Надежность систем автоматизации

    Введение 

    Наука о надёжности - молодая наука. Её формирование относится к середине текущего столетия. Но это не означает, что люди не интересовались и не занимались вопросами надёжности создаваемой  ими техники до тех пор, пока не возникла наука о надёжности. С  первых шагов развития техники стояла задача сделать техническое устройство таким, чтобы оно работало надёжно. Середина текущего столетия ознаменовалась новым качественным скачком в  развитии техники - широким распространением больших и малых автоматизированных систем управления (АСУ) различного назначения. Создание и использование такой  техники без специальных мер  по обеспечению её надёжности не имеет  смысла. Опасность заключается не только в том, что новая сложная  техника не будет работать (будут  возникать простои), но главным образом  в том, что отказ в её работе, в том числе и неправильная работа, может привести к катастрофическим последствиям.

    Одной из проблем, подлежащих решению при  разработке АСУ, является проблема обеспечения  надежного функционирования системы. Как известно, любая система автоматизации предназначается для выполнения определенных функций, направленных на достижение установленных целей. Исходя из этого, под надежностью систем автоматизации в целом можно понимать вероятность полного выполнения автоматизированной системой определенных для нее функций в заданные сроки. Однако, учитывая, что выполняемые АСУ функции неравноценны по своему значению и допустимо невыполнение некоторых из них в течение длительного времени, представляется нецелесообразным рассматривать надежность системы в целом, а лишь надежность отдельных функциональных подсистем АСУ.

    Очевидно, что новая автоматизированная техника, выполняющая ответственные функции, имеет право на существование  только тогда, когда она надёжна.

    С развитием и усложнением техники  усложнялась и развивалась проблема её надёжности. Для решения её потребовалась  разработка научных основ нового научного направления - наука о надёжности. Предмет её исследований - изучение причин, вызывающих отказы объектов, определение  закономерностей, которым отказы подчиняются, разработка способов количественного  измерения надёжности, методов расчёта  и испытаний, разработка путей и  средств повышения надёжности. 

    Глава 1. Понятие надежности систем автоматизации

    Для оценки поведения автоматической системы  в эксплуатационных условиях используется понятие надежности системы. При эксплуатации автоматическая система может подвергаться воздействию: механических нагрузок (вибраций, ударов, постоянного ускорения); электрических нагрузок (напряжения, электрического тока, мощности); окружающих условий (температура, влажность, давление).

    Так как на отдельные технические  параметры системы оказывают влияние различные факторы (схемные, конструктивные, производственные и эксплуатационные) и учесть их аналитически при детерминированном подходе к анализу системы невозможно, то количественная оценка надежности системы возможна только на основе теории вероятностей или ее специальных разделов (теории случайных процессов и математической статистики).

    Надежность – свойство системы сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность системы выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации.

    Функции системы определяются целевым ее назначением. Автоматизированная система  управления – это многофункциональная  система. Вследствие воздействия возмущающих  воздействий система может находиться в разных состояниях, обеспечивающих выполнение заданных ей функций. Однако, в каждом таком состоянии качество выполнения системой функций не будет одинаковым. Например, чем больше отклонение выходных параметров, характеризующих выполняемую функцию от заданных, тем менее качественно работает система, т.е. система менее эффективна. Под эффективностью системы понимают вероятность выполнения системой заданных функций при определенном значении параметра.

    Таким образом, надежность автоматической системы  с учетом возможных ее состояний  должна определяться по формуле полной вероятности.

    В некоторых работах оценка качества автоматической системы разделяется  на две задачи — исследование точности и надежности. Ту или иную задачу можно решить соответствующим выбором функции эффективности состояния системы.

      Надежность, в сущности, является  характеристикой эффективности системы. Если для оценки качества автоматической системы достаточно характеризовать ее надежностью выполнения системой функций в различных состояниях, то надежность совпадает с эффективностью системы.

