книги / Справочник проектировщика систем автоматизации управления производством

работы КТС в течение времени (flf tx + А/); Ру (tu А/, б) — вероятность безотказ­ ной работы системы с учетом деятельности операторов по компенсации последствий

слительной техники, способной выполнять логические операции и обеспечивать контроль оператора и самоконтроль.

В АСУ возможны следующие основные группы методов повышения надежности системы:

повышение надежности КТС за счет использования надежных элементов, резерви­ рование технических систем, автоконтроля, мажоритарной логики, снижения интен­ сивности режимов работы и т. п.

повышение надежности функционирования КТС и персонала благодаря програм­ мно-алгоритмическим методам, в том числе с использованием временной избыточности (двойного счета, проверки гладкости решения по «поведению» высших разрядов кон­ трольных сумм) аитокинтриля и т. п.

повышение надежности функционирования КТС и персонала с помощью органи­ зационных методов (см. гл.'Х И , п. 2).

Последние две группы методов сами по себе не повышают надежности КТС и пер­ сонала, а лишь меняют величину интервала времени, для которого определяется вероятностный показатель надежности.

Прямое повышение надежности возможно за счет уменьшения времени восстанов­ ления, увеличения коэффициентов готовности и уменьшения времени простоя КТС.

Надежность АСУ зависит от того, насколько детально и быстро возможен поиск отказавшего элемента, насколько полно охвачены СК все элементы, насколько эко­ номична эта система, задача обеспечения надежности АСУ сводится по существу к созданию рациональной системы контроля.

В работе АСУ проявляется так называемый «эффект больших систем», заклю­ чающийся в том, что при большом числе элементов, составляющих АСУ, всегда ка­ кие-нибудь элементы не работают из-за отказов. Задача разработчиков АСУ состоит в том, чтобы обеспечить нормальное функционирование АСУ в условиях неисправности различных отдельных элементов.

С этой целью следует назвать методы оценки надежности функционирования слож­ ных систем: дифференциальные (асимптотический, параметрический, логико-веро­ ятностный, векторный) и интегральные (нормативный, вычисления средних потерь) [149].

3. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ

Под техническим обеспечением надежности АСУ понимается обеспечение надеж­ ности КТС АСУ и технических средств системы контроля (СК).

Надежность КТС АСУ определяется надежностью отдельных технических средств, правильным построением КТС, технической системой контроля и соответствующей организацией эксплуатации.

Надежность отдельных технических средств обеспечивается конструкторским, технологическим и эксплуатационным способами.

Конструкторский способ обеспечения надежности, .реализуемый в процессе кон­ струирования, предусматривает в аппаратуре запасы прочности, облегченные режимы работы, резервирование элементов и узлов (избыточность), унификацию и стандарти­ зацию, технологичность, а также высокую ремонтоспособность, и соблюдение требо­ ваний инженерной психологии.

Технологический способ обеспечения надежности реализуется в процессе изготовле­ ния аппаратуры и заключается в обеспечении точности изготовления, однотипно­ сти, стабильности технологических процессов в контроле за проведением всех техно­ логических операций и в осуществлении мероприятий по совершенствованию тех­ нологических процессов.

Оба эти способа реализуются предприятиями — изготовителями и учитываются проектировщиками АСУ по общим характеристикам выпускаемых технических средств.

Эксплуатационный способ обеспечения надежности реализуется в' процессе фун­ кционирования АСУ и заключается в профилактике, ремонте и поиске неисправ­ ностей.

В настоящее время заводы-изготовители оборудования* используемого в КТС, имеют данные о надежности выпускаемого ими оборудования и высылают их по запросам проектировщиков (табл. XVIII. 1).

Т а б л и ц а XVIII. 1

Поскольку КТС состоит из отдельных элементов — самостоятельных устройств, которые функционируют в технологической цепочке последовательно или параллель­ но, то к нему применимы положения теории надежности, приведенные в гл. X, п. 6.

Хотя показатели надежности и используются при выборе отдельных технических средств (см., например, табл. Х.5, XVIII. 1), однако при формировании из этих сре­ дств комплекса необходимо учитывать общую надежность формируемого КТС, опре­ деляемую на основании показателей надежности отдельных элементов и технологи­ ческого процесса, устанавливающего порядок их взаимодействия.

Надежность КТС при формировании его из отдельных технических средств обес­ печивается избыточностью (частичным резервированием), перекрытием зон функци­ онирования, многоканалыюстью, использованием обратных связей и т. п.

