刘西踩1 王正权2 刘新宝3
烟台中集来福士海洋工程有限公司 山东 264000
摘要：可编程逻辑控制器是一种集成化程度非常高的专用控制系统，它将软件程序与硬件结构相结合，在分布式系统的控制上具有成本低、可控性强、集成化等优点，目前在工业领域中获得了非常广泛的应用。舰船是一个复杂的集成系统，除了动力系统、电力系统等主要系统外，舰船上还有大量的辅助机械控制系统，比如导航系统、偏航系统、电站配电系统等，研究这些舰船辅助机械控制系统具有非常重要的意义。
关键词：船舶辅助机械；PLC；控制系统；可靠性
随着工业领域不断向着自动化、智能化方向发展，可编程逻辑控制器（PLC）的应用越来越广泛，在工业领域中的地位越来越重要。PLC 是一种应用于特定工业环境下的数字运算操作电子系统，其基本结构与功能包括存储器、各种逻辑运算、控制指令等。近年来，不断升级的工业技术对 PLC 的性能提出了更高的要求，尤其是在 PLC 的冗余技术和可靠性等方面。船舶上装载了大量的辅助机械和设备，是保障船舶正常运行和执行任务的重要组成部分，大量的辅助机械设备相互之间存在一定的关联，又同时具有独立的控制系统。典型的舰船辅助机械设备控制系统包括锅炉的自动控制系统、起货机控制系统、自动转舵控制系统等。因此，本文提出系统可靠性分析方法，对PLC 船舶辅助机械控制系统的可靠性进行研究与分析，以保障船舶的正常航行。
一、系统可靠度计算
（一）正常荷载下可靠度计算方法
在 PLC 船舶辅助机械控制系统中，零部件的正常运行直接影响系统的可靠性。零部件是否能够正常工作主要取决于载荷应力与强度之间的干涉情况。因此，本文主要对 PLC 船舶辅助机械控制系统的应力与强度干涉情况进行分析。应力主要指的是在辅助机械控制系统中零部件的位移、力、压强、温度等引发零部件失效的物理量，而强度指的是可以抵制零部件发生失效的物理量，其与应力是相对的。若是应力小于强度，系统正常工作；反之系统就会产生故障，无法正常工作，产生系统失效情况。
在应力概率密度函数曲线与强度概率密度函数曲线出现交叠时，交叠区内强度小于应力，这种情况下系统就会失效，无法正常工作。由于 PLC 船舶辅助机械控制系统的复杂性，不能将应力与强度之间的干涉情况视为随机变量，要考虑多种因素对应力与强度的影响。所以，本文主要计算在复杂载荷情况下强度退化的可靠度。
（二）复杂载荷下确定性强度退化可靠度计算
假设 PLC 船舶辅助机械控制系统在连续工作的状态下其工作载荷为随机过程，并且受到的泊松冲击载荷的幅值也是随机变量。若是强度退化过程为确定性退化，这时每个时刻的强度退化过程为定值。这种情况下，复杂载荷与强度之间的干涉情况如图1所示。
图1 复杂载荷与强度之间的干涉情况
由图 2 可知，时刻的 PLC 船舶辅助机械控制系统的可靠度表示为：
（1）
其中：为系统可靠度；为复杂载荷，复杂载荷值是工作载荷与冲击载荷的和；为强度退化过程，其为定值。
冲击载荷服从泊松过程，则在区间内有：
（2）
（3）
其中：为在时刻冲击荷载出现；为冲击荷载的泊松过程；为时间差；为时间差的近似值；为在时刻冲击荷载不出现。
依据全概率公式，则有
（4）
对式（4）进行简化，得到
（5）
设定，得到
（6）
采用高斯积分方法对上述式（6）进行计算，得到PLC 船舶辅助机械控制系统的可靠度，为系统的可靠性分析提供数据支撑。
二、系统可靠性分析的实现
计算得到的系统的可靠度引入系统故障树分析中，进行整体的可靠性分析。采用故障树分析算法对系统的故障进行分析，从而对其可靠性进行研究。PLC 船舶辅助机械控制系统主要是通过 PLC 方式对辅助机械进行控制。在该系统中，比较常发生的状况是当指令发出后，PLC 模块没有信号输出或者输出信号错误，也就是 PLC 信号输出异常，若是发生上述情况，整个系统就会处于失控状态，直接影响该系统的可靠性。因此，在故障树分析算法中，将 PLC 信号输出异常作为顶事件。
