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油自動震蕩儀時間的確認
油(you)自動震蕩儀時間的確認
國際標準(zhun)
IEC61508
和
IEC61511
中規定
,
在**儀表體系運行(xing)期間
,
為確(que)保**儀表體系滿足要求
,
需要對**儀(yi)表體(ti)系(xi)進行周(zhou)期性的檢驗測試
,
用以檢測**相關體系是否失(shi)效(xiao)
,
并在必要時可把體系恢(hui)復到正(zheng)常狀態或接近正(zheng)常的狀態。
標準
IEC61508 . 4. 3 . 8 . 5
中(zhong)提出
,
檢驗測試(shi)的有(you)效性取(qu)決(jue)于體系恢復到正(zheng)常(chang)狀(zhuang)態的近似程度(du)
,
為使檢(jian)驗測試充分有效
,
有必要對所有的危險失效(xiao)進行
100 %
的(de)檢(jian)測(ce)。假設(she)**儀(yi)表(biao)體系在每次檢(jian)驗測(ce)試后
,
都能恢復到全新的狀(zhuang)態
,
則**儀(yi)表體系(xi)的要求時平(ping)均(jun)失(shi)效概率在整個(ge)**生命周(zhou)期都是固定(ding)不變(bian)的。
由于環(huan)境、
檢驗測試(shi)覆蓋率
,
油自(zi)動(dong)震蕩儀時間的確認(ren)
( Test Coverage , CTI)
不可能達(da)到
100%,
即**儀表體系在正常維護(hu)條件下
,
要求時失效概率
PFD
也會隨(sui)著使用(yong)時間的增(zeng)加而逐漸(jian)增(zeng)大。
M ostia
和
Jr . P . E.
在研究閥門部分(fen)行程測試中(zhong)提出(chu)
,
**儀(yi)表體系的(de)平均要求時(shi)失效概率(lv)
(Avarage Probability of Failure on De mand, PFDavg)
在整個運行期間不是(shi)固定值
,
會隨著時間而增(zeng)大。原因是
:
**
,
**儀(yi)表體系的測試(shi)覆(fu)蓋率不可能是
100%;
**
,
**儀表(biao)體系(xi)的故障率不是常數
;
第三
,
**儀(yi)表體系不可靠的時間
,
取(qu)決于檢驗測試是否還能(neng)影響其可靠性。
Rouvroye
在研究增強馬爾科夫模型中提出
,
工程中
,
**儀表體(ti)系(xi)的檢(jian)驗測試覆蓋(gai)率(lv)一般為
80%,
其
PFD
隨著時間的(de)增加(jia)而變大。徐明和(he)陽(yang)憲(xian)惠(hui)究馬(ma)爾(er)科夫模型狀態轉移矩陣特征值分解的(de)方法
,
揭(jie)示(shi)了
PFD
隨時間變化的趨(qu)勢
,
**儀表(biao)體系的
PFD
隨著(zhu)時(shi)間(jian)的增大變為(wei)
1,
即(ji)可靠性減(jian)小為
0
。
因(yin)此
,
當**儀表(biao)體系(xi)的檢驗測試(shi)覆蓋(gai)率(lv)不能達到(dao)
100%
時
,
**儀(yi)表體系的可靠性(xing)隨著時間不(bu)斷減小(xiao)
,
當可靠(kao)性減(jian)小到一定(ding)程度(du)時(shi)
,
導致
SIL
減小(xiao)一個等級(ji)時
,
**儀表體系就不能滿足要求。這時
,
需要對(dui)**儀表體系進(jin)行糾(jiu)正(zheng)
,
即**生命周期(qi)中的(de)第(di)
15
階(jie)段。
任何一個設(she)備在它投入使用時
,
工(gong)作正常(chang)
,
隨(sui)著(zhu)時(shi)間(jian)的流逝
,
設備正常工(gong)作(zuo)的(de)可能性越來越小
,
當時(shi)間趨于(yu)無(wu)窮時(shi)設備正常工(gong)作的概率為
0
。由高可靠(kao)性可編(bian)程控制體系(xi)
PLC
、
繼電器、
檢測儀表、
開關、
電磁(ci)閥等(deng)組成的**儀表體(ti)系(xi)的可靠性(xing)也會隨著時間的流(liu)逝
,
可靠性越來越小(xiao)。在**儀(yi)表體系的設計階段
,
根據需求(qiu)
SIL
等(deng)級
,
