Надежность систем автоматизации

няли эстафету от знаменитой конференции FTCS (fault tolerant computing systems, http://www.crhc.uiuc.edu/ FTCS-29).

Одним из организаторов конференций FTCS и DSN по праву считается профессор Алгирдас Авиженис

(http://www.cs.ucla.edu/csd/people/faculty_pages/avizienis. html) –

ботоспособность цифровых систем: пер. с англ. // ТИИЭР. – 1979. – Т. 66, № 10. – С. 5–25.

Здесь IEEE (institute of electrical and electronics engineers, «I triple E») – это по-русски ИИЭЭ – Институт инженеров по электротехнике и электронике («Ай трипл И»), «олимп» научных знаний и публикаций, в том числе по нашей тематике. ТИИЭР – это труды ИИЭР.

В нашей стране проблемами надежности занимаются, например, в Институте проблем управления Российской академии наук им. В.А.Трапезникова (ИПУ РАН) (рис. В2).

11

Рис. В2. ИПУ РАН, Москва

Легендой ИПУ РАН и вообще отечественной теории надежности является Павел Павлович Пархоменко (рис. В3).

Рис. В3. П.П. Пархоменко

Сегодня доктор технических наук, профессор, членкорреспондент РАН Павел Павлович Пархоменко – главный научный сотрудник лаборатории технической диагностики и отказоустойчивости, заместитель главного редактора журнала «Автоматика и телемеханика». П.П. Пархоменко в 1956 г. на Всемирной выставке в Брюсселе получил Золотую медаль за машину для минимизации релейных схем.

12

Главный редактор журнала – академик С.Н. Васильев

(рис. В4).

Рис. В4. Журнал «Автоматика и телемеханика» – «наш» журнал

Так, в ИПУ РАН имеется специальная лаборатория № 27 – лаборатория технической диагностики и отказоустойчивости. Завлабораторией – доктор технических наук, профессор Михаил Федорович Каравай (рис. В5).

Рис. В5. Профессор М.Ф. Каравай

13

Разработкой компьютеров высокой надежности (КВН) на основе отказоустойчивых самосинхронных схем занимается также Институт проблем информатики Российской академии наук – ИПИ РАН. Завлабораторией перспективных архитектур – кандидат технических наук, доцент Ю.А. Степченков (рис. В6).

На постсоветском простран- Рис. В6. Ю.А. Степченков стве заметно выделяется харьковская научная школа гарантоспособности ХАИ – Харьковский авиационный институт

(Национальный аэрокосмический университет). Заведующий кафедрой компьютерных систем и сетей – профессор В.С Харченко (рис. В7).

Рис. В7. Профессор В.С. Харченко, автор более 600 изобретений (V. Kharchenko, DrS, professor, National aerospace university – KhAI, Kharkiv, Ukraine)

Под руководством профессора В.С. Харченко в 2006 г. была организована и проводится международная научно-

14

техническая конференция «Гарантоспособные (надежные и безопасные) системы, сервисы и технологии – DESSERT» (рис. В8).

Рис. В8. Эмблема конференции DESSERT

Данное учебное пособие предназначено для студентов, изучающих дисциплину «Надежность систем автоматизации», включает материал лекций, практических и лабораторных занятий, а также материал для самостоятельного изучения и варианты заданий. Может быть полезно студентам других специальностей при изучении вопросов надежности, отказоустойчивости, а также аспирантам и магистрам.

Обеспечение надежности баз данных описано в прил. 1. В прил. 2 представлена лабораторная работа. В прил. 3 – варианты для самостоятельной работы.

15

1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

Терминология по надежности систем автоматизации определяется ГОСТами [1, 3]. Вот некоторые из них:

–ГОСТ 27.002–89. Надежность в технике. Основные понятия, термины и определения;

–ГОСТ 24.701–86. Единая система стандартов автоматизированных систем управления. Надежность автоматизированных систем управления. Основные положения;

–ГОСТ 27.301–95. Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения.

–ГОСТ 25359–82. Изделия электронной техники. Общие требования по надежности и методы испытаний.

Теория надежности может быть определена как наука

ометодах обеспечения надежности при проектировании, изготовлении и эксплуатации технических систем [4]. Теперь пришло понимание того, что надо учитывать и необходимость последующей утилизации технической системы.

