Тема 2. Надежность и качество

Надежность. Модели для расчета надежности. Качество. Международные стандарты серии 9000. Автоматизированная система управления предприятием.

Методические указания

Надежность системы автоматики – это способность сохранять наиболее существенные свойства на заданном уровне в процессе эксплуатации. Для надежной работы системы необходимо использовать элементы, обладающие хорошими показателями надежности. Это особенно важно в связи с возрастающим применением систем управления для выполнения очень ответственных задач. Но чем сложнее эти системы, чем большее число элементов они содержат, тем больше появляется причин для снижения надежности. Возникает противоречие: чем ответственнее и сложнее задача, выполняемая системой автоматики, тем меньше может оказаться надежность этой системы. Основными путями преодоления этого противоречия являются следующие. Прежде всего, это повышение надежности элементов автоматики, кроме того, разработка методов создания надежных систем, состоящих из ненадежных элементов; разработка систем контроля, предупреждающих и обнаруживающих отказы; разработка методов обслуживания сложных систем.

Отказами в работе элементов называют как выход из строя, так и изменение их параметров, приводящее к неудовлетворительному выполнению элементами их функций. Отказы, как правило, появляются внезапно, случайно, т.е. подчиняются законам, свойственным случайным величинам. Их изучают с помощью математической статистики.

Важнейшим параметром системы является коэффициент готовности, который определяется как вероятность того, что элемент, устройство или система в данный момент времени работает правильно. Эта вероятность представляет собой отношение времени, в течение которого элемент исправен, ко всему сроку службы. Коэффициент готовности элемента или устройства – это функция вероятности отказа в течение заданного периода времени и времени, за которое элемент или устройство приводится в рабочее состояние после отказа.

Из-за взаимодействия между частями и компонентами полная надежность системы может оказаться достаточно малой, если не все составляющие имеют высокую надежность. В качестве примера рассмотрим производственную линию, включающую десять последовательно соединенных станков. Если каждый станок все время повторяет одни и те же операции и делает одну ошибку в среднем на каждую сотню операций, то вероятность того, что станок не сделает ошибку за цикл, равна 99%. Для получения приемлемого конечного продукта все станки должны работать правильно, так что общая вероятность

,

т.е. вероятность безошибочной работы всей линии всего лишь около 90%.

Одна из причин успеха цифровых систем управления процессами - их высокая надежность, которая в целом не зависит от того, каким образом и как долго эти системы используются. Например, для программного логического контроллера (ПЛК), построенного только на полупроводниках без подвижных частей, в отличие от электромеханических реле, время жизни не зависит от числа операций переключения.

Частота отказов существенно влияет на надежность системы, однако не меньшую роль играют ремонты. И с этой точки зрения электронные системы лучше, чем старые электромеханические. В случае отказа релейного оборудования поиск неисправности с помощью вольтметра занимает длительное время; наоборот, тестирование ПЛК с помощью ручного программатора и соответствующих программных средств гораздо быстрее и проще. С другой стороны, обслуживающий персонал должен иметь более серьезную подготовку и квалификацию. Отметим, что все чаще вместо ремонта электронных систем заменяют крупные и сложные системные компоненты целиком, что иногда довольно расточительно.

В системах управления процессами суммарная надежность зависит от структуры системы. При прямом цифровом управлении единственная центральная ЭВМ, на которой установлено разнородное программное обеспечение, решает все задачи сбора данных, управления и регулирования. Как следствие, ее отказ вызывает полную остановку выполнения всех функций. При распределенном прямом цифровом управлении функции управления и регулирования выполняются локальными устройствами, расположенными в непосредственной близости от технологических процессов. ЭВМ более высоких уровней иерархии передают нижестоящим устройствам вместо управляющих сигналов только опорные значения. Поломка локальной или даже центральной ЭВМ влияет только на часть функций, потому что системные компоненты независимы.

