安全監(jiān)測監(jiān)控原理與儀表07.

1、湖南科技大學能源學院湖南科技大學能源學院第第7 7章章 安全監(jiān)控系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng) 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 在本章中，首先介紹安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成和發(fā)展，進而闡述了安全監(jiān)控系統(tǒng)的布置和安全監(jiān)控系統(tǒng)可靠性及其影響。 7.1 7.1 監(jiān)控系統(tǒng)概述監(jiān)控系統(tǒng)概述 7.2 7.2 監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展 7.3 7.3 安全監(jiān)控系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng) 7.4 7.4 安全監(jiān)控系統(tǒng)可靠性及其影響安全監(jiān)控系統(tǒng)可靠性及其影響 安全監(jiān)控系統(tǒng)(Safety Instrument System SIS)是指應(yīng)用先進的技術(shù)手段和設(shè)備，對所需要進行安全防范的場所和部門進行有效控制、管理，所建立的一系列技術(shù)防范措施。根據(jù)使用場所和

2、要求不同，可分為防盜、防入侵系統(tǒng)；電視監(jiān)控系統(tǒng)；防爆系統(tǒng)；計算機安全系統(tǒng)；監(jiān)聽系統(tǒng)；出入控制系統(tǒng)；防火防爆系統(tǒng)；安全檢查系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等。7.1.1 監(jiān)控系統(tǒng)定義監(jiān)控系統(tǒng)定義 監(jiān)控系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，又稱SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)。7.1.2 監(jiān)控系統(tǒng)組成及功能監(jiān)控系統(tǒng)組成及功能7.17.1監(jiān)控系統(tǒng)概述監(jiān)控系統(tǒng)概述 監(jiān)控系統(tǒng)是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度管理自動化系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。 安全監(jiān)控系統(tǒng)由早期的單微機監(jiān)控已

3、發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控以及不同監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。其監(jiān)測參數(shù)有環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、電量參數(shù)監(jiān)測以及機電設(shè)備保護信號監(jiān)測3大類約二、三十種。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由監(jiān)測終端、監(jiān)控中心站、通信接口裝置、監(jiān)測分站、傳感器、電纜以及計算機控制軟件等組成。其監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7-1所示。圖圖7-1安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.系統(tǒng)中心站:系統(tǒng)中心站主要由中心站軟件控制監(jiān)控系統(tǒng)進行生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測。(1)環(huán)境監(jiān)測。主要監(jiān)測各種有毒有害氣體及工作地點安全衛(wèi)生條件，如高濃度甲烷氣體、低濃度甲烷氣體、一氧化碳、氧氣濃度、風速、負壓、溫度、壓力、煙霧等。(2)生產(chǎn)監(jiān)控。主要監(jiān)控各主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)參數(shù)和重要設(shè)備的運行狀態(tài)

4、參數(shù)，如水倉水位、供電電壓、供電電流、功率等模擬量；水泵、提升機、通風機、膠帶機、開關(guān)、磁力起動器運行狀態(tài)和參數(shù)等。(3)中心站軟件。軟件開發(fā)大都采用了模塊設(shè)計。軟件的功能主要表現(xiàn)在具有測點定義功能、具有顯示測量參數(shù)、數(shù)據(jù)報表、曲線顯示、圖形生成、數(shù)據(jù)存儲、故障統(tǒng)計和報表、報告打印等功能方面。其中，部分系統(tǒng)可實現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)連接功能，并采用國際通用的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以實現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)終端與中心站之間實時通信和實時數(shù)據(jù)查詢。2.局域網(wǎng)絡(luò) 局域網(wǎng)絡(luò)管理主要靠網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用軟件來支撐。如：WEBGIS數(shù)字化安全監(jiān)測監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，采用人性化設(shè)計，利用Web GIS技術(shù)使得大到省級安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局

