)仍能工作，所以多級控制系統(tǒng)的可靠性是十分高的，據(jù)資料介紹，多級控制系統(tǒng)的有效度可達(dá)99.999 903%，而子系統(tǒng)的最高有效度僅99.99 643%。 第6章 DCS 的性能指標(biāo)7. 自診斷技術(shù) 要縮短系統(tǒng)的平均故障修復(fù)時間，延長平均故障間隔時間，一個有效的措施就是采用自診斷技術(shù)，包括離線診

19、斷和在線診斷。離線診斷一般在系統(tǒng)投運之前全面地測試DCS的性能，為開車做好準(zhǔn)備，這時有專門的診斷軟件提供用戶調(diào)試。投運以后就進(jìn)入在線診斷，一般分設(shè)備級和卡級自診斷。例如：控制器每個工作周期對自身檢查一遍，如發(fā)現(xiàn)差錯，立即在CRT 上告知用戶，以便及時進(jìn)行處理。常用的自檢方法有方格圖形法、指令代碼求和法、程序時間監(jiān)視法等。第6章 DCS 的性能指標(biāo)(1) RAM 的自檢。(2) ROM的自檢。(3) 傳送信息的自檢6.3 DCS 的安全性6.3.1 系統(tǒng)的安全性概述6.3.2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計技術(shù)6.3.3 電磁兼容性和抗干擾6.3.4 提高電磁兼容性和抗干擾能力的“六大法寶”6.3.5 功能安全

20、性設(shè)計第6章 DCS 的性能指標(biāo)6.3.1 系統(tǒng)的安全性概述1. 安全性分類系統(tǒng)的安全性包含三方面的內(nèi)容：功能安全、人身安全和信息安全。功能安全和人身安全對應(yīng)英文safe一詞，信息、安全對應(yīng)security 一詞。(1) 功能安全(functional safety)是指系統(tǒng)正確地響應(yīng)輸入從而正確地輸出?？刂频哪芰?按IEC 61508的定義)。在傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，特別是在所謂的安全系統(tǒng)(safety sys-tems)或安全相關(guān)系統(tǒng)(Safety Related Systems)中，所指的安全性通常都是指功能安全。第6章 DCS 的性能指標(biāo)(2) 人身安全(personal safety

21、)是指系統(tǒng)在人對其進(jìn)行正常使用和操作的過程中，不會直接導(dǎo)致人身傷害。比如，系統(tǒng)電源輸入接地不良可能導(dǎo)致電擊傷人，就屬于設(shè)備人身安全設(shè)計必須考慮的問題。通常，每個國家對設(shè)備可能直接導(dǎo)致人身傷害的場合，都頒布了強制性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，產(chǎn)品在生產(chǎn)銷售之前應(yīng)該滿足這些強制性規(guī)范的要求，并由第三方機構(gòu)實施認(rèn)證，這就是通常所說的安全規(guī)范認(rèn)證，簡稱安規(guī)認(rèn)證。第6章 DCS 的性能指標(biāo)(3) 信息安全(information security)是指數(shù)據(jù)信息的完整性、可用性和保密性。信息安全問題一般會導(dǎo)致重大經(jīng)濟損失，或?qū)业墓舶踩斐赏{。病毒、黑客攻擊及其他的各種非授權(quán)侵入系統(tǒng)的行為都屬于信息安全研究的重點問

22、題。第6章 DCS 的性能指標(biāo)2. 安全性與可靠性的關(guān)系安全性強調(diào)的是系統(tǒng)在承諾的正常工作條件或指明的故障情況下，不對財產(chǎn)和生命帶來危害的性能。可靠性則側(cè)重于考慮系統(tǒng)連續(xù)正常工作的能力。安全性注重于考慮系統(tǒng)故障的防范和處理措施，并不會為了連續(xù)工作而冒風(fēng)險?？煽啃愿卟⒉灰馕吨踩钥隙ǜ摺０踩钥偸且揽恳恍┯篮愕奈锢硗饬ψ鳛樽詈笠坏榔琳?，比如，重力不會因停電而消失，往往用于緊急情況下關(guān)閉設(shè)備。第6章 DCS 的性能指標(biāo)3. 功能安全幾乎所有的工業(yè)系統(tǒng)都存在安全隱患，也就是說它們在某些時刻不能正確響應(yīng)系統(tǒng)的輸入，導(dǎo)致人身傷害、設(shè)備損壞或環(huán)境污染按照IEC 61508 的定義，功能安全是系統(tǒng)總體安

