Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Надёжность систем автоматического управления технологическими процессами. Учебно-методическое пособие
.pdf
Особое внимание следует уделять определению количественных
показателей надёжности. Этот процесс начинается при формировании
технического задания, впоследствии требования по надёжности уточняются на последующих этапах разработки системы. Рассмотрим
различные способы решения этой проблемы.
1. Конечная цель функционирования АСУ ТП – повышение по-
казателей эффективности экономической деятельности, которые частично зависят от показателей надёжности, поскольку повышение
надёжности способствует снижению количества отказов, но увеличивает расходы на разработку и эксплуатацию. Поэтому зависимость
показателей экономической эффективности W от показателей надёжности системы, как правило, имеет экстремум, и поэтому проблема
выбора требований надёжности может быть определена и решена в
качестве оптимизационной по критерию экономичности.
Первоначальными данными для решения этой проблемы являются: функции АСУ ТП и критерии отказов для каждой функции; взаимосвязь между потерями от отказов функций и их надёжностью; взаимосвязь между инвестиционными издержками и надёжностью, что
означает наличие информации о первоначальном варианте структуры
системы, её сложности, надёжности и стоимости технических средств
для оценки повышения надёжности от тех или иных операций и связанных с ними издержек.
Аналитическое решение этой проблемы может быть достигнуто
при использовании небольшого числа переменных и жёстких требований, касающихся вида целевой функции и ограничений [5]. Полный перебор вариантов из-за большого количества затруднителен даже при
использовании вычислительной мощности компьютера, поэтому решение проблемы может быть реализовано с помощью методов ограниченного и целенаправленного подбора, обычно варианты предоставляются
разработчиком АСУ ТП. Полученное решение – это не точное значение
оптимума, а только близкое к нему. Полученные значения показателей
надежности функций {Qi} можно рассматривать в качестве ориентира
при определении требований к надёжности АСУ ТП.
31
2. Поскольку первоначальные данные, указанные выше, не всегда
известны, то требуемые значения для показателей надёжности можно
определить с помощью критериев надёжности, а не экономических
критериев. Задача определения требований в отношении надёжности
может быть сведена к решению оптимизационной задачи: установление верхнего предела для показателей надёжности с указанными выше инвестиционными ограничениями в АСУ ТП и используемые ресурсы. В отличие от предыдущего пункта, задача определения требований к надёжности значительно упрощается, поскольку нет необходимости в информации о последствиях отказов АСУ ТП и снижении
показателей экономической эффективности.
3. Требования в отношении надёжности АСУ ТП по отказам,
приводящим к негативным последствиям, могут быть сопоставлены с
известной информацией о надёжности технологического оборудования в том случае, если такие отказы приводят к аналогичным последствиям. Пусть параметр потока отказов технологического оборудования, приводящего к негативным последствиям, равен ω
Тогда требование к параметру потока отказов ω
АСУ
.
ТОУ
АСУ ТП, вы-
зывающего такой же негативный эффект, выбирается как некоторая
процентная доля ω
, определяемая характеристиками АСУ ТП,
ТОУ
объекта, последствий отказов и соотношением расходов на повышение надёжности АСУ ТП, объекта и т. д. Точно так же можно задавать требования для других показателей надёжности. Например,
наработка на отказ АСУ ТП, вызывающая останов технологического
процесса, устанавливается в несколько раз больше наработки на отказ
технологического оборудования, вызывающего такой же останов.
4. Большинство современных АСУ ТП создаются на основе
прототипов, для которых информация об уровне надёжности известна. Требования в отношении надёжности новой системы могут быть
сформулированы исходя из уровня надёжности прототипа, с учётом
повышения этого уровня вследствие общей тенденции повышения
надёжности технических средств.
32
Техническое задание на АСУ ТП должно содержать информацию,
касающуюся вопросов надёжности, а именно: перечень функций АСУ
ТП, устанавливающий требования к надёжности; виды отказов каждой
функции, а также описание конкретных критериев отказа этих функций; требования в отношении значений показателей надёжности; опи-
сание методологии оценки надёжности АСУ ТП на различных этапах
разработки системы и методов контроля достигнутых показателей
надёжности, инструкции по учёту надёжности программного обеспечения и действий оперативного персонала при оценке надёжности АСУ
ТП, требования к надёжности отдельных технических средств, а также
к количеству и квалификации сотрудников и режимам их работы.
