Основными комплектующими изделиями для АСУ ТП являются изделия, входящие в Государственную систему приборов и средств автоматизации (ГСП). Вопросы описания, оценки, подтверждения Н этих из­делий регламентируются ГОСТ 13216-74.

Надежность изделий ГСП должна опре­деляться по всем четырем ее составляющим (Б, Р, С и Д). При этом Б и Р описываются раздельно по каждой функции изделия, а С и Д — для изделия в целом. В связи с тем, что серийно выпускаемые изделия ГСП мо­гут использоваться для комплектации систем с самыми различными условиями и режима­ми эксплуатации, основное требование к описанию их надежности состоит в том, чтобы для любого заданного времени t мо­гли быть определены такие показатели, как p(t), F_B (t), G_c (t), G_Д (t) и т. п. Это требует за­дания законов распределения соответствую­щих ХСВ — Т_Б, Т_В, Т_С и Т_Д, для чего число показателей по каждой составляющей на­дежности должно выбираться в зависимости от типа закона распределения соответствую­щей ХСВ.

Для требуемой полноты описания ХСВ необходимо указать тип закона распределе­ния и столько его численных параметров (показателей Н), сколько параметров имеет тип закона распределения.

Описанный подход в полной мере реали­зован в установленном ГОСТ 13216 — 74 спо­собе описания безотказности Б изделий ГСП. При этом принимается также гипотеза о полном восстановлении надежностных свойств изделия в результате ремонта после возникшего отказа, что ставит знак равен­ства между средней наработкой до первого отказа и наработкой на отказ. При сложных (многопараметрических) ти­пах законов распределения Т_Б, а также при неизвестном типе закона функция Т_Б приближенно может быть построена по трем точкам.

Безотказность Б изделий ГСП описывает­ся отдельно по каждому виду отказов,

свой­ственных данному изделию. При этом выде­ляются следующие основные виды отказов: внезапные устойчивые отказы, посте­пенные устойчивые отказы, внезапные не­устойчивые (самоустраняющиеся) отказы- сбои и др.

Ремонтопригодность Р изделия ГСП так­же описывается отдельно по каждому виду отказов изделия. В качестве показателей Р используются Т_В и F_В (t).

В качестве показателя сохраняемости С служит гаммапроцентный срок сохраняе­мости Тс.

Показателями долговечности Д изделий ГСП являются Т_с.с , Т_ссг и Т_ру.

Действующими нормативно-технически­ми документами на надежность изделий ГСП установлен порядок внесения показателей Н в техническую документацию, гарантирующий необходимую полноту, со­поставимость, достоверность и точность данных о надежности этих изделий.

По серийно выпускаемым приборам и средствам автоматизации, используемым для комплектации АСУ ТП, имеются необ­ходимые данные по надежности, позволяю­щие эффективно решать вопросы обеспече­ния надежности АСУ ТП.

Обеспечение надежности АСУ ТП

Программа обеспечения надежности АСУ ТП (ПОН) — комплекс работ, проводимых на всех этапах разработки и эксплуатации системы, обеспечивающих высокий уровень эксплуатационной надежности.

ПОН составляет разработчик АСУ ТП и согласовывает ее с организациями-соисполнителями. Утверждается ПОН руководи­телем организации-разработчика. При необ­ходимости программирования надежных систем автоматизации согласовывается с заказчи­ком. Ответственными за составление и вы­полнение ПОН являются главный инженер проекта и главный конструктор (руководи­тель) проекта АСУ ТП. Выполнение программирования надежных систем автоматизации контролируется после завершения отдельных стадий или этапов разработки АСУ ТП. Ре­зультаты выполнения отдельных этапов программирования надежных систем автоматизации оформляются в виде разделов соответ­ствующей технической документации или в виде отдельного документа.

ПОН составляется в виде отдельного до­кумента при разработке технического зада­ния на систему и утверждается вместе с ним.

При программировании надежных систем автоматизации указываются: перечень выполняемых работ, сроки их выполнения, результат ра­боты, исполнители. Сроки выполнения ра­бот, указываемые в программировании надежных систем автоматизации, должны быть со­гласованы со сроками выполнения соответ­ствующих стадий и этапов разработки и внедрения АСУ ТП [638]. Исполнителями работ являются все организации, принимаю­щие участие в создании АСУ ТП.

