【国家标准】 工业自动化设备和系统可靠性 第2部分：系统可靠性

ICS25.040.40
CCSN19
中华人民共和国国家标准化指导性技术文件GB/Z42023.2-—2022/IECTR63164-2:2020工业自动化设备和系统可靠性
第2部分：系统可靠性
Reliability of industrial automation devices and systems-Part2.Systemreliability
（IECTR63164-2:2020,IDT）
2022-10-12发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2023-05-01实施
规范性引用文件
3术语和定义、缩略语·
4系统可靠性
系统可靠性计算
附录A（资料性）典型自动化系统示例附录B（资料性）
参考文献
提高系统可靠性的方法
GB/Z42023.2—2022/IECTR63164-2:2020次
GB/Z42023.2—2022/IECTR63164-2:2020前言
本文件按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件是GB/Z42023工业自动化设备和系统可靠性》的第2部分。GB/Z42023已经发布了以下部分：
第2部分：系统可靠性。
本文件等同采用IECTR63164-22020工业自动化设备和系统可靠性第2部分：系统可靠性》。文件类型由IEC的技术报告调整为我国的国家标准化指导性技术文件。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国机械工业联合会提出。本文件由全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会(SAC/TC124)归口。本文件起草单位：机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、沈阳工业大学、中国科学院沈阳自动化研究所、卡奥斯工业智能研究院（青岛）有限公司、北京航空航天大学、重庆川仪自动化股份有限公司、浙江中控技术股份有限公司、上海仪器仪表自控系统检验测试所有限公司、辽宁大学、北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所、北京角动力技术有限公司、中国软件评测中心（工业和信息化部软件与集成电路促进中心），苏州拓康自动化技术有限公司，西门子（中国）有限公司北京寰伯产业信息技术研究院有限公司，
本文件主要起草人：丁露、王成城、张晓玲、徐冬、唐春娥、宋岩、孙博、黄云彪、任涛林、乔靖玉、谢亚莲、冯强、新江红、陈宇、郭永振、张庆军、李佳、王姗栅。GB/Z42023.2—2022/IECTR63164-2:2020引言
在智能制造的背景下，基于互联工厂的大规模定制等新的生产模式需要实时互联、额紫切换和跨层次集成。因此，可靠性是工厂自动化系统的重要要求。自动化系统的可靠性数据是维护计划的基础，例如生产线备件的库存。一个自动化系统通常由多个不同的设备或机器串联、并联或混联组成。GB/Z42023工业自动化设备和系统可靠性》为系统集成商评估整个系统可靠性提供指导，拟由两部分构成。
第1部分：自动化设备可靠性数据及其来源规范的保证。目的在于规范自动化设备可靠性数据。
第2部分：系统可靠性。目的在于规范系统可靠性计算方法。本文件着重于根据系统结构的单个设备的失效率或可靠性指标计算系统的失效率或可靠性指标。这有助于系统集成商或设计者根据单个设备的可靠性指标计算整个系统的可靠性。N
1范围
GB/Z42023.2—2022/IECTR63164-2:2020工业自动化设备和系统可靠性
第2部分：系统可靠性
本文件基于单个设备和/或子系统的可靠性数据以及数据的表示形式，提供了可以简化为串联、并联或混联的自动化系统的可靠性数据计算指南。注，本过程仅针对自动化系统的可靠性，而非嵌人了自动化系统的系统，如流程工厂，可靠性包含在可信性中，本文件主要研究影响可靠性的随机硬件失效。可信性是一个与时间有关的质量特性的总称，除可靠性外还包括可用性、可恢复性、可维修性、维修支持性能，以及在某些情况下的其他特性，如耐久性、功能安全和网络安全，但这些不在本文件的范围内。2规范性引用文件
本文件没有规范性引用文件。
3术语和定义、缩略语www.bzxz.net
3.1术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。3.1.1
自动化系统automationsystem
在过程工业中用于监视和控制生产设备、基于DCS或PLC的系统，包括采用了现场总线技术的控制系统。