К техническому заданию, на АСУ ТП с высокими требованиями
к надёжности, прилагается отдельный организационный документ,
содержащий процедуры по обеспечению надёжности. Эти процедуры
определяют перечень исполнителей работ, призванных установить
уровень надёжности, необходимый для разрабатываемой АСУ ТП,
период выполнения, оценку достигнутого уровня надёжности и
разработку мер по обеспечению и повышению надёжности системы
на различных этапах её создания, внедрения и эксплуатации.
Содержание процедур по обеспечению надёжности зависит от
конкретной АСУ ТП, характеристик и организации разработки системы, важности функций, выполняемых системой, необходимого
уровня надёжности функций и АСУ ТП в целом, наличия исходных
данных, необходимых для выполнения расчётов, и информации о
надёжности аналогичных систем и элементов.
3.1.3. Определение надёжности АСУ ТП при проектировании
Стадия «Технический проект». На этой стадии разрабатывается
функциональная структура АСУ ТП и анализируются различные
варианты построения АСУ ТП, предполагаемый состав используемых технических средств, структура и содержание алгоритмов
функционирования АСУ ТП, а также действий оперативного персонала. Одним из аспектов анализа является сопоставление вариантов
АСУ ТП по критериям надёжности, для чего проводится ориентировочная оценка надёжности этих вариантов [3, 4].
33
Определяются зависимости и пути повышения надёжности по
различным вариантам АСУ ТП. Основными путями повышения
надёжности являются:
– замена технических средств, имеющих аналогичное назначение,
но более надёжными;
– введение различных видов резервирования;
– улучшение условий труда эксплуатации;
– рациональная организация эксплуатации, выполнение технического обслуживания необходимой периодичности и объёма, поставка
ЗИП [6] требуемой номенклатуры и количества, наличие эксплуатационного и ремонтного персонала нужной квалификации;
– использование методов и средств технической диагностики,
предназначенной для определения технического состояния и поиска
неисправностей;
– совершенствование подготовки оперативного персонала АСУ
ТП, организаций условий его работы;
– изменение содержания и структуры реализуемых системой
алгоритмов управления и используемого программного обеспечения.
При сравнении вариантов АСУ ТП выбирают предпочтительный
(по критерию надёжности). Далее проводят проектную оценку
надёжности выбранного варианта. Для этого составляют специальный документ «Проектная оценка надёжности АСУ ТП».
При проектной оценке надёжности АСУ ТП в зависимости от
особенностей системы учитывают надёжность: технических средств
и действий оперативного персонала АСУ ТП, а также структуры и
содержания алгоритмов и программ.
Проектную оценку надёжности АСУ ТП можно проводить аналитическими методами, методами вероятностного моделирования и
комбинированными методами, представляющими собой сочетания
вышеуказанных методов.
В ходе разработки технического проекта выполняют и некоторые
иные работы, направленные на обеспечение надёжности. Например,
помимо серийно выпускаемых технических средств, для некоторых
34
конкретных систем должны специально разрабатываться новые средства. В заявках и технических заданиях на разработку этих средств
должны быть указаны и требования к их надёжности.
При расчёте ожидаемой технико-экономической эффективности
АСУ ТП должно учитываться влияние надёжности на показатели
эффективности и др.
Этап «Рабочая документация». На этом этапе уточняются данные
о надёжности технических средств, используемых в окончательной
версии АСУ ТП. Данные отбираются на основе технической документации или результатов предыдущих экспериментальных исследований.
При подготовке операционной документации производится обновлённый расчёт набора запасных частей, количества и состава персонала, обеспечивающего обслуживание и эксплуатацию технических
средств и программных продуктов. Разрабатываются правила и инструкции для операторов АСУ ТП [3, 4].
3.2. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ АСУ ТП ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
3.2.1. Основные задачи эксплуатации
Увеличение количества технических средств в АСУ ТП, широкое
использование компьютерных технологий и усовершенствованного
программного обеспечения, расширение количества и значимости
функциональных возможностей АСУ ТП приводит к тому, что техническая эксплуатация этих систем становится сложной и многофакторной проблемой, для решения которой требуется значительное количество работников [3, 4].
Существующий набор требований к технической эксплуатации
АСУ ТП включает: контроль за состоянием комплекса технических
средств (КТС); восстановление отказавшего оборудования; техническое
обслуживание в соответствии регламентами; поверку средств измерений; снабжение запасными частями, материалами и оборудованием.
Для этого в организациях, эксплуатирующих эти системы, должны быть созданы специализированные отделы. Они могут быть выполнены в виде лаборатории, цеха или участка.
