Farklı yedekli yapılara dayalı PLC sisteminin güvenilirliği ve kullanılabilirliği üzerine araştırma
Meng Jun
(Shenhua Group Co., Ltd., Pekin 100011)
Yedekli PLC, endüstriyel kontrol sistemlerinin güvenilirliğini artırmak için önemli bir araçtır.Etkili bir hataya dayanıklı teknoloji olarak, birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır.Pratik uygulamalarda, uygulama ortamına göre uygun bir yedekli yapının nasıl seçileceği bir gerçektir. sorun. Temel güvenilirlik teorisine dayanarak, tek bir sistemin güvenilirliği ve ortalama arıza süresi (MTBF), 2 üniteli bir paralel yedekli sistem, 2'de 3 oylama yedekliliği ve 2 yedek PLC sisteminden 2'si 2'si analiz edilir ve farklı yedekleme sistemleri karşılaştırılır. Yapısal güvenilirlik ve MTBF ile birim arıza oranı arasındaki ilişki analiz edilir ve tipik yedek PLC sisteminin kullanılabilirliği analiz edilir. Araştırma sonuçları, gerçek uygulama ortamında fazlalık yapıların seçimi için etkili bir temel sağlar.
PLC; artıklık teknolojisi; güvenilirlik; MTBF; hataya dayanıklı teknoloji; kullanılabilirlik
PLC (Programlanabilir Mantık Denetleyici) sistemleri, havacılık, askeri, ulusal savunma ve diğer birçok kilit alanda yaygın olarak kullanılmaktadır.Bu alanlar, PLC tabanlı kontrol sistemlerinin güvenilirliği için son derece yüksek gereksinimlere sahiptir.Sistem güvenilirliğini artırmak için uygun önlemlerin nasıl seçileceği bir endişe haline gelmiştir. Araştırma konuları. Çeşitli alanlarda kullanılan ve gittikçe daha karmaşık kontrol sistemleri, gittikçe daha fazla işlev ve çeşitli alanlarda sistem güvenilirliği için yüksek gereksinimler göz önüne alındığında, önemli kontrol sistemlerinin tasarım konseptleri, geçmişte merkez olarak işlev ve performanstan güvenilirliğe doğru kademeli olarak değişmiştir. Merkez değişikliği için. Fiziksel kusurlardan kaynaklanan sistem arızaları, kusurlu tasarım ve sistem tasarımındaki yazılım hataları, sistemin güvenilmez olmasına neden olan önemli faktörlerdir. Hata toleransı, sistem güvenilirliğini iyileştirmenin ana teknik araçlarından biridir. Bu teknoloji, ekipman arızalarını otomatik olarak teşhis edebilir ve ekipmanın belirtilen işlevlerini sürdürmesini sağlamak için ilgili önlemleri alabilir veya ekipmanın kabul edilebilir bir aralıkta çalışmaya devam etmesini sağlamak için performanstan ödün verebilir.
Yedekli tasarımla temsil edilen hataya dayanıklı teknoloji, PLC kontrol sistemlerinin güvenilirliğini artırmak için etkili bir önlemdir.Modern füze silah sistemleri, ekipman imalatı, havacılık ölçümü, fırlatma ve kontrol, güç üretimi ve iletim sistemleri, demiryolları ve diğer alanlarda giderek daha önemli bir rol oynamaktadır. . Yedekleme teknolojisi genellikle yedekli bileşenler ekleyerek sistem işlevlerini korur.PLC sisteminin yedeklilik nesnelerine göre, CPU yedekliliği, iletişim modülü yedekliliği, giriş ve çıkış modülü yedekliliği, güç kaynağı yedekliliği vb. Artıklık gerçekleştirme yöntemine göre, donanım yedekliliği ve yazılım yedekliliği olarak ikiye ayrılır. PLC yazılım yedekliliği, güvenilirliği artırmak için nispeten ekonomik bir yöntemdir.Yazılım yedeklilik sisteminin ana bekleme anahtarlama süresi ikinci seviyededir, bu da yazılım yedekliliği yöntemini yüksek gerçek zamanlı gereksinimleri olan alanlarda daha az uygulanabilir hale getirir. Donanım yedekliliği işlevi, özel bir yedek modül tarafından gerçekleştirilir.