GB／Z 42023.2-2022标准规范下载简介

GB／Z 42023.2-2022／IEC TR 63164-2：2020 工业自动化设备和系统可靠性 第2部分：系统可靠性.pdf

工业自动化设备和系统可靠性

本文件基于单个设备和/或子系统的可靠性数据以及数据的表示形式，提供了可以简化为串联、并 联或混联的自动化系统的可靠性数据计算指南。 注：本过程仅针对自动化系统的可靠性，而非嵌人了自动化系统的系统，如流程工厂。 可靠性包含在可信性中，本文件主要研究影响可靠性的随机硬件失效。可信性是一个与时间有关 的质量特性的总称，除可靠性外还包括可用性、可恢复性、可维修性、维修支持性能，以及在某些情况下 的其他特性，如耐久性、功能安全和网络安全，但这些不在本文件的范围内

本文件没有规范性引用文件。

DB34／T 1983-2013 安徽省公路水运工程施工满堂钢管支架技术规程失效率failurerate

系统性失效systemicfe

原因确定的失效，只有对设计或制造过程、操作规程、文档或其他相关因素进行修改后，才有可能 种失效。

使用寿命useful lifetime

下列缩略语适用于本文件。 FIT：以时间表示的失效（Failuresintime) FMEA：故障模式及影响分析(Faultmodesandeffectsanalysis) FTA：故障树分析(Faulttreeanalysis) METBF：平均失效间隔经过时间（Meanelapsedtimebetweenfailures） MTBF：平均失效间隔工作时间（Meanoperatingtimebetweenfailures） MTTF：平均失效前工作时间（Meantimetofailure) PoF失效物理学(Physicsoffailure) RBD：可靠性框图(Reliabilityblockdiagrams) TM：任务时间（Missiontime)

通常自动化系统由几种不同类型的子系统、自动化设备和配件组成，并且要求自动化系统和自动化 设备的可靠性数据具有一致性。 系统的可靠性需要考虑硬件的可靠性，包括接口、通信等。除硬件可靠性外，还可以考虑其他因素， 如软件、人为因素、网络安全（见附录A）。 注：本文件中的通信是指用于通信的硬件，如线缆、路由器

在一定的条件下，可靠性数据可通过如下方式获得，见IEC61703。 示例： MTTF=1/α(对于恒定失效率） 入=0.1XC/Br。（假设失效率恒定），其中C等于每小时的操作数，Bl以周期数形式表示，见IEC62061。 在自动化系统中，除了随机硬件失效外，系统性失效也很常见。本文件主要的计算方法侧重于随机 失效，避免或减少系统性失效也能提高系统的可靠性（见附录B)。

5.2可靠性数据的格式

在本条中，给出了一些与可靠性有关的基本公式，这些公式也可以在IEC61703中找到。 对于不可修复的对象或系统，常用的可靠性函数R(t)=R（O，t)，其中R（0)=1。R(t)可由式（）

其中入（u）是对象或系统的失效率。换言之，可靠性函数表示系统无失效运行到时间t的概率。 定失效率入（即指数分布的失效时间），上述公式简化为式（2）：

MTTF = R(t)dd

+000000000006

虽然MTTF的值可以针对几乎任何具有相应恒定或非恒定失效率的失效时间分布进行计算，但对 于从MTTF反向计算恒定失效率，宜确保失效率确实是恒定的。特别是，对于由不可修复部件组成的 元余系统，情况并非如此，因为允余系统的失效率不是恒定的。然而，有时为了简化分析，可以计算在一 定时间段内的平均恒定失效率，并以合理的精度进一步使用。 对于可修复对象或系统，宜使用MTBF，而不是MTTF。但是，如果修复后的对象或系统“完好如 新”，这两种表述基本相同。 注1：对于恢复时间可忽略不计的可修复对象或系统，MTBF约等于METBF。 注2.计算MTTE时.假定非工作状态下的失效率为0.

图1串联系统可靠性框图

Rs(t) =e; As=a^+A +ac +"+a

M TBFA MTBFE ..(9) MTBFS M TBF

如果一个系统的多个元件需要以穴余方式实现系统的整体功能，则这些元件被认为是并联的 图2所示。

图2并联系统可靠性框图

Rs(t)— 系统的可靠性函数； R;(t) 不同元件的可靠性函数； MTFSys 系统的MTTF； 入； 不同部件的失效率； A,B,C,",Z 注1：如果失效率入：用FIT表示，则MrTFS的结果用小时(h)表示。 注2：对于含有不可修复元件的上述并联系统，系统失效率非恒定。 如果系统修复后可以认为和新的一样，那么系统的MTTF等于MTBF。 对于具有可修复元件的系统，如果相比于MTBF修复时间可忽略，那么使用以下近似公式（13)：

通常，一个系统不能仅用简单的串联或并联系统来组成。通常情况可能是一个混联结构，如图

混联结构可以简化为串并联结构，如图4所示，

图3常见串并联（穴余）可靠性框图

「靠性相关的常见公式见

表1系统可靠性相关常见公式总结

自动化系统可利用控制系统和信息技术减少工业生产中的人工劳动和服务。例如，发电、交通管 理、水管理、捣浆和纸张处理、印刷、金属处理、炼油厂、化工过程、医药制造或运输船使用的自动化系统。 A.2给出了一个简化的过程自动化系统串联结构的示例，A.3给出了一个简化的过程自动化子系 统混联结构的示例。

