Взаимосвязь надежности и иных свойств АСУ ТП
Надежность, хотя и является важным и ответственным свойством, представляет собой лишь одну составляющую качества системы. Качество можно определить как совокупность свойств системы, обусловливающих ее пригодность удовлетворять потребностям потребителя. Оценка и обеспечение надежности АСУ ТП являются частью более общей задачи – оценки и обеспечения качества этих систем.
Надежность нужно рассматривать во взаимосвязи с иными свойствами системы, входящими в понятие «качество», например, такими, как живучесть, безопасность, эффективность, точность управления (рис. 2.2). При анализе качества необходим учет влияния показателей надежности на изменение показателей иных свойств АСУ ТП, а вводя показатели надежности АСУ ТП, нужно понимать возможность их дальнейшего применения в задачах качества.
Рис. 2.2 Взаимосвязь показателей надежности и иных показателей
качества АСУ ТП
Рис. 2.3 Поведение управляемого параметра
после отказов управляющей системы
Влияние надежности на показатели точности управления.Влияние отказов АСУ ТП на точность управления показана на рис. 2.3. На отрезке времени (0, t1) выполняется автоматическая стабилизация управляемого параметра y(t)относительно некоторого номинального значения yНOM. В момент t1произошел отказ, под влиянием которого регулирующий орган начинает перемещаться в одно из крайних положений, что вызывает возмущающее воздействие на управляемый объект и приводит к резкому изменению управляемого параметра. Системы управления технологическими объектами проектируют таким образом, чтобы после отказа автоматической управляющей функции оперативный персонал имел возможность вмешаться в процесс управления, выполняя неавтоматическое управление (с худшим, как правило, качеством). Такое управление персонал начинает с момента t2, перемещая регулирующий орган в направлении уменьшения сигнала ошибки y(t) – yНОМ.Время t2– t1уходит на выявление отказа (если в системе нет средств автоматического контроля исправности), на принятие оператором решения и на его реализацию. Интервал (t2, t3) соответствует неавтоматическому управлению в нестационарном режиме при ликвидации последствий неправильного перемещения регулирующего органа, интервал (t3, t4) – неавтоматическому управлению встационарном режиме, причем среднеквадратическое отклонение управляемого параметра наэтом интервале, как правило, выше, чем на интервале (0, t1). Вмомент t4 закончилось восстановление и продолжается режим автоматического управления до следующего отказа вмомент t5ит. д.
Показатели точности управления применяют для управляющих функций АСУ ТП, реализующих их локальных систем. Показатели точности включают в себя динамические и статические показатели (характеристики) функции автоматического или программного регулирования, показатели безошибочности и своевременности функций логического управления и др.
Влияние надежности на метрологические показатели. Метрологические показатели устанавливают для информационных функций АСУ ТП, реализующих их измерительных систем и средств измерений. В число этих показателей входят систематическая и случайная составляющие погрешности, вариация выходного сигнала, время установления показаний и др.
Из всех этих показателей наиболее важным является погрешность измерений как по своему практическому значению (например, по влиянию на точность управления), так и по степени ухудшения из-за отказов. Например, экспериментальное исследование надежности ряда автоматических потенциометров, мостов и других вторичных приборов показало, что выход погрешности за пределы вследствие отказа наблюдается в 2–3 раза чаще, чем иных метрологических показателей. Выход погрешности измерений за пределы связан с изменением и иных метрологических показателей. Так, в 95% выходов за допустимые пределы вариации показаний одновременно выходила за пределы и погрешность измерений.
Отказы измерительных систем могут приводить к полному прекращению их функционирования, когда персонал не получает никакой информации о значении измеряемого параметра: при изменении этого параметра отсутствует сигнал на выходе измерительной системы (например, из-за того что перегорела электронно-лучевая трубка дисплея, на который выводится информация). Такие отказы являются явными.