İşlemcinin senkronizasyon mekanizması çoğunlukla zamanlama senkronizasyonu veya olay senkronizasyonudur. Kısa senkronizasyon süresi, ana bekleme anahtarlama süresinin milisaniye düzeyine (onlarca ila birkaç) ulaşabilmesini sağlar. 100 milisaniye), bir yük devretme durumunda, aktif / bekleme anahtarının hızlı yanıtı, depolama verilerinin kaybolmamasını sağlayabilir ve çevresel I / O durumu değişmez ve sistemin üretimini ve çalışmasını büyük ölçüde garanti eden hızlı geçiş gerçekleştirilebilir.Bu nedenle, önemli endüstriyel kontrolde Alan popüler hale getirildi ve uygulandı ve yaygın olarak kullanılan çift sistemli sıcak yedekleme, 2'den 3'ü yedeklilik, dörtlü mod artıklığı, 2'ye 2 yedeklilik vb. Pratik uygulamalarda, farklı ortamların güvenilirlik ve kullanılabilirlik gereksinimlerine dayalı uygun bir PLC artıklık şemasının nasıl seçileceği tartışmaya değer bir sorundur.Bu makale temel güvenilirlik teorisine dayanmaktadır ve güvenilirlik ve MTBF (Aradaki Ortalama Süre Başarısızlıklar) güvenilirlik ve MTBF arasındaki ilişkiyi başarısızlık oranıyla analiz etmek ve tartışmak. Aynı zamanda, pratik uygulamalarda PLC yedekli sistemlerin seçimi için teorik bir temel sağlamak amacıyla, aynı koşullar altında tipik yedekli sistemlerin güvenilirliği ve kullanılabilirliği ön olarak karşılaştırılır.
Bir PLC sisteminin güvenilirliği genel olarak arıza oranı (Arıza Oranı, arıza oranı veya risk oranı olarak da bilinir), güvenilirlik, ortalama arıza süresi MTBF vb. İle karakterize edilebilir.
Ortalama arıza süresi, MTBF ile ifade edilen, sistemin bitişik arızaları sırasında normal çalışma süresinin ortalamasını ifade eder; arıza oranı, sürekli bir zaman biriminde belirli bir zamana kadar çalışan makinelerin, parçaların veya sistemlerin oranını ifade eder. (t) anlamına gelir. Güvenilirlik, sistemin arızasız olarak normal çalışma olasılığını ifade eder. Belirtilen t süresinin bir fonksiyonu olan R (t) ile temsil edilir. Belirtilen süre ne kadar uzun olursa, R (t) o kadar küçük olur. F (t) hata dağılım fonksiyonunu göstersin, o zaman:
Başarısızlık oranı ve güvenilirlik arasındaki temel ilişki şudur:
Bunlar arasında f (t) = dF (t) / dt, başarısızlık yoğunluk fonksiyonudur.
Elektronik ürünlerin ve kontrol ekipmanının arıza dağılımının,? Parametresiyle üstel dağılıma kabaca uyduğu göz önüne alındığında, şunlar vardır:
Tanımdan:
Güvenilirliğin doğasına göre:
MTBF için ortalama başarısızlık süresi:
Sistem kullanılabilirliği, sistemin o anda ihtiyaç duyulduğunda normal kullanılabilir durumda olma yeteneğini ifade eder.Genellikle Markov model yöntemleri kullanılarak analiz edilebilen kullanılabilirlik ile karakterize edilir.
2 Farklı yedekli yapıların güvenilirlik ve kullanılabilirlik analizi
2.1 Paralel yedekli sistem
Kontrol sistemi paralel bir ana ve yedek yedekli sistem olduğunda, sistem bir ana birimin sistem veri çıkışını belirlediği ve kalan birimler yedekli yedek olarak kullanılan n birimden oluşur.Ana birim arızalandığında, yedekleme birimlerinden biri devam etmek için ana birimi devralır Meslekler. Paralel yedek sistemin blok şeması Şekil 1'de gösterilmektedir.
