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技術文章

油自動震蕩儀時間的確認

油自動震蕩儀時間的確認
    國際標準 IEC61508和 IEC61511中規(guī)定, 在**儀表體系運行期間, 為確保**儀表體系滿足要求, 需要對**儀表體系進行周期性的檢驗測試, 用以檢測**相關體系是否失效, 并在必要時可把體系恢復到正常狀態(tài)或接近正常的狀態(tài)。
    標準 IEC61508 . 4. 3 . 8 . 5中提出, 檢驗測試的有效性取決于體系恢復到正常狀態(tài)的近似程度, 為使檢驗測試充分有效,有必要對所有的危險失效進行 100 %的檢測。假設**儀表體系在每次檢驗測試后, 都能恢復到全新的狀態(tài), 則**儀表體系的要求時平均失效概率在整個**生命周期都是固定不變的。
    由于環(huán)境、檢驗測試覆蓋率, 油自動震蕩儀時間的確認( Test Coverage , CTI)不可能達到100%, 即**儀表體系在正常維護條件下, 要求時失效概率 PFD也會隨著使用時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失效概率(Avarage Probability of Failure on De mand, PFDavg)在整個運行期間不是固定值, 會隨著時間而增大。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間, 取決于檢驗測試是否還能影響其可靠性。Rouvroye在研究增強馬爾科夫模型中提出, 工程中, **儀表體系的檢驗測試覆蓋率一般為 80%, 其 PFD 隨著時間的增加而變大。徐明和陽憲惠究馬爾科夫模型狀態(tài)轉移矩陣特征值分解的方法, 揭示了 PFD隨時間變化的趨勢, **儀表體系的 PFD隨著時間的增大變?yōu)?/span> 1, 即可靠性減小為 0 。
    因此, 當**儀表體系的檢驗測試覆蓋率不能達到 100%時, **儀表體系的可靠性隨著時間不斷減小, 當可靠性減小到一定程度時, 導致 SIL減小一個等級時, **儀表體系就不能滿足要求。這時,需要對**儀表體系進行糾正, 即**生命周期中的第 15階段。
    任何一個設備在它投入使用時, 工作正常, 隨著時間的流逝, 設備正常工作的可能性越來越小, 當時間趨于無窮時設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、電磁閥等組成的**儀表體系的可靠性也會隨著時間的流逝, 可靠性越來越小。在**儀表體系的設計階段, 根據(jù)需求 SIL等級, 選擇一定型號的器件, 并使之滿足要求, 但在使用過程中, 由于檢驗測試覆蓋率達不到 100%, **儀表體系各器件的 PFD 會增大, 可能會導致**儀表體系的 SIL等級不能滿足要求。這時, 就需要對**儀表體系進行糾正, 如能預知**儀表體系的 SI L 等級不能滿足要求的時間, 及時對**儀表體系進行糾正, 就可以保證**儀表體系在整個運行期間的功能**。
   3.  油自動震蕩儀時間的確認
    確認**儀表體系的糾正時間, 即研究**儀表體系的 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)。一個狀態(tài)以某種概率轉移到其他狀態(tài), 并且體系將來所處的狀態(tài)和體系的歷史狀態(tài)無關, 只和現(xiàn)在的狀態(tài)有關。**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, 并且利用馬爾科夫模型具有以下優(yōu)點 :
     ( 1)模型既可以包括設備的**失效也可以包括設備的危險失效;       ( 2)通過一次建?？梢缘玫?/span> PFD, PFS,MTTF等多個可靠性指標;
     ( 3)該模型能夠反體系從啟動到失效再到正常運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, 例如結構冗余、共因失效、自診斷、在線或離線測試維修等;
     ( 5)不受設備之間的依賴關系影響, 其計算量主要取決于體系的狀態(tài), 不需要假設來簡化模型, 因此具有更好的計算精度。
    因此本文采用馬爾科夫模型的方法對體系的可靠性進行分析。馬爾科夫模型采用狀態(tài)轉移圖表示體系狀態(tài)變化。狀態(tài)轉移圖所用的符號, 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)的轉移, 起點表示轉移前體系狀態(tài), 終點表示轉移后狀態(tài)。通常狀態(tài)之間的轉移概率標于相應的弧線旁。