Отказоустойчивое решение должно гарантировать, что система как целое будет продолжать функционировать даже при наличии неисправностей. Это означает не только применение высоконадежных элементов, а скорее проектирование системы таким образом, чтобы отдельные неисправности не влияли на работу в целом.

Более того, автоматизированная система состоит не только из аппаратной части, а включает также программное обеспечение, которое может содержать ошибки, либо реагировать непредсказуемым образом на непредусмотренную входную информацию, несогласованные протоколы обмена данными, внешние коммуникации и т.д.

В простейшем случае отказоустойчивая технология основывается на некоторой избыточности. Если какая-то часть, аппаратная либо программная, не работает, то ее заменяет другой компонент. Существуют разные типы избыточности:

- физическая избыточность;

- информационная избыточность;

- избыточность по времени.

Физическая избыточность обычно достигается дублированием некоторых элементов. Когда элемент перестает работать должным образом, его заменяет другой. Если стоимость играет решающую роль, то дублируются только наиболее важные или более всего подверженные отказам компоненты. Этот принцип использован, например, при создании сети, в которой два канала данных построены таким образом, чтобы минимизировать влияние неисправностей, будь то пробой кабеля или отказ узла. Общепринятый принцип проектирования в системах реального времени - это физическое дублирование главного сервера и локальной сети. В зависимости от специфики системы обе ЛВС могут сработать с половинной загрузкой либо только одна постоянно находится в работе, а другая немедленно активизируется в случае сбоя первой.

Важными особенностями механизма физической избыточности является интерфейс между дублирующими друг друга компонентами, представляющий собой новый элемент, который может выйти из строя, и принцип выбора основного рабочего компонента. Главными проблемами являются: во-первых, как однозначно определить, что компонент или подсистема неисправны, и, во-вторых, как переключиться на дублера.

Информационная избыточность используется, например, в коммуникационных протоколах в виде служебной информации, добавляемой к пакету для того, чтобы обеспечить восстановление искаженных сообщений. Резервирование данных на внешних (съемных) носителях или теневое хранение переменных (переменная храниться одновременно на двух различных дисковых устройствах) – это другие примеры информационной избыточности.

Избыточность по времени заключается в том, что сначала выполняется действие, а затем оценивается его результат. Если результат неудачен, то действие выполняется заново. Таймауты и ограничения максимального количества повторений помогают избежать бесконечных циклов.

Если избыточность необходима для создания отказоустойчивой системы, то должны учитываться все составные элементы, а не только самые очевидные. Например, две ЭВМ должны быть подсоединены к двум независимым источникам питания, в противном случае выход из строя источника питания, то есть однократный сбой, приведет к выходу из строя обеих ЭВМ и, таким образом, перерастет в аварию общесистемного масштаба.

Ошибки в программах часто могут вводить в заблуждение, и их труднее найти, чем неисправности аппаратной части. И они далеко не безобидны.

Проблемы с программными ошибками зависят от сложности системы; ошибки, сделанные в процессе разработки программы, могут многократно воспроизводиться и остаться незамеченными в конечном продукте. По крайней мере, теоретически, все ошибки можно устранить. Проблема в том, как их обнаружить. Математические и логические методы помогают разрабатывать не содержащие ошибок программы. На практике, однако, несмотря на интенсивные и обстоятельные тесты, большая часть программ все-таки содержит ошибки на начальном этапе их эксплуатации. В случае непредусмотренных входных данных и сигналов прерывания программа может повести себя не так, как планировалось при ее разработке и тестировании.

Достаточно часто требования к программе меняются в процессе разработки по мере того, как ее функции становятся яснее и понятнее. Позднейшие изменения могут оказать значительное влияние на всю работу программы. Полностью готовая и протестированная программа может быть, в свою очередь, использована иначе, чем предполагалось разработчиками, что, естественно, увеличивает вероятность ошибок.