23、全中的一部分，而不是全部。功能齊全強調(diào)的是以下內(nèi)容：(1) 危險前有信息輸入。(2) 系統(tǒng)能正確響應(yīng)輸入，發(fā)出控制指令，避免危險的發(fā)生。第6章 DCS 的性能指標(biāo)4. 人身安全及安規(guī)認(rèn)證一般而言，產(chǎn)品安全性的檢驗、認(rèn)證和使用合法標(biāo)識的分類情況，如圖6.3所示。第6章 DCS 的性能指標(biāo)圖6.3 產(chǎn)品認(rèn)證分類5. 信息安全1) 信息安全概述 通俗地講，信息安全是要保證信息的完整性、可用性和保密性。目前的信息安全可以分為3 個層面：網(wǎng)絡(luò)的安全、系統(tǒng)的安全及信息數(shù)據(jù)的安全。(1) 網(wǎng)絡(luò)層安全問題的核心在于網(wǎng)絡(luò)是否得到控制，也就是說，是不是任何一個IP 地址來源的用戶都能夠進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。(2) 系統(tǒng)層面的

24、安全問題，主要是病毒對于網(wǎng)絡(luò)的威脅。(3) 信息數(shù)據(jù)是安全問題的關(guān)鍵，其要求保證信息傳輸?shù)耐暾?、保密性等。?章 DCS 的性能指標(biāo)3) 信息安全技術(shù)信息安全主要采用以下幾種技術(shù)。(1) 防火墻。(2) 虛擬專有網(wǎng)。(3) 安全服務(wù)器。(4) 電子簽證機構(gòu)。(5) 用戶認(rèn)證產(chǎn)品。(6) 安全管理中心。(7) 安全操作系統(tǒng)。第6章 DCS 的性能指標(biāo)6.3.2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計技術(shù)環(huán)境變量是影響系統(tǒng)可靠性和安全性的重要因素，所以研究可靠性，就必須研究系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。通常納入考慮的環(huán)境變量有：溫度、濕度、氣壓、振動、沖擊、防塵、防水、防腐、防爆、抗共模干擾、抗差模干擾、電磁兼容性(EMC)及防雷

25、擊等。下面簡單說明一下各種環(huán)境變量對系統(tǒng)可靠性和安全性構(gòu)成的威脅。第6章 DCS 的性能指標(biāo)1. 溫度環(huán)境溫度過高或過低，都會對系統(tǒng)的可靠性帶來威脅。低溫一般指低于0的溫度。我國境內(nèi)的最低溫度為黑龍江漠河，52.3。低溫的危害有電子元器件參數(shù)變化、低溫冷脆及低溫凝固(如液晶的低溫不可恢復(fù)性凝固)等。低溫的嚴(yán)酷等級可分為：5、15、25、40、55、65、80等。高溫一般指高于40以上的溫度。我國境內(nèi)的最高溫度為吐魯番，47.6。高溫的危害有電子元器件性能破壞、高溫變形及高溫老化等。高溫嚴(yán)酷等級可分為：40、55、60、 70、85、100、125、150、200等。第6章 DCS 的性能指標(biāo)溫

26、度變化還會帶來精度的溫度漂移。設(shè)備的溫度指標(biāo)有兩個，工作環(huán)境溫度和存儲環(huán)境溫度。(1) 工作環(huán)境溫度：設(shè)備能正常工作時，其外殼以外的空氣溫度，如果設(shè)備裝于機柜內(nèi)，指機柜內(nèi)空氣溫度。(2) 存儲環(huán)境溫度：指設(shè)備無損害保存的環(huán)境溫度。第6章 DCS 的性能指標(biāo)2. 濕度工作環(huán)境濕度工作環(huán)境濕度：設(shè)備能正常工作時，其外殼以外的空氣濕度，如果設(shè)備裝于機柜內(nèi)，指機柜內(nèi)空氣濕度。存儲環(huán)境濕度存儲環(huán)境濕度：指設(shè)備無損害保存的環(huán)境濕度?；旌媳然旌媳龋菏撬|(zhì)量與同一容積中于空氣質(zhì)量的比值。相對濕度相對濕度：相對濕度是空氣中實際混合比(r)與同溫度下空氣的飽和混合比(rs)之百分比。相對濕度的大小可以直接表示空