通过对实际情况的分析，发现 PLC 信号输出异常的现象主要为 3 个事件，分别为主机死机、通信异常、I/O 模块输出点故障，若是这 3 个事件任何一个事件发生都会导致顶事件发生，所以，这 3 个事件与顶事件通过“或”门进行连接。通信异常事件包括四个事件，分别为主机网卡故障、路由器故障、转换器故障、PLC 模块故障，这 4 个事件任何一个事件发生都会导致通信异常事件发生，所以采用“或”门与通信异常事件进行连接。
根据上述分析情况建立故障树分析算法示意图如图2所示。其中，为顶事件，为中间事件，为底事件。
图2 系统故障树分析算法示意图
图2中符号含义如下：T为PLC信号输出异常概率，M1为通讯异常概率；X 1为I/O模块故障概率；X2为主机死机概率；X3为转换器故障概率；X4为路由器故障概率；XT为PLC模块故障概率；X6为主机网卡故障概率。
M1具有6个底事件，其表示为Xj（j=1，2，…，6），依据上行法对故障发生概率进行求取，由于系统零部件是否失效也是其可靠性主要影响因素，因此，在计算故障发生概率时要将其考虑在内，得到 PLC 船舶辅助机械控制系统故障发生概率为
（7）
通过上述计算，实现对 PLC 船舶辅助机械控制系统的可靠性分析。
三、实验结果与分析
为了保证本文提出的系统可靠性分析方法的有效性，设计实验对其进行验证。在实验过程中，将PLC 船舶辅助机械控制系统作为实验对象，主要是对其可靠性进行分析。为了保证实验过程与结果的准确性，使用提出的系统可靠性分析方法与传统系统可靠性分析方法进行比较，观察实验对比结果。在实验过程中，将传统系统可靠性分析方法称为对照组，提出的系统可靠性分析方法称为实验组。
（一）数据准备
为了尽可能保障实验结果的准确性，对实验过程中的参数进行相应的设置，本文采用不同的分析方法对系统的可靠性进行分析，由于采用的方法不同，因此，在实验过程中必须保证外部环境参数的一致。
（二）实验对比结果与分析
在实验过程中，由于采用的分析方法不同，因此，本文引用 SPSS 统计软件对实验数据进行记录与分析，主要通过分析精准度来验证可靠性分析方法的有效性。实验对比结果如表1所示。
表1 实验对比结果
如表1可知，实验组分析精准度明显的高于对照组分析精准度，实验组分析精准度最大值为90%，平均值为75%。而对照组分析精准度最大值为60%，平均值为42%。实验组分析精准度平均值比对照组分析精准度平均值高出33%。说明提出的系统可靠性分析方法具备极高的有效性。
本文提出系统可靠性分析方法对 PLC 船舶辅助机械控制系统的可靠性进行分析，提升分析精准度，但是其分析精准度仍然具有上升的空间，需要对其进行进一步研究。
参考文献
[1]曾洁琼，钟催林.嵌入式船舶导航系统航行轨迹智能控制方法[J].舰船科学技术，2019，41（04）
[2]张悦旺.船舶航向控制系统中多自由度嵌入式控制器的优化设计[J].舰船科学技术，2018，40（22）
[3]高国章，章世鹏，高岚.基于自抗扰控制技术的船舶发电机励磁系统研究[J].舰船科学技术，2018，40（21）
[4]刘裕人.电磁阀在船舶辅助机械中的应用及对比分析[J].工程建设与设计，2016（08）
论文作者:刘西踩1,王正权2,刘新宝3
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年1期
论文发表时间:2019/5/8
标签：控制系统论文; 系统论文; 船舶论文; 载荷论文; 机械论文; 概率论文; 故障论文; 《建筑学研究前沿》2019年1期论文;