Paralel artıklık kontrol sistemindeki her bir birim, karşılıklı bağımsız bir olasılık olayı olarak kabul edilebilir.Her birimin güvenilirliğini Ri (t) ve birimin güvenilmezliğini Fi (t) olarak ayarlayın. Paralel fazlalık, çarpma ilkesi ile elde edilebilir. Kalan sistemin güvenilmezliği:
Böylece, paralel yedekli sistemin güvenilirliği şu şekilde elde edilebilir:
Birim numarası 2 olan bir paralel yedekli kontrol sistemi için, her bir birimin güvenilirliğinin Ri (t) = R (t) olduğunu varsayalım, bu durumda sistem güvenilirliği yukarıdaki formüle göre elde edilebilir:
Formül (4) ve formül (11) birleştirilerek elde edilebilir:
Formül (8) ve formül (12) birleştirilerek elde edilebilir:
Yukarıdaki sonuçlardan, artıklık ne kadar yüksekse, güvenilirlik o kadar yüksek ve donanım kaynaklarına olan talebin o kadar büyük olduğu görülebilir. Aynı birimin belirli bir zamanda güvenilirliğinin R (t) 0,9 olduğunu varsayarsak, yukarıdaki birimlerden ikisinden oluşan paralel yedekli sistemin güvenilirliği 0,99 (0,09 artış) ve yukarıdaki üç birimden oluşan yedekli sistemin güvenilirliği 0,999'dur (yalnızca 0,009'luk bir artış) ve yukarıda belirtilen yedekli sistemin kaynak girişi sırasıyla 1 ve 2 kat artırıldı. Yukarıdaki sonuçlar, güvenilirlik artışının yedeklilikteki artışla doğrusal olarak artmadığını göstermektedir.Pratik uygulamalarda, uygun bir yedeklilik yapısı seçmek için güvenilirlik gereksinimlerini ve yatırım koşullarını tartmak gerekmektedir.
Tipik bir paralel yedekli sistem için kullanılabilirliği (eşdeğer birimin arıza oranının tutum ve bakım oranının gürültülü olduğu varsayılarak):
onların arasında:
Görüldüğü gibi kesim ne kadar büyük olursa kullanılabilirlik o kadar yüksek olur Genel olarak sistem kullanılabilirliği, düşük arıza oranına sahip bileşenleri seçerek veya bakım verimliliğini artırarak iyileştirilebilir.
2.2 Oylama yedek sistemi
Paralel yedekli yapı, sistemin güvenilirliğini etkili bir şekilde artırabilir, ancak pratik uygulamalarda hataya dayanıklı konfigürasyonuyla ilgili bazı anlaşmazlıklar vardır.Örneğin, tipik bir çift sistemli çalışırken bekleme sisteminde, ana ve yedek makineler arasında bir hakem olmaması nedeniyle çıktı sonucu doğru veya yanlıştır. bir soru. Birden fazla birime dayalı oylama artıklığı sistemi, yukarıda bahsedilen anlaşmazlıkları iyi bir şekilde çözebilir ve çıktı sonuçlarının doğruluğu, çoğunluk oylamasıyla büyük ölçüde iyileştirilebilir. Tipik bir n / k oylama artıklık sisteminin yapısı, birim sayısının n ve oy sayısının k olduğu Şekil 2'de gösterilmektedir. N birimin çıktı sonuçları, n / k seçiciden geçtikten sonra değerlendirilir ve çıkarılır. Oylama sisteminde n birim olduğunda K veya daha fazla birim sağlam olduğunda, belirtilen işlev tamamlanabilir ve sistemdeki arızalı birimlerin sayısı nk'yi aştığında, çıktı sonucu geçersiz olarak kabul edilir ve sistem güvenli bir durum verir.
N birim ve k oy içeren yedekli bir oylama sistemi için, sistem güvenilirliği ifadesi şöyledir:
Arıza oranının sabit olduğunu varsayarsak, sistemin ortalama ömrü:
Birim sayısı n = 3 ve oy sayısı k = 2 olan tipik bir oylama yedekli sisteminin güvenilirliği:
MTBF için sistem ortalama arıza süresi:
Kullanılabilirliğin tanımına göre, sistem kullanılabilirliği:
Bunlar arasında MTTF, arızalar arasındaki ortalama süreyi ifade eder ve MTTR, onarım için ortalama süredir. Markov modeline göre, iki yedek sistemden üçünün MTTF'si:
2.32 yedekli sistemden 2'ye 2
2'ye 2 al 2 yedekli sistemin blok diyagramı Şekil 3'te gösterilmiştir. Sistem ana ve yedek sistemlerden oluşmaktadır.Her sistemdeki iki aritmetik birim, 2 üzerinden 2 oylama artıklık yapısını oluşturur ve iki sistem arasında paralel yedekleme ile veri çıkışı gerçekleştirilir.
