技術(shù)文章
油自動(dòng)震蕩儀時(shí)間的確認(rèn)
油自動(dòng)震蕩儀時(shí)間的確認(rèn)
國際標(biāo)準(zhǔn) IEC61508和 IEC61511中規(guī)定, 在**儀表體系運(yùn)行期間, 為確保**儀表體系滿足要求, 需要對**儀表體系進(jìn)行周期性的檢驗(yàn)測試, 用以檢測**相關(guān)體系是否失效, 并在必要時(shí)可把體系恢復(fù)到正常狀態(tài)或接近正常的狀態(tài)。
標(biāo)準(zhǔn) IEC61508 . 4. 3 . 8 . 5中提出, 檢驗(yàn)測試的有效性取決于體系恢復(fù)到正常狀態(tài)的近似程度, 為使檢驗(yàn)測試充分有效,有必要對所有的危險(xiǎn)失效進(jìn)行 100 %的檢測。假設(shè)**儀表體系在每次檢驗(yàn)測試后, 都能恢復(fù)到全新的狀態(tài), 則**儀表體系的要求時(shí)平均失效概率在整個(gè)**生命周期都是固定不變的。
由于環(huán)境、檢驗(yàn)測試覆蓋率, 油自動(dòng)震蕩儀時(shí)間的確認(rèn)( Test Coverage , CTI)不可能達(dá)到100%, 即**儀表體系在正常維護(hù)條件下, 要求時(shí)失效概率 PFD也會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而逐漸增大。M ostia和 Jr . P . E.在研究閥門部分行程測試中提出, **儀表體系的平均要求時(shí)失效概率(Avarage Probability of Failure on De mand, PFDavg)在整個(gè)運(yùn)行期間不是固定值, 會(huì)隨著時(shí)間而增大。原因是: **, **儀表體系的測試覆蓋率不可能是100%; **, **儀表體系的故障率不是常數(shù); 第三, **儀表體系不可靠的時(shí)間, 取決于檢驗(yàn)測試是否還能影響其可靠性。Rouvroye在研究增強(qiáng)馬爾科夫模型中提出, 工程中, **儀表體系的檢驗(yàn)測試覆蓋率一般為 80%, 其 PFD 隨著時(shí)間的增加而變大。徐明和陽憲惠究馬爾科夫模型狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣特征值分解的方法, 揭示了 PFD隨時(shí)間變化的趨勢, **儀表體系的 PFD隨著時(shí)間的增大變?yōu)?/span> 1, 即可靠性減小為 0 。
因此, 當(dāng)**儀表體系的檢驗(yàn)測試覆蓋率不能達(dá)到 100%時(shí), **儀表體系的可靠性隨著時(shí)間不斷減小, 當(dāng)可靠性減小到一定程度時(shí), 導(dǎo)致 SIL減小一個(gè)等級(jí)時(shí), **儀表體系就不能滿足要求。這時(shí),需要對**儀表體系進(jìn)行糾正, 即**生命周期中的第 15階段。
任何一個(gè)設(shè)備在它投入使用時(shí), 工作正常, 隨著時(shí)間的流逝, 設(shè)備正常工作的可能性越來越小, 當(dāng)時(shí)間趨于無窮時(shí)設(shè)備正常工作的概率為 0。由高可靠性可編程控制體系 PLC 、繼電器、檢測儀表、開關(guān)、電磁閥等組成的**儀表體系的可靠性也會(huì)隨著時(shí)間的流逝, 可靠性越來越小。在**儀表體系的設(shè)計(jì)階段, 根據(jù)需求 SIL等級(jí), 選擇一定型號(hào)的器件, 并使之滿足要求, 但在使用過程中, 由于檢驗(yàn)測試覆蓋率達(dá)不到 100%, **儀表體系各器件的 PFD 會(huì)增大, 可能會(huì)導(dǎo)致**儀表體系的 SIL等級(jí)不能滿足要求。這時(shí), 就需要對**儀表體系進(jìn)行糾正, 如能預(yù)知**儀表體系的 SI L 等級(jí)不能滿足要求的時(shí)間, 及時(shí)對**儀表體系進(jìn)行糾正, 就可以保證**儀表體系在整個(gè)運(yùn)行期間的功能**。
3. 油自動(dòng)震蕩儀時(shí)間的確認(rèn)
確認(rèn)**儀表體系的糾正時(shí)間, 即研究**儀表體系的 PFD何時(shí)超過目標(biāo) SIL等級(jí)的范圍, 這需要對**儀表體系進(jìn)行定量分析。定量分析**儀表體系可靠性方法有: 可靠性框圖、故障樹和馬爾科夫模型。馬爾科夫模型將體系歸為不同的若干狀態(tài)。一個(gè)狀態(tài)以某種概率轉(zhuǎn)移到其他狀態(tài), 并且體系將來所處的狀態(tài)和體系的歷史狀態(tài)無關(guān), 只和現(xiàn)在的狀態(tài)有關(guān)。**儀表體系失效的指數(shù)概率密度正好能夠符合馬爾科夫模型的這種無記憶性質(zhì), 并且利用馬爾科夫模型具有以下優(yōu)點(diǎn) :
