- •Е.Л. Кон, м.М. Кулагина надежность и диагностика компонентов инфокоммуникационных и информационно-управляющих систем
- •Оглавление
- •1. Основные теоретические сведения 9
- •2. Надежность аппаратурного обеспечения 31
- •3. Создание надежного программного обеспечения 130
- •4. Диагностика состояния сложных технических систем 205
- •Введение
- •1. Основные теоретические сведения
- •1.1. Информационно-управляющие и инфокоммуникационные системы
- •1.2. Основные определения теории надежности
- •1.2.1. Надежность и ее частные стороны
- •1.2.2. Виды надежности
- •1.2.3. Отказы
- •1.2.4. Эффективность
- •1.2.5. Восстановление
- •1.3. Понятие случайных событий и случайных величин
- •1.3.1. Надежность систем при основном (последовательном) и параллельном соединении элементов
- •1.3.2. Основное соединение элементов
- •1.3.3. Параллельное соединение элементов
- •1.4. Элементы теории нечетких множеств
- •1.4.1. Понятие принадлежности и основные операции для четких подмножеств
- •1.4.2. Понятие принадлежности и основные операции для нечетких подмножеств
- •1.4.3. Отношение доминирования
- •1.4.4. Простейшие операции над нечеткими множествами
- •1.4.5. Расстояние Хэмминга
- •Вопросы и задания
- •Список литературы
- •2. Надежность аппаратурного обеспечения
- •2.1. Надежность невосстанавливаемых систем без резервирования
- •2.1.1. Показатели надежности невосстанавливаемых объектов
- •2.1.2. Законы распределения случайных величин, используемые в теории надежности
- •Показательное (экспоненциальное) распределение
- •Усеченное нормальное распределение
- •Распределение Вейбулла
- •Гамма-распределение
- •Практическая область применения законов распределения времени безотказной работы
- •2.1.3. Использованиеи-характеристик для решения практических задач
- •2.1.4. Особенности расчета надежности при проектировании различных систем
- •2.1.5. Расчет надежности по блок-схеме системы
- •2.1.6. Расчет надежности при подборе элементов системы
- •2.1.7. Расчет надежности системы с учетом режимов работы элементов
- •2.1.8. Учет цикличности работы аппаратуры
- •2.2. Надежность невосстанавливаемых систем с резервированием
- •2.2.1. Пути повышения надежности
- •2.2.2. Методы резервирования
- •2.2.3. Расчет надежности сложных систем при постоянно включенном резерве
- •2.2.4. Расчет надежности системы при резервировании замещением
- •2.2.5. Резервирование замещением в случае нагруженного резерва
- •2.2.6. Резервирование замещением в случае облегченного резерва
- •2.2.7. Резервирование замещением в случае ненагруженного резерва
- •2.2.8. Расчет надежности систем с функциональным резервированием
- •2.3. Расчет надежности восстанавливаемых систем
- •2.3.1. Критерий надежности систем с восстановлением
- •Характеристики потока отказов
- •Характеристики потока восстановления
- •Комплексные характеристики надежности систем с восстановлением
- •2.3.2. Расчет надежности по графу работоспособности объекта
- •2.3.3. Определение среднего времени наработки на отказ системы с восстановлением
- •2.3.4. Расчет надежности систем с восстановлением при основном (последовательном) и параллельном соединении элементов
- •2.3.5. Расчет надежности сложных инфокоммуникационных систем
- •Структура и функции стс
- •Определение надежностных характеристик блоков стс
- •Составление структурно-логической схемы надежности и графа состояний
- •2.3.5.4. Расчет коэффициента готовности стс
- •Определение надежностных характеристик блоков аиис
- •Составление структурно-логической схемы надежности и графа переходов
- •Расчет коэффициента готовности аиис «Алтайэнерго»
- •Расчет коэффициента готовности аиис
- •2.4. Расчет надежности восстанавливаемых систем при наличии системы контроля
- •2.4.1. Система встроенного контроля абсолютно надежна
- •2.4.2. Система встроенного контроля самопроверяемая, и ее отказ обнаруживается сразу же
- •2.4.3. Система встроенного самоконтроля несамопроверяемая
- •2.5. Расчет надежности в условиях нечетко заданных исходных данных
- •2.5.1. Выбор оптимального варианта для невосстанавливаемых систем
- •2.5.2. Выбор оптимального варианта для восстанавливаемых систем
- •2.6. Расчет надежности систем на этапе эксплуатации
- •2.6.1. Планирование и расчет периодов профилактик
- •2.6.2. Планирование и расчет числа запасных изделий
- •Вопросы и задания
- •Список литературы