    Обобщенное  количественное значение надежности системы  в большинстве случаев трудно непосредственно получить из первичной информации, кроме того, она не позволяет оценить влияние различных этапов разработки и эксплуатации системы, поэтому надежность целесообразно рассматривать по трем главным составляющим, которые являются свойствами системы и могут характеризоваться как качественно, так и количественно:

    -безотказность; 

    -восстанавливаемость  (ремонтопригодность);

    -готовность;

    Безотказность – свойство системы сохранять работоспособность в течение требуемого интервала времени непрерывно без вынужденных перерывов.

    Безотказность системы является одной из главных  и определяющих составных частей надежности автоматической системы.

      Для фиксированного интервала времени безотказной работы и заданных условий эксплуатации автоматическая система может находиться в одном из двух состояний: работоспособном (состояние, при котором значения параметров, характеризующих способность системы выполнять заданные функции, находятся в пределах, установленных нормативно-технической документацией) и неработоспособном (состояние системы, при котором значение хотя бы одного параметра не находится в указанных пределах).

      Состояния системы могут быть также разделены  на исправное (при котором система  соответствует всем требованиям  нормативно-технической и конструкторской  документации) и неисправное (при  котором имеется хотя бы одно несоответствие этим требованиям).

      Отличие между исправным и работоспособным  состояниями заключается в следующем. Работоспособная система удовлетворяет  только тем требованиям, которые  существенны для функционирования, и может не удовлетворять прочим требованиям (например, по сохранности  внешнего вида элементов), Система, находящаяся  в исправном состоянии, заведомо работоспособна.

    Безотказность автоматической системы может служить  лишь общей характеристикой системы, не позволяющей проследить влияние безотказности отдельных ее частей на безотказность автоматической системы в целом. Для того чтобы иметь возможность проводить такой анализ, введем понятия элемента и системы.

    Элемент - составная часть системы, имеющая определенное назначение и выполняющая требуемые функции и которая рассматривается без дальнейшего разделения как единое целое.

    Система – совокупность элементов, взаимодействующих между собой в процессе выполнения заданных функций.

    Понятия «система» и «элемент» выражены одно через другое и условны: то, что является системой для одних  задач, для других принимается элементом  в зависимости от целей изучения, требуемой точности, уровня знаний о надежности и т.д. Даже такая  сложная система, как АСУ ТП, может  рассматриваться как элемент  более сложной системы управления предприятием.

    Разделение  автоматической системы на элементы зависит от решения конкретной задачи при оценке ее надежности. После  того как система или прибор разделены  на элементы, в качестве основной характеристики элемента, при анализе надежности, можно считать его безотказность. Это позволяет в большинстве случаев при оценке безотказности прибора практически непосредственно не интересоваться функциональными характеристиками элементов, их конструктивным оформлением и т. д.

      Событие, заключающееся в нарушении работоспособности  системы, т. е. в переходе ее из работоспособного в неработоспособное состояние, называется отказом.

    При получении расчетных формул можно  пользоваться как характеристикой  безотказности, так и ее противоположной  величиной - вероятностью отказа. В зависимости от конкретной задачи та или другая характеристика является более удобной. Иногда при получении расчетных формул, а также при оценке степени улучшения системы, приборов или элементов наиболее удобной характеристикой является величина, противоположная безотказности — вероятность отказа.

    Наряду  с методами оценки безотказности  автоматических систем по выходным параметрам системы, можно также применять методы оценки безотказности системы по ее входным воздействиям, которыми в частном случае являются возмущения или нагрузки, характеризующие условия эксплуатации.

    Восстанавливаемость – свойство системы, заключающееся в ее приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению причин возникновения отказов, а также поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

    Восстановлением называется событие, заключающееся в переходе системы из неработоспособного состояния в работоспособное, вследствие не только корректировки, настройки, ремонта, но и вследствие замены отказавшего оборудования или элемента на работоспособный. Соответственно, к невосстанавливаемым относят системы, восстановление которых непосредственно после отказа считается нецелесообразным или невозможным, а к восстанавливаемым – системы в которых производится восстановление непосредственно после отказа.

    Одна  и та же система в различных  условиях применения может быть отнесена к невосстанавливаемым (например, если она расположена в необслуживаемом помещении, куда запрещен доступ персонала во время работы технологического агрегата) и к восстанавливаемым, если персонал сразу же после отказа может начать восстановление.