27、氣距離飽和的程度。第6章 DCS 的性能指標(biāo)濕度對設(shè)備的影響如下：(1) 相對濕度超過65%，就會在物體表面形成一層水膜，使絕緣劣化；(2) 金屬在高濕度下腐蝕加快。相對濕度的嚴(yán)酷等級可分為：5%、10%、15%、50%、75%、85%、95%、100%等。第6章 DCS 的性能指標(biāo)3. 氣壓空氣絕緣強度隨氣壓降低而降低(海拔每升高100m 氣壓降低1%)。散熱能力隨氣壓降低而降低(海拔每升高100m，元器件的溫度上升0.21)氣壓的嚴(yán)酷等級常用海拔表示，比如海拔3 000m。一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=氣溫在0及標(biāo)準(zhǔn)重力加速度(g=9.806 65)下760mmHg 所具有的壓強， 一個大氣壓=1.35

28、9511049.806 650.76=101 325(Pa)。海拔每升高100m，氣壓就下降5mmHg(0.67kPa)。第6章 DCS 的性能指標(biāo)4. 振動和沖擊振動振動(Vibration)是指設(shè)備受連續(xù)交變的外力作用。振動可導(dǎo)致設(shè)備緊固件松動或疲勞斷裂。設(shè)備安裝在轉(zhuǎn)動機械附近，即是典型的振動DCS 系統(tǒng)的振動要求標(biāo)準(zhǔn)主要是IEC 6065343：1983工業(yè)過程測量和控制裝置的工作條件 第3部分：機械影響(等效國標(biāo)為GB/T 17214.32000)。控制設(shè)備的振動分為低頻振動(8Hz9Hz)和高頻振動(48Hz62Hz)兩種。沖擊沖擊(Shock)是短時間的或一次性的施加外力。跌落就是

29、典型的沖擊。DCS 系統(tǒng)的沖擊要求標(biāo)準(zhǔn)也主要是由IEC 60654-3 規(guī)定。沖擊的嚴(yán)酷等級以自由跌落的高度來表示，一般分25mm、50mm、100mm、250mm、500mm、1000mm、2500mm、5000mm 和10000mm。第6章 DCS 的性能指標(biāo)5. 防塵和防水防塵和防水常用標(biāo)準(zhǔn)IEC 60529(等同采用國家標(biāo)準(zhǔn)為GB 42081993)外殼防護(hù)等級。其他標(biāo)準(zhǔn)有NEMA 250，UL 50 和508，CSAC 22.2No.94-M91。上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了設(shè)備外殼的防護(hù)等級，包含兩方面的內(nèi)容：防固體異物進(jìn)入和防水。第6章 DCS 的性能指標(biāo)6. 防腐蝕IEC 60654-4：1

30、987 將腐蝕環(huán)境分為幾個等級。主要根據(jù)硫化氫、二氧化硫、氯氣、氟化氫、氨氣、氧化氮、臭氧和三氯乙烯等腐蝕性氣體；鹽霧和油霧；固體腐蝕顆粒三大類腐蝕條件和其濃度進(jìn)行分級。第6章 DCS 的性能指標(biāo)7. 防爆在石油化工和采礦等行業(yè)中，防爆是設(shè)計控制系統(tǒng)時關(guān)鍵安全功能要求。每個國家和地區(qū)都授權(quán)權(quán)威的第三方機構(gòu)，制定防爆標(biāo)準(zhǔn)，并對申請在易燃易爆場所使用的儀表進(jìn)行測試和認(rèn)證。第6章 DCS 的性能指標(biāo)6.3.3 電磁兼容性和抗干擾1. 電子系統(tǒng)的電磁兼容性和抗干擾概述DCS 作為復(fù)雜的電子系統(tǒng)，其電磁兼容性(EMC)和抗干擾能力在很大程度上決定了系統(tǒng)的可靠性，所以，從本節(jié)開始到本書結(jié)束，都是圍繞這一主

31、題展開討論的。下面先介紹電磁兼容性和抗干擾的一些基本概念。第6章 DCS 的性能指標(biāo)(1) 電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)：設(shè)備在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不具備對該環(huán)境中其他設(shè)備構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。(2) 騷擾(Disturbance)：專指本產(chǎn)品對別的產(chǎn)品造成的電磁影響。(3) 干擾(Interference)：或稱為抗干擾，專指本產(chǎn)品抵抗別的產(chǎn)品的電磁影響。(4) 形成電磁干擾的三要素是：騷擾源、傳播途徑和接收器。(5) 騷擾源：危害性電磁信號(即干擾信號，或稱為噪聲)的發(fā)射(emission)者。(6) 傳播途徑：指電磁信號

