船閘控制系統(tǒng)可靠性分析及提升措施

李樂新（長江三峽通航管理局　湖北宜昌）

船閘控制系統(tǒng)可靠性分析及提升措施

李樂新
（長江三峽通航管理局湖北宜昌）

對某船閘控制系統(tǒng)進行可靠性分析，提出船閘系統(tǒng)可靠性分析方法和提高船閘控制系統(tǒng)可靠性的措施。

可靠性控制系統(tǒng)船閘

航運事業(yè)的高速發(fā)展，對船閘設(shè)備設(shè)施的可靠性要求不斷提高?？刂葡到y(tǒng)作為船閘運行的核心，如何提高其工作可靠性，成為急需解決的問題。

一、可靠性技術(shù)及其發(fā)展

狹義的可靠性是指產(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?？煽啃缘母怕识攘糠Q為可靠度，若將可靠度函數(shù)記為R（t），故障率函數(shù)記為λ（t），則R（t）可用λ（t），表示，見式（1）。

廣義的可靠性還包含可用性和維修性。可用性是指產(chǎn)品在任一隨機時刻需要和開始執(zhí)行任務(wù)時，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度?？捎眯缘母怕识攘糠Q為可用度。穩(wěn)態(tài)條件下，可用度A可表示為式（2）。

式（2）中，MUT指平均可用時間，MDT指平均不可用時間。維修性是指在規(guī)定的條件下并按規(guī)定的程序和手段實施維修時，產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下，保持或恢復執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力。

二、船閘控制系統(tǒng)可靠性分析

1.船閘控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某船閘控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，控制系統(tǒng)由操作員站、雙機熱備PLC系統(tǒng)、現(xiàn)地控制單元和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。雙機熱備PLC系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的核心，負責按照設(shè)定的運行程序和閘閥門狀態(tài)向現(xiàn)地控制單元發(fā)布動作命令，并實現(xiàn)信息采集、顯示和管理等功能；操作員站是船閘運行人員實現(xiàn)集中操作和監(jiān)視的人機界面，并具有運行參數(shù)設(shè)置功能；現(xiàn)地控制單元接受PLC系統(tǒng)的指令，實現(xiàn)閘閥門的啟閉操作；觸摸屏是運行人員進行現(xiàn)場操作和監(jiān)視的人機界面，也可進行部分運行參數(shù)設(shè)置。

2.船閘控制系統(tǒng)可靠性數(shù)學模型

可靠性邏輯框圖是從可靠性角度出發(fā)研究系統(tǒng)與部件之間邏輯關(guān)系的圖形表達，表示部件的正常或失效狀態(tài)對系統(tǒng)狀態(tài)的影響。可靠性邏輯框圖廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)可靠性設(shè)計和分析，用來分析系統(tǒng)的可靠度是否與設(shè)計的可靠度目標相符，找出系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)并加以改進。

可靠性邏輯框圖是在系統(tǒng)工作原理框圖的基礎(chǔ)上做出的，原理圖中的功能單元可作為可靠性框圖中的組成部分，但并不考慮各單元間的順序關(guān)系。根據(jù)船閘控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，分析各功能單元之間的相互關(guān)系，結(jié)合船閘運行工藝，可以得到船閘控制系統(tǒng)的可靠性邏輯框圖，如圖2所示。

圖1　船閘控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2　船閘控制系統(tǒng)可靠性邏輯框圖

由圖2可知，船閘控制系統(tǒng)的可靠性取決于單元10、20、30、40、50和60的可靠性。由可靠性理論可知，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性數(shù)學模型見式（3）。

并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性數(shù)學模型見式（4）。

因此，船閘控制系統(tǒng)可靠性數(shù)學模型為式（5）。

為簡化計算過程，將熱備冗余的單元30、40等效為并聯(lián)關(guān)系，實際可靠性較并聯(lián)關(guān)系略低。

各單元的可靠性又取決于它所包含的全部元器件，根據(jù)各單元的組成結(jié)構(gòu)可進一步細化可靠性邏輯框圖，直至建立起以元器件為組成部分的可靠性邏輯框圖，并推導出各單元的可靠性數(shù)學模型。此處所講的元器件并不一定是不可再拆分的零部件，也可以是一個小的系統(tǒng)。如變頻器，若系統(tǒng)維修時采取整件更換的方式而不是單獨更換變頻器的某一部件時，可將變頻器作為系統(tǒng)的元器件進行可靠性分析。以閥門控制單元為例，作出其可靠性邏輯框圖，如圖3所示。同理，根據(jù)閥門控制單元各組成部分的串并聯(lián)關(guān)系，可推導出其可靠性數(shù)學模型見式（6）。