Şekil 3'ten görülebileceği gibi, ana sistemin dahili aritmetik birimleri A1 ve A2 ve bekleme sisteminin iç aritmetik birimleri B1 ve B2, sırasıyla 2 oylama artıklık yapısının tipik bir 2'sini oluşturur. 4 birimin güvenilirliğinin tamamının R (t) olduğu varsayıldığında, (4) ve formül (16), tek sistemli 2 yedek yapının 2'sinin güvenilirliğini ve güvenilmezliğini elde etmek için hesaplanabilir:
Formül (4), formül (11) ve formül (12) 'ye göre, sistemin genel güvenilirliği şu şekilde türetilebilir:
Denklem (8) ve (22) 'ye göre, sistemin ortalama arızalanma süresi şu şekilde türetilebilir:
3 Farklı yedekli sistemlerin özelliklerinin karşılaştırılması
Yedekli bir sistemin güvenilirliği, doğrudan birimin arıza oranıyla ilgilidir.Tek bir sistemin güvenilirliği R (t), 2 birim paralel yedekli sistem, 2'de 3 oylama yedekli sistem ve 2'de 2 yedekli sistemin 2 katı kadarını karşılaştırın. MTBF ile başarısızlık oranı arasındaki ilişki sırasıyla Şekil 4 ve Şekil 5'te gösterilmektedir.
Şekil 4 ve Şekil 5'ten, tek bir sistemin güvenilirliğinin genellikle daha düşük bir birim arıza oranında diğer artık sistemlerden daha düşük olduğu görülebilir. 2 üniteli paralel yedekli sistemin güvenilirliği tüm aşamalarda daha yüksektir. 2 oylama yedekliliğinden 3'ü ve 2 yedek sistemden 2'si sistemin güvenilirliğini sağladığından, oylama mekanizmasına bağlı olarak çıktı sonuçlarının doğruluğu ve güvenliği garanti edilir.Sistem karmaşıklığındaki artış, sistemin genel güvenilirliğini birimden etkilenir. Başarısızlık oranının etkisi açıktır.Birim arıza oranı düşük olduğunda, oylama yedekli sistemin güvenilirliği tek bir sistem ile 2 birimli paralel yedekli sistem arasındadır.Birim arıza oranı arttıkça, 2 oylama yedekli sistemden 3'ü 2 yedekli sistemin 2 katı 2'nin güvenilirliği önemli ölçüde azalır, özellikle ünite arıza oranı 0.5 ve 0.7'den yüksek olduğunda, oylama yedekli sisteminin güvenilirliği tek sistemin güvenilirliğinden bile daha düşüktür.
2 üniteli paralel yedekli bir sistemin MTBF'si en yüksek olanıdır ve tek bir sisteminkinden daha yüksektir ve uzun vadeli operasyon kontrol sistemlerinin (proses kontrolü, endüstriyel üretim vb.) Güvenilirliğini artırmak için daha uygundur. 2 oylama yedekliliğinden 3'ünün ve 2 yedekli sistemden 2'sinin MTBF'si, 2 üniteli paralel yedekli sistemlere ve tekli sistemlere göre daha düşük sistem karmaşıklığından etkilenir.Birim arıza oranı düşük olduğunda, yukarıdaki oylama yedekli yapı Sistemin güvenilirliği sağlanırken, çıktı verilerinin doğruluğu sağlanır ve sistemin güvenliği daha da iyileştirilir.Sistemin güvenilirliğini daha kısa bir çalışma döngüsünde sağlarken, daha yüksek güvenlik gereksinimleri olan uygulamalar için daha uygundur.
Yedekli bir sistemin kullanılabilirliği, bağımsız bir sisteminkinden daha yüksektir.Aynı zamanda, sistemin güvenilirliği gibi, kullanılabilirlik de sistem bakım oranının, bakım verimliliğinin, arıza oranının ve diğer faktörlerin etkisine göre değişir.Gerçek uygulamalarda, sistem kullanılabilirliği gerçek uygulamaya göre tartılmalıdır. Kullanılabilirlik tasarımı isteyin. Farklı yedekli sistemlerin her eşdeğer biriminin arıza oranı ve bakım oranının aynı olduğu ve arıza oranı düşük olduğunda her bir yedekli sistemin özellikleri Tablo 1'de gösterilmiştir.