A.2过程自动化系统串联结构示例

过程自动化或自动化系 核过程常见于冶金、化工、炼油、造纸 等行业。PAS通常使用网络将传感器 行器互连，如图A.1所示，

图A.1典型的过程自动化系统（铝冶治炼）

2铝冶炼自动化系统框

铝冶炼系统框图为串联结构。A1，A2，，A7是铝冶炼自动化系统的子系统，A1，A2，，A7是独 立的，是铝冶炼系统整体功能所必需的。 铝冶炼自动化系统的MTBF值表示为MTBF,A（i=1,2，"，7)。 铝冶炼自动化系统的系统失效率入采用RBD计算： 入s =入 A1 + 入A2 + 入A3+入 A4 + 入A5 + 入A6+入 A7

或者： 19 1 1 1 1 1 1 1 MTBFSys M TBF,A1 + M TBF,A2 + M TBF,A3 M TF,A4 M TBF,A5 MTBF,A6 + M TBF,A7 ...(A.2) 式中： Λs 系统的失效率； 入Ai 不同子系统的失效率（A1至A7）； M TBFSys 系统的MTBF； 不同子系统的MTBE（A1至A7)

或者： 1 1 1 1 MTBFSys M TBF,A1 M TBF,A2 + M TBF,A3 式中： 系统的失效率； 入Ai 一不同子系统的失效率（A1至A7）； M TBFSys 系统的MTBF； MTRE.Ai 不同子系统的MTBF（A1至A7)

A.3过程自动化子系统混联结构示例

图A.3可用图A.4的框图表示，

图A.3铝冶炼自动化系统的沉降洗涤过程

图A.4沉淀洗涤过程框图

附录B （资料性） 提高系统可靠性的方法

B.2减少系统性失效的方法

系统性失效是人为失效，可以通过改变设计、生产工艺、操作方式等因素来消除。系统性失效 以下方法避免和控制，

B.2.2避免系统性失效的措施

以下避免系统性失效的措施是在生命周期的不同阶段实施的，这些措施适用于硬件和软件，包括： a）设计需求规范阶段：项目管理、文件编制、规范结构化、规范检查、计算机辅助规范工具等； b）设计和开发阶段：项目管理、文件编制、遵循指南和标准、规范结构化、规范检查、计算机辅助规 范工具、半形式化方法、形式化方法等； c）.系统集成阶段：项目管理、文件编制、功能测试、黑盒测试、现场经验、统计测试； d）操作和维护阶段：项目管理、文件编制、操作和维护说明、操作员错误的防护。 注：这些措施可根据开发过程的V模型来实施。例如，如何使用V模型，参见GB/T20438.3一2017中的软件开发 部分。此外，操作或维护阶段的信息可用于未来系统的开发。

B.2.3控制系统性失效的措施

设计中采用以下方法控制系统性失效，包括： a）控制由设备引起的系统性失效的技术和措施：程序顺序监控、在线故障监测、代码保护、硬件多 样化、应力筛选、加速寿命试验和基于PoF的措施； 主1：设备包括硬件、软件、接口、网络等。对于网络可信性，可参考GB/T34040一2017、EC62673和IEC61907。 注2：PoF方法可用于可靠性设计和评估，这是为了确定设计的“最薄弱环节”，以确保设计超过所需的设备寿命和 可靠性。基于PoF的方法包括有限元分析(FEA)建模、失效机理建模、失效概率密度计算和必要的测试。这 些方法通带用于处理焊点失效，更多详情参考IEC61709：2017附录F。 b）控制由环境条件引起的系统性失效的技术和措施：电磁兼容（EMC)测试、物理环境防护措施、 程序顺序监控、强弱电分离、硬件多样化； c）：控制由操作引起的系统性失效的技术和措施：修改保护、在线故障监测、输人确认、异常断言 编程。

T／CBDA 22-2018 室内装饰装修乳胶漆施工技术规程B.3减少随机硬件失效的方法

在发生特定失效时，系统或程序可以通过以下措施保持正常运行

a）完余设计：可通过多个功能通道实现功能，保证了在通道故障时能正常工作。完余设计包括： 硬件穴余：穴余系统、穴余部件、穴余电路； 信息穴余：穴余代码、多数据表决； 时间允余：程序重新计算。 b）纠错设计：纠错代码、程序重复执行。 c）故障处理：错误检测、故障屏蔽、故障隔离、自切换技术。

错误信息可用于产品的校正。可通过以下方法在最天限度内避免错误。 a）环境耐受性技术：热设计、机械应力保护、化学防护、电磁兼容设计。 b 质量控制要求：对所有材料、工艺和设备实行严格的质量控制标准。 提高组件的集成度：随着集成度的提高，整个系统的失效率降低。 d 故障诊断技术：通过对异常设备的分析，确定失效位置和失效原因。 e 错误自检及修正技术：通过设备自检和数据修正避免失效。 预测性维护技术：通过对状态监测等历史数据进行分析和预测，采用的有针对性的维护方法。 PoF是预测性维护技术之一。它利用产品生命周期载荷和失效机制的知识来进行可靠性设计 和评估。基于PoF的预测充许在实际应用条件下评估产品的可靠性。它将传感器数据与模 型相结合，从而能够对产品的健康状态偏离或退化进行原位评估。因此，在产品发生故障之 前，可以采取必要的措施，如预测性维护

(JTJ052-2000)[1]《公路工程沥青及沥青溷合料试验规程》B.3.3系统降额设计

降额设计： 降额参数的确定：确定影响部件失效率的系统应力参数，包括电应力、机械应力和热应力。 降额等级的确定：通过综合权衡系统安全性、总成本、重量和尺寸等限制因素，确定降额等级， 降额分为三个等级，即： 级降额等级：设备失效造成人员伤亡或设备及配套设备严重损坏； 二级降额等级：设备失效导致设备及配套设备损坏； 一三级降额等级：设备失效不会造成人员伤亡和设备损坏。 ）系统降额设计，根据a）和b），确定相关部件的降额指标，完成部件选型和系统设计