注：本文件中提及“系统\时，表示“自动化系统”，DCS为集散控制系统，PLC为可编程控制系统。［来源：GB/T25928—2010，2.1，有修改，增加了注］3.1.2
B阀值B。threshold
10%的部件出现故障的时间。
注1；适用的时间间隔取决于资产的性质和用途，可以是运行时间、运行小时数、周期数等。注2在本文件中，平均失效率道过10%除以B调值（单位为小时）获得。忽略早期失效的影响，通常认为失效率仅在Bio之后才显著增加。
注3：一且达到B。阔值，则认为气动和机电部件的失效率不可接受。3.1.3
生dependability
可信性
需要时按要求执行的能力。
注1：可信性包括可用性（192-01-23)、可靠性（192-01-24）、恢复性（192-01-25）、维修性（192-01-27）和维修保障性192-01-29)，以及在某些情况下，诸如耐久性（192-01-21)、功能安全和网络安全等其他特性。注2：可信性是用于产品与时间相关质量特性的集合性术语。【来源：GB/T2900.99—2016，192-01-22，有修改，安全性和安保修改为功能安全和网络安全］1
GB/Z42023.2—2022/IECTR63164-2:20203.1.4
失效率
failurerate
设在时间区间（O，t）内未发生失效，不可修复产品在时间区间（t，t十△t）内出现失效的条件概率与区间长度△t之比，当趋于0时的极限（如果存在）。注：更详细的描述，见IEC61703，［来源GB/T2900.99—2016，192-05-06，有修改，删除瞬时失效率、公式和注2］3.1.5
平均失效间隔工作时间
mean operatingtimebetweenfailures;MTBF失效间隔运行持续时间的期望值。注：平均失效间隔时间仅适用于可修复产品。对不可修复产品，见平均失效前工作时间（3.1.6)，［来源：GB/T2900.99-2016，192-05-13，有修改，删除MOTBF术语］3.1.6
平均失效前工作时间
meanoperatingtimetofailure;MTTF失效前工作时间的期望值。
注：对于失效前工作时间服从指数分布（即恒定失效率）的不可修复产品，MTTF在数值上等于其失效率的倒数。对于可修复产品，如果恢复后被认为是“复如新”，这个结论也是对的。［来源：GB/T2900.99—2016，192-05-11，有修改，删除注2]3.1.7
平均恢复时间
mean timetorestoration;MTTR
恢复时间的期望值。
注；GB/T2900.13一2008定义的术语“平均恢复时间\是一个英文同义调，但“修复”和“恢复\不是同义词。［来源GB/T2900.99—2016，192-07-23]3.1.8
任务时间missiontime
预定使用的时间段。
注：对于有部件维护的复杂系统，系统的任务时间可以比系统单个部件的任务时间长。［来源：GB/T16855.1—2018，3.1.28，有修改，删除SRP/CS，增加了注］3.1.9
随机硬件失效randomhardwarefailure在硬件中，由一种或几种可能的退化机制而产生的，在随机时间出现的失效。［来源：GB/T20438.4—2017，3.6.5，有修改，删除了注］3.1.10
可靠性reliability
在给定的条件下，在给定的时间区间，能无失效地执行要求的能力。注1：持续时间区间可用产品与有关的适合的计量单位表示，例如日历时间、工作周期、行程等，这些计量单位宜清晰的阐述，
注2：给定的条件包括影响可靠性的各个方面，如：运行模式、应力水平、环境条件和维修。［来源：GB/T2900.99—2016，192-01-24，有修改，删除了注3］3.1.11
系统性失效
systemic failure
原因确定的失效，只有对设计或制造过程、操作规程、文档或其他相关因素进行修改后，才有可能消除这种失效。
注1：仅修正性维护而不加修改，通常无法消除失效原因，注2：通过模拟失效原因可以引出系统性失效。注3：系统性失效的原因可包括以下情况中的人为错误：——安全要求规范；
硬件的设计、制造、安装、运行：软件的设计和实现等。
GB/Z42023.2—2022/IECTR63164-2:2020注4：在本文件中，安全相关系统的失效被分为随机硬件失效（见3,1.9)和系统性失效。［来：GB/T20438.4—2017,3.6.6］3.1.12
使用寿命usefullifetime
产品从首次使用直到由于运行和维修的经济性或废弃，不再满足用户要求的时间区间。注：在本定义，“首次使用”不包括先前产品移交给最终用户的测试活动。[来源：GB/T2900.99—2016，192-02-27，有修改，有用寿命改为使用寿命］3.2缩略语