Отказы измерительных систем могут вызывать ухудшение метрологических показателей без прекращения функционирования. Если такие отказы обнаруживаются встроенными средствами автоматического контроля, то они практически немедленно устраняются персоналом. Устранение отказов, не выявленных автоматическим контролем, производится, как правило, через значительное время после возникновения – при проведении поверок с помощью специальных измерительных операций, требующих применения образцовых средств измерения. Такие отказы могут приводить к длительным последствиям, связанным со скрытым ухудшением качества управления объектом.
Влияние надежности на показатели живучести. Свойство систем выполнять некоторые заданные функции по управлению объектом с допустимыми эксплуатационными показателями при воздействии особо существенных внешних факторов, не предусмотренных условиями нормальной эксплуатации, называют живучестью АСУ ТП.
Внешние факторы, учитываемые при рассмотрении живучести, отличаются от факторов, имеющих место в процессе нормальной эксплуатации и учитываемых, например, при рассмотрении безотказности. Примерами существенных внешних факторов в задачах живучести являются сейсмические воздействия, пожар. Особенностями таких внешних факторов является то, что они обычно одновременно прикладываются к ряду элементов объекта и АСУ ТП; не предсказываются по моменту появления и по величине; являются редкими событиями, продолжительность которых мала по сравнению с промежутком времени между ними.
В определении живучести в отличие от определения надежности от АСУ ТП требуется выполнение не всех, а только некоторых функций. К тому же допускается снижение качества их выполнения до определенного предела. Обычно в задачах живучести рассматриваются функции, обеспечивающие безопасность персонала, отсутствие неблагоприятных последствий для окружающей среды, предотвращение повреждений технологического оборудования. Например, при внешнем факторе (сильном землетрясении) от АСУ ТП может требоваться выполнение только одной функции – останова технологического процесса.
Показателем живучести при некотором значении воздействия х может являться вероятность Р(х)выполнения заданных функций АСУ ТП.
Отказы элементов АСУ ТП могут приводить к снижению живучести. Например, в момент воздействия элемент может находиться в состоянии восстановления после отказа или в нем может иметь место скрытый отказ (что особенно характерно для устройств, реализующих функцию технологической защиты). Кроме того, отказы могут происходить и при управлении объектом при возникновении воздействий (например, из-за ошибки оператора или несрабатывания защиты).
Влияние надежности на показатели безопасности. Свойство систем не допускать ситуаций, опасных для людей и окружающей среды, называют безопасностью. Это свойство особо существенно для атомных станций: согласно ГОСТ 26291 – 84 под безопасностью атомной станции понимают ее свойство с помощью технических средств и специальных организационных мероприятий исключать превышение установленных доз по внутреннему и внешнему облучению персонала и населения, а также превышение установленных норм содержания радиоактивных продуктов в окружающей среде. Вероятность отсутствия такого превышения является одним из показателей безопасности.
Отказы некоторых элементов АСУ ТП атомной станции (в первую очередь так называемых управляющих систем безопасности, выполняющих функции автоматического включения и контроля устройств защитных, локализующих и обеспечивающих систем безопасности) могут приводить к нарушению безопасности. Поэтому к надежности АСУ ТП атомных станций предъявляют особо высокие как количественные, так и качественные требования, а пути обеспечения надежности и безопасности этих систем во многом совпадают. Примерами качественных требований являются наличие не менее двух независимых каналов, проверка и испытания элементов в процессе эксплуатации, наличие бесперебойного энергопитания и др.
Влияние надежности на показатели эффективности. Свойство систем, проявляющееся при функционировании совместно с технологическим объектом управления ивыражающееся в улучшении полезных результатов его функционирования, называют эффективностью АСУ ТП. В зависимости от видов результатов функционирования будем разделять показатели эффективности на технологические и экономические.
Технологические показатели эффективности отражают изменение количества и качества продукции, количества израсходованного топлива, энергии, сырья, изменение использования технологического оборудования вследствие применения АСУ ТП. Примерами этих показателей являются повышение среднесуточного количества выпущенной продукции, снижение удельного расхода сырья и т. п.