32、的傳播途徑。主要有輻射和傳導(dǎo)兩種方式。(7) 輻射(RadiatedEmission)：通過空間發(fā)射。(8) 傳導(dǎo)(ConductedEmission)：沿著導(dǎo)體發(fā)射。注意：不要將發(fā)射和輻射混淆，輻射和傳導(dǎo)都統(tǒng)屬于發(fā)射。(9) 接收器：收到電磁信號的電路。第6章 DCS 的性能指標(biāo)1) 噪聲的種類和產(chǎn)生原因噪聲分為自然噪聲和人為噪聲兩大類。 (1) 自然噪聲：宇宙射線和太陽輻射(頻率大于10MHz)；雷電(頻率小于10MHz)。 (2) 人為噪聲：故意行為，如雷達(dá)、電子戰(zhàn)發(fā)射裝置；無意行為，如電焊機、電源、繼電器及靜電等。第6章 DCS 的性能指標(biāo) 在DCS 系統(tǒng)中，噪聲通過輻射或傳導(dǎo)疊加到電

33、源、信號線和通信線上，輕則造成測量的誤差，嚴(yán)重的噪聲(如雷擊、大的串模干擾)可造成設(shè)備損壞。 DCS中常見的干擾(噪聲)有以下幾種。(1) 電阻耦合引入的干擾(傳導(dǎo)引入)： 當(dāng)幾種信號線在一起傳輸時，由于絕緣材料老化、漏電而影響到其他信號中引入干擾。 在一些用電能作為執(zhí)行手段的控制系統(tǒng)中(如電熱爐、電解槽等)信號傳感器漏電，接觸到帶電體，也會引入很大的干擾。 在一些老式儀表和執(zhí)行機構(gòu)中，現(xiàn)場端采用220V供電，有時設(shè)備燒壞，造成電源與信號線間短路，也會造成較大的干擾。 由于接地不合理，例如，在信號線的兩端接地，會因為地電位差而加入一較大的干擾。第6章 DCS 的性能指標(biāo) (2) 電容電感耦合引

34、入的干擾。 因為在被控現(xiàn)場往往有很多信號同時接入計算機，而且這些信號線或者走電纜槽，或者走電纜管,但肯定是很多根信號線在一起走線。這些信號之間均有分布電容存在，會通過這些分布電容將干擾加到別的信號線上，同時，在交變信號線的周圍會產(chǎn)生交變的磁通，而這些交變磁通會在并行的導(dǎo)體之間產(chǎn)生電動勢，這也會造成線路上的干擾。第6章 DCS 的性能指標(biāo)(3) 計算機供電線路上引入的干擾。在一些工業(yè)現(xiàn)場(特別是電廠冶金企業(yè)、大的機械加工廠)大型電氣設(shè)備起動頻繁，大的開關(guān)裝置動作也較頻繁，這些電動機的起動、開關(guān)的閉合產(chǎn)生的火花會在其周圍產(chǎn)生很大的交變磁場。這些交變磁場既可以通過在信號線上耦合產(chǎn)生干擾，也可能通過電

35、源線上產(chǎn)生高頻干擾，這些干擾如果超過容許范圍，也會影響計算機系統(tǒng)的工作。(4) 雷擊引入的干擾。雷擊可能在系統(tǒng)周圍產(chǎn)生很大的電磁干擾，也可能通過各種接地線引入干擾。第6章 DCS 的性能指標(biāo)2) 噪聲的傳播和接收噪聲可以通過以下三種機構(gòu)傳播和接收。(1) 通過天線或等效于天線的結(jié)構(gòu)接收。(2) 通過機箱接收。(3) 通過導(dǎo)線接收第6章 DCS 的性能指標(biāo)2. 電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)概述第6章 DCS 的性能指標(biāo)圖6.6 電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)體系層次圖6.3.4 提高電磁兼容性和抗干擾能力的“六大法寶”1. 接地 眾所周知，地球是一個巨大的導(dǎo)體，可以存儲海量的電荷。接地就是基于這樣一個基本的物理基礎(chǔ)所采取的技術(shù)