В соответствии с ГОСТ 21705—76 в тех­ническое задание на АСУ ТП вносятся сле­дующие материалы, по вопросам надежно­сти:

• сведения об условиях и режимах работы АСУ ТП;
• перечень функций систем автоматизации, для которых задаются требования к надежности, и признаки отказов по каждой функции:
  • состав показателей надежности АСУ ТП;
  • требуемые значения показателей надежности систем автоматизации;
  • обоснование необходимости учета особенностей алгоритмов и программ, а также действий технолога-оператора при оценке надежности АСУ ТП на различных стадиях создания;
  • методы определения уровня надежности АСУ ТП на стадиях создания и способы подтверждения требуемых значений показа­телей надежности систем автоматизации;
  • необходимые сведения об особенностях и функционирования технологического объекта управления систем автоматизации.

В технический и рабочий проект АСУ ТП вносятся:

• перечень функций АСУ ТП, для которых задаются показатели надежности, и признаки отказов по каждой функции систем промышленной автоматизации;
• количественные значения показателей надежности систем промышленной автоматизации;
• условия эксплуатации АСУ ТП, для которых установлены показатели надежности систем промышленной автоматизации;
• способы подтверждения соответствия показателей надежности АСУ ТП значениям, указанным в техническом и рабочем проек­тах систем промышленной автоматизации;
• методы, условия и режимы испытаний в случае проведения испытаний АСУ ТП на надежность.

С целью обеспечения составления программ программируемых логических контроллеров (ПЛК) для конкретных систем разработана типовая программа работ по обеспечению надежно­сти АСУ ТП, включающая наиболее пол­ный перечень рекомендуемых работ. программирование надежных систем автоматизации для конкретной АСУ ТП составляется на ос­нове типовой программы с учетом специфи­ческих особенностей разрабатываемой си­стемы и условий ее разработки и создания.

Типовая программа приведена пол­ностью в отраслевом стандарте Минприбора.

Надежностные модели технических средств и алгоритмов функционирования АСУ ТП. При исследовании надежности АСУ ТП одним из первых этапов является построение надежностных моделей систем промышленной автоматизации, формально отображающих свойства системы в отношении на­дежности выполнения ее функций. В связи со спецификой АСУ ТП используются две ос­новные надежностные модели:

1. модель технических (и нетехнических) средств, используемая для анализа надежно­сти АСУ ТП по Н-функции и П-функциям в отношении устойчивых отказов;
2. модель алгоритмической структуры АСУ ТП, используемая для анализа надеж­ности АСУ ТП по П-функциям в отношении сбоев.

Раздельное исследование надежности АСУ ТП в отношении устойчивых отказов и сбоев и выделение с этой целью моделей технических и алгоритмических средств ос­новывается на следующих соображениях:

• устойчивые отказы и сбои компонентов АСУ ТП имеют существенно различные причины возникновения, в связи с чем может быть принята гипотеза независимости по­токов устойчивых отказов и сбоев в системе;
• устойчивые отказы и сбои оказывают различное влияние на выполнение функций АСУ ТП; во многих случаях может быть принята гипотеза об аддитивности потерь, вызываемых этими двумя видами отказов;
• существенно различны меры борьбы с устойчивыми отказами и сбоями; если для борьбы с устойчивыми отказами наиболее эффективны введение избыточности в струк­туру технических средств и интенсификация технического обслуживания, то основные меры борьбы со сбоями сводятся к введению и использованию информационной и алго­ритмической избыточности, что| отражается в первую очередь в структуре алгоритмов системы.

Надежностная модель технических средств АСУ ТП представляет собой совокупность трех векторов систем управления технологическими процессами.

Наиболее сложно формальное отображе­ние структуры комплекса технических средств систем промышленной автоматизации. Для этой цели предложено ис­пользовать так называемые надежностно-функциональные схемы (НФС), способные отображать структуры многокомпонентных и многофункциональных систем с разно­образными и сложными взаимосвязями ком­понентов. НФС обеспечивают строгую фор­мальность отображения структур и в то же время простоту и наглядность.

Надежностная модель алгоритма функ­ционирования АСУ ТП представляет собой совокупность двух векторов систем управления технологическими процессами.