( 1)模型既可以包括設(shè)備的**失效也可以包括設(shè)備的危險(xiǎn)失效; ( 2)通過一次建?？梢缘玫?/span> PFD, PFS,MTTF等多個(gè)可靠性指標(biāo);
( 3)該模型能夠反體系從啟動(dòng)到失效再到正常運(yùn)行的一連串的事件序列, 利于深入了解體系的變化規(guī)律, 提高定量可靠性分析精度; ( 4)馬爾科夫模型能夠覆蓋*多的影響可靠性的因素, 例如結(jié)構(gòu)冗余、共因失效、自診斷、在線或離線測試維修等;
( 5)不受設(shè)備之間的依賴關(guān)系影響, 其計(jì)算量主要取決于體系的狀態(tài), 不需要假設(shè)來簡化模型, 因此具有更好的計(jì)算精度。
因此本文采用馬爾科夫模型的方法對體系的可靠性進(jìn)行分析。馬爾科夫模型采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表示體系狀態(tài)變化。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖所用的符號(hào), 圓圈表示體系的狀態(tài), 可以是正常、失效或者中間狀態(tài)。帶箭頭的一條弧線表示體系狀態(tài)的轉(zhuǎn)移, 起點(diǎn)表示轉(zhuǎn)移前體系狀態(tài), 終點(diǎn)表示轉(zhuǎn)移后狀態(tài)。通常狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率標(biāo)于相應(yīng)的弧線旁。
一個(gè)油自動(dòng)震蕩儀時(shí)間的確認(rèn)：每個(gè)狀態(tài)表示正常設(shè)備和失效設(shè)備的組合。設(shè)備的失效和維修通過帶箭頭的弧線來表示。隨著失效和維修, 體系從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)狀態(tài)。體系有四種一般狀態(tài): 正常 (OK)、**失效 ( FS)、檢測到的危險(xiǎn)失效( FDD)和未檢測到的危險(xiǎn)失效 ( FDU )。其中 OK是正常工作狀態(tài), 其余三個(gè)是故障狀態(tài)。
求解馬爾科夫模型的方法有很多，工程上采用一種離散時(shí)間矩陣相乘的方法非常有效和方便。首先選擇一個(gè)時(shí)間間隔Δt作為基本的時(shí)間單位, 狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率等于失效率或者維修率與時(shí)間間隔的乘積 (λΔt或 μΔt)。時(shí)間間隔越小, 模型的精度便越高。為了減少計(jì)算量, 同時(shí)盡可能的減少精度上的損失, 本文取Δ t為**。
體系初始狀態(tài)所有設(shè)備均正常工作, 則 n 維初始向量 S0= [ 1 0 0], n為體系狀態(tài)的個(gè)數(shù)。若第 n - 1和 n個(gè)狀態(tài)分別是檢測到的危險(xiǎn)失效和未檢測到的危險(xiǎn)失效, 則 n 維失效向量為 VD =[ 0 0 0 1 1]T。 故在一個(gè)檢驗(yàn)測試周期內(nèi), 體系狀態(tài) Si為:
Si = S0 Piday ( i= 1 , 2 , ?, TI)
PFDi = S0 Piday VD( i= 1, ?, TI)
體系的要求時(shí)平均失效概率 PFDavg為:
PFDavg =1/TI Σ So. Piday .VD
式中: TI—— 體系的檢驗(yàn)測試周期, 天; S0——體系的初始狀態(tài); Pday——體系**的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣;VD—— 體系的 n維失效向量。
本文以 1oo2結(jié)構(gòu)的體系為例, 建立馬爾科夫模型。選擇參數(shù)為: 檢驗(yàn)測試周期 ( TestInterva l ，TI) 為 365天, 故障率λ為 1X 10^(-5 ), 共因失效率 β為 10%, 診斷覆蓋率 (D iagnostic Coverage ,DC)為 60%。
本文利用自己編寫的 MATLAB程序, 求得體系在**個(gè)檢驗(yàn)測試周期內(nèi)的平均要求時(shí)失效概率PFDavg= 9. 6 X10^(-4); 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) IEC61508-6中表 B . 12得到 PFDavg= 9. 7 X10^(-4) 兩者基本相等, 從而驗(yàn)證了該馬爾科夫模型以及程序的正確性。
油自動(dòng)震蕩儀時(shí)間的確認(rèn) IEC61508-6中要求, 在一個(gè)**生命周期中, 為了保證**儀表體系的可靠性, 需要對體系進(jìn)行周期性的檢驗(yàn)測試。