5、、集團公司所轄各企業(yè)分布位置，小到各車間、班組作業(yè)面實際尺寸及設(shè)備實際使用位置，以任意無級縮小或無級放大圖形的形式達到圖形和數(shù)據(jù)的無縫集成和瀏覽；提供完備的安全監(jiān)測與安全信息管理和監(jiān)管功能；建立安全基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、對主要生產(chǎn)作業(yè)圖紙實現(xiàn)動態(tài)瀏覽；實現(xiàn)安全信息的共享和設(shè)備隱患排查；安全信息的網(wǎng)上公開(公司內(nèi)部)；安全隱患排查及信息發(fā)布(如對各企業(yè)下達整改通知)等。與WEBGIS安全監(jiān)控系統(tǒng)相配合，可實現(xiàn)對企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)安全性分析、診斷、評價、管理及戰(zhàn)略調(diào)整的科學決策。其安全信息網(wǎng)絡(luò)管理結(jié)構(gòu)如圖7-2所示。圖圖7-2 數(shù)字安全信息網(wǎng)絡(luò)管理結(jié)構(gòu)數(shù)字安全信息網(wǎng)絡(luò)管理結(jié)構(gòu)3.監(jiān)測分站: 盡管各類監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測

6、分站形式多樣，但基本上具備了如下功能：(1)開機自檢和本機初始化功能； (2)通信測試功能； (3)監(jiān)測分站程控功能(實現(xiàn)斷電儀功能、閉鎖功能、可燃氣體管道監(jiān)測功能和一般的環(huán)境監(jiān)測功能等)； (4)死機自復(fù)位功能且通知中心站； (5)接收中心站初始化本監(jiān)測分站參數(shù)設(shè)置功能(如傳感器配接通道號、量程、斷電點、報警上限和報警下限等)； (6)監(jiān)測分站自動識別配接傳感器類型(電壓型、電流型或頻率型等)； (7)監(jiān)測分站本身具備超限報警功能； (8)監(jiān)測分站接收中心站對本監(jiān)測分站指定通道輸出控制繼電器實施手控操作功能和異地斷電功能。 4.傳感器: 傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是安全監(jiān)控系統(tǒng)能否正確反映被測環(huán)

7、境和設(shè)備參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品。目前國內(nèi)生產(chǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器主要有可燃氣體、一氧化碳、風速、壓力、溫度、水位、電流、電壓和有功功率等模擬量傳感器，以及機電設(shè)備開停、機電設(shè)備饋電狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)等開關(guān)量傳感器。以上傳感器的開發(fā)和應(yīng)用基本滿足了安全生產(chǎn)監(jiān)控的需要，但國產(chǎn)傳感器在使用壽命、調(diào)校周期、穩(wěn)定性和可靠性方面與國外同類產(chǎn)品相比還有很大差距，某些傳感器(如可燃氣體傳感器)的穩(wěn)定性還不能滿足用戶的需要。7.2 7.2 監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展7.2.1 7.2.1 發(fā)展歷程發(fā)展歷程 安全監(jiān)控系統(tǒng)自誕生之日起就與計算機技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。安全監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展到今天已經(jīng)經(jīng)歷了三代。 第一代是基于專用計

8、算機和專用操作系統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)。如：在過程控制自動化領(lǐng)域中實現(xiàn)了分散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)，或集散控制系統(tǒng)TDCS(Total Distributed Control System)。各現(xiàn)場設(shè)備通過星網(wǎng)匯總到中繼站，再連到中控電腦。星網(wǎng)拓撲電纜很多，制造商銷售啟鑰(turn key)大系統(tǒng)。70年代，與DCS同時出現(xiàn)的PLC (Programmable Logic Controller)技術(shù)，出現(xiàn)在制造業(yè)自動化領(lǐng)域中，是帶微處理器的智能儀表和執(zhí)行端。與啟鑰大系統(tǒng)商品DCS相反，PLC是OEM銷售的現(xiàn)場基層系統(tǒng)，由系統(tǒng)集成商或用戶自己設(shè)計或開發(fā)系

9、統(tǒng)。PLC與DCS在速度上各有側(cè)重，網(wǎng)絡(luò)、圖形、編程功能均強。70年代80年代初主要采用第一代安全監(jiān)控系統(tǒng)。 第二代是80年代基于通用計算機的安全監(jiān)控系統(tǒng)。20世紀80年代后期，出現(xiàn)兼容數(shù)字與模擬通信的可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)公路。在第二代中，廣泛采用了VAX小型計算機以及其它通用工作站，操作系統(tǒng)一般是通用的UNIX操作系統(tǒng)。 第一代與第二代安全監(jiān)控系統(tǒng)的共同特點是采用集中式計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且系統(tǒng)不具有開放性，因而系統(tǒng)維護、升級以及與其它系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)很困難。 隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展，第三代安全監(jiān)控系統(tǒng)開始應(yīng)用PC機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，現(xiàn)場總線技術(shù)趨于成熟并走向?qū)嵱没?，同時系統(tǒng)逐步從集中式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向客戶/服