     一個油自動震蕩儀時間的確認：每個狀態(tài)表示正常設備和失效設備的組合。設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, 體系從一個狀態(tài)轉移到另一個狀態(tài)。體系有四種一般狀態(tài): 正常 (OK)、**失效 ( FS)、檢測到的危險失效( FDD)和未檢測到的危險失效 ( FDU )。其中 OK是正常工作狀態(tài), 其余三個是故障狀態(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間矩陣相乘的方法非常有效和方便。首先選擇一個時間間隔Δt作為基本的時間單位, 狀態(tài)的轉移概率等于失效率或者維修率與時間間隔的乘積 (λΔt或 μΔt)。時間間隔越小, 模型的精度便越高。為了減少計算量, 同時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)的個數(shù)。若第 n - 1和 n個狀態(tài)分別是檢測到的危險失效和未檢測到的危險失效, 則 n 維失效向量為 VD =[ 0 0 0 1 1]T。     故在一個檢驗測試周期內, 體系狀態(tài) Si為:
 Si = S0 Piday ( i= 1 , 2 , ?, TI)
 PFDi = S0 Piday VD( i= 1, ?, TI)
    體系的要求時平均失效概率 PFDavg為:
 PFDavg =1/TI Σ  So. Piday .VD
    式中: TI—— 體系的檢驗測試周期, 天; S0——體系的初始狀態(tài); Pday——體系**的狀態(tài)轉移矩陣;VD—— 體系的 n維失效向量。
    本文以 1oo2結構的體系為例, 建立馬爾科夫模型。選擇參數(shù)為: 檢驗測試周期 ( 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**個檢驗測試周期內的平均要求時失效概率PFDavg= 9. 6 X10^(-4); 根據(jù)標準 IEC61508-6中表 B . 12得到 PFDavg= 9. 7 X10^(-4) 兩者基本相等, 從而驗證了該馬爾科夫模型以及程序的正確性。 
    油自動震蕩儀時間的確認 IEC61508-6中要求, 在一個**生命周期中, 為了保證**儀表體系的可靠性, 需要對體系進行周期性的檢驗測試。
    在研究**儀表體系的功能**中, 令檢驗測試的狀態(tài)轉移矩陣為 W , 因為未檢測到的危險失效只有通過檢驗測試才能發(fā)現(xiàn)并進行維修。
    一般假設檢驗測試到的故障都能夠完全維修。以前面提到的 1oo2結構為例, 取 CTI= 100 %, 即體系的檢驗測試覆蓋率為 100%, 表示體系每次檢驗測試后都能回到全新的狀態(tài), 經(jīng)過仿真得到整個**生命周期的 PFDavg變化曲線, 由該圖可以看出, 當檢驗測試覆蓋率為 100%時, **儀表體系的平均要求時失效概率是不發(fā)生變化的。
    但是在實際過程中, 由于環(huán)境、檢測技術、維修技術等原因, 體系的檢驗測試覆蓋率不可能達到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與體系的檢驗測試覆蓋率有很大的關系。如果體系的檢驗測試覆蓋率達不到 100 %, 那么**儀表體系 PFDavg會隨著使用時間的增加而變大。這樣就會造成設計時滿足要求的體系隨著時間的增加可能會不滿足要求, 這時就需要對體系進行糾正,使其滿足**可靠性要求。
    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B2. 4提供的示例。取檢驗測試的時間間隔為 1年, 并將*終元件子體系的關閉閥改為 1oo2結構,其要求的 SI L等級為 SIL2。
    由體系的結構與參數(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)
    整個體系的要求時失效概率 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, 該體系的**完整性等級為SI L2, 滿足要求。
    4.2 仿真各體系的 PFD 變化曲線
    工程中, **儀表體系的檢驗測試覆蓋率達不到 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程序對各馬爾科夫模型進行仿真,得到各子體系在運行期間 PFD變化曲線。*后根據(jù) PFDSYS= PFDS+ PFDL+ PFDPE得出整個體系的 PFD 及 PFDavg變化曲線見圖 , 由圖可以看出, 在每個檢修時刻, **儀表體系的 PFD 會減小, 這是由于**儀表體系的檢驗測試能發(fā)現(xiàn)并維修未檢測到的危險失效。但是由于檢驗測試覆蓋率不能達到 100 %, **儀表體系的要求時失效概率會隨著時間的流逝而增大。該**儀表體系在應用三年后, **等級由SIL2變?yōu)?/span>SIL1, 不滿足企業(yè)對風險的控制要求, 即第四年需要對**儀表體系進行糾正, 這與實際情況正好符合。采用這種方法, 可以預知**儀表體系在何時不滿足要求, 以便及時對**儀表體系進行糾正, 確保**儀表體系在整個**生命周期都能夠滿足要求。
    5.總   結
    當檢驗測試覆蓋率不能達到 100%時, **儀表體系的 PFDavg會隨著時間增加, 導致*初設計的**儀表體系不滿足 SI L等級的要求。本文采用馬爾科夫模型的方法對體系進行建模, 并采用 MAT-LAB仿真 PFD 的變化曲線,得出**儀表體系的糾正時間。采用這種方法可以及時地對**儀表體系進行糾正, 使**儀表體系維持要求的**完整性等級, 為工程中的實際應用提供一種參考方法。
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