- •3. Создание надежного программного обеспечения
- •3.1. Надежность программного обеспечения
- •3.1.1. Ошибки в по и их типы
- •Типы ошибок в программном обеспечении
- •3.1.2. Причины появления ошибок в программном обеспечении
- •3.1.3. Отношения с пользователем (заказчиком)
- •3.1.4. Принципы и методы обеспечения надежности
- •3.1.5. Последовательность выполнения процессов разработки программного обеспечения
- •3.1.6. Сравнение надежности аппаратуры и программного обеспечения
- •3.2. Основные этапы проектирования программного обеспечения
- •3.2.1. Правильность проектирования и планирование изменений
- •3.2.2. Требования к по
- •3.2.3. Цели программного обеспечения
- •Цели продукта
- •Цели проекта
- •Общие правила постановки целей
- •Оценка целей
- •3.2.4. Внешнее проектирование
- •Проектирование взаимодействия с пользователем
- •Подготовка внешних спецификаций
- •Проверка правильности внешних спецификаций
- •3.2.5. Проектирование архитектуры программы
- •Независимость модулей
- •Прочность модулей
- •Сцепление модулей
- •3.2.6. Методы непосредственного повышения надежности модулей
- •Пассивное обнаружение ошибок
- •Активное обнаружение ошибок
- •Исправление ошибок и устойчивость к ошибкам
- •Изоляция ошибок
- •Обработка сбоев аппаратуры
- •3.2.7. Проектирование и программирование модуля
- •Внешнее проектирование модуля
- •Проектирование логики модуля
- •Пошаговая детализация
- •3.2.8. Стиль программирования
- •Ясность программирования
- •Использование языка
- •Микроэффективность
- •Комментарии
- •Определения данных
- •Структура модуля
- •3.3. Тестирование и верификация программ
- •3.3.1. Проблемы тестирования программ
- •3.3.2. Технологии тестирования программ
- •3.3.3. Принципы тестирования
- •3.4. Модели надежности по
- •3.4.1. Модель роста надежности
- •3.4.2. Другие вероятностные модели
- •3.4.3. Статистическая модель Миллса
- •3.4.4. Простые интуитивные модели
- •3.4.5. Объединение показателей надежности
- •Вопросы и задания
- •Список литературы
- •4. Диагностика состояния сложных технических систем
- •4.1. Предмет, задачи и модели технической диагностики
- •4.1.1. Предмет технической диагностики
- •4.1.2. Основные аспекты, задачи и модели технической диагностики
- •4.1.3. Классификация диагностических процедур и их краткая характеристика
- •4.2. Построение тестов
- •4.2.1. Построение тестового набора методом активизации существенного пути
- •4.2.2. Алгоритм построения тестового набора для комбинационной схемы методом активизации существенного пути
- •4.2.3. Построение тестов для схем с памятью
- •Комбинационная модель последовательностной схемы
- •Построение тестовой последовательности по комбинационной модели последовательностной схемы
- •4.3. Функциональный контроль и диагностирование сложных технических систем
- •4.3.1. Полностью самопроверяемые цифровые устройства
- •4.3.2. Схемы встроенного контроля
- •4.3.3. Схемы сжатия
- •4.3.4. Микропроцессор как объект функционального контроля
- •4.3.5. Модель мп с точки зрения функционального контроля
- •4.3.6. Диагностическая модель уу мп системы
- •4.3.7. Критерии оценки методов контроля механизмов выборки, хранения и дешифрации команд
- •4.3.8. Встроенный функциональный контроль механизмов хранения и дешифрации команд
- •Методы пошагового контроля правильности хода программ
- •Методы контроля, реализующие раскраску команд
- •Метод контроля, использующий раскраску без учета структуры команд
- •Преобразованная программа приведена ниже:
- •Цвет Четность Цвет гса
- •Метод контроля команд, реализующий раскраску с учетом структуры команды
- •Раскраска без внесения в команду избыточных разрядов
- •Методы контроля механизмов дешифрации и хранения команд с помощью веса перехода
- •Метод контроля с помощью алгебраических кодов
- •Методы блокового контроля правильности хода программ
- •Блоковый контроль программ по методу разбиения программы на фазы (блоки)
- •Блоковый контроль правильности хода программ с помощью сигнатур
- •Метод контроля программ на основе полиноминальной интерпретации схем алгоритмов (программ)
- •Сравнительный анализ свк, реализующих методы блокового и пошагового контроля
- •4.4. Экспертные системы диагностирования сложных технических систем
- •4.4.1. Обучение и его модели. Самообучение
- •4.4.2. Экспертные системы и принципы их построения
- •4.4.3. Проблема разделения в самообучаемых экспертных системах
