Глава 4 принципы описания надежности АСУ ТП. Отказы автоматических систем

 

Автоматизированную систему управления целесообразно рассматривать как совокупность элементов с определенной взаимосвязью между собой. Выбор элементов в зависимости от способа декомпозиции АСУ ТП может быть различен. При декомпозиции по составу в качестве элементов могут быть приняты комплекс технических средств, информационное обеспечение (включающее в себя нормативно-справочную информацию, системы классификации и кодирования информации и др.) и организационное обеспечение (документы, регламентирующие действия персонала). Свойства информационного и организационного обеспечения влияют на надежности АСУ ТП косвенно, через функционирование технических средств, программного обеспечения и действия персонала, поэтому отдельно не учитываются. При функциональной декомпозиции АСУ ТП как многофункциональной системы в качестве элементов системы рассматриваются ее функции, в этом случае говорят об функциональной эффективности АСУ ТП. В общем случае АСУ ТП принято рассматривать как совокупность ТСА (технические средства автоматизации), ПО (программное обеспечение) и ОП (оперативный персонал).

Критерии отказов технических средств (ТСА) устанавливаются в соответствии с требованиями, указанными в стандартах, технических условиях или другой технической документации на эти ТСА. Поскольку большинство ТСА имеют общепромышленное назначение, то требования задаются безотносительно к тем системам, в которых эти ТСА функционируют. Критерии отказов ТСА при этом не зависят от характеристик управляемого объекта и требований к качеству управления.

Рассмотрим классификацию отказов комплекса технических средств системы.

Отказ – случайное событие, заключающееся в нарушении работоспособности системы. Кроме того, отказ автоматической системы определяется как выход пара­метра за границы установленного допуска.

Рис. 4.1.К случайному процессу изменения пара­метра.

В эксплуатационных условиях изменение выходного параметра системы представляет случайную функцию. Если вы­ход параметра k за границу допуска является опасным, то графи­чески переход из исправного состояния прибора в неисправное, можно изобразить как пересечение случайной функцией одной из границ допуска а и или b (рис. 4.1).

Поэтому, если исходить из характера изменения параметра, целесообразно разделить отказы приборов и элементов на внезапные(1) и посте­пенные(2). Такое деление удобно при расчете безотказности системы (приборов), поскольку внезапный отказ ее вызывается как отка­зом элементов принципиальной схемы, так и отказом конструктив­ных и вспомогательных элементов. Для большинства систем и при­боров постепенный отказ определяется лишь изменением парамет­ров принципиальной и кинематической схем.

При появлении внезапных отка­зов не резервированная система не может выполнять предназначае­мые функции, в то время как при постепенных отказах небольшие отклонения параметра за границу допусков обычно приводят не к отказу системы, а лишь к изменению ее эффективности (в зави­симости от величины отклонения параметра прибора за границу допуска).

При оценке безотказности системы, в слу­чае постепенных отказов, влияние величины отклонения параметра системы за границу допуска можно харак­теризовать эффективностью параметра системы.

При таком делении отказов элементов на внезапные и постепенные можно считать, что:

- отсутствие внезапного отказа свидетельствует о прочности элемента,

- постепенное изме­нение параметра свидетельствует о его точности.

Следовательно, отсутствие обоих отказов может быть интерпретировано как условная проч­ность.

Для фиксированного интервала времени работы системы без­отказность представляет вероятность совместного осуществления двух событий, у которых отсутствуют внезапные и постепенные отказы.

Если внезапные и постепенные отказы независимы, то в со­ответствии с правилом умножения вероятностей безотказность определяется формулой:

 

Р = Р_вн * Р _пост (4.1)

 

где Рвн - безотказность системы при возникновении внезапных отказах;

Pпост - безотказность системы, при возникновении постепенных отказах.

Характер внезапных отказов определяется в свою очередьти­пом элемента или прибора, его схемой и конструкцией.

Приборы, содержащие источники энергии, а также элементы, коммутирующие энергию, характеризуются такими видами внезапных отказов, как обрыв и ложный сигнал на выходе устройства. Т.е., для приборов этой группы вид отказа определяется наличием или отсутствием сигнала на входе прибора.

Кроме внезапных и постепенных отказов, выде­ляют преры­вистые отказы, часто называемые сбоями (самовосстанавливаю­щимися отказами). Прерывистые отказы в основном определяются помехами, воздействующими на систему, а для контактных эле­ментов также и окружающими условиями, например вибрациями для контактов электромеханических реле. Характерную особен­ность прерывистых отказов составляют определенные трудности обнаружения и их устранения. Эффективным средством преду­преждения последствий прерывистых отказов может служить при­менение коды в дискретных системах.

Показатели надежности ТСА устанавливаются при следующих условиях: температура окружающего воздуха (20±10) ⁰С; относительная влажность30-80%; давление 630-680 мм. рт. столба; отклонение напряжения питания сети +10-15%. Время на котором задается вероятность безотказной работы, обычно принимается равным 2000 ч.

Все рассмотренные выше виды отказов относятся к отказам комплекса технических средств АСУ ТП. Для описания надежности АСУ ТП в целом необходимо учитывать взаимосвязь системы и технологического объекта управления. Надежность АСУ ТП, прежде всего, связана со способностью системы выполнять требуемые функции. Тем самым становится естественным использование декомпозиции АСУ ТП как многофункциональной системы по выполняемым функциям. При таком подходе следует ввести понятие отказа 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 при заданных режимах технологическом объекте управления.

 

Функции АСУ ТП условно подразделяются на простые и составные; непрерывные и дискретные. Рассмотрим требования к выполнению функций АСУ ТП в соответствии с приведенной классификацией.

· требования своевременного и безошибочного выполнения функций, отсутствия задержек при их реализации задаются для дискретных функций;

· требования отсутствия вынужденных перерывов в выполнении функции и поддержания значений показателей качества их выполнения в заданных пределах задаются для непрерывных функций;

· отказ составной функции формулируется как нарушение требований к выполнению некоторого сочетания простых функций, при этом если последствия отказов каждой из простых функций одинаковы, может быть задано требование по ограничению числа одновременно не выполняемых простых функций.

Отказы функций можно классифицировать по следующим признакам:

v по влиянию на работу объекта управления (вызвавшие аварию с повреждением оборудования, останов технологического процесса, ухудшение качества протекания технологического процесса);

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

v по степени нарушения работоспособности (например, полные и частичные);

v по наличию внешних проявлений (например, явные и неявные);

v по виду нарушения для дискретных функций (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).

Показатели надежности функции АСУ ТП выбираются в соответствии с классификацией функции по временному режиму выполнения с учетом классификации и критериев отказов. Основным показателем безотказности различных непрерывных функции является средняя наработка на отказ. Вместо нее допускается использовать параметр потока отказов, если поток отказов функции является стационарным. При рассмотрении поведения функции до первого отказа показателем безотказности является средняя наработка до отказа.

В тех случаях, когда в работе АСУ ТП можно выделить характерные временные интервалы t₁ (например, периодичность капитальных ремонтов технологического оборудования, периодичность остановов из-за изменений производственной программы), в качестве показателя безотказности может быть принята вероятность безотказного выполнения функции P(t₁).

Основным показателем безотказности и ремонтопригодности дискретных функций по отказам типа «несрабатывание» является вероятность R успешного выполнения заданной процедуры при возникновении запроса.