Особое внимание при комплектовании КТС необходимо обратить на аппаратуру СПВ, которая работает, как правило, в две смены или круглосуточно. Для оценки надежности СПВ рекомендуется рассматривать ее по группам оборудования (табл. XVIII.2).

Подсчет среднего времени безотказной работы для этих групп оборудования пока­ зал, что наиболее часто отказывают перфораторы, ДЭН, позиционные датчики и датчики физико-химических величин, аппаратура сбора данных и печатающие ус­ тройства. Поэтому для этого оборудования необходимо предусматривать соответ­ ствующие ЗИПы и системы контроля (СК).

Система контроля состоит из организационной системы и технических средств, входящих в КТС АСУ.

В настоящее время средняя наработка на отказ общепромышленных датчиков составляет 25 — 200 суток. В системе из 1000 датчиков отказы в среднем происходят 1 — 2 раза в смену. Для обеспечения работы АСУП необходимо повысить надежность работы датчиков в 100 — 1000 раз. Достигнуть этого можно повышением надеж­ ности самих датчиков, применением резервирования .или сокращением времени вос­ становления системы. Обеспечить такой рост надежности только за счет повышения качества самих датчиков чрезвычайно сложно.

Время восстановления можно сократить за счет контроля и диагностики работо­ способности и неисправности. Рекомендуется периодический контроль исправности датчиков, причем периодичность контроля датчиков, должна быть меньше опреде­ ленной допустимой величины.

Поскольку время поиска неисправности значительно больше времени замены оборудования, то средства контроля играют главную роль в процессе восстановле­ ния работоспособности. Средства контроля, входящие в СК, можно разделить на средства программного контроля (см. п.4) и схемного контроля.

Схемным контролем называется контроль работы оборудования с помощью спе­ циальной контрольной аппаратуры (встроенной, приставной или подносимой). Может

Программный контроль состоит в машинном анализе данных, поиске и обнару­ жении ошибок и нежелательных ситуаций и может включать разработку рекомен­ даций по их устранению.

Программно-алгоритмический контроль информации, поступающей в ЭВМ, осно­ ван на использовании избыточной, исходной и промежуточной информации. Алго­ ритм контроля, как правило, на порядок меньше основного алгоритма по своей длине и времени реализации. Емкость контрольных программ СПВ составляет около 1% емкости памяти основных программ и снижает производительность вычислителя при­

мерно на 10%.

Алгоритмы контроля используют причинно-следственные и (или) стохастические связи контролируемых параметров. Любой алгоритм в принципе может быть решен схемно, программно или с помощью сочетания этих методов.

Алгоритм контроля аналоговых датчиков может строиться на обнаружении вы­ хода за предельные значения, на сравнении последовательно собираемых данных, на статистическом контроле последовательной цепочки данных, на анализе логичес­ ких связен с показаниями датчиков других типов.

Алгоритм контроля датчиков работы оборудования (ДРО) может строиться на сравнении показаний двух параллельно установленных датчиков, на сравнении с показаниями датчиков других видов (например, данные о выпуске продукции сравни­ ваются с данными о работе оборудования), по сигналам, собираемым в особые пе­ риоды — когда все станки не работают или все включены и т. п.

Алгоритм контроля ДЭИ предназначен для обнаружения отказавшего датчика. Алгоритм зависит от конструкции датчиков. Можно использовать сигнал о неис­ правности датчика, вводимый оператором, работающим па ДЭИ. Используются также логические связи между экономической информацией, поступающей от ДЭИ, и ин­ формацией, поступающей по другим каналам. Экономическая информация содержит определенную избыточность, и алгоритм контроля может быть построен на анализе

внутренней структуры и содержания каждого сообщения.

Алгоритм контроля счетчиков электроэнергии основан на анализе потребления электроэнергии по показаниям группового счетчика. Можно также использовать ДРО (при этом должна потребляться электроэнергия) или сравнивать показания с данными об изготовлении продукции (с учетом нормативной энергоемкости детале-. операций).

Алгоритм контроля контактных датчиков основан на определении их наиболее вероятных сбоев — разрыв или короткое замыкание. Алгоритмы контроля анало­ гичны алгоритмам контроля ДРО.

Алгоритм контроля датчиков выработки может строиться на сравнении показаний с данными соответствующего ДРО, на изменении показаний датчиков во времени и на логических моделях, использующих отклонение между .фактическими и плановыми данными.