選(xuan)擇一定型號(hao)的(de)器(qi)件
,
并使之滿足要求
,
但(dan)在使(shi)用過程中(zhong)
,
由于檢驗測試覆蓋率達(da)不到
100%,
**儀表體系各器件的
PFD
會增大
,
可(ke)能會(hui)導致**儀(yi)表體系的
SIL
等級不(bu)能(neng)滿足要求。這(zhe)時(shi)
,
就需要對**儀(yi)表體系(xi)進行糾正
,
如能預知**儀表體系的(de)
SI L
等(deng)級不能滿(man)足要求的時間
,
及時(shi)對**儀(yi)表體系進行(xing)糾(jiu)正
,
就可以保證**儀(yi)表(biao)體系在整個運(yun)行期(qi)間的功能(neng)**。
3. 油自動震蕩儀時間的確認
確認**儀表體(ti)系(xi)的糾正時(shi)間
,
即(ji)研究**儀(yi)表體(ti)系的
PFD
何時超過目標
SIL
等級的范圍
,
這需要對**儀表體系進行定(ding)量(liang)(liang)分析(xi)。定(ding)量(liang)(liang)分析(xi)**儀表體系可(ke)靠性方法有
:
可靠(kao)性(xing)框圖、
故障樹(shu)和馬爾科夫模型。馬爾科夫模型將體系(xi)歸為不同的若干狀態。一(yi)個狀態以(yi)某(mou)種概率轉移到其他狀態
,
并且體系將來所處的狀態和體系的歷史(shi)狀態無(wu)關
,
只和現在(zai)的狀態有關。**儀表體(ti)系失效的指(zhi)數概(gai)率(lv)密度(du)正好能夠符合馬(ma)爾科夫模型的這種無記(ji)憶(yi)性質
,
并且利用馬爾科夫(fu)模型具有(you)以下優點(dian)
:
( 1)
模型既可以包括設(she)(she)備(bei)的**失(shi)效也可以包括設(she)(she)備(bei)的危險(xian)失(shi)效
; ( 2)
通過一次建模可(ke)以得到
PFD, PFS,MTTF
等多(duo)個可靠性(xing)指標
;
( 3)
該(gai)模型(xing)能夠反(fan)體系從(cong)啟動到(dao)失效(xiao)再(zai)到(dao)正常運行的(de)一連串的(de)事(shi)件序列(lie)
,
利于深(shen)入(ru)了解體(ti)系的(de)變(bian)化規律
,
提高定量可靠性分析精度(du)
; ( 4)
馬爾科夫模型能夠覆蓋*多的影響可靠性的因素
,
例如結構(gou)冗余、共因失效(xiao)、
自診斷、
在線或離線測(ce)試維修等
;
( 5)
不受設備之間的(de)依賴關系影響(xiang)
,
其計算量主(zhu)要取決于體系的狀態
,
不需要(yao)假設來簡化(hua)模型
,
因此(ci)具有(you)更好(hao)的(de)計算(suan)精度(du)。
因此本文采用(yong)馬(ma)爾(er)科夫(fu)模(mo)型的(de)方法對體(ti)系的(de)可靠性進(jin)行分析。馬(ma)爾(er)科夫(fu)模(mo)型采用(yong)狀態(tai)(tai)轉移圖(tu)表示體(ti)系狀態(tai)(tai)變化。狀態(tai)(tai)轉移圖(tu)所用(yong)的(de)符號
,
圓(yuan)圈表(biao)示體系(xi)的狀(zhuang)態
,
可以(yi)是正(zheng)常、
失效或者中(zhong)間狀(zhuang)態。帶箭(jian)頭的一條(tiao)弧線表示體系(xi)狀(zhuang)態的轉(zhuan)移
,
起點表示轉移前體系狀態(tai)
,
終(zhong)點表示轉移后(hou)狀(zhuang)態(tai)(tai)。通常狀(zhuang)態(tai)(tai)之間的(de)(de)轉移概(gai)率(lv)標于(yu)相應的(de)(de)弧線旁。
一個(ge)油自動震蕩(dang)儀時間的(de)(de)確認:每個(ge)狀(zhuang)態表示正常設(she)備(bei)和失效設(she)備(bei)的(de)(de)組合。設(she)備(bei)的(de)(de)失效和維修(xiu)通(tong)過帶(dai)箭頭的(de)(de)弧線來表示。隨著失效和維修(xiu)
,
體(ti)系(xi)從一個狀態轉(zhuan)移到另一個狀態。體(ti)系(xi)有四種一般狀態
:
正(zheng)常(chang)
(OK)
、
**失效
( FS)
、
檢測(ce)到的危險失效
( FDD)