各元器件的可靠性取決于它的故障率。故障率是指產(chǎn)品工作到某一時刻時，在單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率。故障率與平均無故障時間（MTBF）的關(guān)系可以表示為：λ=1/MTBF。目前，大多數(shù)元器件性能說明中均提供了平均無故障時間的數(shù)值。因此，根據(jù)各元器件的平均無故障時間可以求出其故障率，將故障率數(shù)值代入船閘控制系統(tǒng)數(shù)學模型中，就可以得到船閘控制系統(tǒng)的可靠度。

3.船閘控制系統(tǒng)可靠性分析

通過分析船閘控制系統(tǒng)可靠性數(shù)學模型，可以得出以下結(jié)論。

（1）船閘控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一個串聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)組成的元器件較多，系統(tǒng)的可靠性決定于各組成元器件的可靠性。

（2）通過設(shè)置冗余設(shè)備或備用回路，提高了系統(tǒng)整體的可靠性，如冗余的CPU、I/O模塊和現(xiàn)場總線提高了PLC單元的可靠性，雙電機驅(qū)動提高了閥門控制單元的可靠性。

（3）系統(tǒng)各單元可靠性之間存在著固有差異，根據(jù)相關(guān)資料和現(xiàn)場經(jīng)驗數(shù)據(jù)，操作員站的可靠度較其它單元相對較低。

（4）系統(tǒng)的可用度除取決于系統(tǒng)固有的可靠度外，還取決于系統(tǒng)中各串聯(lián)單元故障后的故障處理時間。

圖3　閥門控制單元可靠性邏輯框圖

（5）建立系統(tǒng)可靠性數(shù)學模型時，未考慮電纜等可靠度極高的部件。實際應(yīng)用中，若外部環(huán)境惡劣，這些設(shè)備的可靠性也不容忽視。

三、船閘控制系統(tǒng)可靠性持續(xù)改進措施

系統(tǒng)可靠性的特征量眾多，分析和計算較為繁瑣，不可能對每個特征量都進行統(tǒng)計分析。為達到持續(xù)跟蹤和提高系統(tǒng)可靠性的目的，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的工況和人們對系統(tǒng)的要求選取重點特征量，并在日常工作中加以統(tǒng)計分析。

船閘是為克服船舶過壩水位差而建設(shè)的水工建筑物，在兩批船舶過閘之間存在著時間間隔，人們關(guān)心的重點是船閘在船舶進閘完畢后需要運行時的可靠程度，因而選取故障率λ（t）作為其可靠性的特征量。同時，船閘一旦出故障，其停機時間將直接影響過閘船舶的順利過閘，從而影響過閘船舶的經(jīng)濟效益，系統(tǒng)故障維修時間的長短也是人們關(guān)心的重點，故同時選取可用度A作為系統(tǒng)可靠性的特征量。為達到降低系統(tǒng)故障率、提高系統(tǒng)可用度的目的，根據(jù)船閘控制系統(tǒng)可靠性分析結(jié)論，提出以下持續(xù)改進措施。

（1）定期統(tǒng)計、分析系統(tǒng)的故障率和可用度，找出影響系統(tǒng)可靠性的主要因素，分析各類元器件的故障率。

（2）通過維修或更新改造，用高可靠性的產(chǎn)品替代可靠性較低的產(chǎn)品，提高系統(tǒng)各元器件的可靠性。

（3）對修復或更換時間超出規(guī)定值的產(chǎn)品，應(yīng)盡可能地考慮冗余設(shè)置，并加強日常預防性維修工作力度。

（4）優(yōu)化系統(tǒng)故障報警程序，提高故障報警定位的準確性，防止衍生故障的產(chǎn)生，減少故障判斷時間。

（5）各元器件盡可能選用標準件，并提高各元器件的可達性，使故障元器件能夠容易被找到，并易于拆卸和更換。

四、結(jié)語

可靠性技術(shù)貫穿了產(chǎn)品的設(shè)計、制造和使用的全過程。系統(tǒng)可靠性分析可以理清系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次和各單元間的相互關(guān)系，幫助系統(tǒng)設(shè)計、管理人員找出薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地采取改進措施，提高系統(tǒng)的可靠性。

〔編輯利文〕

U641.3+35

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