АСУ ТП как объект исследования надежности отличается следующими специфическими особенностями:

• сложностью автоматизированных систем управления — включает большое число различных технических средств, персонал и т. д.;
• многофункциональностью систем управления технологическими процессами — как правило, выполняет ряд функций;
• многонаправленностью использования элементов в системе — один и тот же компонент участвует в выполнении нескольких функций;
• множественностью видов отказов автоматизированных систем управления — имеет место ряд видов отказов, различающихся по причинам возникновения, последствиям;
• взаимосвязью надежности и экономической эффективности систем автоматизации — повышение надежности уве­личивает эффективность АСУ ТП, но тре­бует дополнительных затрат, снижающих эффект;
• зависимостью надежности от технической эксплуатации систем управления технологическими процессами — АСУ ТП рассчитаны на длительное использование с заменой элементов и восстановлением ремонтопрогодности;
• не транспортабельностью, несохраняемостью автоматизированных систем управления — АСУ ТП не рассчитаны на хране­ние в бездействующем состоянии; транспортировке в собранном виде не подлежат;
• зависимостью надежности от КТС и от структуры алгоритмов систем управления технологическими процессами — надежность системы зависит от надежности ее составных частей;
• влиявшем персонала на надежность автоматизированных систем управления — человек в цепи управления снижает надежность системы, человек вне цепи управления может повышать надежность.

Уровень эксплуатационной надежности, АСУ ТП определяется следующими основными факторами:

• составом и структурой используемых тех­нических средств систем автоматизации;
• стратегией, режимами и параметрами обслуживания и восстановления систем автоматизации;
• условиями эксплуатации отдельных ком­понентов и системы в целом;
• содержанием, организацией и структурой реализуемых алгоритмов управления и ма­шинных программ промышленных систем управления;
• содержанием задач и организацией деятельности операторов промышленных систем управления.

Функциональный подход к описанию надежности АСУ ТП. Применительно к АСУ ТП основные составляющие надежности, характеристики и показатели которых обязательно должны вноситься в техническую документацию, это безотказность и ремонтопрогодность систем промышленной автоматизации. Составляющие сохраняемость и долговечность не являются существенными; устанавли­ваемые показатели долговечности систем промышленной автоматизации определяются главным образом факторами морального старения.

Рассмотрение всех вопросов надежности АСУ ТП базируется на функциональном под­ходе, в соответствии с которым надежность АСУ ТП представляет собой совокупность (вектор) надежностных характеристик и показателей по всем функциям системы. Перечень и четкое определение функций, по которым следует рассматривать надежность систем промышленной автоматизации, устанавливаются техническим заданием на АСУ ТП. По каждой функции АСУ ТП (как и по каждому компоненту) различают два возможных со­стояния: работоспособности и неработоспособности.

Если по некоторой функции АСУ ТП имеют место два или более видов отказов, существенно различающихся по причинам возникновения и (или) вызываемым ими по­следствиям, то надежность системы по этой функции следует определять по каждому виду отказов в отдельности. Для функций АСУ ТП можно выделить следующие основные виды отказов:

• устойчивые отказы и сбои; внезапные и постепенные отказы систем промышленной автоматизации;
• отказы, приводящие к остановке упра­вляемого технологического оборудования (отказы-остановки), и отказы, приводящие к аварии (отказы-аварии) систем промышленной автоматизации.

Возможно выделение и других видов от­казов.

Функции АСУ ТП разделяются на простые и составные. Простыми являются функции, которые нельзя разложить на со­ставляющие; составные включают некото­рую совокупность простых функций, объединяемых по общности цели, роли в процессе управления, информационным, конструк­тивным или другим признакам.

С точки зрения исследования надежности функции, реализуемые АСУ ТП, разбиваются на две группы:

1) функции промышленных систем управления, для выполнения которых не­обходимо непрерывное функционирование участвующих в их реализации средств си­стемы в течение всего расчетного интервала времени (смены, месяца, года и т. п.) - непрерывные функции или Н-функции;

2) функции промышленных систем управления, выполнение которых сводится к эпизодической реализации некоторой процедуры (в заранее определенные моменты времени или в режиме случайного поступле­ния запросов) — функции-процедуры или П- функции.

Граница между этими двумя группами функций нечетка, некоторые функции АСУ ТП можно рассматривать и как Н-функции, и как П-функции.

Количественно надежность АСУ ТП по Н-функциям и по П-функциям описывается по-разному.

Описание надежности АСУ ТП по Н-функции. Н-функции АСУ ТП могут определяться как выполнение некоторых действий (Н- функции 1-го вида) или как достижение некоторого результата, выраженного в удельных (на единицу времени) технических или экономических показателях (Н-функции 2-го вида).

