控制系統(tǒng)的安全評估與可靠性

前言

在控制系統(tǒng)設計中，為了在成本、性能和維護之間進行權衡，能夠定量評估安全性和可靠性這樣的控制系統(tǒng)設計參數歷來非常重要。然而，除了考慮經濟性之外，還要考慮人身保護和環(huán)境保護。由于國際法規(guī)要求安全保護系統(tǒng)的性能必須是可驗證并且是可檢測的，因此安全性和可靠性的定量分析就變得越來越重要了。ISA的S84．01標準定量地定義了安全儀表系統(tǒng)的性能等級。新的IEc安全標準和一些工業(yè)行業(yè)標準也同樣如此。一般來說，這些標準都不是說明性的，它們不會詳細地說明怎樣設計系統(tǒng)，而是提出必須滿足的、定量的安全性指標。設計人員要考慮各種設計方案，并從中找出哪一種設計方案能夠滿足指標。安全系統(tǒng)設計的基本方法與從經濟角度進行優(yōu)化設計的設計人員所采用的方法非常一致。為了得到最優(yōu)設計方案，必須綜合考慮設計約束條件。在設計過程中，所有設計約束條件都會影響到最終的經濟性。真正的設計優(yōu)化需要在存在約束條件的情況下對備選設計方案進行評估。在優(yōu)化過程中，需要考慮安全性和可靠性的量化指標和定量評估方法。和許多其他工程領域一樣，我們必須認識到：目前，系統(tǒng)的安全性和可靠性還不可能完全量化。為了簡化問題，我們做了不同的假設。許多方法需要失效率數據和原始輸入數據，但這些數據都是不準確的，或者是無法得到的。在工作條件與預期的使用條件一致的情況下，通過大量的壽命試驗才能獲得準確的失效率數據，但是有一些因素會阻礙這種試驗。首先，從供貨商采購來的控制系統(tǒng)元件普遍達到了比較高的可靠性級別，它們可以運行許多年。精確的壽命測試要求控制單元始終運行直至發(fā)生故障，因此測試所需要的時間遠遠超過了數據的有效期（在測試完成之前元件已經報廢）。其次，控制系統(tǒng)的安裝位置不同會使工作條件發(fā)生明顯變化。某一個地點的失效率可能會比另一個地點的失效率高很多。最后，使用方法的不同也會影響元件的可靠性，在產品存在設計缺陷時更是如此。當今系統(tǒng)中使用的復雜元件很可能存在設計缺陷。在復雜的軟件中也經常存在設計缺陷。

內容概要

本書介紹控制自動化系統(tǒng)的安全性與可靠性評估知識，內容主要包括故障樹分析(FTA)、可靠性框圖(RBD)、失效模式及影響分析(FMEA)以及馬爾可夫模型。本書討論了元件的失效模式、在線診斷、共因失效、軟件可靠性以及運行安全等關鍵問題，并詳細介紹了安全儀表系統(tǒng)(SIS)的各種分析技術，其中涵蓋了從傳感器到執(zhí)行器的各種組成部件。書中包含了大量密切結合工程實際的例題和習題，并附有習題答案。    本書內容豐富、圖文并茂、深入淺出，并且提供了大量的例題和習題。同時，該書又十分重視理論聯系實際，介紹了許多工程化的方法。適合于廣大從事自動控制系統(tǒng)研究、設計、管理及維護工作的工程技術人員，并且可作為自動化、測控技術與儀器及相關專業(yè)的大學本科生、研究生的課研參考用書。

作者簡介

William M.Goble博士在模擬與數字電子電路設計、軟件開發(fā)、工程管理以及市場營銷方面具有25年以上的經驗。目前他是美國著名的、專門從事自動化系統(tǒng)安全性與可靠性研究與開發(fā)的Exida公司的總裁。     
　　他分別在美國賓夕法尼亞州立大學和維拉諾瓦大學獲得電氣工程學士和碩士學位，在荷蘭愛因霍芬大學機械系從事可編程電子系統(tǒng)安全性與可靠性建模方面的研究，并獲得博士學位。他是賓夕法尼亞州的職業(yè)工程師，取得了TUV頒發(fā)的注冊功能安全專家證書。     
　　他是著名的可靠性與安全性方面教育家與技術咨詢專家，獨撰或與他人共同發(fā)表過許多關于軟硬件安全性與可靠性、質量改進以及定量建模方面的論文。     
　　他作為賓夕法尼亞大學的客座教授，從事工程可靠性研究生課程的教學工作。他是ISA安全性與可靠性方面的資深會員(Fellow)，并為其開設和講授安全性和可靠性課程。他也是IEEE會員和ISA SP84委員會委員。