Для отображения структур алгоритмов с обеспечением строгой формальности, на­глядности и простоты предложены на­дежно-временные схемы (НВС).

Пути повышения надежности АСУ ТП. Современная тенденция разработки АСУ ТП состоит в максимальном использовании се­рийно выпускаемых приборов и средств ав­томатизации без какого-либо вмешательства г в их конструкцию, технологию производства, режимы питания и т. п.

Рассмотрим отдельно методы повышения надежности технических средств АСУ ТП и алгоритмической структуры АСУ ТП (в отношении сбоев).

Диагностическое и ремонтное оборудование может быть стандартным и нестандартным. Стандартное изготавливается и поставляется заводами-изготовителями крупных систем и программируемых логических контроллеров (ПЛК). Нестандартное — должно предусматриваться в проектах и разрабатываться проектировщиками или по их заданию предприятиями — изготовите­лями технических средств. Технические задания на такое оборудование разрабатываются, например, при наличии в АСУ ТП большого числа однотипных элементов, влияющих на надежность.

Полностью устранить сбой технических средств невозможно. Создать АСУ ТП с любой заданной Н на менее надежных технических средствах систем автоматического управления можно с помощью алгоритмической избыточности и организационных мер.

Оптимизация решений по обеспечению на­дежности АСУ ТП. В процессе обеспечения и надежности АСУ ТП приходится многократно принимать решения по различным более или менее частным задачам. Подавляющее большинство таких задач являются оптимизационными, т. е. они сводятся к нахождению решений, обеспечивающих экстремум некоторой целевой функции. В качестве це­левых функций чаще всего используются различные экономические показатели систем автоматического управления (коэф­фициент экономической эффективности, чи­стая прибыль, суммарные потери в рублях и т. п.).

Для современных АСУ ТП оптимиза­ционные задачи, связанные с обеспечением надежности систем автоматического управления, являются, как правило, много­параметрическими (число управляемых пара­метров колеблется в пределах от десятков до сотен), нелинейными и целочисленными. Об­щих методов решения этих задач в настоящее время не существует.

В некоторых весьма частных случаях, ког­да число управляемых параметров по тем или иным причинам ограничено одним-дву­мя, решения указанных задач могут быть по­лучены аналитически или путем графических построений систем автоматизации. При этом непосредственно («в один шаг») находится оптимальный вектор управляемых параметров. Однако в по­давляющем большинстве случаев «одноша­говые методы» не могут быть использованы, и решение приходится искать итерационным путем — последовательным выдвижением, оценкой и анализом ряда возможных вариантов («многошаговые методы»).

Особенности рассматриваемых задач исключают возможность полного перебора ва­риантов. В подавляющем большинстве слу­чаев набор вариантов решения ограничен, что далеко не всегда гарантирует нахожде­ние оптимального решения систем автоматизации. В этих случаях используется термин «рациональное решение».

При ограниченном переборе может рас­сматриваться некоторое число заранее пред­ложенных вариантов решения, из которых —. должен быть выбран наилучший по некоторому критерию систем автоматизации. При таком (пассивном) переборе, естественно, нет никакой гарантии, что выбранный вариант является опти­мальным или хотя бы близок к оптимальному.

В противоположность этому в методах активного перебора рассматривается ряд по­следовательно генерируемых вариантов ре­шения задач систем автоматизации, причем при построении очередного варианта используется вся предшествующая, информация.

В алгоритмических методах анализ ре­зультатов по уже рассмотренным вариантам решения и переход к очередному варианту строго формализованы и могут реализовать­ся как человеком, так и ПЛК. Выбор алго­ритмического метода автоматизированных систем управления определяется особен­ностями конкретной задачи.

Алгоритмические методы построены для ограниченных классов задач автоматизированных систем управления. Значительная часть оптимизационных задач, связанных с обеспечением надежности сложных систем известными методами математического программирования автоматизированных систем управления не решается. В связи с этим широкое практическое применение получил метод эвристического перебора. В этом ме­тоде построение исходного варианта реше­ния, анализ полученных результатов и гене­рация очередного варианта полностью не формализованы и осуществляются разработчиком на основе накопленного опыта и ин­туиции. Квалифицированный разработчик за 5 — 10 шагов находит достаточно удовлетворительное решение при весьма сложной системе наложенных ограничений.