    Восстанавливаемость автоматической системы является характеристикой ее качества, поэтому восстанавливаемость можно определить как свойство системы, позволяющее обслуживающему персоналу определенной квалификации восстановить систему при заданных окружающих условиях. Под количественным значением восстанавливаемости системы понимается вероятность того, что параметры ее будут восстановлены до требуемых значений за данный интервал времени обслуживающим персоналом определенной квалификации при заданных окружающих условиях.

    Низкая  восстанавливаемость автоматических систем даже при сравнительно приемлемых характеристиках безотказности приводит к значительным расходам на эксплуатацию систем.

    Восстанавливаемость систем в значительной степени влияет на готовность системы к выполнению заданных ей функций, что имеет важное значение при подготовке системы к началу рабочего цикла или смены, в системах автоматической блокировки и др.

    Восстановление  системы может быть двух типов:

• профилактическое,
• корректирующее.

    Профилактическое, или плановое восстановление, предупреждает отказы или неправильное функционирование системы настройкой, регулировкой, а также чисткой, смазкой системы и т. п. Профилактическое восстановление с целью предупреждения отказов системы при работе включает также замену узлов или деталей системы, которые имеют критические значения параметров.

    Корректирующее, или неплановое восстановление, требуется при отказах системы. При этом регулируют параметры системы или заменяют детали вследствие их отказа, или в результате недопустимого изменения параметров системы в рабочий период.

    Восстанавливаемость системы определяется двумя группами основных факторов.

    Первую  группу составляют факторы, относящиеся к схеме и конструкции системы (сложность системы, взаимозаменяемость отдельных узлов и блоков, конструктивное оформление системы для удобства обслуживания, доступность к отдельным элементам и некоторые другие). Анализ каждого из этих факторов представляет сложную задачу.

    Вторую  группу составляют эксплуатационные факторы (опыт, подготовка и мастерство обслуживающего персонала, а также степень совершенства руководства обслуживающим персоналом, методика проверочных испытаний системы, совершенство снабжения запасными частями и др).

    Большинство факторов, определяющих восстанавливаемость  системы, трудно оценить количественно  и тем более определить экспериментально, поэтому систему надо проектировать  таким образом, чтобы исключить  влияние факторов, не поддающихся  количественной оценке.

    Восстанавливаемость можно существенно увеличить, применяя современные методы обнаружения и устранения неисправностей в системе. Эти методы развиваются в трех направлениях:

    1) создание встроенных в систему  диагностирующих устройств или  применение специальных автоматических  тестеров;

    2) разработка методов и оборудования  для граничных испытаний позволяющих профилактически заменять элементы, параметры которых в значительной степени изменились вследствие износа или старения;

    3) перераспределение функций, выполняемых  элементами при появлении отказов,  и самонастройка параметров системы,  При этом структура системы  выбирается таким образом, чтобы  элементы, принявшие на себя функции  отказавших элементов, в условиях  повышенных на них нагрузок  были бы в состоянии обеспечить эффективную работоспособность системы до окончания выполнения стоящих перед системой задач. Отказавшие элементы можно восстановить в период проведения профилактических мероприятий.

    Квалификация  и подготовка обслуживающего персонала  оказывает в большинстве случаев решающее влияние на восстанавливаемость системы. Неопытность обслуживающего персонала приводит не только к увеличению времени восстановления системы, но и к появлению новых отказов.

    Готовность  – свойство системы выполнять возложенные на нее функции в любой произвольно выбранный момент времени в установившемся процессе эксплуатации. Готовность определяется как безотказностью, так и восстанавливаемостью системы.

    Готовность  системы определяется ее безотказностью и восстанавливаемостью, которые  в свою очередь, как было показано выше, являются вероятностными характеристиками системы. Таким образом, готовность системы также является вероятностной характеристикой.

    Под готовностью будем понимать вероятность  того, что система в рассматриваемый  момент времени готова для выполнения предназначенных ей функций, т.е. система  должна быть готова к выполнению предназначенных  ей функций к началу рабочего интервала  времени. Для ряда автоматических систем связи, защиты, блокировки обычно требуется постоянная готовность.