Экономические показатели эффективности отражают изменение экономических результатов функционирования объекта вследствие применения АСУ ТП и выражаются либо в денежных единицах, либо в единицах, определяющих степень соответствия затрат на АСУ ТП результатам функционирования объекта. Экономические показатели эффективности АСУ ТП определяются сравнением двух вариантов функционирования объекта: с АСУ ТП в составе АТК и некоторого базового варианта АСУ ТП (например, с применением только локальных автоматических систем).
Примерами экономических показателей эффективности являются:
годовой экономический эффект, определяемый соотношением
W1 = (Ц1 – Ц0) – (С1 – С0) – ЕН(К1 – К0),
коэффициент сравнительной экономической эффективности
W2= [(Ц1– Ц0) – (С1 – С0)] / (К1– К0),
и др.
Здесь Ц – стоимость выпущенной за год продукции в оптовых ценах; С – себестоимость этой продукции; К – капитальные вложения (включая предпроизводственные затраты) на выпуск этой продукции; ЕН – нормативный коэффициент экономической эффективности капиталовложений; индексы 1 и 0 относятся к автоматизированному технологическому комплексу, использующему АСУ ТП, и к базовому варианту без АСУ ТП.
Рассмотрим взаимосвязь между надежностью и эффективностью. С одной стороны, повышение надежности систем, как правило, связано с увеличением затрат. Улучшение элементной базы, введение избыточности, приобретение более надежных (и, как правило, более дорогих) технических средств - все это приводит к повышению единовременных затрат на содержание АСУ ТП. Введение более частого и более продолжительного технического обслуживания увеличивает текущие затраты, а значит, и себестоимость продукции, повышение надежности путем улучшения условий эксплуатации введением специального оборудования (например, кондиционеров) увеличивает как единовременные затраты на приобретение этого оборудования, так и текущие затраты на его содержание и обслуживание.
С другой стороны, отказы элементов АСУ ТП приводят к снижению эффективности, причем такое снижение может бытьзначительным.
Влияние отказов элементов АСУ ТП на технологические показатели эффективности проявляется в том, что последствия отказов элементов сказываются на поведении ТОУ.
Установление связи между надежностью и эффективностью является одним из основных вопросов, возникающих при исследовании надежности любых сложных систем, включая и АСУ ТП. Можно даже сказать, что проблема обеспечения надежности в принципе является частью более общей проблемы — повышения эффективности функционирования систем, причем уровень надежности обычно в значительной степени определяет эффективность.
Коэффициент сохранения эффективности КЭФ– этоотношение значения показателя эффективности за заданный период эксплуатации к номинальному значению данного показателя, определяемому при условии, что отказы объекта в течение того же периода эксплуатации не возникают:
(2. 1)
где ЭР – реальное значение эффективности, т. е. с учетом надежности; ЭНОМ – номинальное значение эффективности, т. е. эффективность безотказной системы.
На рис. 2.4 показана связь между отдельными сторонами и видами надежности, а также показателями эффективности и надежности. На рисунке: ЭНОМ i – номинальная эффективность объекта в i-м режиме его работы; Pi(t)– вероятность i–ого режима работы на интервале времени 0 – t; ЭРi – реальная эффективность объекта в i-м режиме работы; 
– суммарная реальная эффективность объекта; 
– суммарная номинальная эффективность объекта.
Рис. 2.4 Схема связи между эффективностью и отдельными сторонами и видами надежности
Под режимом работы объекта в данном случае понимаются вполне определенный состав объекта, организация его работы, рабочий ритм и другие факторы, изменение которых приводит к изменению выходного эффекта.
В левой части рис. 2.4 представлена схема алгоритма определения КЭФ. Вначале определяются показатели номинальной эффективности для каждого из возможных режимов работы (ЭНОМ i). Значения этих показателей умножаются на вероятности режимов, и полученные результаты суммируются. Так определяется показатель суммарной номинальной эффективности . Чтобы получить показатель суммарной реальной эффективности, каждое из произведений ЭНОМi, Pi(t)подвергаются преобразованию с учетом показателей надежности элементов системы.
Преобразованные значения указанных произведений суммируются. В результате получается значение суммарной реальной эффективности объекта .
Частным от деления на будет значение КЭФ.
ЛЕКЦИЯ 7