4. Sonuç
(1) Yedekli bir sistem için, birim arıza oranının genel sistem güvenilirliği üzerinde büyük bir etkisi vardır. Birimin yüksek güvenilirliği garanti edilemiyorsa, artıklık yapısı genel sistem güvenilirliğinde çok sınırlı bir iyileşmeye sahip olacaktır, bu nedenle nasıl tasarlanacağı Birim güvenilirliğini iyileştirmek hâlâ temel iştir.
(2) 2 üniteli paralel yedekli sistemin güvenilirliği ve MTBF'si diğer sistemlere göre bariz avantajlara sahiptir.Bazı uzun vadeli işletim kontrol sistemlerinin güvenilirliğini artırmak için etkili bir önlemdir, ancak sonuçların doğruluğunun garantisi zayıftır. Ünite arıza oranı düşük olduğunda, 2 üzerinden 3 oylama yedekli yapı ve 2'de 2 yedekli yapı, çıktı verilerinin doğruluğunu sağlarken sistemin güvenilirliğini sağlar, bu da sistemin güvenliğini daha da artırır.
(3) Aynı yedekli sistem, farklı birim arıza oranı aşamalarında farklı güvenilirlik sergiler.Bu nedenle, pratik uygulamalarda, genellikle farklı uygulama durumlarına ve güvenilirlik, ortalama ömür ve güvenlik için özel gereksinimlere göre uygun bir artıklık şeması seçmek gerekir.
(4) Sistem kullanılabilirliği, özellikle uzun depolama süreli ve kısa sürede yüksek kullanılabilirliğe sahip ekipmanlarda (ölçüm, fırlatma kontrol sistemi, fırlatma aracı) sistemin özel kullanım koşulları altında kullanılabilirlik koşullarını karşılamasını sağlamak için önemli bir temeldir. Sistem kullanılabilirliğini iyileştirmek için etkili önlemler seçmeyi düşünün (örneğin, bakım verimliliğini artırmak, bileşen arıza oranını azaltmak, vb.)
Referanslar
Lv Jingmei PLC Yumuşak Artıklık Sistemi Araştırma ve Uygulaması Xi'an: Xidian Üniversitesi, 2008.
Gu Yan. CZ-2F Roket Güvenilirlik Teknolojisi Füze ve Uzay Fırlatma Teknolojisi, 2004 (1): 13-19.
LEVITIN G, LISNIANSKI A. İki arıza modu ile çok durumlu sistemin yapı optimizasyonu, Güvenilirlik Mühendisliği ve Sistem Güvenliği, 2001, 72 (1): 75-79.
Chen Jiajie.Orta boy PLC'nin yedekli mimarisi üzerine araştırma ve senkronizasyon teknolojisinin gerçekleştirilmesi Harbin: Harbin Institute of Technology, 2008.
Wang Xinbao, Fang Sumin, Ye Daoyi Buhar türbini dijital kontrol sisteminin güvenilirliğini artırmada donanım yedekliliği teknolojisinin uygulanması Buhar Türbini Teknolojisi, 1996, 38 (2): 88-94.
MARCOS J, MANDADO E, PENALVER C M. Programlanabilir mantık denetleyicileri kullanarak arızaya karşı güvenli denetim sistemlerinin uygulanması. Endüstriyel Otomasyon ve Eontrol, 1995: 395-400.
FAVALLI M, METRA C. Seçmen girişlerinde parazit hataları varlığında TMR oylaması IEEE Güvenilirlik İşlemleri (S0018-9529), 2004, 53 (3): 342-348.
Zhang Benhong, Lu Yang, Han Jianghong ve diğerleri. "İkiden ikiye ikiye" yedekli sistemin güvenilirlik ve güvenlik analizi. Journal of System Simulation, 2009, 21 (1): 256-261.
Chen Zhou, Ni Ming.Üç modlu yedekli sistemin güvenilirliği ve güvenlik analizi Bilgisayar Mühendisliği, 2012, 38 (14): 239-241, 245.
Liu Chong, Fu Jiangmei.Çift Yedekli PLC Kontrol Sisteminin Güvenilirliği ve Kullanılabilirliği Üzerine Araştırma Otomasyon Enstrümantasyonu, 2010, 31 (9): 44-46.
Zhou Liyan. 3 ve 2 yedekli konfigürasyonlu ana işlem biriminin kullanılabilirliği üzerine çalışma Elektronik Dünya, 2006, 5 (1): 190-191.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