書籍目錄

序言譯者序關于本書關于作者第1章  引言　控制系統(tǒng)的安全性與可靠性　可靠性工程第2章  隨機事件基礎　隨機變量　數學期望　方差　常見概率分布第3章  失效：應力與強度　失效　失效類型　失效源　應力與強度　測量強度第4章  可靠性與安全性　可靠性的定義　常數失效率　安全性術語第5章  失效模式和影響分析　引言　PMEA過程　FMEA的局限性　FMEA的格式　失效模式、影響和診斷分析第6章  故障樹分析　引言　故障樹方法　故障樹符號　定性故障樹分析　定量的故障樹分析第7章  網絡建?！】煽啃跃W絡　定量網絡評估第8章  馬爾可夫模型　可維修系統(tǒng)　求解馬爾可夫模型　離散時間馬爾可夫模型第9章  診斷　提高安全性和平均故障前時間　診斷覆蓋率的衡量　方法的局限性　系統(tǒng)的診斷覆蓋率　故障注入測試第10章  共因失效　共因失效　共因失效的建模　避免共因失效的原則　刀因數的估計　在系統(tǒng)模型中加入共因失效第11章  軟件可靠性　軟件失效　軟件失效的應力一強度觀點　軟件復雜性　軟件可靠性模型　軟件可靠性模型假設第12章  建模細節(jié)　關鍵問題　概率近似　多失效模式模型　診斷和共因　建模方法比較　類型比較第13章  可靠性與安全性模型的構建　系統(tǒng)模型開發(fā)　傳感器和執(zhí)行器第14章  系統(tǒng)結構　引言　控制器結構　系統(tǒng)組態(tài)　1oo1：單通道系統(tǒng)　1oo2：雙通道系統(tǒng)　2oo2：雙通道系統(tǒng)　1oo1D：雙通道系統(tǒng)　2oo3：三重控制器系統(tǒng)　2oo2D結構　1oo2D結構　帶比較程序的1oo2D結構　結構比較第15章  安全儀表系統(tǒng)　引言　風險成本　風險的降低　SIS的體系結構第16章  生命周期成本　資金描述　采購成本　運行成本　系統(tǒng)失效成本　資金的時間價值　SIS生命周期成本附錄A  標準正態(tài)分布表附錄B  矩陣數學附錄C  概率論附錄D  可靠性參數附錄E  連續(xù)時間馬爾可夫模型建立附錄F  練習答案索引

章節(jié)摘錄

插圖：

編輯推薦

《控制系統(tǒng)的安全評估與可靠性》內容豐富。既包含了傳統(tǒng)的安全性與可靠性分析方法又包含了近年來出現的一些先進分析方法，例如，馬爾可夫分析方法等。深入淺出?！犊刂葡到y(tǒng)的安全評估與可靠性》中的論述循序漸進，通常由一個簡單的問題出發(fā)，層層深入，不斷提出新的問題，并逐步加深，最后形成一個完整的知識體系。聯系實際?！犊刂葡到y(tǒng)的安全評估與可靠性》中除了闡述必要的基礎理論之外，還密切結合控制系統(tǒng)工程實際，介紹了許多工程化的方法，這些方法簡單有效，能夠快速解決常見的工程問題，并且不需要繁雜的數學運算。例題與習題?！犊刂葡到y(tǒng)的安全評估與可靠性》的例題與習題十分豐富，并且提供了習題答案，為讀者自學或作為教科書提供了便利。圖文并茂。該書包含大量繪制精美的圖表，生動直觀，提高了該書的可讀性和易讀性。

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