35
Как правило, в состав этих отделов включаются обслуживающий
и ремонтный персонал. Разделение работ между персоналом зависит
от количества, конфигурации и характеристик АСУ ТП. Обычно обслуживающий персонал контролирует состояние технических средств
и участвует в техническом обслуживании и восстановлении работоспособности путём замены неисправных узлов и деталей. Остальные
работы выполняет ремонтный персонал. В то же время в поверках
часто задействованы сотрудники метрологических органов Госстандарта, в капитальных ремонтах – представители наладочных или ремонтных организаций. В настоящее время ряд работ по централизованному техническому обслуживанию и восстановлению КТС выполняют сервисные организации.
Обслуживающий персонал АСУ ТП отчитывается перед начальником смены технологического цеха; работа этих сотрудников организуется так же, как и дежурных технологического персонала, с таким же количеством и продолжительностью смен.
Ремонтный персонал разделяется по лабораториям, в зависимости от видов технических средств, таких как датчики, компьютеры,
контроллеры, электроприводы и др.
Работа по эксплуатации АСУ ТП обычно планируется на этапе
разработки рабочей документации. Впоследствии определяются
наименование, количество запасных частей, периодичность и объём
технического обслуживания, численность персонала.
В процессе мероприятий по обеспечению надёжности АСУ ТП
следует отметить работы по исследованию эксплуатационной надёжности. В ходе пробной и промышленной эксплуатации собираются и
обрабатываются данные об общей надёжности АСУ ТП, её функциональности, технологических и программных средствах. В результате
обработки данных разрабатываются и внедряются мероприятия по повышению надёжности АСУ ТП и последующих образцов на её основе.
36
3.2.2. Определение численности эксплуатационного персонала
Восстановление неисправного оборудования обычно осуществляется обслуживающим персоналом непосредственно на месте установки.
В других случаях работы осуществляет ремонтный персонал на месте
установки либо в мастерской, после того как обслуживающий персонал
определит местонахождение неисправности. Специализация обслуживающего персонала различается меньше, чем у ремонтного: обслуживающий персонал может быть разделён на несколько групп в зависимости от вида технических средств и мест их расположения [3, 4].
Учитывая приближённый характер определения численности
сотрудников, для упрощения решения этой задачи следует принять
ряд допущений:
1) обслуживающий персонал работает круглосуточно;
2) отказы всех устройств простые и не зависят друг от друга. Это
означает, что отказ одного из устройств не приводит к прекращению
других системных процессов. Неисправности, которые приводят к
останову процесса, игнорируются при расчёте, так как количество
этих неисправностей составляет 0,001–0,1 % от общего числа неисправностей, устраняемых обслуживающим персоналом;
3) квалификация всех дежурных считается одинаковой; закон
распределения времени загруженности обслуживающего персонала
работами по устранению отказов считаем экспоненциальным и одним
и тем же для различных технических средств, видов отказов и дежурных. Среднее время загруженности персонала работами по устранению одного отказа будет τ3 [3, 4].
4) считаем, что каждый отказ может устранить любой дежурный,
при этом наличие свободного дежурного не уменьшает время устранения одного отказа;
5) обслуживающий персонал не только занимается ремонтом неис-
правного оборудования, но и выполняет некоторые работы по техническому обслуживанию. При этом работы по техническому обслуживанию обладают меньшим приоритетом по сравнению с ремонтными ра-
37
ботами. Расчёт численности персонала будем проводить, исходя только
из необходимости своевременного проведения ремонта.
Показателем работы обслуживающего персонала принимаем вероятность р того, что ремонт некоторого отказавшего устройства будет начат без задержки.
3.2.3. Обеспечение запасными частями
Запасные части являются частью внешней среды АСУ ТП и АТК
и значительно влияют на надёжность. Их наличие напрямую влияет
на ремонтопригодность: основной показатель – среднее время восстановления – во многом зависит от количества запчастей, их расположения и т. д. Поскольку время восстановления значительно влияет
на надёжность систем с резервированием, очевидно, что количество
запасных частей так же влияет на надёжность [3, 4].
Согласно ГОСТ 18322-2016 [7], «комплект ЗИП» – это запасные
части, инструменты, крепления, материалы для технического обслуживания. Обеспечение запасными частями, входящими в «комплект
ЗИП», является одной из основных задач, поскольку обеспечение
остальными компонентами ЗИП не вызывает трудностей.
Запасные части можно классифицировать следующим образом.