Основной задачей теории надежности является разработка количественных методов оценки надежности и определение наиболее рациональных методов ее обеспечения [4].

Втеории надежности можно выделить два направления: 1. Разработка методов обеспечения надежности систем

путем повышения надежности элементов на основе совершенствования технологии их изготовления.

2. Разработка методов проектирования надежных систем. Рассмотрим основные понятия по ГОСТу [1].

1.1. Понятие надежности

Надежность (reliability, dependability), как уже говори-

лось выше, – это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, харак-

16

теризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Примечание. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость или определенные сочетания этих свойств.

Безотказность (reliability, failure-free operation) – свой-

ство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Долговечность (durability, longevity) – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность (maintainability) – свойство объ-

екта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта

Сохраняемость (storability) – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Перечисленные выше свойства объектов – частные стороны надежности, являются общепризнанными и рекомендуются для широкого класса изделий.

Отметим также дополнительные частные свойства надежности:

Живучесть – свойство объекта сохранять работоспособность (полностью или частично) в условиях неблагоприятных воздействий, не предусмотренных нормальными условиями эксплуатации.

Достоверность функционирования объекта – это свойство относится уже к технической диагностике, диагно-

17

стическому обеспечению, без которого не должен проектироваться ни один объект.

Катастрофоустойчивость. При задании требований к надежности объекта обычно указываются нормальные условия его эксплуатации. Но к ряду объектов ответственного назначения могут быть предъявлены требования выполнять некоторые функции в условиях, существенно отличающихся от нормальных (даже катастрофически разрушающих).

Требование живучести может быть сформулировано, например, так: «выполнять заданные функции на заданном интервале времени после разрушающего воздействия» или «сохранять частичную работоспособность после разрушающего, катастрофического воздействия» и т.д.

1.2. Технические состояния

В процессе эксплуатации система может находиться в различных технических состояниях:

Исправное (исправность, good state) – состояние объек-

та, при котором он соответствует всем требованиям норма- тивно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Неисправное (неисправность, fault, faulty state) – со-

стояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Работоспособное (работоспособность, up state) – со-

стояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Неработоспособное (неработоспособность, down state) –

состояние объекта, при котором значение хотя бы одного па-

18

раметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-техни- ческой и (или) конструкторской (проектной) документации.

Для сложных объектов возможно деление их неработоспособных состояний. При этом из множества неработоспособных состояний выделяют частично неработоспособные состояния, при которых объект способен частично выполнять требуемые функции.

Предельное (предельность, limiting state) – состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

1.3.Дефекты, повреждения, отказы

Впроцессе эксплуатации в системе возникают дефекты, повреждения и отказы:

Дефект (defect) – каждое отдельное несоответствие параметров установленным требованиям.

Повреждение (damage) – событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния.

Отказ (failure) – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Существуют различные виды отказов:

Независимый (primary failure) – отказ, не обусловлен-

ный другими отказами.

Зависимый (secondary failure) – отказ, обусловленный другими отказами.

Внезапный (sudden failure) – отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта.

19

Постепенный (gradual failure) – отказ, возникающий в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров объекта.

Сбой (interruption) – самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора.

Перемежающийся (intermittent failure) – многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера.

Для поддержания работоспособного технического состояния систем проводится техническое обслуживание, а для его восстановления после повреждений и отказов – ремонт.

1.4. Восстановление

Восстановление (restoration, recovery) – процесс пере-

вода объекта в работоспособное состояние из неработоспособного состояния.

Обслуживаемый (maintainable item) – объект, для кото-

рого проведение технического обслуживания предусмотрено нормативно-технической документацией и (или) конструкторской (проектной) документацией.

Необслуживаемый (nonmaintainable item) – объект, для которого проведение технического обслуживания не предусмотрено нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документацией.

Невосстанавливаемый (nonrestorable item) – объект, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния не предусмотрено.

Ремонтируемый (repairable item) – объект, ремонт ко-

торого возможен и предусмотрен.

Неремонтируемый (nonrepairable item) – объект, ремонт которого не возможен или не предусмотрен.

Для оценки меры надежности объектов и систем вводятся показатели надежности.

20