下列缩略语适用宇本文件，
FIT：以时间表示的失效（Failuresintime）FMEA：故障模式及影响分析（Faultmodesandeffectsanalysis）FTA：故障树分析（Faulttreeanalysis）METBF：平均失效间隔经过时间（Meanelapsedtimebetweenfailures）MTBF：平均失效间隔工作时间（Meanoperatingtimebetweenfailures）MTTF，平均失效前工作时间（Meantimetofailure）PoF：失效物理学（Physicsoffailure）RBD，可靠性框图（Reliabilityblockdiagrams）TM：任务时间（Missiontime）
4系统可靠性
通常自动化系统由几种不同类型的子系统、自动化设备和配件组成，并且要求自动化系统和自动化设备的可靠性数据具有一致性。系统的可靠性需要考虑硬件的可靠性，包括接口、通信等。除硬件可靠性外，还可以考虑其他因素，如软件、人为因素、网络安全（见附录A）。注；本文件中的通信是指用于通信的硬件，如线缆、路由器，5系统可靠性计算
5.1概述
本文件提供了基于可靠性框图的简单系统结构的系统可靠性计算指南，这些结构的元件具有恒定的失效率。对于这些和其他类型的系统结构，例如n中取结构，见GB/T37981一2019。有关系统其他计算方法的更多信息，请参见IEC60300-3-1。本文件不涉及现场设备观察和实验室试验的可靠性数据，但可参考IECTS63164-12020。系统的每个元件都需要有可靠性数据，如MTTF、MTBF、入（t）或Bie要计算整个系统的可靠性，所有的元件需要相同类型的可靠性数据。3
GB/Z42023.2—2022/IECTR63164-2:2020在一定的条件下，可靠性数据可通过如下方式获得，见IEC61703。示例：
MTTF=1/α（对于恒定失效率）
入=0.1XC/Br。（假设失效率恒定)，其中C等于每小时的操作数，Bl。以周期数形式表示，见IEC62061，在自动化系统中，除了随机硬件失效外，系统性失效也很常见。本文件主要的计算方法侧重于随机失效，避免或减少系统性失效也能提高系统的可靠性（见附录B）。5.2可靠性数据的格式
一般来说，可靠性数据可以从以下几个方面考虑。更多详情见IECTS63164-1：2020。可靠性数据：常见可靠性数据，如MTBF、MTTF或入（t）参考条件：有关计算系统可靠性的部署条件的信息，如工作时间、暴露时间、工作电压、工作电流、占空比。
参考环境条件：假定为系统环境的参考环境条件的信息，如温度、湿度、压力、腐蚀、振动。事件：有关自动化系统在其生命周期内发生的任何可能影响可靠性的信息，如维护信息。5.3结构和计算
5.3.1基本公式
在本条中，给出了一些与可靠性有关的基本公式，这些公式也可以在IEC61703中找到。对于不可修复的对象或系统，常用的可靠性函数R（t）=R（0，t)，其中R（0）=1。R（t）可由式(1）计算：
R(e) =exp(
a(u)du
（1）
其中入（u）是对象或系统的失效率。换言之，可靠性函数表示系统无失效运行到时间：的概率。对于恒定失效率入（即指数分布的失效时间），上述公式筒化为式（2）：R(t)=e
对于不可修复的对象或系统，MTTF可由公式（3）计算：Mme
R(t)de
其中，在失效时间服从指数分布的情况下，MTTF简化为公式（4)：M
（4）
虽然MTTF的值可以针对几乎任何具有相应恒定或非恒定失效率的失效时间分布进行计算，但对于从MTTF反向计算恒定失效率，宜确保失效率确实是恒定的。特别是，对于由不可修复部件组成的允余系统，情况并非如此，因为亢余系统的失效率不是恒定的。然而，有时为了简化分析，可以计算在一定时间段内的平均恒定失效率，并以合理的精度进一步使用。对于可修复对象或系统，宜使用MTBF，而不是MTTF。但是，如果修复后的对象或系统完好如新”，这两种表述基本相同。
注1：对于恢复时间可忽略不计的可修复对象或系统，MTBF约等于METBF注2；计算MTTF时，假定非工作状态下的失效率为0，5.3.2
串联结构
如果系统的每一个元件都是系统的整体功能所必需的，那么这些元件将被视为串联，如图1所示。4
GB/Z42023.2-—2022/IECTR63164-2:2020图1串联系统可靠性框图
对于串联系统，系统的可靠性函数由式(5)计算：Rs()=II-R,()
如果单个元件具有指数分布的失效时间，那么：R,(e)e-
并且：
Rg(t)=e-t
入s=a+入+c++入z
式中：
式中：
系统的可靠性函数；
不同元件的可靠性函数；
系统的恒定失效率；
不同元件的恒定失效率；
A,B,C,\,Z.