1. В зависимости от модели изделия и его иерархии среди техниче-
ских средств и компонентов АСУ ТП различают запасные устройства
(например, регуляторы, ОЗУ), запасные блоки (блоки памяти, усилители), запасные ячейки (субблоки, платы) и элементы (интегральные схемы, резисторы).
В современных электронных устройствах в микросхемном исполнении используется понятие «типовой элемент замены» (ТЭЗ), который
имеет различный состав (ТЭЗ1 – самый мелкий; ТЭЗ2 – более крупный,
состоящий из ТЭЗ1; ТЭЗ3 – ещё более крупный, состоящий из ТЭЗ2).
При создании ТЭЗ стараются обеспечить максимальную унификацию,
чтобы один и тот же ТЭЗ можно было использовать для различных
устройств.
38
2. Все вышеперечисленные части можно разделить на восстанав-
ливаемые и невосстанавливаемые. Невосстанавливаемыми частями
называют те, которые по своим конструктивным характеристикам не
могут быть использованы после отказа. Кроме того, к невосстанавливаемым относятся узлы и детали, которые можно восстановить, но
это экономически нецелесообразно. К типовым невосстанавливаемым
элементам обычно относят ТЭЗ1. При этом блоки ТЭЗ2 (при помощи
ТЭЗ1) и ТЭЗ3 (при помощи ТЭЗ1 и ТЭЗ2) можно восстановить.
3. Можно разделить комплекты ЗИП, в зависимости от числа из-
делий, на индивидуальные и групповые. Индивидуальный комплект
(ЗИП-О) обеспечивает работу одного изделия, групповой (ЗИП-Г) –
двух и более изделий.
4. Разделяются ЗИП с постоянным и переменным составами. ЗИП
постоянного состава поставляется вместе с устройством и зависит
только от типа устройства. ЗИП переменного состава поставляется с
различной периодичностью, при этом он может быть групповым, а
сам состав и объём заказа определяется расходом ЗИП постоянного
состава и интенсивностью эксплуатации систем.
Рассмотрим связь между резервированием и применением комплекта ЗИП.
Одним из способов структурного резервирования является применение комплекта ЗИП, его особенность заключается в том, что он
не составляет единой конструкции с основными изделиями, не указан
в отдельной спецификации и не обозначается на схеме. Комплект
ЗИП также влияет на временное резервирование, позволяя сократить
время восстановления, и способствует повышению безотказности.
ЗИП имеет ряд характерных признаков: считается скользящим,
ненагруженным резервом; может быть общим и поэлементным резервом либо только поэлементным резервом для систем, так как запас систем в целом не применяется; рассматривается как резервирование замещением.
Процедура пополнения запаса осуществляется различными способами – в зависимости от того, относятся ли запасные части к невосстанавливаемым или восстанавливаемым.
39
При снабжении предприятия с АСУ ТП каждое из технических
средств комплектуют одиночным ЗИП-О, а при групповой поставке –
групповым ЗИП-Г. Поскольку невосстанавливаемые запасные части
используются однократно, то необходимо их регулярное пополнение,
периодичность которого составляет 1 раз в год.
Рассмотрим одну из стратегий заказа изделий [3, 4]. В некоторый
неслучайный момент времени t1 составляется заявка на период 1 год,
начинающийся в момент t2 и заканчивающийся в момент t5. Число запаса определенного типа обозначим m1 в момент t1, m31 – число заказываемых в момент t1 изделий. Один раз за период в количестве m31
доставляются заказанные изделия в некоторый момент t3. При этом
запас убывает случайным образом в промежуток времени (t1, t3), он
расходуется на техническое обслуживание и восстановление после
отказов. К моменту t3 запас m3 может быть как положительный, так и
отрицательный. В момент t3 запас пополняется, а затем вновь расходуется по случайному закону. В момент t4 подаётся заявка на следующий период, который начинается в ts и заканчивается в t7. Запас m32
по этой заявке поступает в момент t6 и т. д. При этом величина m31
должна соответствовать эксплуатации изделий на отрезке времени
(t3, t6) и составлять разность m31 = m – m1, где m – требуемый предел
пополнения запаса.
Кроме данной стратегии, возможны и внеплановые экстренные
доставки запчастей с централизованного склада производителя, затраты на которую значительно выше.
В случае отказа восстанавливаемых изделий они ремонтируются
на месте либо поступают на ремонт в мастерские цеха или на сервисное предприятие. После ремонта изделие возвращается в запас, который должен рассчитываться с учётом времени нахождения изделия на
ремонте. Можно считать, что запас восстанавливаемых изделий создаётся один раз, на время службы технических средств, в течение
которого он не пополняется.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]