10、務(wù)器結(jié)構(gòu)，各種最新的計算機技術(shù)都匯集進到安全監(jiān)控系統(tǒng)中。 以信息化為標志的第四代安全監(jiān)控系統(tǒng)是目前監(jiān)控系統(tǒng)的研究熱點和發(fā)展方向。該系統(tǒng)的主要特征是采用因特網(wǎng)技術(shù)、自律分布系統(tǒng)技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、組件技術(shù)以及JAVA等技術(shù)，實現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)與其它信息系統(tǒng)的增值集成，實現(xiàn)控制和管理過程的智能化。7.2.2 7.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展新階段監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展新階段信息化時代的監(jiān)控系統(tǒng)信息化時代的監(jiān)控系統(tǒng)1 信息化的背景和特征 信息化是指利用計算機技術(shù)和信息技術(shù)來獲得、實用、管理各種信息。信息化是在計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大行其道，對人類社會的方方面面產(chǎn)生深刻影響的背景下產(chǎn)生的。信息化是科學技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，它具有

11、管理高效、調(diào)度科學的特點，能夠幫助我們對瞬息萬變的客觀環(huán)境做出實時的、有效的反應(yīng)，為科學決策提供可靠依據(jù)。 隨著“十五”計劃“信息化帶動工業(yè)化”思想的提出，信息化在國民經(jīng)濟中的地位更加突出。 由于監(jiān)控系統(tǒng)是工業(yè)自動化基礎(chǔ)和必備條件，監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)已應(yīng)用和滲透到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，如交通運輸、工業(yè)自動化、環(huán)境保護、防災(zāi)減災(zāi)、安全保衛(wèi)、市政基礎(chǔ)設(shè)施等各行各業(yè)。因此，安全監(jiān)控系統(tǒng)是這些領(lǐng)域有共性的高新技術(shù)，對實現(xiàn)這些領(lǐng)域的自動化和信息化起關(guān)鍵和決定性的作用。2 信息化監(jiān)控系統(tǒng)的新要求 現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)往往既是生產(chǎn)大戶也是經(jīng)濟大戶，在整個國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位，為了提高社會效益和經(jīng)濟效益，必須充分挖掘

12、它的潛力。對它提出多樣性的高性能監(jiān)控要求，以確保生產(chǎn)安全，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和能耗。而作為貫穿國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域的監(jiān)控技術(shù)，其研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)已發(fā)生了大的乃至質(zhì)的變化。這些變化可概括為如下幾個方面：大規(guī)?；?復(fù)雜化、廣域分布化、移動性、對象特征的多樣性、動態(tài)性/可擴展性、智能化、可靠性/容錯性。3 信息化監(jiān)控系統(tǒng)特點 目前，監(jiān)控技術(shù)在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用呈現(xiàn)出局部化、小規(guī)模、分散性等特點。 信息化時代的監(jiān)控系統(tǒng)是應(yīng)用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)和計算機技術(shù)對以往的監(jiān)控系統(tǒng)進行改造，使之更加適用于新時期對監(jiān)控系統(tǒng)的要求。我們認為信息化時代監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點有：實時化，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用實時性更好的構(gòu)建

13、結(jié)構(gòu)，提高整個系統(tǒng)的實時性；網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)系統(tǒng)的廣域網(wǎng)功能，解決廣域分布化與復(fù)雜化的要求；智能化，為用戶的科學決策提供依據(jù)。4 信息化監(jiān)控系統(tǒng)需要解決的技術(shù)問題(1)計算機技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用及存在的問題1)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 目前廣泛采用的是集中式結(jié)構(gòu)和客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。要研究適合于大規(guī)模監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，以滿足系統(tǒng)動態(tài)擴展的要求是一項重大課題。2)系統(tǒng)設(shè)計方法學 過去系統(tǒng)設(shè)計大多采用自頂向下的方法，包括結(jié)構(gòu)化設(shè)計和面向?qū)ο笤O(shè)計等方法。采用自底向上，由子系統(tǒng)逐步構(gòu)成整個系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計方法學勢在必行。3)系統(tǒng)容錯技術(shù)(可靠性) 目前的雙機或多機冗余備用技術(shù)從根本上講是一種防錯技術(shù)，即防止錯誤的發(fā)生