和未(wei)檢測到的(de)危險(xian)失效
( FDU )
。其中
OK
是正常(chang)工作狀態
,
其余三(san)個是故障狀態。
求解(jie)馬爾(er)科夫模(mo)型的(de)方(fang)法(fa)有很(hen)多,工程上采用一種離散(san)時(shi)間矩陣(zhen)相乘的(de)方(fang)法(fa)非常有效和方(fang)便。首先選擇一個時(shi)間間隔(ge)
Δt
作為基本的(de)時間單(dan)位
,
狀(zhuang)態的轉移概(gai)率(lv)(lv)(lv)等于失效率(lv)(lv)(lv)或(huo)者維修率(lv)(lv)(lv)與時(shi)間(jian)間(jian)隔(ge)的乘積(ji)
(λΔt
或
μΔt)
。
時間(jian)間(jian)隔(ge)越小
,
模型的精度便越(yue)高。
為了減少計算量(liang)
,
同時盡可能的減(jian)少精度上的損失
,
本文(wen)取(qu)
Δ t
為(wei)**。
體系初始狀態所(suo)有(you)設備均正(zheng)常工作
,
則
n
維初始(shi)向量(liang)
S0= [ 1 0 0], n
為(wei)體系狀態的個數(shu)。若(ruo)第
n - 1
和
n
個狀態(tai)分別(bie)是檢(jian)測到的危險(xian)(xian)失效和(he)未檢(jian)測到的危險(xian)(xian)失效
,
則
n
維(wei)
失效向量(liang)為
VD =[ 0 0 0 1 1]T
。
故在一個檢驗測試(shi)周期內
,
體系狀(zhuang)態
Si
為
:
Si = S0 Piday ( i= 1 , 2 , ?, TI)
PFDi = S0 Piday VD( i= 1, ?, TI)
體系的(de)要求時平均失效(xiao)概率(lv)
PFDavg
為(wei)
:
PFDavg =1/TI Σ So. Piday .VD
式中
: TI——
體系的檢驗測試周期
,
天
; S0——
體系(xi)的初始(shi)狀態
; Pday——
體系**的狀態轉移矩陣
;VD——
體(ti)系的
n
維失效向量。
本文以
1oo2
結(jie)構的體系為例
,
建立馬(ma)爾科(ke)夫模(mo)型
。選擇參數(shu)為
:
檢驗測試(shi)周期
( TestInterva l
,
TI)
為
365
天
,
故障率(lv)
λ
為
1X 10^(-5 ),
共因失效率
β
為
10%,
診(zhen)斷(duan)覆蓋率
(D iagnostic Coverage ,DC)
為
60%
。
本文(wen)利(li)用自己編寫的(de)
MATLAB
程序(xu)
,
求得(de)體(ti)系在**個檢驗測(ce)試周(zhou)期內的平均要求時失效概率(lv)
PFDavg= 9. 6 X10^(-4);
根(gen)據標準
IEC61508-6
中表
B . 12
得到
PFDavg= 9. 7 X10^(-4)
兩者基(ji)本相等
,
從而(er)驗證了(le)該馬爾科夫(fu)模型以及程序的正確性。
油自動震蕩儀(yi)時間的確認
IEC61508-6
中要求(qiu)
,
在一(yi)個**生命周期(qi)中
,
為了保證**儀表(biao)體系的可靠性
,
需要對體系進行周期性的檢驗測(ce)試。
在(zai)研究**儀表體系的功(gong)能**中(zhong)
,
令檢驗(yan)測試的狀態轉移(yi)矩陣為
W ,
因(yin)為未檢測到(dao)的危險失效只有通(tong)過檢驗測試才能發現(xian)并進行維修。
一般假設(she)檢驗測(ce)試到的故(gu)障都能夠完全維修。以前面提到的
1oo2
結構為例
,
取
CTI= 100 %,
即(ji)體系的檢驗測(ce)試覆蓋率為
100%,
表示體系每次檢(jian)驗測試(shi)后(hou)都(dou)能(neng)回到全新的(de)狀(zhuang)態
,
經過仿真得到整個**生命周(zhou)期(qi)的
PFDavg
變化(hua)曲線
,
由該圖可以看出
,
當檢驗測試覆蓋率為
100%
時
,
**儀表體(ti)系的(de)平均要求時失效概率(lv)是不發生變化(hua)的(de)。
但是(shi)在(zai)實際過(guo)程(cheng)中
,
由于環境、
檢測技術、
維修技術等原因(yin)
,
體(ti)系的檢驗測(ce)試(shi)覆蓋率不可能(neng)達到
100%,