36、手段。接地按其作用可分為保護(hù)性接地和功能性接地兩大類。1) 保護(hù)性接地(1) 防電擊接地：為了防止電氣設(shè)備絕緣損壞或產(chǎn)生漏電流時，使平時不帶電的外露導(dǎo)電部分帶電而導(dǎo)致電擊，將設(shè)備的外露導(dǎo)電部分接地，稱為防電擊接地。這種接地還可以限制線路涌流或低壓線路及設(shè)備由于高壓竄入而引起的高電壓；當(dāng)產(chǎn)生電器故障時，有利于過電流保護(hù)裝置動作而切斷電源。這種接地，也是通常的狹義的“保護(hù)接地”，它又分為保護(hù)導(dǎo)體接地(PE，也稱為保護(hù)接地)和保護(hù)中性導(dǎo)體接地(PEN，也稱為保護(hù)接零)兩種方式。第6章 DCS 的性能指標(biāo)(2) 防雷接地：將雷電導(dǎo)入大地，防止雷電流使人身受到電擊或財產(chǎn)受到破壞。(3) 防靜電接地：將靜

37、電荷引入大地，防止由于靜電積聚對人體和設(shè)備造成危害。特別是目前電子設(shè)備中集成電路用得很多，而集成電路容易受到靜電作用產(chǎn)生故障，接地后可防止集成電路的損壞。(4) 防電蝕接地：地下埋設(shè)金屬體作為犧牲陽極或陰極，以防止電纜、金屬管道等受到電蝕第6章 DCS 的性能指標(biāo)2) 功能性接地(1) 邏輯接地：為了確保穩(wěn)定的參考電位，將電子設(shè)備中的某個參考電平點(通常是電源的零電位點)接地，也稱為電源地或直流地。(2) 屏蔽接地：將電氣干擾源引入大地，抑制外來電磁干擾對電子設(shè)備的影響，也可減少電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾影響其他電子設(shè)備。(3) 信號回路接地：如各變送器的負(fù)端接地，開關(guān)量信號的負(fù)端接地等。(4) 本安

38、接地：為保證系統(tǒng)向防爆區(qū)傳送的能量在規(guī)定的范圍之內(nèi)，將安全柵等設(shè)備安全地連接到供電電源的零電位點。第6章 DCS 的性能指標(biāo)2. 隔離 電路隔離的主要目的是通過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達(dá)到抑制噪聲干擾的效果。在采用了電路隔離的措施以后，絕大多數(shù)電路都能夠取得良好的抑制噪聲的效果,使設(shè)備符合電磁兼容性的要求。電路隔離主要有：模擬電路間的隔離、數(shù)字電路間的隔離、數(shù)字電路與模擬電路之間的隔離。所使用的隔離方法有：變壓器隔離法、脈沖變壓器隔離法、繼電器隔離法、光耦合器隔離法、直流電壓隔離法、線性隔離放大器隔離法及光纖隔離法等。第6章 DCS 的性能指標(biāo)數(shù)字電路的隔離主要有：脈沖變壓器隔離、

39、繼電器隔離、光耦合器隔離及光纖隔離等。模擬電路的隔離主要有：互感器隔離、線性隔離放大器隔離。模擬電路與數(shù)字電路之間的隔離可以采用A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后再采用光耦合器隔離；對于要求較高的電路，應(yīng)提前在A/D轉(zhuǎn)換裝置的前端采用模擬隔離元器件隔離。電路隔離都需要提供隔離電源，即被隔離的兩部分電路使用無直接電氣聯(lián)系(如共地)的兩個電源分別供電。電源隔離方法主要有變壓器(交流電源)和隔離型DC/DC 變換器。第6章 DCS 的性能指標(biāo)3. 屏蔽屏蔽就是用金屬導(dǎo)體，把被屏蔽的元器件、組合件、電話線及信號線包圍起來。這種方法對電容性耦合噪聲抑制效果很好。最常見的就是用屏蔽雙絞線連接模擬信號。在很多場合下，信號除了受電噪聲干擾以外，主要還受到強交變磁場的影響，如電站、冶煉廠及重型機械廠等。那么，除了要考慮電氣屏蔽以外，還要考慮磁屏蔽，即考慮用鐵、鎳等導(dǎo)磁性能好的導(dǎo)體進(jìn)行屏蔽。要想使屏蔽起到作用，屏蔽層必須接地。屏蔽