在研究**儀表體系的功能**中, 令檢驗(yàn)測試的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為 W , 因?yàn)槲礄z測到的危險(xiǎn)失效只有通過檢驗(yàn)測試才能發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行維修。
一般假設(shè)檢驗(yàn)測試到的故障都能夠完全維修。以前面提到的 1oo2結(jié)構(gòu)為例, 取 CTI= 100 %, 即體系的檢驗(yàn)測試覆蓋率為 100%, 表示體系每次檢驗(yàn)測試后都能回到全新的狀態(tài), 經(jīng)過仿真得到整個(gè)**生命周期的 PFDavg變化曲線, 由該圖可以看出, 當(dāng)檢驗(yàn)測試覆蓋率為 100%時(shí), **儀表體系的平均要求時(shí)失效概率是不發(fā)生變化的。
但是在實(shí)際過程中, 由于環(huán)境、檢測技術(shù)、維修技術(shù)等原因, 體系的檢驗(yàn)測試覆蓋率不可能達(dá)到100%,本文分別取 CTI= 80%, CTI= 50%, CTI= 0,得到體系的 PFDavg變化曲線。
可以看出體系的PFDavg與體系的檢驗(yàn)測試覆蓋率有很大的關(guān)系。如果體系的檢驗(yàn)測試覆蓋率達(dá)不到 100 %, 那么**儀表體系 PFDavg會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而變大。這樣就會(huì)造成設(shè)計(jì)時(shí)滿足要求的體系隨著時(shí)間的增加可能會(huì)不滿足要求, 這時(shí)就需要對體系進(jìn)行糾正,使其滿足**可靠性要求。
4. 油自動(dòng)震蕩儀時(shí)間的確認(rèn)
4. 1 選取實(shí)例
本文將采用國際標(biāo)準(zhǔn) IEC61508 中第六部分B2. 4提供的示例。取檢驗(yàn)測試的時(shí)間間隔為 1年, 并將*終元件子體系的關(guān)閉閥改為 1oo2結(jié)構(gòu),其要求的 SI L等級(jí)為 SIL2。
由體系的結(jié)構(gòu)與參數(shù)可得其傳感器子體系的 PFDS、邏輯子體系的 PFDL和執(zhí)行子體系的PFDFE分別為:
PFDS = 2. 3X10^(-4 )
PFDL = 4 . 8 X 10^(- 7) PFDFE = 4. 4 X 10^(- 3)+ 9. 7X10^(- 4)= 5 . 4X10^(- 3)
整個(gè)體系的要求時(shí)失效概率 PFDavg為:
PFDSYS = PFDS+ PFDL + PFDPE
= 2.3X10^(-4)+4.8 X10^(-7)+5.4X10^(-3)=5.6X10^(-3)
查 IEC61508-1的表 2, 該體系的**完整性等級(jí)為SI L2, 滿足要求。
4.2 仿真各體系的 PFD 變化曲線
工程中, **儀表體系的檢驗(yàn)測試覆蓋率達(dá)不到 100%, 一般為 80%, 因此本例取 CTI= 80%。首先建立各子體系的馬爾科夫模型, 并采用 MATLAB程序?qū)Ω黢R爾科夫模型進(jìn)行仿真,得到各子體系在運(yùn)行期間 PFD變化曲線。*后根據(jù) PFDSYS= PFDS+ PFDL+ PFDPE得出整個(gè)體系的 PFD 及 PFDavg變化曲線見圖 , 由圖可以看出, 在每個(gè)檢修時(shí)刻, **儀表體系的 PFD 會(huì)減小, 這是由于**儀表體系的檢驗(yàn)測試能發(fā)現(xiàn)并維修未檢測到的危險(xiǎn)失效。但是由于檢驗(yàn)測試覆蓋率不能達(dá)到 100 %, **儀表體系的要求時(shí)失效概率會(huì)隨著時(shí)間的流逝而增大。該**儀表體系在應(yīng)用三年后, **等級(jí)由SIL2變?yōu)?/span>SIL1, 不滿足企業(yè)對風(fēng)險(xiǎn)的控制要求, 即第四年需要對**儀表體系進(jìn)行糾正, 這與實(shí)際情況正好符合。采用這種方法, 可以預(yù)知**儀表體系在何時(shí)不滿足要求, 以便及時(shí)對**儀表體系進(jìn)行糾正, 確保**儀表體系在整個(gè)**生命周期都能夠滿足要求。
5.總 結(jié)
當(dāng)檢驗(yàn)測試覆蓋率不能達(dá)到 100%時(shí), **儀表體系的 PFDavg會(huì)隨著時(shí)間增加, 導(dǎo)致*初設(shè)計(jì)的**儀表體系不滿足 SI L等級(jí)的要求。本文采用馬爾科夫模型的方法對體系進(jìn)行建模, 并采用 MAT-LAB仿真 PFD 的變化曲線,得出**儀表體系的糾正時(shí)間。采用這種方法可以及時(shí)地對**儀表體系進(jìn)行糾正, 使**儀表體系維持要求的**完整性等級(jí), 為工程中的實(shí)際應(yīng)用提供一種參考方法。