14、。在實際應(yīng)用中，存在著成本高，防不勝防等問題。針對監(jiān)控系統(tǒng)的特點，研究開發(fā)低成本的、實現(xiàn)真正意義上的容錯技術(shù)是必要的。4)軟件組件技術(shù) 軟件組件技術(shù)實質(zhì)上是軟件組件之間相互操作和通信的“軟件總線”標準。目前，有DCOM、CORBA、JAVA等規(guī)范。5)系統(tǒng)集成技術(shù) 采用TCP/IP等標準的通信協(xié)議，可以實現(xiàn)不同操作系統(tǒng)、不同硬件平臺計算機間的集成和互操作。但對于信息系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等屬性完全不同的系統(tǒng)(應(yīng)用級的異構(gòu)系統(tǒng))，如何在保護系統(tǒng)的自律性的前提下，實現(xiàn)增值集成是殛待解決的技術(shù)課題。(2)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用及存在的問題 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展是信息化時代實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)，從最早的點對點方

15、式，到客戶/服務(wù)器模式，及它的升級模式-各種分布式計算模型，在到現(xiàn)在廣為應(yīng)用的發(fā)布/定購模式，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)經(jīng)歷了一個不斷進步的過程。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)根據(jù)應(yīng)用范圍又可以分為局域網(wǎng)技術(shù)和廣域網(wǎng)技術(shù)兩種。 以以太網(wǎng)為代表的局域網(wǎng)技術(shù)，以CAN Bus、Device Net、Lon Works等為代表的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但不同網(wǎng)絡(luò)的適用范圍尚不明確，不同網(wǎng)絡(luò)的互連、互操作技術(shù)尚未確立。需要進一步進行深入研究。 以因特網(wǎng)為代表的廣域網(wǎng)技術(shù)開始在監(jiān)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用。但如何確保分布式監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的安全性(如數(shù)據(jù)的真實性，保密性，一致性等)、數(shù)據(jù)的實時性等技術(shù)問題需要認真研究解決。(

16、3)智能控制技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用及存在的問題 由于系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，要求監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)外部條件、狀態(tài)的變化，自動地優(yōu)化控制策略，提供解決方案。解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題將是今后控制工程的研究重點。應(yīng)用傳統(tǒng)的控制手段已經(jīng)遠遠不能達到控制要求，智能控制是發(fā)展的必然趨勢。 模糊邏輯由于其突出的語意表達能力，在控制領(lǐng)域的應(yīng)用將有其一定的優(yōu)勢。模糊邏輯控制及應(yīng)用模糊邏輯理論的自適應(yīng)模糊控制、自適應(yīng)分層遞階模糊控制、模糊/粗糙控制等必將成為解決復(fù)雜系統(tǒng)控制的一條可選途徑。 特別是自適應(yīng)模糊控制和自適應(yīng)分層遞階模糊控制，它不僅可減小系統(tǒng)模型的依賴，而且可以完成對專家知識的獲取、推理、表達，并具有自學習的能力。把遺

17、傳算法(GA)引入模糊邏輯中，不斷提高模糊邏輯自學習的能力，把粗糙集與模糊邏輯結(jié)合提高其知識獲取能力，在今后的研究中將會有很大的潛力。人工智能和模式識別是解決此類問題的有力武器。 另外，在大量的工程數(shù)據(jù)中，提煉出相關(guān)的知識信息，用于信號處理的小波分析技術(shù)和用于優(yōu)化控制的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)以及用于非線性系統(tǒng)分析的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會發(fā)揮重要作用。 總之，為適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)新的發(fā)展需要，與之相關(guān)的信號處理技術(shù)，計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能控制技術(shù)還有很多急待解決的技術(shù)問題，需要從理論上進行深入研究，從技術(shù)上進行進一步的開發(fā)。 企業(yè)的信息和被控設(shè)備在空間上是分散的，而在局部地區(qū)又是相對集中的。為適應(yīng)這一特點，監(jiān)