- •4.4.4. Алгоритмы обучения экспертных систем
- •Частота события находится по следующей формуле:
- •4.4.5. Асу «интеллектуальным зданием»
- •4.4.6. Система, принимающая решения по максимальной вероятности
- •4.4.7. Система, принимающая решения по наименьшему расстоянию
- •4.4.8. Повышение достоверности решений экспертной системы
- •4.4.9. Прогнозирование технического состояния узлов
- •Вопросы и задания
- •Список литературы
- •Приложение Интенсивность отказов компонентов иус
- •Кон Ефим Львович, Кулагина Марина Михайловна надежность и диагностика компонентов инфокоммуникационных и информационно-управляющих систем
1. Основные теоретические сведения
В этом разделе будут приведены основные теоретические сведения из теории вероятности, теории надежности и теории нечетких множеств. Большая часть определений данного раздела используется в главах 2, 3 и 4. Если возникает специфика, связанная с предметом исследования (hard или soft), это будет отражено в соответствующих разделах.
1.1. Информационно-управляющие и инфокоммуникационные системы
Современные иерархические АСУ ТП могут быть представлены четырехуровневой пирамидой, состоящей:
– из уровня датчиков и исполнительных механизмов (нулевой уровень);
– контроллеров сети (первый уровень или уровень программируемых логических контроллеров);
– диспетчерского уровня (второй уровень);
– уровня конвергенции (третий уровень), который объединяет информационно-управляющие сети в единую распределенную информационно-управляющую сеть (РИУС).
Современные распределенные АСУ ТП используют на указанных уровнях различные технологии, в том числе Интернет, интранет, OPC-технологии и технологии «полевой шины» (fieldbus) [1].
Наличие в составе РИУС инфокоммуникационных и телемеханических (МСТМ, ИУС, АСДУ) систем позволяет РИУС реализовать межузловой обмен технологической, управленческой, конфигурационной и статистической информацией на произвольные расстояния.
РИУС – это основной класс систем для управления объектами критической инфраструктуры, такими как территориально-распределенные нефтепромыслы, нефте- и газопроводы, производство и распределение электроэнергии и др.
На рис. 1.1 представлена архитектура РИУС, использующая в качестве инфокоммуникационной среды Интернет. Интернет – не единственный вариант инфокоммуникационной системы (ИКС), однако его применение позволяет получить ряд преимуществ, связанных с практически повсеместным наличием этой сети, а также существованием разнообразных пользовательских сервисов и аппаратных продуктов для работы с Интернет.
В целом достоинствами РИУС являются [1]:
• снижение стоимости функционирования АСУ ТП вследствие удаленного управления (отсутствует необходимость присутствия человека на труднодоступном объекте);
• снижение стоимости обслуживания благодаря удаленной диагностике, отладке и обновлению программного обеспечения через ИКС;
• возможность контроля состояния производственного или технологического процесса или управления им через мобильный телефон;
•возможность автоматического вызова аварийной службы в случае срабатывания датчиков газа, дыма, пламени, затопления и пр.
Рис. 1.1. Архитектура РИУС, использующей Интернет
Кратко охарактеризуем приведенные выше уровни иерархической РИУС (АСУТП) [1].
Низший (нулевой) уровень включает в себя датчики и исполнительные устройства. С датчиков начинается логическая цепочка процесса управления, а исполнительные устройства ее заканчивают.
Рассмотрим более подробно компоненты этого уровня.
Для измерения характеристик объектов существует огромное разнообразие датчиков (температуры, влажности, давления, потока, скорости, ускорения, вибрации, веса, натяжения, частоты, момента, освещенности, шума, объема, количества теплоты, тока, уровня и др.), которые преобразуют физическую величину в электрический сигнал.
В настоящее время наметилась устойчивая тенденция к использованию интеллектуальных датчиков, которые имеют цифровой интерфейс, встроенный микроконтроллер, память, сетевой адрес и выполняют автоматическую калибровку и компенсацию нелинейностей датчика. Интеллектуальные датчики в пределах сети должны обладать свойством взаимозаменяемости, в частности иметь один и тот же протокол обмена и физический интерфейс связи, а также нормированные метрологические характеристики и возможность смены адреса перед заменой датчика.