    В статистическом смысле общим показателем  готовности может служить доля систем, готовых для использования в  течение требуемого рабочего интервала времени.

    Надежность делится на:

    -  аппаратную надежность, обусловленную состоянием аппаратуры, которая может при необходимости расчленяться на более мелкие разновидности надежности;

    -  программную надежность, обусловленную состоянием программ;

    -  надежность объекта, обусловленную качеством обслуживания;

    - надежность функциональную – это надежность выполнения отдельных функций, возлагаемых на систему. Примером функциональной надежности систем автоматизации может быть надежность передачи определенной информации в системе передачи данных.

    Глава 2.  Показатели надежности систем автоматизации

    Показателями  надежности называются количественные характеристики одного или нескольких свойств, составляющих надежность системы. Выбор тех или иных показателей продиктован видом исследуемой системы. В теории надежности различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые системы. К невосстанавливаемым относят системы, восстановление которых непосредственно после отказа считается нецелесообразным или невозможным, а к восстанавливаемым – в которых проводится восстановление непосредственно после отказа.

      В соответствии с ГОСТ 24.701-86 в качестве показателей надежности автоматизированных систем используют показатели, характеризующие надежность реализации функций системы и опасность возникновения в системе аварийных ситуаций.

    Описание  надежности систем автоматизации по функциям осуществляют:

    · по отдельным составляющим надежности единичным показателям;

    · по нескольким составляющим надежности совместно комплексным показателям  надежности.

    Для описания надежности автоматизированных систем по непрерывно - выполняемым функциям (Н-функции) и по дискретно - выполняемым функциям (Д-функции) используют различные показатели, в частности описание безотказности и ремонтопригодности АСУ по Н-функциям осуществляют с помощью единичных или комплексных показателей надежности.

    Основными единичными показателями безотказности  являются:

    · средняя наработка системы на отказ в выполнении i-й функции (средняя наработка на отказ i-й ФП АСУ)

    · вероятность безотказного выполнения системой i-й функции (вероятность безотказной работы i-й ФП АСУ) в течение заданного времени .

    Допускается также использовать следующие показатели:

    · среднюю наработку системы до отказа в выполнении i -й функции (средняя наработка до отказа i-й ФП АСУ);

    · параметр потока отказов системы  в выполнении i -й функции (параметр потока отказов i-й ФП АСУ) ;

    · интенсивность отказов системы  в выполнении i-й функции (интенсивность отказов i -й ФП АСУ) .

    Основным  и единичными показателями ремонтопригодности являются:

    · среднее время восстановления способности  системы к выполнению i-й функции после отказа (среднее время восстановления i-й ФП АСУ) ;

    · вероятность восстановления в течение  заданного времени способности  системы к выполнению i-й функции после отказа (вероятность восстановления i-й ФП АСУ за время)

    Комплексными  показателями безотказности и ремонтопригодности являются:

    · коэффициент готовности системы  к выполнению i -й функции (коэффициент готовности i-й ФП АСУ) ;

    · коэффициент технического использования  системы по i-й функции (коэффициент технического использования i-й ФП АСУ) - K _{TC i} ;

    · коэффициент сохранения эффективности  системы по i-й функции (коэффициент сохранения эффективности i-й ФП АСУ) -.К _{ЭФ i}.

    Описание  безотказности и ремонтопригодности АСУ по Д-функции осуществляют с помощью комплексных показателей надежности.

    Основным  комплексным показателем безотказности  и ремонтопригодности системы в  отношении выполнения ею i-й Д-функции является вероятность успешного выполнения системой заданной процедуры при поступлении запроса (вероятность успешного выполнения заданной процедуры i-й функциональной подсистемой АСУ) .

    Дополнительным  комплексным показателем безотказности  и ремонтопригодности системы в  отношении выполнения ею i-й Д-функции является вероятность успешного выполнения и последовательно поступающих запросов (n).

    Описание  надежности АСУ по аварийным ситуациям  осуществляют с помощью комплексных  показателей надежности.