Алгоритм контроля коммутирующей аппаратуры, используемой для опроса датчи­ ков, использует датчики-имитаторы, выдающие строго постоянные сигналы, значение которых имеется в программе, и сводится к опросу этих датчиков и сравнению полу­ ченных показаний. Алгоритм может включать анализ неисправности.

Алгоритм контроля устройства вывода информации СПВ (схем сигнализации, индикации и печати информации) может быть основан на контрольной записи в соот­ ветствующей зоне памяти стандартных сигналов и их периодической или по необхо­ димости передаче на устройства вывода. Дальнейший контроль осуществляет опе­ ратор по полученной им информации.

Алгоритм общего контроля предназначен для установления последовательности выполнения всех контрольных алгоритмов и объединения их в единый процесс контро­ ля. Кроме того, алгоритм предусматривает общий оперативный контроль всего СПВ, например, путем решения контрольной задачи. Результат работы алгоритма общего контроля оператор СПВ заносит в журнал эксплуатации.

Алгоритм контроля работы оператора СПВ основан на проверке выполнения опера­ тором определенного регламента работ, на контроле заданной последовательности действий, на подсчете сбоев в работе оператора и скорости его работы.

Организационная система обеспечения надежности — комплекс мероприятий, обязательным элементом для реализации которых является человек или группа людей, действующих по предписанному алгоритму обеспечения надежности.

Организационная система делится на собственно организационную часть — опе­ ратор вычислителя СПВ, оператор ЭВМ ВЦ, диспетчеры центрального диспетчерского пункта, ДП энергохозяйства, ДП производства, бригадиры по ремонту, контролю, профилактике аппаратурной части АСУП, персонал, обеспечивающий сбор статисти­ ческих данных, управленческий персонал, оператор СК;

несобственно организационную — технические средства и люди.

На рис. XVIII. 1 представлена схема движения информации в несобственно-орга­ низационной системе обеспечения надежности. Из схемы видно, что контроль состо­ яний, в которых может находиться СПВ, осуществляется людьми с помощью аппа­ ратурной и программной систем контроля.

Центральной.фигурой в процессах сбора информации с целью контроля является оператор СПВ, совмещающий функции оператора СК. Последний, осуществляя сбор и обработку информации с помощью аппаратурной и программной систем контроля, уточняет эти данные, обращаясь с вопросами к различным лицам по приведенной схеме. В свою очередь эти лица, обрабатывая рабочую информацию на основе данных от си­ стем сигнализации, цифровой индикации, печати, перфорации, выявляет избыточ­ ность и факты, вызывающие их сомнения в достоверности получаемых данных. Они обращаются к оператору СПВ. Оператор накапливает опыт эксплуатации данной СПВ и оценивает достоверность информации. Таким образом, в собственно органи­ зационной части системы СПВ есть рабочая и контрольная части.

Оператор ДРВ, бригады КИП и автоматики, диспетчеры производства и энерго­ хозяйства, контролируя работу своих приборов, в случае сомнения в нормальной работе ставят в известность оператора СК.

Оператор ВЦ по результатам решения задач ВЦ и по предыдущему опыту их ре­ шения определяет достоверность данных, поступающих в ВЦ из СПВ.

Надежность СПВ зависит от надежности собственно организационной части. Учи­ тывая адаптивные свойства, физиологические и психологические возможности чело­ века, необходимо правильно спроектировать их обучение, расстановку, численность. Действия людей необходимо однозначно регламентировать рабочими инструкциями. Эффект организационной системы определяется числом людей, связями между ними, обученностью персонала, правильным размещением его и другими факторами, рас­ сматриваемыми эргономикой.

6. ПРИМЕР РАСЧЕТА ИНТЕНСИВНОСТИ ОТКАЗОВ ДАТЧИКОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН,

УСТАНОВЛЕННЫХ В АСУП ПРЕДПРИЯТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Ввод информации в СПВ осуществляется с помощью различных датчиков, в том числе датчиков физико-химических величин, схемы подключения которых выполнены

вдвух модификациях:

1)параметр измеряется непосредственно в месте изменения технологического

процесса (на объекте) с одним преобразованием параметра, например, в частоту эле­ ктрического тока (с помощью преобразователя ПС) или потенциал (с помощью кон­ тактов или потенциальных датчиков);

2) параметр, полученный схемой первой модификации, претерпевает еще ряд пре­ образований с помощью вторичных приборов. В АСУП некоторых предприятий хими­ ческой промышленности в качестве таких вторичных приборов использованы счетчики, приборы типов ВФСМ, ПФФ, ПМФ, ИДЧ и др.

