港口物流控制系统可靠性分析

摘 要：控制系统是干散货码头物流系统的核心，干散货散码头物流系统中含有众多大型设备，各设备之间要进行频繁的数据交换，同时中控室要对各设备运行情况进行监视，来实现工艺所要求的各环节的必要联锁控制。为了对各装卸和运输设备进行有效控制并实现作业流程的作业控制、最大程度地发挥这些设备的效能，所以干散货码头控制系统必须具有高可靠性。 关键词：港口；物流控制；系统

1 干散货码头物流控制系统的构成

干散货码头物流控制系统主要由可编程序控制器（plc ），交换机、网络服务器、监控操作站、有线和无线数据传输网络组成。主要完成码头物流系统工艺流程操作所要求的流程选择确认，顺序启动、顺序停止、故障停止、紧急停止和流程切换以及控制系统操作、监控和信息管理等功能。

目前，在干散货码头物流控制系统中从各装卸设备的单机到中控系统均采用plc 作为控制核心部件，它的主要功能是通过软件编程的方法实现对作业流程的自动控制，检测受控对象的状态并发出控制指令。其控制系统网络可分为三层。

信息层：一般由以太网组成，完成数据的采集及生产作业操作和监控功能。 自动化和控制层：由控制网构成，实现实时i/o控制、控制器互锁和报文传送。 设备层：通过现场传感器测出需要监测控制的各种现场设备，并以开关信号等方式传送至现场模块，计算机通过调整执行器来具体实现控制功能，控制器通过现场输出模块与各种执行器连接，输出直接驱动执行机构，由此来直接控制电机起停、正转、反转和现场的各种开关和电动挡板。

干散货码头控制系统组成设备大多为电子产品，所以与机械系统一样，控制系统也属于可修复系统。在实际工程应用中定量描述电子产品可靠性的指标有很多，常用的主要有可靠度、有效度、故障率、平均维修时间、平均无故障时间等。要分析干散货码头物流控制系统的可靠性，也必须借助一系列可靠性指标来进行。在本文中采用平均无故障时间、平均维修时间、有效度作为反映干散货码头物流控制系统可靠性的指标。

干散货码头物流控制系统是一个复杂的可修复系统，系统中采用软、硬件结合的故障诊断和同步恢复、定位技术的先进技术来实现不中断生产情况下的修理或更换，从而保证控制系统的长期可靠工作。对其可靠性分析必须从硬件和软件两方面考虑。由于干散货码头物流控制系统属于可修复系统，可采用马尔可夫可修复模型，通过系统状态之间的转移概率，来建立系统状态转移方程组，来描述控制系统的可靠性。由于干散货码头控制系统的组成设备较多，而且其组成结构也比较复杂，所以其状态转移方程组的阶数会很高，从而可能无法求解，甚至可能无法建立状态转移方程组。然而系统可靠性框图法比较简单，仅要求已知各组成单元的可靠性参数指标。对于干散货码头物流控制系统，结合这两种可靠性分析方法的特点，可先用马尔可夫模型法对系统各部件进行可靠性分析得出可靠性参数，然后用可靠性框图法对整个系统的可靠性进行模型化简，最后得出整个控制系的可靠性参数指标。 2 干散货码头物流控制系统可靠性分析

在干散货码头控制系统中，软件系统的 不仅受到各个功能 模块 的影响，同时也取决于这些 是否被执行，因此可以看出，软件系统的 与程序的逻辑流有关，而逻辑流程代表了模块间的转移，这个转移过程同样可以用马尔可夫过程来表示。

矩阵r 是由模块可靠度r i 组成的对角线矩阵，矩阵 p 中的元素p ij 是逻辑流程由模块i 转移到模块j 的概率。

对于干散货码头物流控制系统，任何子系统的失效都会导致整个控制系统无法正常工作，即要求控制系统中每一子系统均正常工作时整个控制系统才能正常工作，显然，干散货码头物流控制系统这特性符合系统可靠性分析模型中串联系统的定义。所以，在对干散货码头物流控制系统进行分析时，看以将其看做由各功能模块组成的子系统串联而成，因此可以采用

串联系统可靠性分析模型对干散货码头物流控制系统进行可靠性计算。而干散货码头物流控制系统由系统网络子系统、plc 硬件子系统、供电及驱动电路子系统和软件系统四个系统组成，各子系统的可靠度为 r j ，j=1,2,3,4则整个物流控制系统的可靠度r 为

3 提高干散货码头物流控制系统可靠性的方法

干散货码头物流控制系统是一个复杂系统，所以在设计前有必要对设计的系统进行严格的可行性考查论证，从而避免因为对系统的可行性，经济性和先进性缺乏科学的考查分析而给系统设计带来缺陷，最后导致控制系统工作的不可靠。对于投入使用的干散货码头物流控制系统，在分析其故障特性的基础上，可以得出提高系统可靠性的方法。

3.1 干散货码头物流控制系统的故障特性

提高码头物流控制系统的可靠性也就是要减少系统的故障，而引起故障的因素来自系统内部和外部两个方面:

内部因素：元器件失效，电路开路或短路等，另外还包括软件设计中的问题。 外部因素：环境温度、湿度、电源的波动、电磁干扰、冲击、振动、腐蚀等。

干散货码头物流控制系统是一个计算机产品，通过硬件系统和软件系统的共同作用才能完成各项规定的功能，因此，必须从硬件和软件两方面入手分析其故障特性，同时，硬件系统和软件系统的故障特性是有区别的。

（1）硬件故障特性。

干散货码头物流控制系统的硬件故障按出现的时间可分为以下三类：早期故障期、随机故障期和耗损故障期。

早期故障主要由控制系统选用的元器件老化不够、设计制造中的错误、运输存放时的损坏等原因造成。在这一期间，干散货码头物流控制系统的故障率随着时间的增长而逐渐减少。 在偶然故障期内，干散货码头物流控制系统故障率趋于稳定，整个控制系统处于正常工作状态期，此时控制系统故障率基本保持常数且不随时间变化而变化。同时，在此期间干散货码头物流控制系统出现的故障是随机的。

在耗损故障期内，由于干散货码头物流控制系统经过了长时间的运行、系统中的元器件已老化，此时整个控制系统的故障率保持在一个较高水平。

（2）软件故障特性。

干散货码头物流控制系统的软件系统由应用软件和系统软件组成。其中，应用软件为完成用户所需功能而开发的软件，一般是根据用户领域或者设计部门提供的控制方案设计开发而成。而系统软件则是支持干散货码头物流控制系统本身工作的软件，同时可以帮助用户开发应用软件，比如码头物流控制系统过程控制单元中的各种功能模块。

干散货码头物流控制系统软件故障一般发生在两个时期，即早期故障期和成熟期。在早期故障内，控制系统发生故障主要是由于软件设计中残留的逻辑错误所致。而进入成熟期后，软件的故障率较小甚至可能接近于零。

3.2 干散货码头物流控制系统设计的设备选型

系统的可靠性是设计出来的，生产出来的，管理出来的。系统设计一旦完成，并按设计预定的要求制造出来后，其固有可靠性就确定了。提高系统固有可靠性最直接的方法就是保证系统组成单元的可靠性。

干散货码头物流控制系统多数是在潮湿、多尘、高温、强电磁、强腐蚀、高频干扰等复杂恶劣环境下工作的，因此不仅对控制系统本身，同时也对控制系统中现场执行、检测、供电等各种设备的可靠性和先进性提出了严格的要求。根据以上特点，在选择干散货码头物流控制系统组成设备时应注意以下几点:

（1）对于计算机，要选择实时性好，具有高性能的实时多重任务的处理系统，而且要有完善的中断系统和实时时钟功能，特别要选用cpu 主频高的机型，以便于实时多任务的快速

处理。

（2）要选技术指标先进、质量好、环境适应性和抗干扰能力强、可靠性高即平均无故障时间大、平均维修时间小的设备，以保证系统能在强干扰等恶劣的环境下长期能够可靠运行。

（3）常规仪表质量的优劣对于控制系统能否长期良好可靠运行有着决定性的作用。因此，要选择具有完善的输入/输出通道和方便的通讯接口，以及丰富的输入/输出通讯指令的设备。 综上所述，在干散货码头物流控制系统设备选型时，应该充分注意选择性能指标质量优良，抗干扰力强、稳定可靠的设备，从而使整个控制系统处能够在良好的状态下稳定运行，完成规定的功能。

3.3 干散货码头物流控制系统抗干扰设计

由于干散货码头物流控制系统所处环境较恶劣，所有各种噪声都有可能对控制系统产生严重干扰，从而影响整个控制系统或是局部系统的稳定性和可靠性。干散货码头物流控制系统的干扰主要来自以下三方面:

（1）系统环境的干扰：主要包括控制系统设备安装，通道连接导线铺设的不合理，信号传输、机柜、机房屏蔽不佳，接地不良，以及高温、潮湿多尘、腐蚀气体，造成接触不良，断线、漏电以及电磁感应、公共阻抗耦合等串扰。

（2）系统噪声的干扰：包括控制系统所有组成设备自身的元器件材料、性能存在某些缺陷或是由于控制系统内部线路设计、安装、工艺不合理而产生的物理噪声，同时也包括给控制系统供电的交直流电源因质量不佳而产生的交流纹波、直流电平漂移及内部变压器、继电器开关、电感等产生的电磁干扰。

（3）外部的干扰：主要是由控制系统外的变压器、强电流的交流电机、强电网以及雷电、天线电波、高频超声设备等产生的辐射、电磁、脉冲等干扰。

4 结语

本文从硬件系统和软件系统

中国两方面对干散货码头物流控制系统的可靠性进行了研究，硬件系统可靠性分析方法与机械系统相似，重点介绍了软件系统可靠性分析方法，并在此基础上总结了提高干散货码头物流控制系统可靠性的一些设计方法和措施，如冗余设计、抗干扰设计等。