    Показателями  надежности АСУ по аварийным ситуациям  являются показатели, характеризующие:

    · опасность возникновения аварийной  ситуации в течение некоторого заданного  интервала времени нормального  функционирования системы;

    · опасность возникновения аварийной  ситуации в результате воздействия  на систему внешнего экстремального фактора.

    Для описания надежности АСУ по аварийным  ситуациям могут быть использованы следующие показатели:

    · средняя наработка системы до возникновения в ней i-й аварийной ситуации при нормальных условиях функционирования АСУ ;

    · вероятность возникновения в  системе i-й аварийной ситуации в течение заданного времени при нормальных условиях функционирования АСУ ;

    · вероятность возникновения в  системе i-й аварийной ситуации в результате воздействия i-го экстремального воздействующего фактора .

    Допускается также использование следующих  показателей:

    · вероятность отсутствия (невозникновения) в системе i-й аварийной ситуации в течение заданного времени при нормальных условиях функционирования АСУ;

    · вероятность отсутствия (невозникновения) в системе i-й аварийной ситуации в результате воздействия i-го экстремального воздействующего фактора .

    Описание  долговечности АСУ осуществляют по АСУ в целом или, при необходимости, по отдельным ее подсистемам с  помощью единичных показателей  надежности.

    Основными показателями долговечности являются:

    · средний ресурс i-й подсистемы АСУ (АСУ в целом) ;

    · средний срок службы i-й подсистемы АСУ (АСУ в целом) . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Глава 3. Общий порядок оценки надежности систем автоматизации

    Оценку  надежности АСУ (по функциям и по аварийным  ситуациям) проводят:

    · при разработке системы с целью  прогноза ожидаемого уровня надежности АСУ (проектная оценка);

    · при вводе системы в эксплуатацию и в процессе ее функционирования с целью определения фактически достигнутого уровня надежности АСУ  и проверки его соответствия требованиям  к надежности, установленным в  ТЗ на АСУ (экспериментальная оценка).

    Проектную оценку надежности АСУ, в зависимости  от особенностей системы и стадии ее создания, проводят с учетом свойств:

    · только комплекса технических средств  АСУ;

    · КТС АСУ и программного обеспечения  АСУ;

    · КТС АСУ и персонала АСУ;

    · КТС АСУ, ПО АСУ и персонала  АСУ.

    Проектная оценка надежности АСУ с учетом только КТС АСУ, проводимая на начальных  этапах разработки системы, является ориентировочной и ее используют для предварительного определения состава и структуры КТС АСУ.

    Проектная оценка надежности АСУ с учетом КТС  АСУ и персонала, проводимая при  разработке эскизного проекта системы, является ориентировочной, и ее используют для определения целесообразного  уровня автоматизации управления объектом, распределения задач между техническими средствами и персоналом АСУ в  выполнении функций системы.

    Проектную оценку надежности АСУ с учетом КТС  АСУ и ПО АСУ проводят при разработке технического проекта и используют для уточнения состава и структуры  КТС АСУ, определения требований к надежности, а также выбора способов повышения надежности функционирования технического и программного обеспечения  системы.

    Проектная оценка надежности АСУ с учетом КТС  АСУ, ПО АСУ и персонала АСУ, приводимая при разработке рабочего проекта  системы, является более полной, и  ее используют для уточнения состава  и структуры КТС АСУ, состава  и структуры ПО АСУ, состава и  структуры задач персонала АСУ, а также, для уточнения взаимодействия КТС, ПО АСУ и персонала АСУ (компонентов  АСУ) в реализации функций системы.

    Проектную оценку надежности АСУ допускается  проводить следующими методами:

    · аналитическими;

    · вероятностного моделирования;

    · комбинированными, представляющими  собой сочетание аналитических  методов и методов моделирования;

    · экспертными.

    Экспериментальная оценка надежности АСУ учитывает  совместное (результирующее) воздействие  на уровень надежности системы КТС  АСУ, ПО АСУ и действий персонала  АСУ, а также всех реально воздействующих факторов внешней среды, режимов  и параметров технической эксплуатации, режимов функционирования системы, внешних помех.