Лучших результатов можно достигнуть, если при разработке программы применяются специальные методы повышения надежности. Эти методы основаны на формальной математической теории и работают только в случаях, когда требования к программе также описаны математически формальным образом. Это означает, что требования должны быть сформулированы, что не всегда просто.

Метод, который применяется для повышения показателей надежности в технике управления авиационным и железнодорожным движением, - это использование избыточных систем. Несколько одинаковых систем создаются параллельно разными рабочими группами. Основное допущение заключается в том, что ошибки, которые делают разные группы, не могут быть одинаковыми. Результат - это комбинация нескольких решений. Например, на бортовой ЭВМ полностью управляемого электроникой аэробуса А-320 установлено пять разных систем, которые были разработаны на основе одинаковых требований пятью независимыми рабочими группами на пяти разных языках программирования. Эти системы работают параллельно и независимо друг от друга. Окончательные управляющие воздействия, задающие положение аэродинамических поверхностей, выбираются из выходных сигналов нескольких систем с помощью электромеханического селектора.

При расчетах надежности сложной системы обычно полагают, что возможные ошибки не коррелируют, т.е. являются независимыми событиями. Это предположение верно при условии, что неисправный элемент не влияет на другие.

Для элементов,

где - число правильно функционирующих элементов;- число неисправных элементов. Оба слагаемых суть функции времени, а их суммапри этом постоянна.Функция надежности определяется следующим образом

.

Интересно анализировать относительное число отказов как функцию времени. Для этого вводится понятие интенсивности отказов

. (2.1)

Если элемент остается в работе до времени , интенсивность отказа показывает вероятность того, что этот элемент откажет сразу после момента. Функцию интенсивности отказовможно оценить, наблюдая большое число элементов в течение длительного периода времени. Несколько упрощенный вид функциипредставлен на рис. 2.1. Из-за своей формы эта кривая называется «корытообразной» функцией.

Оценка качества

Рис. 2.1. Интенсивность отказов элементов как функция времени:а – отказы на первоначальных этапах работы; б – случайные отказы (участок с постоянной интенсивностью ); в – отказы, связанные со старением.

Обычно рассматривается «лучшее время», т.е. центральная часть кривой интенсивности отказов. При этом полагают, что система функционировала достаточное время до того, чтобы изжить «детские болезни». С другой стороны, система не должна находиться в эксплуатации так долго, что ее компоненты уже износились, и уровень отказов снова увеличился. С этими ограничениями можно принять за константу, т.е.. Тогда решением уравнения (2.1) будет

. (2.2)

Основной интерес для пользователя или производителя системных компонентов представляет собой время, в течение которого компонент может функционировать в нормальных условиях до появления неисправностей. Мерой этого является среднее время наработки на отказ (Mean Time to Failure - MTTF), т.е. математическое ожидание экспоненциального распределения

. (2.3)

Мера готовности системы получается на основе среднего значения промежутка времени, в течение которого система функционирует правильно. Это значение называется средним временем между отказами (Mean Time between Failures - MTBF). Аналогично, мера времени, в течение которого система не функционирует, называется средним временем восстановления (Mean Time to Repair - MTTR)и представляет собой время от появления неисправности до восстановления работоспособности системы.

Коэффициент готовности А элемента или подсистемы можно определить выражением

.

Для систем, состоящих из одного устройства или элемента, коэффициент готовности легко подсчитать. Для более сложных систем характерны совершенно другие проблемы. Мы коротко рассмотрели только последовательное соединение элементов и его влияние на надежность системы. Аналогичные вычисления можно произвести для систем с параллельным соединением; в общем случае параллельное соединение одинаковых элементов увеличивает надежность, потому что, только если все компоненты, соединены параллельно, неисправны, функция системы больше не обеспечивается.

Качество – это целостная совокупность характеристик объекта, относящихся к его способности удовлетворять установленные или предполагаемые потребности. Обычно потребности характеризуются с помощью характеристик на основе установленных критериев. Потребности могут включать, например, эксплутационные характеристики, функциональную пригодность, надежность, безопасность, воздействие на окружающую среду, экономические и эстетические требования.