18、控系統(tǒng)必須選擇合理的結(jié)構(gòu)，以獲得最佳性能/價格比。國內(nèi)大多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)都是集散型結(jié)構(gòu)，樹形網(wǎng)絡(luò)，如圖7-3所示。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，計算機、集成電路一類的電子設(shè)備的價格越來越低，而電纜的價格則越來越高，因此，系統(tǒng)傳輸應(yīng)采用對電纜的多路復(fù)用方式，以減少對電纜的投資。我國的安全監(jiān)控系統(tǒng)均采用了對電纜的多路復(fù)用方式。早期研制的系統(tǒng)則采用了頻分制傳輸方式。時分制與頻分制相比，具有電纜用量少，電路設(shè)備簡單等優(yōu)點，因而被以后研制的系統(tǒng)所替代。7.3 安全監(jiān)控系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng) 集散型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)具有容量大、配置較靈活、造價低等優(yōu)點。但也有不足之處，即受分站容量限制，在信息量相對集中的地區(qū)僅設(shè)置一個分站可能不夠用

19、，而在只有一個測點之處也要設(shè)置一個分站，又會造成資源浪費；在長距離作業(yè)車間，布線長度往往超過傳感器到分站的最大允許距離，使傳感器安設(shè)不能到位。為解決這些問題，一些系統(tǒng)采取了相應(yīng)的措施，如在信息量相對集中的地區(qū)設(shè)立子系統(tǒng)，如圖7-4所示。子系統(tǒng)可以獨立工作，它的主站具有較強的數(shù)據(jù)處理能力，可以根據(jù)需要將其主要信息送往監(jiān)控中心站，也可接收中心站發(fā)來的指令。主站發(fā)生故障時不會影響全系統(tǒng)和其它子系統(tǒng)，反之亦然，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。森透里昂系統(tǒng)設(shè)計了智能傳感器，可以不用分站直接將信息通過傳輸電纜送往監(jiān)控中心站，如圖7-5所示。圖圖7-4 子系統(tǒng)子系統(tǒng)圖圖7-5 森透里昂系統(tǒng)森透里昂系統(tǒng)7.4 安全監(jiān)

20、控系統(tǒng)可靠性及其影響安全監(jiān)控系統(tǒng)可靠性及其影響 可燃氣體爆炸是化工、石油灌區(qū)及煤礦企業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)生最多，破壞最嚴重的災(zāi)害。對可燃氣體爆炸災(zāi)害事故的預(yù)防一直是企業(yè)安全管理部門的重要工作。從1979年以來，我國先后從國外引進和自行研制了可燃氣體監(jiān)測報警器和可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對可燃氣體、一氧化碳、風速、負壓，溫度的自動連續(xù)集中監(jiān)測和可燃氣體超限報警與斷電。這些系統(tǒng)的裝備與使用，大大地提高了企業(yè)的災(zāi)害預(yù)報預(yù)測能力，并多次避免了可燃氣體燃燒與爆炸事故。但可燃氣體燃燒與爆炸災(zāi)害事故仍時有發(fā)生，安全生產(chǎn)的形勢依然嚴峻，而發(fā)生事故的企業(yè)多數(shù)安裝了可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)。那么，可燃氣體監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性到底有多

21、大？為此，本節(jié)從可靠性理論入手，對這個問題加以分析。7.4.1 可靠性基本原理可靠性基本原理1.可靠性定義 可靠性是一個產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。它是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要指標。它包括產(chǎn)品的固有可靠性和使用可靠性兩個方面。固有可靠性是產(chǎn)品在生產(chǎn)廠及生產(chǎn)過程中就已經(jīng)確立了的一種可靠性。它和生產(chǎn)廠所選用的材料、零部件、設(shè)計方案、軟件結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)、制造工藝、裝配工藝等有密切關(guān)系。它是產(chǎn)品內(nèi)在的可靠性。當產(chǎn)品在生產(chǎn)廠一旦制造出來，其固有的可靠性便已確立。使用可靠性是產(chǎn)品在由生產(chǎn)廠轉(zhuǎn)給用戶過程中的，包裝、運輸、保管以及在實際使用過程中的環(huán)境、操作水平、維修技術(shù)等環(huán)節(jié)中的可靠