К исполнительным устройствам относятся реле-пускатели, контакторы, электромагнитные клапаны, электроприводы и др.
Первый уровень состоит из контроллеров (компьютеров) и модулей аналого-цифрового и дискретного ввода-вывода, которые обмениваются информацией по промышленной сети (Fieldbus) типа Modbus RTU, ModbusTCP, Profibus и др. Иногда модули ввода-вывода выделяют в отдельный уровень иерархии.
В автоматизированных системах вместо компьютера или одновременно с ним часто используют программируемый логический контроллер (ПЛК). Типовыми отличиями ПЛК от компьютера является специальное конструктивное исполнение (для монтажа в стойку, панель, на стену или в технологическое оборудование), отсутствие механического жесткого диска, дисплея и клавиатуры. Контроллеры также имеют малые размеры, расширенный температурный диапазон, повышенную стойкость к вибрации и электромагнитным излучениям, низкое энергопотребление, защищены от воздействий пыли и воды, содержат сторожевой таймер и платы аналогового и дискретного ввода-вывода, имеют увеличенное количество коммуникационных портов. В контролерах, в отличие от компьютеров, как правило, используется операционная система реального времени (например, Windows СЕ, QNX). Однако в последнее время наметилась тенденция стирания грани между компьютером и контроллером
Простейшие ИУС могут состоять только из устройств нулевого и первого уровня.
Второй (диспетчерский) уровень состоит из рабочих станций – компьютеров с человеко-машинным интерфейсом (ЧМИ, HMI – Human Machine Interface), ПО и ИО которых реализуют множество функций, обеспечивающих сбор, обработку, хранение, передачу, распределение, регистрацию и отображение технологической информации. Основой проектирования и эксплуатации современных РИУС (МСТМ,АСДУ) с заданными характеристиками, в том числе производительности и надежности, являются SCADA-пакеты.
Рассмотрим кратко действия диспетчера при управлении технологическим процессом. Диспетчер (оператор) осуществляет наблюдение за ходом технологического процесса или управление им с помощью мнемосхемы на экране монитора компьютера. Диспетчерский компьютер выполняет также архивирование собранных данных, записывает действия оператора, анализирует сигналы системы технической диагностики, данные аварийной и технологической сигнализации, сигналы срабатывания устройств противоаварийных защит, а также выполняет часть алгоритмов управления технологическим процессом.
Благодаря объединению диспетчерских компьютеров в сеть наблюдение за процессами может быь выполнено с любого компьютера сети, но управление, во избежание конфликтов, допускается только с одного компьютера или функции управления разделяются между несколькими компьютерами. Права операторов устанавливаются средствами ограничения доступа сетевого сервера. Пример типовой современной распределенной ИУС, включающей уровни иерархии с нулевого по второй, приведен на рис. 1.2 [1].
Рис. 1.2. Типовая РИУС, включающая три уровня иерархии
Важной частью второго уровня являются также базы данных реального времени, являющиеся хранилищами информации и средством обмена с третьим уровнем иерархии системы управления.
Третий уровень появляется как средство интеграции систем. Если объект управления многофункционален и при этом каждая функция настолько сложна, что автоматизация ее требует отдельной ИУС, то на третьем уровне происходит объединение этих ИУС с помощью ИКС, в качестве которой выступает распределенная локальная или, чаще, глобальная сеть (см. рис. 1.1).
Одной из основных характеристик РИУС является надежность функционирования, на которую влияют как среднее времени наработки до отказа системы, так и среднее время восстановления отказавших компонентов системы. Среднее время восстановления, в свою очередь, во многом определяется наличием автоматизированной системы тестового диагностирования (АСТД) или схем встроенного контроля (СВК). Таким образом, чтобы спроектировать и эксплуатировать систему с заданными надежностными характеристиками необходимо изучить методы теории надежности и технической диагностики.
Указанные факторы обусловили тематику данного учебного пособия, в котором подробно рассматриваются методы обеспечения надежности восстанавливаемых и невосстанавливаемых устройств и систем, методы построения самопроверяемых устройств встроенного контроля, методы тестового диагностирования и другие вопросы. Приводятся многочисленные примеры применения этих методов для повышения надежности элементов и узлов ИУС и телекоммуникационных систем.