Надежность АСУ ТП как совокупности функций. Критерии отказов и показатели надежности функций

Надежность (в частности, безотказность и ремонтопригодность) АСУ ТП связана со способностью системы выполнять требуемые функции. Тем самым становится естественным использование декомпозиции АСУ ТП как многофункциональной системы по выполняемым функциям. Надежность АСУ ТП при выполнении отдельных функций и будет рассмотрена ниже.

При задании показателей надежности АСУ ТП их функции можно классифицировать по двум признакам: по сложности и по временному режиму выполнения.

По сложности функции АСУ ТП делят на простые и составные. Простыми являются функции, рассматриваемые как неразложимые на составляющие. Составные функции включают в себя некоторую совокупность простых и (или) составных функций, объединяемых по общности цели, роли в процессе управления, конструктивным, информативным или другим признакам. Примерами простой функции являются автоматическое регулирование или измерение отдельного параметра; примерами составной функции – автоматическое регулирование или контроль всех параметров технологического объекта управления.

По временному режиму выполнения функции делят на непрерывно выполняемые – непрерывные, дискретно выполняемые – дискретные и комбинированные.

Для выполнения непрерывной функции при отсутствии избыточности необходима непрерывная работа всех элементов системы, участвующих в реализации данной функции, в течение всего периода ее выполнения. Примерами такой функции являются автоматическое регулирование или непрерывная регистрация параметров непрерывного технологического процесса.

Дискретные функции выполняют по запросам (периодическим или случайным) некоторые заранее заданные процедуры, заключающиеся в реализации определенных операций взаданной последовательности. Для выполнения процедуры требуется безотказная работа отдельных элементов системы всоответствующие, относительно короткие интервалы времени. Примерами такой функции являются дискретное управлением исполнительным механизмом или защита технологического агрегата от аварий.

Комбинированные функции характеризуются совокупностью признаков, свойственных непрерывным и дискретным функциям. Примером комбинированной функции является автоматическое регулирование внепрерывно-дискретном технологическом процессе.

Критерии отказов функций АСУ ТП. Для выбора показателей надежности, установления требований к ним, оценки надежности АСУ ТП на различных стадиях разработки и эксплуатации систем необходимо однозначно определить, что считается отказом АСУ ТП в выполнении каждой отдельной функции (далее сокращенно –отказом функции).

В общем случае отказом функции является событие, заключающееся в нарушении хотя бы одного из основных установленных требований к качеству ее выполнения, возникающее при заданных условиях эксплуатации АСУ ТП и функционирующем в заданных режимах технологическом объекте управления.

Событие, заключающееся в нарушении требований к качеству выполнения функции, произошедшее вследствие нарушения заданных условий эксплуатации (например, повышения температуры в помещении или снижения напряжения питания сверх допустимых пределов), как отказ функции не рассматривается.

Установление критериев отказов функций проводится с учетом приведенной выше классификации функций взависимости от требований к качеству их выполнения.

В частном случае, если последствия отказов каждой из простых функций одинаковы, может быть задано требование по ограничению только общего числа одновременно не выполняемых простых функций.

Классификация отказов функций. Отказы функций можно классифицировать по следующим признакам:

- по влиянию на работу объекта управления (вызвавшие аварию с повреждением оборудования, останов технологического процесса, ухудшение качества протекания технологического процесса, не повлиявшие наработу объекта ит. д.);

- по причинам возникновения (из-за отказов технических средств, ошибок программного обеспечения, неправильных действий персонала);

- по степени нарушения работоспособности (полные и частичные);

- по наличию внешних проявлений (явные и неявные);

- по виду нарушения для дискретных функции (несрабатывание, заключающееся в отсутствии сигналов или команд на управление исполнительными механизмами при наличии условий, требующих их функционирования, и ложное срабатывание, заключающееся в выработке сигналов или команд при отсутствии условий, требующих их функционирования).

Состав показателей надежности функций АСУ ТП.Показатели надежности АСУ ТП в выполнении отдельных функций (далее – показатели надежности функций) выбираются в соответствии склассификацией функций по временному режиму выполнения с учетом классификации и критериев отказов.

Основным показателем безотказности различных непрерывных функций является средняя наработка на отказ . Вместо нее допускается использовать параметр потока отказов , если поток отказов является стационарным. При рассмотрении поведения функции до первого отказа показателем безотказности является средняя наработка до отказа .

В тех случаях, когда можно выделить характерные длительности интервалов t₁ в работе АСУ ТП (например, периодичность капитальных ремонтов технологического оборудования, периодичность остановов из-за изменения производственной программы и т. д.), в качестве показателя безотказности может быть принята вероятность безотказного выполнения функции (вероятность безотказной работы) P(t₁).Этот показатель, в частности, может использоваться для таких функций АСУ ТП атомной станции, у которых технические средства не подлежат восстановлению при работе реактора на мощности.

Основным показателем безотказности и ремонтопригодности дискретных функций по отказам типа «несрабатывание» является вероятность R успешного выполнения заданной процедуры при возникновении запроса (например, вероятность успешного срабатывания технологической защиты при наличии запроса).

Если выполнение процедуры сводится к включению в течение малого интервала времени, то вероятность R может быть равна коэффициенту готовности k_Г. Если выполнение процедуры сводится к включению и дальнейшей работе в течение определенного интервала времени, то вероятность R может быть равна коэффициенту оперативной готовности k_О.Г. Комплексные показатели надежности k_{Г ,} k_О.Г., могут применяться в качестве дополнительных и для непрерывных функций. Так, коэффициент готовности k_c при требованиях п. 1, 2 для непрерывных функций выбирается тогда, когда существенна (например, по влиянию на эффективность) только доля времени, в течение которого выполняется функция.