22、性。 在產(chǎn)品的研制、設(shè)計、制造、檢驗、使用和維修各個環(huán)節(jié)都有造成故障的可能性，也有發(fā)生故障的原因和給予改善的可能性。所以，各環(huán)節(jié)都與可靠性有著密切聯(lián)系。根據(jù)實測，各種因素對產(chǎn)品可靠性的影響程度如表7-1所示。表表7-1 各因素對產(chǎn)品可靠性的影響程度各因素對產(chǎn)品可靠性的影響程度2.可靠性指標 可靠性一般由可靠度和失效率來表示。 可靠度表示產(chǎn)品在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。一般情況下，產(chǎn)品的可靠度用 來表示，且0 1。 失效率，又稱故障率。它表示產(chǎn)品工作到某一時刻后，在單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率，用表示。即： (7-1) 系統(tǒng)是一個能夠完成規(guī)定功能的綜合體，它由零部件、子系統(tǒng)等

23、組成。這些組成系統(tǒng)的相對獨立的單元統(tǒng)稱為元件。系統(tǒng)的可靠性不僅取決于組成系統(tǒng)的元件的可靠性，而且還取決于組成元件的相互配合方式。 tR tdtttR0exp tR3.產(chǎn)品失效規(guī)律 失效率在時間上的分布曲線形態(tài)有如浴盆，它可分為3個區(qū)。(1)早期失效期。其特點是開始時失效率高，隨著時間加長而迅速下降。早期失效主要是由于設(shè)計、制造、裝配、檢查、保管等不當而引起一些產(chǎn)品隱藏著缺陷而產(chǎn)生的。為了提高產(chǎn)品可靠性，產(chǎn)品在正式使用前，應(yīng)進行試車或調(diào)試。發(fā)現(xiàn)隱患和糾正缺陷，將不合格產(chǎn)品在使用前淘汰掉。(2)偶然失效期。產(chǎn)品在有效壽命期中呈現(xiàn)隨機失效，失效率低且穩(wěn)定。偶然失效是由于質(zhì)量缺陷，維護不良、操作不當及

24、環(huán)境影響因素造成的。(3)耗損失效期。它出現(xiàn)在產(chǎn)品的有效壽命期之后，其特點是失效率隨著時間的增加而迅速上升。耗損失效主要是由于構(gòu)成設(shè)備的某些零部件老化、疲勞、過度磨損等因素所致。在整機設(shè)計時，要對壽命短的零部件制訂預(yù)防性檢修和更新措施，在它們達到耗損失效期前及時檢修或更換。4.系統(tǒng)可靠性 系統(tǒng)的可靠性與組成系統(tǒng)的零部件的可靠性以及零部件之向的相互功能關(guān)系有關(guān)。系統(tǒng)可靠性的計算依賴于所有元件的可靠性確定之后。(1)串聯(lián)系統(tǒng) 在構(gòu)成一個系統(tǒng)的元件中.只要有一個失效就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效，這種系統(tǒng)稱為串聯(lián)系統(tǒng)。設(shè)各單元的可靠度分別為 、 、 ，如果各單元的失效互相獨立，根據(jù)概率乘法定理，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠

25、度為： (7-2) 如果各單元的失效均屬于偶然失效類型，各單元失效率均為常數(shù)，則系統(tǒng)的失效率為： (7-3)1R2RnRniinSRRRRRR1321niinS1321系統(tǒng)的可靠度為： (7-4) 顯然，為提高串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度，其零部件數(shù)量應(yīng)盡量減少，并應(yīng)盡量提高系統(tǒng)中可靠度小的元件的可靠度。(2)并聯(lián)系統(tǒng) 構(gòu)成系統(tǒng)的元件，只有在全部發(fā)生失效后，整個系統(tǒng)才不能工作，這種系統(tǒng)稱為并聯(lián)系統(tǒng)。設(shè)備單元的可靠度分別為 、 、 ，則各單元的失效概率為 、 、 、 。如果各單元的失效互相獨立，則并聯(lián)系統(tǒng)的失效率可按下式計算： (7-5) 1R2RnR11R21RnR1niinSRRRRF1211111ni