本(ben)文(wen)分別取
CTI= 80%, CTI= 50%, CTI= 0,
得到(dao)體系的
PFDavg
變化曲線
。
可以看出體系的(de)
PFDavg
與體系的檢驗測試覆蓋率有(you)很大的關系。
如果體系的檢驗測試覆蓋率達不到
100 %,
那么**儀表體系
PFDavg
會隨著(zhu)使用時間(jian)(jian)的(de)增加(jia)而變大(da)。這樣就會造成設(she)計(ji)時滿(man)足要求(qiu)的(de)體系隨著(zhu)時間(jian)(jian)的(de)增加(jia)可(ke)能會不滿(man)足要求(qiu)
,
這(zhe)時就(jiu)需要對體(ti)系進行糾正
,
使其滿足**可靠(kao)性要求。
4. 油自動震蕩儀時間的確認
4. 1
選取實例
本文將采用國際標準
IEC61508
中第六部分(fen)
B2. 4
提供的示例。取檢驗測試(shi)的時間(jian)間(jian)隔為
1
年
,
并將*終元件子體(ti)系的關閉閥改為(wei)
1oo2
結構
,
其要求的
SI L
等級為
SIL2
。
由(you)體系的結構與參(can)數可得其傳感(gan)器子體系的
PFDS
、
邏輯子體系的
PFDL
和執行(xing)子體(ti)系的(de)
PFDFE
分別為(wei)
:
PFDS = 2. 3X10^(-4 )
PFDL = 4 . 8 X 10^(- 7) PFDFE = 4. 4 X 10^(- 3)+ 9. 7X10^(- 4)= 5 . 4X10^(- 3)
整個體系的(de)要求時失效概率
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(xi)的**完整性等級為
SI L2,
滿足要(yao)求。
4.2
仿真(zhen)各體(ti)系的
PFD
變化曲線(xian)
工程中
,
**儀表體系的檢驗測試覆蓋率達不到
100%,
一(yi)般為
80%,
因此本例取
CTI= 80%
。首先(xian)建立各子(zi)體系的(de)馬爾科夫模型
,
并(bing)采用
MATLAB
程(cheng)序對(dui)各馬(ma)爾科夫模型進行仿真
,
得到各子體系在運(yun)行期間
PFD
變化曲線。*后根據
PFDSYS= PFDS+ PFDL+ PFDPE
得(de)出整個(ge)體系的
PFD
及
PFDavg
變(bian)化曲線見圖(tu)
,
由圖可以看出
,
在(zai)每(mei)個(ge)檢修時刻
,
**儀表體系(xi)的
PFD
會減小
,
這是由于(yu)**儀表體系的檢驗測(ce)試(shi)(shi)能發現并維(wei)修未檢測(ce)到的危險(xian)失(shi)效。但是由于(yu)檢驗測(ce)試(shi)(shi)覆蓋率不能達到
100 %,
**儀表(biao)體系(xi)的要求時(shi)(shi)失效概(gai)率會隨著(zhu)時(shi)(shi)間的流逝而增(zeng)大。該**儀表(biao)體系(xi)在應用(yong)三年(nian)后
,
**等級由
SIL2
變為
SIL1,
不滿足企業對風險的(de)控(kong)制要求
,
即第四(si)年需要(yao)對**儀(yi)表體系(xi)進行糾正
,
這與(yu)實(shi)際情況(kuang)正好符合。采用(yong)這種方法
,
可以預知**儀(yi)表體系(xi)在何時不滿足要求
,
以便及時對**儀表體(ti)系進行糾正
,
確保(bao)**儀表(biao)體系(xi)在整個**生命周期都(dou)能(neng)夠滿足要求。
5.
總
結
當檢驗測試覆蓋率不能達到(dao)
100%
時
,
**儀表體系的
PFDavg
會隨(sui)著時(shi)間增加
,
導致*初設計的(de)**儀表體系(xi)不滿(man)足
SI L
等級的(de)(de)要(yao)求(qiu)。本文(wen)采用馬爾科夫模(mo)型的(de)(de)方法(fa)對體系(xi)進行建模(mo)
,
并(bing)采用
MAT-LAB
仿真
PFD
的變化曲(qu)線
,
得出**儀表體系的糾正時間(jian)。采用這種方法可以及時地(di)對**儀表體系進行(xing)糾正
,
使**儀表體系維持要求的**完整性等級
,
為工(gong)程中的實際應用提供一種參考方法。
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