Примерами Н-функций 1-го вида могут служить: управление нажимными механиз­мами прокатного стана промышленных систем управления; управление газотур­бинными агрегатами магистральных газо­проводов; управление распределением дутья по фурмам доменной печи. Для этих функ­ций характеристическими случайными вели­чинами систем автоматического управления являются: время Т_Б. безотказ­ного выполнения системой i-й функции и время Г_в восстановления работоспособно­сти системы по i-й функции. В качестве еди­ничных показателей безотказности и Р используются:

Т_В — наработка системой автоматического управления на отказ i-й функции;

р_i (т) - вероятность безотказного выполне­ния системой автоматического управления i-й функции в течение заданно­го времени т;

Т_В (t) — среднее время восстановления работоспособности системы автоматического управления по i-й функции;

F_B (t) - вероятность восстановления в те­чение заданного времени t работоспособно­сти системы автоматического управления по i-й функции.

Комплексными показателями являются:

К_г - коэффициент готовности системы автоматизации по i-й функции;

К_Т.И - коэффициент технического исполь­зований системы автоматизации по i-й функции.

Пример VI. 1. Пусть рассматривается АСУ газо­турбинным агрегатом магистрального газопрово­да, на которую возлагаются две основные функ­ции:

Ф1 — собственно управление газотурбинным агрегатом, работающим непрерывно в течение длительного времени:

Ф2 — защита от аварий (выявление аварийной ситуации и остановка турбины).

Функции Ф1 и Ф2 существенно различны по содержанию и по важности; различны и требования к их надежности автоматизации.

Для Ф1 наиболее удобными в практическом использовании являются такие показатели, как наработка на отказ Т_Б и среднее время восстановления Т_В.

Для Ф2 естественным показателем надежности является коэффициент готовности К или коэффициент технического использования К_Т.И. представляющие собой вероятность того, что в момент возникновения аварийной ситуации аппаратура защиты будет в состоянии работоспособности.

При рассмотрении Н-функций 2-го вида вводятся понятия удельной (часовой) эффективности функции и удельной (часовой) эффективности (E_t) системы в момент t.

В связи со случайностью моментов отка­зов и восстановлений компонентов системы автоматизации функция E_t(t) является случайной. Число и значения уровней, на которых может нахо­диться E_t(t) определяются значением т и набором значений.

Н-функция 2-го вида определяется как обеспечение пребывания системы на некото­ром фиксированном уровне Е или в некото­ром интервале уровней.

В качестве фиксируемых уровней принимаются уровни эффективности, харак­терные для рассматриваемой системы. При­мерами Н-функций 2-го вида могут служить: поддержание функционирования технологи­ческого агрегата на максимальном уровне производительности (Е_тах); поддержание экономической эффективности агрегата на уровне не ниже 80% от максимально дости­жимого. Для этих функций характеристическими случайными величинами являются время нахождения системы на за­данном уровне эффективности или в за­данном интервале уровней.

Комплексным показателем Н по Н-функции 2-го вида является — коэффициент, определяющий долю времени нахождения системы на заданном уровне эффективности автоматизации или в заданном диапазоне уровней соответственно.

Комплексным показателем Н системы в целом по Н-функциям 2-го вида является надежностный коэффициент снижения эф­фективности.

Описание надежности АСУ ТП по П-функ­циям. Примерами П-функций в АСУ ТП мо­гут служить: защита от аварий (предупре­ждение развития предаварийной ситуации в аварию), составление программы обработ­ки новой детали на технологической линии станков, составление сводки месячных пока­зателей работы цеха и т. п.

При рассмотрении надежности выполне­ния П-функций в АСУ ТП основным поня­тием является успешное выполнение заданной (i-й) процедуры (событие Wj).

Учитывая, что на R_i, по-разному влияют, устойчивые отказы и сбои и что отказы этих видов независимы, значение R_i.

Пример VI.3. Рассмотрим функцию АСУ, заключающуюся в составлении программы обработки детали на технологической линии металлорежущих станков и программировании программируемых логических контроллеров (ПЛК).

Запросы на составление программы возникают в произвольные моменты времени. Програм­ма должна быть составлена как можно быстрее _м_ (максимальное время, которое может быть отведе­но для этого, составляет 2 ч). Она должна обеспе­чивать высокую точность обработки детали. При безотказной и бессбойной работе автоматизированного комплекса вычислительных средств разработка программы занимает 1 ч 45 мин.

Для успешного программирования программируемых логических контроллеров (ПЛК) необходимо, чтобы в момент поступления запроса комплекс вычислительных средств был работоспособен, и чтобы он проработал без устойчивых отказов в течение двух часов. Кроме того, необхо­димо, чтобы возникающие сбои не удлинили время составления программы свыше двух часов, не внес­ли ошибку в расчеты и не нарушили требуемой точности.

В качестве основного показателя надежности автоматики  и выполнения системой заданной функции составления программы для линии станков используется показатель R, представляющий собой вероятность того, что комплекс вычислительных средств си­стемы успешно выполнит запрос, пришедший в произвольный момент времени, т. е. что процедура составления программы будет завершена в срок более чем за 2 ч без ошибок и с необходимой точностью.