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1、單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,第七章 遠動監(jiān)控系統(tǒng)可靠性,遠 動 監(jiān) 控 技 術(shù),西南交通大學電氣工程學院,1,第六章 遠動監(jiān)控系統(tǒng)可靠性,第一節(jié) 常用的可靠性指標,第二節(jié) 遠動監(jiān)控系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計,第三節(jié) 硬件可靠性設(shè)計,第四節(jié) 軟件的可靠性,第五節(jié) 接地技術(shù),第六節(jié) 抗干擾編碼,2,1.,可靠度,R,（,t,）,在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，系統(tǒng)能完成規(guī)定功能的概率。,與可靠性有關(guān)的常用參數(shù)定義：,RAMS,R,eliability,A,vailability ,M,aintainability,，,S,ecurity,可靠性 可用性 可維護性 安全性,2.

2、,瞬時失效率,(t,),電子設(shè)備 老化 基本為一常數(shù),單位時間內(nèi),t,時刻，系統(tǒng)發(fā)生瞬時失效的概率。,可靠性參數(shù),(,R,eliability,),：,3,3.,平均壽命,MTTF,和平均無故障工作時間,MTBF,平均壽命,MTTF(Mean,Time To Failure),：,（不可維修系統(tǒng)）,一批相同產(chǎn)品失效前工作壽命的平均值。,平均無故障工作時間,MTBF(Mean,Time Between Failure),：,（可維修系統(tǒng)）系統(tǒng)兩次相鄰故障間的工作時間的平均值,。,4,并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性,:,如果組成系統(tǒng)的所有單元都失效，整個系統(tǒng),才會失效，這種系統(tǒng)稱為并聯(lián)系統(tǒng),。,1,2,n-1,

3、n,并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性,:,并聯(lián)系統(tǒng)的失效率,:,并聯(lián)系統(tǒng)的平均無故障時間：,MTBF=,5,串聯(lián)系統(tǒng)：,串聯(lián)系統(tǒng)的失效率：,串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性,:,1,2,N,思考題：,并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性,串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性，為什么,?,6,可用性參數(shù),(,A,vailability ,M,aintainability),1.,系統(tǒng)維修度,G(t,),在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)，系統(tǒng)能被修復(fù)的概率。,2.,修復(fù)率,(t,),單位時間,t,時刻，系統(tǒng)瞬時被修復(fù)的概率。,3.,平均修復(fù)時間,MTTR,：,MTTR=1/,5.,穩(wěn)態(tài)有效度,A,（,系統(tǒng)利用率,系統(tǒng)可用率,）,4.,瞬態(tài)有效度,A,（,t,）,系統(tǒng)在時刻,

4、t,處于可工作狀態(tài)的概率。,穩(wěn)態(tài)有效度定義：當時間,t,趨于無窮大情況下的瞬態(tài)有效度，,系統(tǒng)的利用率,即：,7,大系統(tǒng)可用率：,一個大系統(tǒng)往往由多個,相對獨立的部分,組成，這些部分被稱為,子系統(tǒng)。,每個子系統(tǒng)都有自己的可用率。,這些子系統(tǒng)組成一個大系統(tǒng)時，根據(jù)這些子系統(tǒng)的之間的連接關(guān)系，可以計算出整個系統(tǒng)的可用率：,串聯(lián)系統(tǒng)的可用率,：由多個子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，若該系統(tǒng)必須在每個子系統(tǒng)均正常運行的條件下才能正常運行，則各個子系統(tǒng)的連接是串聯(lián)的，這樣的系統(tǒng)為串聯(lián)系統(tǒng)。,8,串聯(lián)系統(tǒng)的可用率與各子系統(tǒng)可用率的關(guān)系為：,其中 為系統(tǒng)可用率； 為各子系統(tǒng)的可用率。,舉例：有兩個子系統(tǒng)，可用率分別為,90

