控制系統(tǒng)的安全評估與可靠性

前言

在控制系統(tǒng)設(shè)計中，為了在成本、性能和維護之間進(jìn)行權(quán)衡，能夠定量評估安全性和可靠性這樣的控制系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)歷來非常重要。然而，除了考慮經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)定量地定義了安全儀表系統(tǒng)的性能等級。新的IEc安全標(biāo)準(zhǔn)和一些工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也同樣如此。一般來說，這些標(biāo)準(zhǔn)都不是說明性的，它們不會詳細(xì)地說明怎樣設(shè)計系統(tǒng)，而是提出必須滿足的、定量的安全性指標(biāo)。設(shè)計人員要考慮各種設(shè)計方案，并從中找出哪一種設(shè)計方案能夠滿足指標(biāo)。安全系統(tǒng)設(shè)計的基本方法與從經(jīng)濟角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計人員所采用的方法非常一致。為了得到最優(yōu)設(shè)計方案，必須綜合考慮設(shè)計約束條件。在設(shè)計過程中，所有設(shè)計約束條件都會影響到最終的經(jīng)濟性。真正的設(shè)計優(yōu)化需要在存在約束條件的情況下對備選設(shè)計方案進(jìn)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(biāo)和定量評估方法。和許多其他工程領(lǐng)域一樣，我們必須認(rèn)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(shè)。許多方法需要失效率數(shù)據(jù)和原始輸入數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)都是不準(zhǔn)確的，或者是無法得到的。在工作條件與預(yù)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(zhǔn)確的失效率數(shù)據(jù)，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(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過了數(shù)據(jù)的有效期（在測試完成之前元件已經(jīng)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(chǎn)品存在設(shè)計缺陷時更是如此。當(dāng)今系統(tǒng)中使用的復(fù)雜元件很可能存在設(shè)計缺陷。在復(fù)雜的軟件中也經(jīng)常存在設(shè)計缺陷。

內(nèi)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(nèi)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(guān)鍵問題，并詳細(xì)介紹了安全儀表系統(tǒng)(SIS)的各種分析技術(shù)，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(jié)合工程實際的例題和習(xí)題，并附有習(xí)題答案。    本書內(nèi)容豐富、圖文并茂、深入淺出，并且提供了大量的例題和習(xí)題。同時，該書又十分重視理論聯(lián)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(shè)計、管理及維護工作的工程技術(shù)人員，并且可作為自動化、測控技術(shù)與儀器及相關(guān)專業(yè)的大學(xué)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(shù)字電子電路設(shè)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(jīng)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(xué)和維拉諾瓦大學(xué)獲得電氣工程學(xué)士和碩士學(xué)位，在荷蘭愛因霍芬大學(xué)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(xué)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(shù)咨詢專家，獨撰或與他人共同發(fā)表過許多關(guān)于軟硬件安全性與可靠性、質(zhì)量改進(jìn)以及定量建模方面的論文。     
　　他作為賓夕法尼亞大學(xué)的客座教授，從事工程可靠性研究生課程的教學(xué)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(shè)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(guān)于本書關(guān)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(chǔ)　隨機變量　數(shù)學(xué)期望　方差　常見概率分布第3章  失效：應(yīng)力與強度　失效　失效類型　失效源　應(yīng)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(shù)失效率　安全性術(shù)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(wǎng)絡(luò)建?！】煽啃跃W(wǎng)絡(luò)　定量網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(yīng)力一強度觀點　軟件復(fù)雜性　軟件可靠性模型　軟件可靠性模型假設(shè)第12章  建模細(xì)節(jié)　關(guān)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(gòu)建　系統(tǒng)模型開發(fā)　傳感器和執(zhí)行器第14章  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)　引言　控制器結(jié)構(gòu)　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(jié)構(gòu)　1oo2D結(jié)構(gòu)　帶比較程序的1oo2D結(jié)構(gòu)　結(jié)構(gòu)比較第15章  安全儀表系統(tǒng)　引言　風(fēng)險成本　風(fēng)險的降低　SIS的體系結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表附錄B  矩陣數(shù)學(xué)附錄C  概率論附錄D  可靠性參數(shù)附錄E  連續(xù)時間馬爾可夫模型建立附錄F  練習(xí)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(nèi)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(xiàn)的一些先進(jìn)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(jìn)，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(lián)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(chǔ)理論之外，還密切結(jié)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(shù)學(xué)運算。例題與習(xí)題?！犊刂葡到y(tǒng)的安全評估與可靠性》的例題與習(xí)題十分豐富，并且提供了習(xí)題答案，為讀者自學(xué)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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