Схемы подключения датчиков образуют последовательные цепочки. Для семи таких цепочек рассчитана интенсивность отказов (интенсивность отказов конструк­ тивов не учтена) (табл. XVIII,3.).

Производство

Управленческий персонал

Рис. XVIII. 1. Движение информации в несобственно-организационной системе обеспечения надежности АСУП:

Пример расчета интенсивности отказов для части СПВ АСУП химической промышленности

7.ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ

Экономическая эффективность АСУП в значительной мере зависит от ее надеж­ ности [150].

Годовой объем экономии и дополнительных доходов, получаемых от использо­ вания АСУП, зависит от показателен надежности АСУП следующим образом:

С{Кг) = С [ К г + у ( \ - К т)},

где С — годовая экономия и дополнительные доходы, получаемые от использования надежной АСУП без отказов; С (Кг) — экономия и доходы, зависящие от ненадежной АСУП с коэффициентом готовности системы Кг*> коэффициент у является отношением средней производительности предприятия при работе без АСУП к средней произво­ дительности при работе с АСУП без отказов.

Коэффициент готовности, принятый показателем надежности АСУП, ГЛ

KAt)dk,

K > - i r î

где Кг (0 — вероятность того, что система в момент t работоспособна, а Гр — время эксплуатации системы до износа (срок службы).

Годовые затраты на эксплуатацию АСУП с учетом показателей надежности сос­ тавляют

3 9= Сг (1 KT)t

где Сг — среднегодовая стоимость устранения всех отказов в АСУП.

Расходы на создание системы зависят от ее надежности следующим образом:

где Со и /Сг.с — соответственно стоимость и коэффициент готовности АСУП, создава­ емой на достигнутом научно-техническом уровне без специальных мер по повышению надежности; С0 (Л'г) и /Сг — то же после проведения мероприятий, направленных на повышение надежности АСУП, эффективность которых характеризуется парамет­ ром а.

Годовой экономический эффект от использования АСУП с учетом надежности составит

Оптимальный коэффициент готовности системы для случая а — 1

Решение о необходимости мероприятий по повышению надежности АСУП может быть принято при сравнении годового экономического эффекта, получаемого от АСУП

без отказов Э и с отказами Э (Л'г)- Для оценки надежности АСУП может быть применен экономический коэффици­

ент надежности

жг Э -3(/С г) Аэ -- ------ Р-----

1.ПОНЯТИЕ О ПРОЕКТИРОВАНИИ

Винтеллектуальной деятельности человека проектирование занимает особое ме­ сто — оно завершает творческий созидательный процесс и непосредственно пред­ шествует внедрению объекта.

Если научно-исследовательская деятельность отличается новизной, поиском, не­ определенностью будущего результата, то опытно-конструкторские работы и прое­ ктирование в большей степени основываются на имеющихся знаниях, опыте чело­ вечества, на результатах научных исследований. Кроме того, эти два вида деятель­ ности в значительно большей степени формализованы, что проявляется в системах конструкторской и проектной документации в методиках конструирования и про­ ектирования и т. п.

Под проектированием понимается*процесс создания технической документации по какому-либо объекту, служащей для обоснования, обсуждения, оценки, утверждения, комплектации, строительства, монтажа, наладки и внедрения объекта.

Проектированию должна предшествовать подготовка исходных данных, которые отбираются из имеющейся документации, собираются в процессе обследования и выполнения изыскательских работ. Иногда получение исходных данных затруднено, требуется постановка эксперимента или научно-исследовательская работа для выясне­ ния и обоснования нужных сведений.

Результатом проектирования, продуктом проектной деятельности является проект,

вкотором фиксируется в материальной форме, доступной человеческому восприятию, замысел проектировщика.

Объекты проектирования могут быть довольно разнообразными — жилые здания,

сооружения, промышленные корпуса и системы связи, космодромы и шагающие эк­ скаваторы, АСУП и автострады. Проектирование иногда приближается к констру­ ированию, иногда — к научно-исследовательской работе — все зависит от новизны, наличия аналогов, необходимого опыта создания и эксплуатации соответствующих АСУ.