5、%,和,95%,，在它們串聯(lián)后，總可用率為：,85.5%,結(jié)論：子系統(tǒng)的串聯(lián)使總的可用性下降！,9,并聯(lián)系統(tǒng)的可用率,若系統(tǒng)由兩個或多個并列的子系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)在,其中一個子系統(tǒng)正常運行時就能保證正常運行，則,各個子系統(tǒng)的連接關(guān)系是并聯(lián)的，這樣的系統(tǒng)被稱,為并聯(lián)系統(tǒng)。,對于兩個子系統(tǒng)并聯(lián)而成的系統(tǒng)，其可用率與兩個子系統(tǒng)的可用率的關(guān)系為：,舉例：有兩個子系統(tǒng)，可用率分別為,90%,和,95%,，在它們并聯(lián)后，總可用率為：,99.5%,結(jié)論：子系統(tǒng)的并聯(lián)使總的可用性提高！,10,提高系統(tǒng)可靠性指標的方法：,采?。?冗余設(shè)計、減額設(shè)計、熱設(shè)計、穩(wěn)定性設(shè),計、電磁兼容性設(shè)計、軟件可靠性設(shè)計等,提高可靠

6、性的方法，保證電路、系統(tǒng)在設(shè)計,時既具有較高的可靠性指標,。,11,第六章 遠動監(jiān)控系統(tǒng)可靠性,第一節(jié) 常用的可靠性指標,第二節(jié) 遠動監(jiān)控系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計,第三節(jié) 硬件可靠性設(shè)計,第四節(jié) 軟件的可靠性,第五節(jié) 接地技術(shù),第六節(jié) 抗干擾編碼,12,冗余系統(tǒng)定義,：,某一設(shè)備或系統(tǒng)與另一設(shè)備或系統(tǒng)的基本功能完全相同，它們不管其中一個運行還是故障，另一個都可以執(zhí)行要求的功能。,冗余方式,的系統(tǒng)配置,方案,：重要設(shè)備、信道、控制終端、打印機等。,冗余配置的,目的,：提高系統(tǒng)的可靠性。,冗余的備用方式：,冷備用,：作為備用的設(shè)備不運行指定的程序或關(guān),機待命，主機故障或需切換時投入。,熱備用,：主備同時運

7、行，備機監(jiān)視主機，自動切,換，故障或需要時切換運行。,13,無冗余系統(tǒng)的可靠性：,對于兩個相同單元組成的可維修并聯(lián)熱備用系統(tǒng)：,單元系統(tǒng)：,穩(wěn)態(tài)有效度：,（系統(tǒng)利用率）,對可維修并聯(lián)熱備系統(tǒng)停機時間：,由,A=MTBF/(MTBF+MTTR),可得：,瞬時失效率,修復(fù)率,14,例：,?。核矔r失效率,0.00025,系統(tǒng)修復(fù)率,0.004,則：,MTBF,1,4000h,，,A,1,94.12%,MTBF,2,36000h,，,A,2,99.65%,可見：,采用雙冗余可維修系統(tǒng)，可大幅提高系統(tǒng)的,MTBF,以及系統(tǒng)利用率。,多冗余系統(tǒng)：效果進一步改善不明顯，但成本大大,增加！,15,調(diào)度端,通信

8、前置機,2,服務(wù)器,1,以太網(wǎng)交換,機,服務(wù)器,2,磁帶機,磁盤陣列,通信前置機,1,調(diào)度員工作站,1,調(diào)度員工作站,2,設(shè)調(diào)度端系統(tǒng)各設(shè)備的可用率分別為,:,服務(wù)器,1,：,A,1,服務(wù)器,2,：,A,2,磁盤陣列,A,3,調(diào)度員工作站,1,：,A,4,調(diào)度員工作站,2,：,A,5,通信前置機,1,：,A,6,通信前置機,2,：,A,7,以太網(wǎng),1,：,A,8,以太網(wǎng),2,：,A,9,16,則調(diào)度系統(tǒng)的可用性模型為,:,A,1,A,2,A,6,A,7,A,4,A,5,A,3,A,8,A,9,則系統(tǒng)可用性指標為,As:,As=,(A,1,+(1-A,1,)*A,2,),*,A,3,*,(A,4