26、ineeeeRS121并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為： (7-6) (3)冗余系統(tǒng) 這種系統(tǒng)也是并聯(lián)系統(tǒng)，但有的單元并不工作，當某一個工作單元失效后，原來未參與工作的單元開始工作，而將失效單元換下，修理或更換，故又稱為后備系統(tǒng)。由個元件組成的冗余系統(tǒng)，在給定的時間內(nèi)，只要失效元件數(shù)不多于個，系統(tǒng)均處于可靠狀態(tài)。設(shè)元件的失效率 則系統(tǒng)的可靠度按下列泊松分布的部分求和公式計算： (7-7)niiSSRFR1111 tttn21 !1! 3! 21132neRnS(4)表決系統(tǒng) 一個由 n個元件組成的并聯(lián)系統(tǒng)，只要其中任意m個不失效，則系統(tǒng)就不會失效.這就是n中取m表決系統(tǒng)。按概率乘法定理和加法定理可以求出表決

27、系統(tǒng)的可靠度。(5)混聯(lián)系統(tǒng) 混聯(lián)系統(tǒng)是由串聯(lián)和并聯(lián)混合組成的系統(tǒng)，在計算可靠度時，可以把一些串聯(lián)或并聯(lián)部分簡化為等效單元，分別求出其可靠度，再按前述方法計算。(6)布爾真值表法 有的系統(tǒng)不能簡化為數(shù)學模型然后加以計算，此時，可用布爾真值表法。例如，某系統(tǒng)有5個元件，每個元件都有“正?！焙汀肮收稀眱煞N狀態(tài)，則該系統(tǒng)有 種狀態(tài)。對這32種狀態(tài)進行分析，將各種狀態(tài)下系統(tǒng)正常的概率相加，即得該系統(tǒng)的可靠度。32257.4.2 影響安全監(jiān)控系統(tǒng)可靠性的因素影響安全監(jiān)控系統(tǒng)可靠性的因素 安全監(jiān)控系統(tǒng)是使用檢測技術(shù)和裝備，對企業(yè)作業(yè)場所的可燃氣體濃度、濃度、風速、風量以及設(shè)備運行狀況等進行連續(xù)監(jiān)測，對事故

28、進行預(yù)報，必要時控制執(zhí)行機構(gòu)動作，預(yù)防可燃氣體、粉塵、火災(zāi)等事故的發(fā)生，改善企業(yè)安全狀況和氣候條件，充分發(fā)揮生產(chǎn)裝備的效能，保證企業(yè)安全生產(chǎn)的重要技術(shù)手段。它一般由傳感器、轉(zhuǎn)換器、信號傳輸設(shè)備、執(zhí)行機構(gòu)和中心站組成。由于安全監(jiān)控系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)，所以，系統(tǒng)能否正常運行，可靠度是多少，取決于組成系統(tǒng)的元器件和各子系統(tǒng)的可靠度。 1.傳感器 由于企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境及各種有毒有害氣體(例如，和等)的影響，可造成傳感器元件靈敏度下降，元件壽命縮短，儀器故障增多。加之粉塵的吸附和水蒸氣的凝結(jié)作用，也會使傳感器的靈敏度下降：(1)雙值性 空氣中甲烷濃度低于9.5%時，甲烷能夠充分燃燒，甲烷濃度

29、越高，載體催化元件的電阻變化就越大。當空氣中甲烷濃度高于9.5%，甲烷不能夠充分燃燒，甲烷濃度越高，載體催化元件的電阻變化就越小，如圖7-6所示，這就是載體催化元件的雙值性。因此，載體催化元件只能用于低濃度的甲烷濃度監(jiān)測。但也有使用載體催化元件進行全量程甲烷濃度監(jiān)測的。使用載體催化元件進行全量程甲烷濃度監(jiān)測，準確地講，就是在甲烷濃度小于9.5%時，測出的是甲烷濃度，當甲烷濃度大于9.5%時，測出的是氧氣濃度。因為在高濃度時，其燃燒熱量隨空氣中氧氣濃度的增大而增大。然后，根據(jù)氧氣濃度計算出空氣中甲烷濃度。 當然，在實施過程中，還要解決激活和非線性等問題。 由于甲烷燃燒產(chǎn)生的CO2和H2O會阻止甲

