實時過程控制中的高可靠性需求

在需要精確實時監(jiān)控的過程工業(yè)中，控制自動化系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。無論是在核能、石化等高風(fēng)險行業(yè)，還是在其他涉及復(fù)雜過程控制的領(lǐng)域，系統(tǒng)故障都可能導(dǎo)致嚴重的經(jīng)濟損失，甚至威脅生命安全。因此，確保過程控制系統(tǒng)的無故障和抗退化性是每一個設(shè)計師和工程師的首要任務(wù)。

可靠性的重要性

可靠的過程控制系統(tǒng)不僅有助于降低故障風(fēng)險，還能顯著減少因小故障累計而導(dǎo)致的業(yè)務(wù)損失。在設(shè)計這些系統(tǒng)時，關(guān)鍵在于如何在保持成本合理的前提下，采用最佳設(shè)計實踐和組件選擇來提升系統(tǒng)的可靠性。

提高系統(tǒng)可靠性的方法多種多樣，但往往伴隨著成本的增加和性能的權(quán)衡。例如，在設(shè)計階段就可以通過選擇更可靠的設(shè)計路徑和組件來增強系統(tǒng)的可靠性。這種方法如果實施得當，通常能夠在不顯著增加成本的情況下，大幅提升系統(tǒng)的整體可靠性。

設(shè)計與組件選擇的關(guān)鍵性

選擇合適的組件對于確保設(shè)備的高可靠性至關(guān)重要。例如，相比于碳復(fù)合電阻，線繞電阻在故障率上表現(xiàn)更優(yōu)。同樣，密封良好的半導(dǎo)體器件和聚碳酸酯或鉭電容器在各自的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)通常具有更好的可靠性。

此外，設(shè)計時還應(yīng)考慮到開關(guān)的操作方式。例如，設(shè)計為大部分時間保持在“開啟”狀態(tài)的開關(guān)，可以顯著減少機械和電氣磨損，從而提升整體系統(tǒng)的可靠性。

降額設(shè)計策略

提高控制系統(tǒng)可靠性的另一種策略是降額設(shè)計，即在較低負荷下使用組件，以延長其使用壽命。歷史上，SAGE實時空中防御計算機通過在較低功率下使用真空管，并定期更換這些組件，實現(xiàn)了幾乎連續(xù)的正常運行。這種方法在現(xiàn)代電子和電氣組件中同樣適用，通過選擇更強健的組件并降低其操作負荷，能夠有效減少故障發(fā)生率。

在進行降額設(shè)計時，不僅要考慮組件的電氣特性，還需評估其操作溫度、冷卻機制和其他環(huán)境因素。這些判斷通常需要通過數(shù)據(jù)表中的信息進行推斷，但也有一些針對不同設(shè)備和組件的降額設(shè)計研究可以作為參考。

可靠性策略：冗余設(shè)計

冗余設(shè)計是提升系統(tǒng)可靠性的另一種有效策略，盡管這種方法通常伴隨著更高的成本和復(fù)雜性。冗余設(shè)計通常包括并行存在的整套電路或功能，具備自動故障切換功能，或者兩條備用電路可以輪流使用，以均衡使用和磨損。例如，在過程控制設(shè)備中，可以通過兩個獨立的直流電源來確保電力供應(yīng)的持續(xù)性，這種冗余設(shè)計能夠大大提高系統(tǒng)的可靠性。

測試是確保可靠性的另一重要步驟。在產(chǎn)品部署前，通過“老化測試”可以識別出不適合任務(wù)的組件，從而提供最后一層保障。

未來展望

為了實現(xiàn)更可靠的過程控制，設(shè)計師還可以考慮采用多種測量和監(jiān)控手段的備份或重疊。例如，直接使用熱傳感器測量溫度，同時輔以近距離紅外傳感器的間接測量。這不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，還提供了冗余和更豐富的過程控制信息，提升整個過程控制系統(tǒng)的價值。

在未來的設(shè)計中，隨著技術(shù)的不斷進步和對可靠性的不斷追求，實時過程控制系統(tǒng)將變得更加智能和穩(wěn)健。通過持續(xù)優(yōu)化設(shè)計實踐和組件選擇，過程控制的可靠性將得到進一步提高，從而為各行業(yè)提供更安全、更高效的解決方案。