9、,+(1-A,5,)*A,4,),*,(A,6,+(1-A6)*A,7,),*,(A,8,+(1-A,8,)*A,9,),A1+(1-A1)*A2,A4+(1-A5)*A4,A8+(1-A8)*A9,A6+(1-A6)*A7,A3,17,第六章 遠動監(jiān)控系統(tǒng)可靠性,第一節(jié) 常用的可靠性指標,第二節(jié) 遠動監(jiān)控系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計,第三節(jié) 硬件可靠性設(shè)計,第四節(jié) 軟件的可靠性,第五節(jié) 接地技術(shù),第六節(jié) 抗干擾編碼,18,一、遠動通道及通信設(shè)備雙冗余,一般，遠動通道及通信設(shè)備均設(shè)計為雙冗余備用結(jié)構(gòu)。根據(jù)通道的實際傳輸媒介的不同，通道冗余備用結(jié)構(gòu)又可分為環(huán)形結(jié)構(gòu)和雙,T,形結(jié)構(gòu)。,圖,6.3,雙,T,結(jié)構(gòu)

10、,特點,:,單,T,故障不會影響系統(tǒng)通信,19,環(huán)型結(jié)構(gòu),突出優(yōu)點,：各執(zhí)行端除接收、執(zhí)行來自調(diào)度端的命令外，還對經(jīng)過本站傳送的報文進行中繼放大（多為再生中繼方式），該方式下,單點故障不會影響系統(tǒng)通信,。,圖,6.4,環(huán)型結(jié)構(gòu),20,CMOS,電路在,噪聲容限,方面優(yōu)于,TTL,電路，因而執(zhí)行端的電路盡可能采用高速,CMOS,電路,遵循,減額設(shè)計,原則：“減額”使元器件產(chǎn)品在低于其額定值的條件下工作。以降低元器件失效率和提高設(shè)備可靠性。,對,電源,部分的設(shè)計：包括器件選擇、絕緣設(shè)計、布線設(shè)計、抗干擾、,熱穩(wěn)定,、通風等,看門狗電路,：,計時電路,電磁兼容,(EMC),，傳導輻射,二、電路優(yōu)化設(shè)

11、計,21,電磁兼容的意義：,電氣或電子設(shè)備或系統(tǒng)能夠在規(guī)定的電磁環(huán)境下不因電磁干擾而降低工作性能，他們本身所發(fā)射的電磁能量不影響其他設(shè)備或系統(tǒng)的正常工作，從而達到互不干擾，在共同的電磁環(huán)境下一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。,電磁兼容的內(nèi)容：,抗干擾（設(shè)備和系統(tǒng)抵抗電磁干擾的能力）和電磁發(fā)射控制（設(shè)備和系統(tǒng)發(fā)射的電磁能量的控制）兩個方面。,電磁干擾的三要素,：,干擾源、傳播途徑和接收器,干擾源,:,危害性電磁信號,傳播途徑,:,輻射和傳導,接收器,:,收到電磁信號的電路,.,22,1,電磁干擾源分析,目前與電力系統(tǒng)有關(guān)的電磁干擾源有外部干擾和內(nèi)部干擾兩方面。,外部干擾源指的是與遠動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)無關(guān)，而

12、是由使用條件和外部環(huán)境因素決定的干擾源。對變電站的,RTU,裝置來說，外部干擾源主要有,交、直流回路開關(guān)操作、擾動性負荷（非線形負荷、波動性負荷）短路故障、大氣過電壓（雷電）、靜電、無線電干擾和核電磁脈沖,等。,概括表現(xiàn)為如下三類：,變電站設(shè)備的交流電源及直流電源受低頻振動擾動；,傳導瞬變和高頻干擾；,場的干擾,。,23,2,電磁干擾的耦合途徑,電磁干擾耦合的途徑可歸納為如下幾種：,（,1,）電容性耦合。,（,2,）電感性耦合。,（,3,）共阻抗耦合。,（,4,）輻射耦合,24,3,電磁干擾可能造成的后果,（,1,）電源回路干擾的后果。,（,2,）模擬量輸入通道干擾的后果。,（,3,）開關(guān)量輸