Проектированием АСУ, также как и других объектов, должны заниматься высо­ коквалифицированные специалисты. Недостаточная квалификация проектировщи­ ков приводит к снижению качества разрабатываемых проектов. Построенные по таким проектам объекты не достигают проектной мощности, не обеспечивают необходимого повышения производительности труда и других экономических показателей. Кроме того, неквалифицированные проектировщики не могут грамотно поставить задачу пе­ ред создателями нового* оборудования, материалов, перед исследователями. А это тормозит развитие техники и научно-технического процесса. Объекты проектиро­ вания, как правило, действуют длительное время и это увеличивает урон от нека­ чественных проектов.

В проектировании существует глубокая специализация и кооперация. Кооперация обеспечивается системой специализированных генпроектных институтов и подрядных организаций, специализацией проектных отделов и групп. Глубокая специализация сопровождается широким охватом всех сторон деятельности проектируемых объектов, системным подходом. Для этого привлекаются инженеры-универсалисты (главные инженеры проектов), знающие все, но достаточно укрупиенно и используются специа­ листы, глубоко знающие узкие вопросы.

Любой процесс проектирования выполняется человеком последовательно — опе­ рация за операцией. Один проектировщик не может одновременно выполнять нес­ колько операций проектирования. Следовательно, независимо от нужд анализа, процесс проектирования расчленяется на простейшие операции, каждая из кото­ рых состоит в обработке информации и ее «проектном» изложении.

Используемую для выполнения простейшей операции информацию целесообразно разделить на:

1) нормативную / н, которая подготавливается заранее и охватывает достаточно широкий круг автоматизируемых объектов, т. е. связь которой с параметрами объекта обозрима; содержится в архиве проектной организации, в описаниях выпускаемой аппаратуры, номенклатурах заводов и т. д.

2)исходную /„„состоящую из информации об автоматизируемом предприятии и окружающей его среде;

3)производную (конечную) / к, полученную ранее в результате выполнения дру­

гих простейших операций проектирования; представляется в виде текстовых, таблич­ ных и графических материалов и машинных носителей;

4) управляющую / у, определяющую методику и порядок проектирования. Нормативная информация относится ко всем АСУП или к определенному классу АСУП, исходная — к конкретному автоматизируемому объекту. Производная —

также к конкретному объекту, но возникает в процессе проектирования. Тогда простейшая операция будет выглядеть так:

31

1,4

al 1»

•Здесь 1, 2, 3, 4 — виды информации.

Как указывалось, процесс проектирования состоит из последовательности про­ стейших операций проектирования (сокращенно ПО). Одновременное выполнение нескольких простейших операций и длина последовательности зависят от постав­ ленной задачи, наличия ресурсов и т. п.

Кроме ПО необходимо выполнять операции поиска информации и комплектации информации для выполнения ПО. Эти операции сводятся к сортировке.

Операции сортировки могут быть упорядочены с помощью различных приемов. Нормативная информация 1 может быть заранее подобрана и подготовлена для каж­ дой ПО независимо от выполняемого проекта. Исходная информация 2 может подби­ раться одновременно для всех ПО после обследования предприятия и получения исходных данных. Для выполнения этого необходим анализ содержания всех ПО.

Сортировка производной 3 информации происходит в процессе проектирования. Эта операция упрощается, если известны связи ПО между собою, последовательность ПО и состав сведений, передаваемых от одной операции к другой последовательно.

Упорядочение операций сортировки упрощает и резко снижает трудоемкость про­ ектирования АСУП.

Кроме упомянутых, проектирование включает подготовительные операции по сбору информации на предприятии, у заказчика, у генпроектйровщика и оформитель­ ские операции (печать, копировка, переплет и т. п.), которые здесь не рассматриваются.

Рассмотрим возможные варианты ПО в зависимости от используемой информации. Примем, что на выходе ПО всегда будет только производная информация. Исходной 2 и нормативной 1 информации на выходе ПО быть не может, так как по определению они должны быть получены до начала проектирования. Если в ПО поступает только нормативная и управляющая информация 4 (см. вторую графу табл. XIX. 1), то информация 3 на выходе ПО также является только нормативной. Такая операция может выполняться один раз заранее, до начала любого проектирования, и сводится к улучшению формы представления нормативной информации. Следовательно, опера­ ции этого типа являются работами по созданию нормативной информации. По своему