30、烷向元件擴散，并且元件溫度增高時，其散熱量也增大，元件溫度很難隨燃燒熱量的增加而成比例增加。因此，實際測量值達不到理論分析值，但當甲烷濃度較低時，燃燒產(chǎn)生的CO2和H2O較少，元件溫度也較低，對測量的影響較小，實際測量值與理論分析值比較接近，傳感元件的線性度較好。為補償催化元件的熱輻射，甲烷傳感器將補償元件也制成黑色，并封閉，以提高補償元件的熱輻射率。 (2)激活 在黑元件制造時，是將Al2O3載體浸在PdCl2溶液中，然后分解后，催化劑以Pd和PdO形式存在于載體上，元件表面呈黑褐色，對甲烷的催化活性較低。在元件出廠前，為使其具有較高的活性，通常在加熱條 件下通12%CH4進行活化處理，使P

31、dO還原為Pd，這過程被稱為激活。激活后的元件要經(jīng)過老化和穩(wěn)定性處理后才能出廠使用。 元件在甲烷濃度1%以下的甲烷空氣混合物中使用，一部分Pd會被氧氣氧化，生成PdO，使元件活性降低，但當空氣中甲烷濃度大于10%時，PdO又被還原為Pd，元件靈敏度提高，元件又被激活，元件的穩(wěn)定性被破壞，并且在短時間內(nèi)不能恢復(fù)。 當元件被激活后，要及時用新鮮空氣校準零點，用甲烷校準氣樣校準精度。為避免元件被激活，低濃甲烷傳感器應(yīng)具有高濃保護功能，在煤(巖)與可燃氣體突出企業(yè)使用高低濃甲烷傳感器。(3)催化劑中毒 硫化合物(H2S、SO2)、磷化合物(H3P)以及有機硅蒸汽等能強烈地吸附在催化劑上，與Pd反應(yīng)生成

32、新的化合物， 例如H2S與Pd反應(yīng)生成PdS 降低催化劑活性，嚴重時會使催化劑完全失去活性，這種現(xiàn)象被稱為催化劑中毒。催化劑中毒分為暫時性中毒和永久性中毒。硫化物和氯化物中毒是暫時性中毒，暫時性中毒后可以恢復(fù)。Si、Sn等中毒中永久性中毒，是不能恢復(fù)的。一些企業(yè)中有H2S和SO2氣體，爆破作業(yè)也會釋放SO2等氣體，在這些企業(yè)中使用載體催化元件，可以選用抗中毒元件，也可以使用堿性物質(zhì)和活性碳吸收劑吸附H2S、SO2等毒性物質(zhì)，并定期更換吸收劑，防止失效。(4)靈敏度變化 由于高溫燒結(jié)，催化劑活性物質(zhì)的粒子會變大，還會升華為氣態(tài)等，這些都會使元件的催化活性下降，使靈敏度下降。催化劑升華還會使置于同

33、一氣室的補償元件載體上吸附微量催化劑，使甲烷能夠在補償元件上催化燃燒，從而使電橋輸出靈敏度下降。 催化元件長期工作在高濃度甲烷空氣混合物中，由于缺氧，甲烷不能充分燃燒，產(chǎn)生的碳粒子會沉積在催化劑表面，或催化層的孔隙中，使催化劑粒子和載體粒子之間的結(jié)合力減少，導(dǎo)致催化層斷裂、脫落，表面積減小，催化活性下降，元件靈敏度下降。 為增大催化層表面積，提高元件催化活性，氧化鋁載體采用多孔結(jié)構(gòu)。但當元件長期處于高溫下，多孔結(jié)構(gòu)的氧化鋁逐漸變成剛玉型氧化鋁，載體表面積變小，元件靈敏度下降。 影響催化元件的靈敏度除上述因素外，激活、催化劑中毒等均會使元件靈敏度變化。因此，載體催化元件必須每隔7d定期用校準氣校準。當元件靈敏度降到初始值50%時，則認為元件報廢。(5)響應(yīng)時間 響應(yīng)時間是指甲烷濃度發(fā)生階躍變化時，電橋輸出信號值達到穩(wěn)定值90%時所需要的時間。一般要求連續(xù)式響應(yīng)時間