13、入、輸出通道干擾的后果。,（,4,）,CPU,和數(shù)字電路受干擾的后果,25,提高電磁兼容性和抗干擾能力的,6,大法寶：,接地,隔離,屏蔽,雙絞,吸收,濾波,26,1,接地,一次系統(tǒng)接地,：,處理一次系統(tǒng)接地時，應(yīng)注意對于引入瞬變大電流的地方應(yīng)設(shè)多根接地線并加密接地網(wǎng)，以降低瞬變電流引起的地電位升高和地網(wǎng)各點電位差。,（,1,）設(shè)備接地線要接于地網(wǎng)導體交叉處。,（,2,）設(shè)備接地處要增加接地網(wǎng)絡(luò)互連線。,（,3,）避雷針、避雷器接地點應(yīng)采用兩根以上的接地線和加密接地網(wǎng)絡(luò)。,27,二次系統(tǒng)接地,：,二次系統(tǒng)接地分安全接地（保護接地）和工作接地兩大類,。,對工作接地要求是：,1,）工作接地網(wǎng)（總線）

14、各點電位應(yīng)一致；,2,）多個電路公用接地線時，其阻抗應(yīng)盡量小；,3,）由多個電子器件組成的系統(tǒng)，各電子器件的工作接地應(yīng)連在一起，通過一點與安全接地網(wǎng)相連。,28,1),保護性接地,防電擊接地,防雷接地,防靜電接地,2),功能性接地,邏輯接地,屏蔽接地,信號回路接地,29,被控站系統(tǒng)的地線種類,。,在變電站綜合自動化系統(tǒng)中，大致有如下,5,種地線：,1,）微機,電源地和數(shù)字地,（即邏輯地）：這種地是微機直流電源和邏輯開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的零電位。,2,）,模擬地：,這是,A/D,轉(zhuǎn)換器和前置放大器或比較器的零電位。,3,）,信號地,：這種地通常為傳感器的地。,4,）,噪聲地,：是繼電器、電動機等的噪聲地。,

15、5,）,屏蔽地,：即機殼接地,。,30,微機電源地（,0V,）,和數(shù)字地的處理,。,1,）微機電源地采用浮地的方法。,2,）微機電源地與機殼共地。,3,）一點接地和多點接地問題。,31,圖,7.3.2,一點接地示意圖,32,數(shù)字地和模擬地的處理,。,1,）數(shù)字地和模擬地共地，其連接方法如圖,7.3.4,所示。,2,）模擬地浮空的接線方式。,3,）模擬地和數(shù)字地通過一對反相二極管相連接。其連接方法如圖,7.3.5,所示。,33,圖,7.3.4,模擬地與數(shù)字地的連接,圖,7.3.5,模擬地與數(shù)字地通過二極管連接,34,2.,隔離,目的,：通過隔離元器件把噪聲干擾的路經(jīng)切斷,從而達到抑制噪聲干擾的效

16、果。,1,模擬量的隔離,(,互感器，光電隔離,),2,開關(guān)量輸入、輸出的隔離,(,光電隔離,),3,其他隔離措施,(,繼電器隔離,),返回本節(jié),35,3,屏蔽,（,1,）一次設(shè)備與自動化系統(tǒng)輸入、輸出的連接采用帶有金屬外皮（屏蔽層）的控制電纜，電纜的屏蔽層兩端接地，對電場耦合和磁耦合都有顯著的削弱作用。,（,2,）二次設(shè)備內(nèi)，綜合自動化系統(tǒng)中的測量和微機保護或自控裝置所采用的各類中間互感器的一、二次繞組之間加設(shè)屏蔽層，這樣可起電場屏蔽作用，防止高頻干擾信號通過分布電容進入自動化系統(tǒng)的相應(yīng)部件。,（,3,）機箱或機柜的輸入端子上對地接一耐高壓的小電容，可抑制外部高頻干擾。,（,4,）執(zhí)行端,RT