系统的MTBF；
一不同元件的MTBF。
注1：如果失效率用FIT表示，则MTBF的结果以小时(h)表示。.....
注2：FIT是指以时间表示的失效率，表示10亿(10*)个设备工时内的失效次数。5.3.3并联结构
（5）
如果一个系统的多个元件需要以允余方式实现系统的整体功能，则这些元件被认为是并联的，如图2所示。
图2并联系统可靠性框图
对于含有不可修复元件的系统，使用式（10)：Rs(t)=1-:-[1-R,(t)]
如果单独的元件符合指数分布，则（10）
GB/Z42023.2—2022/IECTR63164-2:2020R,(t)=e
MTTFSy
式中：
系统的可靠性丽数；
不同元件的可靠性函数；
系统的MTTF；
不同部件的失效率；
A,B,C,\,Z.
1I(1)]d
注1：如果失效率入：用FIT表示，则Mr的结果用小时(h)表示。注2：对于含有不可修复元件的上述并联系统，系统失效率非恒定。（11）
......(12)
如果系统修复后可以认为和新的一样，那么系统的MTTF等于MTBF。对于具有可修复元件的系统，如果相比于MTBF修复时间可忽略，那么使用以下近似公式（13）：MrupSy
式中：
MriSys
系统的MTBF；
不同元件的恒定失效率；
当入险
.（13）
不同元件的恒定修复率，当每个元件的修复时间符合指数分布时，它等于MTTR的倒数；
-A,B,C,,Z.
注3：如果失效率入，和修复率用FIT表示，则M和M的结果用小时（h）表示。5.3.4混联结构
通常，一个系统不能仅用简单的串联或并联系统来组成。通常情况可能是一个混联结构，如图3所示。
常见串并联（穴余）可靠性框图混联结构可以简化为串并联结构，如图4所示。S1
简化的混联结构
式中：
GB/Z42023.2—2022/IECTR63164-2:2020t
R(2)dt=[e[1-(1-e)(1-e)]d
系统S1失效率，S1包含A1、B1和C1；设备A1、B1或C1的失效率，其中i=A，BC系统S2失效率，S2包含A2、B2和C2；设备A2、B2或C2的失效率，其中i=A，B，C设备D的失效率；
系统的可靠性函数；
系统的MTTF。
注：如果失效率入用FIT表示，Mmsm的结果用小时(h)表示。5.3.5
系统可靠性相关的常见公式见表1。系统可靠性相关常见公式总结
系统可靠性指标
可靠度Rs(e)
可靠度Rs(t)(恒定失效率入,)
MTTFs（恒定失效率入）
MTBF（恒定失效率入：和维修率u）平均停机时间MDTs（恒定失效率入，和维修率）
事联结构
不可维修对象或系统
I,R(t)
I,exp(-a.t)
可维修对象或系统
（14）
....（15)
+++*-(16)
并联结构（热备份）
1-II.(1-R,())
1-II,(1-exp(—at))
.Rs(o)da
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