Для некоторых дискретных функций успешность выполнения процедуры понимается как удовлетворение требований к безошибочности, своевременности и точности. В этих случаях в качестве частных показателей надежности могут использоваться:

вероятность R_б безошибочного выполнения процедуры;

вероятность R_c своевременного выполнения процедуры;

вероятность R_т достижения достаточной точности выполнения процедуры, т. е. вероятность того, что общая погрешность выполнения всех операций, составляющих данную процедуру, не будет превышать допустимую погрешность.

При независимости этих вероятностей

R= R_б R_c R_т . (2.21)

Основным показателем безотказности дискретных функций по отказам типа «ложное срабатывание» является средняя наработка на такой отказ (например, средняя наработка на ложное срабатывание функции технологической защиты).

Показатели безотказности комбинированных функций выбирают из числа указанных выше в зависимости от конкретных особенностей каждой функции. Например, для функций автоматического регулирования или непрерывного измерения в АСУ непрерывно-дискретным технологическим процессом основным показателем безотказности является вероятность безотказной работы P(t₁)за длительность t₁цикла работы.

Основным показателем ремонтопригодности является среднее время восстановления способности АСУ ТП к выполнению функции. В некоторых случаях применяют вероятность F_B(t)восстановления в течение заданного времени способности АСУТП к выполнению функции.

Критерии и классификация отказов АСУ ТП в целом. Описание надежности АСУ ТП в целом (без декомпозиции на компоненты) имеет смысл в связи с необходимостью рассмотрения надежности автоматизированного технологического комплекса, с учетом взаимосвязи АСУ ТП и ТОУ. При этом совокупность показателей надежности АСУ ТП и ТОУ позволит определить показатели надежности АТК.

Поведение АТК при анализе надежности описывается случайным процессом попадания АТК в определенные состояния. Примерами таких состояний могут быть работа на номинальной и пониженной мощностях, простой, сопровождающийся повреждением отдельных единиц технологического оборудования, простой, вызванный нарушением безопасности, и др.

Показателями надежности АТК могут быть параметр потока попаданий в каждое из этих состояний, или средняя наработка между попаданиями в такое состояние, или вероятность отсутствия этих попаданий за определенное время. Соответственно за отказы АСУ ТП в целом могут приниматься нарушения требований к качеству управления, приводящие к попаданию АТК в определенные состояния. Примерами такого требования является отсутствие вынужденных остановов технологического оборудования по вине АСУ ТП.

У сложных систем, таких как АСУ ТП, могут иметь место не только работоспособное и неработоспособное состояния, но и промежуточные между ними, отличающиеся, например, показателями эффективности. Поэтому одно из требований к АСУ ТП – поддержание значений показателей эффективности АСУ ТП не хуже заданных. Особенностью большинства показателей эффективности является их зависимость не только от состояния АСУ ТП, но и от поведения ТОУ, технологических возмущений, поступающих на объект, задания и т. п. Нарушением указанного требования следует считать ухудшение показателей эффективности, произошедшее только вследствие отказов компонентов АСУ ТП. Примерами критериев отказа при нарушении этого требования является снижение показателя качества продукции ниже допустимого уровня из-за отказа технических средств или неправильных действий оперативного персонала.

Отказы АСУ ТП можно классифицировать по виду состояния, в которое может попасть АТК после отказа АСУ ТП, и по причинам их возникновения. Кроме того, их можно разделить на отказы, приводящие к существенным последствиям только при возникновении запросов от объекта (для определения влияния этих отказов на процесс изменения состояний АТК необходимо учесть характеристики потока запросов), и отказы, приводящие к существенным последствиям без запросов от объекта (эти отказы непосредственно изменяют состояние АТК). Примером отказа АСУ ТП первого вида является несрабатывание аварийной защиты при поступлении запроса на ее срабатывание, приведшее к повреждению оборудования.

Состав показателей надежности АСУ ТП.Исходя из необходимости дальнейшего определения показателей надежности АТК, в качестве показателей надежности АСУ ТП принимаются:

- средняя наработка на отказ, приводящий к попаданию АТК вопределенное состояние (или соответствующий параметр потока отказов, или вероятность отсутствия таких отказов заопределенный промежуток времени);

- вероятность невыполнения АСУ ТП заданных действий при наличии запроса (например, несрабатывание защиты), приводящего к попаданию АСУ ТП вопределенное состояние.

Указанные показатели задаются для различных состояний АТК.

Покажем, как эти показатели (совместно с показателями надежности объекта) могут быть использованы для определения надежности АТК.Рассмотрим параметр потока попаданий АТК внекоторое из указанных состояний (например, параметр потока остановов АТК)

,

где – параметр потока отказов объекта, не предотвращаемых действиями АСУ ТП и приводящих к останову АТК; – параметр потока отказов объекта, вызывающих запросы на выполнение некоторых действий АСУ ТП (показатели надежности объекта); – вероятность невыполнения АСУ ТП указанных действий, приводящих к останову АТК; –параметр потока отказов АСУ ТП, непосредственно приводящих к останову АТК (показатели надежности АСУ ТП).

При требовании поддержания значения показателя эффективности в качестве комплексного показателя надежности может использоваться коэффициент сохранения эффективности

, (2.22)

где W₁и W₂ – показатели эффективности АСУ ТП с учетом отказов и в предположении, что отказы системы за это время не возникают.

Показателем долговечности АСУ ТП в целом (а также ее подсистем) является средний или установленный срок службы.

ЛЕКЦИЯ 10