17、U,的機柜和機箱采用鐵質(zhì)材料，本身也是一種屏蔽。,36,4,減少強電回路的,感應(yīng)耦合,（,1,）控制電纜盡可能離開高壓母線和暫態(tài)電流的入地點，并盡可能減少平行長度。,（,2,）電流互感器回路的,A,、,B,、,C,相線和中性線應(yīng)在同一根電纜內(nèi)，避免出現(xiàn)環(huán)路。,（,3,）電流和電壓互感器的二次交流回路電纜，從高壓設(shè)備引出至監(jiān)控和保護安裝處時，應(yīng)盡量靠近接地體，減少進入這些回路的高頻瞬變漏磁通。,返回本節(jié),37,1.,遙控輸出電路,三、外圍接口電路的可靠性設(shè)計,38,BJ1,、,BJ2,取保護,的作用。,HJ,、,LJ,分別為,行、列,繼電器。,計算機輸出接口控制,BJ,、,HJ,、,LJ,。由,

18、HJ,、,LJ,來確定被控對象的,出口繼電器,（,CJ,）。,借助于,狀態(tài)采集,和保護出口繼電器，可有效地保證輸出繼電器不會錯誤輸出。,無,CJ,閉合時，,U,O,=0,。,有一個,CJ,閉合時，,U,O,=U,1,。,有,K,個,CJ,閉合時，,U,O,=KU,1,。,39,采用,光電隔離,技術(shù)，使其,RTU,的內(nèi)系統(tǒng)和外系統(tǒng)在電氣上實現(xiàn)有效的隔離，避免外界的干擾直接進入系統(tǒng)內(nèi)部，造成系統(tǒng)損壞。,常用的隔離措施有光電隔離、繼電器隔離、隔離變壓器隔離。,對模擬量采集：主要是區(qū)分“模擬地”和“數(shù)字地”,：模擬回路和數(shù)字回路是不同的電氣系統(tǒng)，必須將兩個,地,分離，不能混淆。,2.,遙信、遙測采集電

19、路,40,第六章 遠動監(jiān)控系統(tǒng)可靠性,第一節(jié) 常用的可靠性指標,第二節(jié) 遠動監(jiān)控系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計,第三節(jié) 硬件可靠性設(shè)計,第四節(jié) 軟件的可靠性,第五節(jié) 接地技術(shù),第六節(jié) 抗干擾編碼,41,軟件不可靠的原因：,軟件是人工制造的邏輯性非常強的產(chǎn)品，生產(chǎn)過程中的種種原因，都可能造成差錯或故障。,軟件研制方法未完全成熟，缺乏堅實的科學基礎(chǔ)和管理制度。,至今沒有一套完善的程序正確性的驗證方法和理論，對研制的軟件進行徹底有效的驗證。,42,在設(shè)計、編制和調(diào)試中發(fā)生的錯誤,在移植、修改中產(chǎn)生的錯誤,算法的近似性，導致整個變量區(qū)的不夠精確；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的缺陷、數(shù)據(jù)描述符與實際使用不一致,程序中出現(xiàn)了特異點和臨界值

20、，未提供相應(yīng)的測試和處理,特權(quán)用戶操作失效，造成系統(tǒng)軟件出錯或局部功能實效,硬件故障造成軟件出錯（如磁盤故障導致程序或數(shù)據(jù)出錯）,電磁干擾，使程序或數(shù)據(jù)丟失或出錯,系統(tǒng)環(huán)境（硬件、軟件）變化時，程序不能隨環(huán)境而變化,操作錯誤使軟件受到破壞或發(fā)生差錯,軟件錯誤的來源，主要有以下幾個方面：,43,軟件可靠性：,軟件在規(guī)定的時間內(nèi)和規(guī)定的條件下，能正常執(zhí)行其規(guī)定的功能而無差錯的概率。,軟件故障（,Fault,）：,當軟件運行時，由于軟件內(nèi)部錯誤的存在而導致不能實現(xiàn)其規(guī)定的任務(wù)。,軟件失效（,Failure,）：,指軟件失去了規(guī)定的功能，或者說是由軟件錯誤導致可見輸出錯誤的一個事件。,44,軟件的,失

