船閘控制系統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）

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

可靠性控制系統船閘

航運事業的高速發展，對船閘設備設施的可靠性要求不斷提高。控制系統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、可靠性技術及其發展

狹義的可靠性是指產品在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力。可靠性的概率度量稱為可靠度，若將可靠度函數記為R（t），故障率函數記為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。可用性是指產品在任一隨機時刻需要和開始執行任務時，處于可工作或可使用狀態的程度。可用性的概率度量稱為可用度。穩態條件下，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。維修性是指在規定的條件下并按規定的程序和手段實施維修時，產品在規定的使用條件下，保持或恢復執行規定功能狀態的能力。

二、船閘控制系統可靠性分析

1.船閘控制系統結構

某船閘控制系統結構圖如圖1所示，控制系統由操作員站、雙機熱備PLC系統、現地控制單元和網絡設備等組成。雙機熱備PLC系統是控制系統的核心，負責按照設定的運行程序和閘閥門狀態向現地控制單元發布動作命令，并實現信息采集、顯示和管理等功能；操作員站是船閘運行人員實現集中操作和監視的人機界面，并具有運行參數設置功能；現地控制單元接受PLC系統的指令，實現閘閥門的啟閉操作；觸摸屏是運行人員進行現場操作和監視的人機界面，也可進行部分運行參數設置。

2.船閘控制系統可靠性數學模型

可靠性邏輯框圖是從可靠性角度出發研究系統與部件之間邏輯關系的圖形表達，表示部件的正常或失效狀態對系統狀態的影響。可靠性邏輯框圖廣泛應用于系統可靠性設計和分析，用來分析系統的可靠度是否與設計的可靠度目標相符，找出系統中的薄弱環節并加以改進。

可靠性邏輯框圖是在系統工作原理框圖的基礎上做出的，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系。根據船閘控制系統結構圖，分析各功能單元之間的相互關系，結合船閘運行工藝，可以得到船閘控制系統的可靠性邏輯框圖，如圖2所示。

圖1　船閘控制系統結構圖

圖2　船閘控制系統可靠性邏輯框圖

由圖2可知，船閘控制系統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，串聯系統的可靠性數學模型見式（3）。

并聯系統的可靠性數學模型見式（4）。

因此，船閘控制系統可靠性數學模型為式（5）。

為簡化計算過程，將熱備冗余的單元30、40等效為并聯關系，實際可靠性較并聯關系略低。

各單元的可靠性又取決于它所包含的全部元器件，根據各單元的組成結構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。如變頻器，若系統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，根據閥門控制單元各組成部分的串并聯關系，可推導出其可靠性數學模型見式（6）。

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

3.船閘控制系統可靠性分析

通過分析船閘控制系統可靠性數學模型，可以得出以下結論。

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

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

（3）系統各單元可靠性之間存在著固有差異，根據相關資料和現場經驗數據，操作員站的可靠度較其它單元相對較低。

（4）系統的可用度除取決于系統固有的可靠度外，還取決于系統中各串聯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）建立系統可靠性數學模型時，未考慮電纜等可靠度極高的部件。實際應用中，若外部環境惡劣，這些設備的可靠性也不容忽視。

三、船閘控制系統可靠性持續改進措施

系統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計分析。為達到持續跟蹤和提高系統可靠性的目的，應根據系統的工況和人們對系統的要求選取重點特征量，并在日常工作中加以統計分析。

船閘是為克服船舶過壩水位差而建設的水工建筑物，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濟效益，系統故障維修時間的長短也是人們關心的重點，故同時選取可用度A作為系統可靠性的特征量。為達到降低系統故障率、提高系統可用度的目的，根據船閘控制系統可靠性分析結論，提出以下持續改進措施。

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

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

（3）對修復或更換時間超出規定值的產品，應盡可能地考慮冗余設置，并加強日常預防性維修工作力度。

（4）優化系統故障報警程序，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、結語

可靠性技術貫穿了產品的設計、制造和使用的全過程。系統可靠性分析可以理清系統的結構層次和各單元間的相互關系，幫助系統設計、管理人員找出薄弱環節，有針對性地采取改進措施，提高系統的可靠性。

〔編輯利文〕

U641.3+35

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