21、效率曲線：,一、軟件失效率曲線,45,二、軟件可靠性與硬件可靠性的比較,46,軟件可靠性的三個要素,:,1),規(guī)定時間,:,2),規(guī)定的環(huán)境條件,3),規(guī)定的功能,47,三、提高軟件可靠性的措施,嚴格采用模塊化結(jié)構(gòu)，接口定義清晰明確，劃分簡潔合理。,編程風格嚴謹，力求避免結(jié)構(gòu)上的混亂。,具有詳盡的注釋，保證良好的可讀性，以利于分析、修改。,對程序的修改調(diào)試應(yīng)有完整的記錄。,程序應(yīng)具有良好的抗干擾能力，即程序?qū)邮芡饨绲闹噶畹臈l件要作嚴格的判斷，保證輸入的非法信息不會干擾系統(tǒng)的正常運行；防止計算機病毒的侵入。,3.,嚴格規(guī)定編程要求,2.,選取主流工具軟件和操作系統(tǒng)：,便于交流、升級、換代,。,

22、1.,改進軟件的生產(chǎn)管理,按照軟件工程的原理、方法，建立科學的生產(chǎn)管理制度和生存期內(nèi)的完整檔案資料，嚴格按照有關(guān)的規(guī)范、規(guī)定執(zhí)行,。,48,4.,采用組態(tài)軟件的形式,組態(tài)軟件是一組功能很強的工具軟件包。,在組態(tài)軟件中，將程序代碼設(shè)計成相對固定的模塊，這些模塊根據(jù)指定的數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)來確定其操作數(shù)、操作步驟及操作結(jié)果。,5.,人機界面,：,6.,與硬件相關(guān)的軟件問題,：,軟件的存儲介質(zhì)；容錯設(shè)計等；軟硬件結(jié)合。,采用漢字、圖形顯示；顯示清晰、簡明、易于理解，不能造成意義上的含混。,對各種操作有明確提示信息，對錯誤操作輸入提出警告。,對系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常情況要進行及時的記錄和報警，并給出處理情況的

23、提示信息。,49,干擾對測控系統(tǒng)的影響：,（,1,）干擾使數(shù)據(jù)采集的誤差加大。,（,2,）干擾使輸出控制誤差加大。,（,3,）數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化。,（,4,）干擾使程序運行失常。,1,提高采樣信號信噪比的措施,2,軟件冗余措施,3,設(shè)置自診斷程序,50,常用的自檢程序如下：,1,防止程序運行失常的措施,2,RAM,、,ROM,的自檢程序,3,A/D,、,D/A,轉(zhuǎn)換器的自檢程序,4,面板顯示裝置的檢查,5,總線及插件自檢,51,1,防止程序運行失常的措施,（,1,）監(jiān)視,CPU,工作的定時計數(shù)器,（,2,）設(shè)置軟件陷阱,2,RAM,、,ROM,的自檢程序,（,1,）,ROM,自檢,（,2,）,

24、RAM,自檢程序,52,檢查,ROM,最常用的方法是采用校驗和法。,即在將程序?qū)懭?ROM,時，保留一個單元（一般是最后一個單元）不寫程序碼而寫入校驗字，使,ROM,的每一列（即字節(jié)的各位）具有奇數(shù)（或偶數(shù)個）,1,，從而使,ROM,的校驗和為全,1,（或全,0,）。,例：如表,7.4.1,所示是,88ROM,，前面,7,個單元寫入的是程序代碼，最后一字節(jié)寫入校驗字,11001010B,，使最后的校驗和為全,1,。校驗程序則從,ROM,的第一個單元開始，按位相加，最后的校驗和若與設(shè)置的全,1,（或全,0,）相等，則說明,ROM,內(nèi)容正確，否則指示,ROM,出錯，如圖,7.4.2,所示。,53,圖,7.4.1 ROM,自檢原理,54,圖,7.4.2 ROM,自檢程序流程圖,設(shè)地址指針，設(shè)計數(shù)值,清工作單元,按字節(jié)讀,ROM,工作單元異或,地址指針加,1,計數(shù)器減,1,計數(shù)器為,0,？,工作單元內(nèi)容變反,結(jié)果為,0,？,置,ROM,故障標志,結(jié)束,55,圖,7.4.3,RAM,自檢,框圖,56,