Принято различать четыре ключевых аспекта качества:

1. качество, обусловленное соответствием рыночным потребностям и ожиданиям;

2. качество, достигаемое благодаря тщательной разработке и планирования проекта и его продукции;

3. качество выполнения работ по проекту в соответствии с плановой документацией;

4. качество материально-технического обеспечения проекта.

Существующая тенденция по обеспечению качества заключается в поддержке стандартизации, т.е. совместимости и взаимозаменяемости компонентов.

Специалисту в области автоматизации придется посвятить значительную часть времени создания системы решению специфических проблем. Поскольку проблемы имеют тенденцию становиться все более сложными и специализированными, то шансы найти полностью готовое решение являются весьма призрачными.

Среди нетехнических факторов, непосредственно определяющих успех автоматизации, следует назвать общую организацию работы, которая должна быть тем лучше, чем более масштабным является проект. Обычно работы по проекту подразделяются на планирование, разработку, документирование, испытания и эксплуатацию. Каждая стадия важна для успеха разработки в целом.

Фаза планирования включает общий анализ проблемы. В завершение планирования выпускается документ, называемый техническим заданием проекта. Обычно ему предшествует предпроектное обследование – анализ наличия и способов решения проблемы и предварительная оценка стоимости возможных вариантов, - которое завершается выпуском технико-экономического обоснования (ТЭО) предлагаемого решения. Отчет о предпроектном обследовании ТЭО обычно не столь детализирован, как техническое задание: он предназначен для руководства компании, а техническое задание – в основном для внешних поставщиков и разработчиков.

Окончательные контакты должны точно определять, что из себя представляет система. Если они основаны на слишком общих определениях типа «мониторинг», «управление процессом» и тому подобных, то обязательно возникнут неудовлетворенность и конфликты. Общие идеи должны быть сформулированы как можно раньше и как можно яснее. Вместо «мониторинг процесса» должно быть указано, какие именно величины должны обрабатываться, в какой именно форме они должны быть представлены, должны ли данные отображаться в «исходном» виде или с помощью определенных графических интерфейсов и т.д.

За рабочие спецификации в первую очередь отвечает покупатель системы управления, и лишь во вторую – поставщик. Чтобы избежать конфликтов, лучше заранее определить соответствующие сферы ответственности. Полезно, если ответственное лицо или группа, представляющие заказчика, следят за выполнением проекта. Поставщик предлагает общую информацию о системах управления, а заказчик должен проверить, что все его запросы и требования выполняются.

Абсолютно необходимо, чтобы вся система была снабжена полноценной документацией как для аппаратного и программного обеспечения, так и для выполняемых функций. Документация является интерфейсом между различными группами персонала, работающего над проектом. Документация должна рассматриваться не как обременительная обязанность поставщика, которая может быть выполнена после того, как система разработана и поставлена, а как ключевое условие проектирования системы и ее успешной эксплуатации.

Испытания системы являются очень важным этапом. Должно быть точно установлено, что рабочие характеристики удовлетворяют планировавшимся показателям и инструкциям. Испытания необходимы для выявления и немедленного исправления ошибок на возможно более ранних стадиях.

Теоретически фазы планирования, проектирования, внедрения и испытаний должны быть разделены, но в действительности между ними существует взаимосвязь и взаимное влияние. Во время проектирования могут появиться новые факты, которые потребуют изменений в планировании. Практические, заранее не известные, ограничения на этапе реального внедрения могут также повлиять на выполнение проекта. После приобретения опыта практической работы системы может возникнуть необходимость снова внести изменения в элементы, которые считались завершенными. К сожалению, чем позже вносятся изменения в описания и спецификации, тем труднее и дороже это обходится, но с другой стороны, любая сложная система постоянно находится в стадии модификации. Окончательного варианта системы как такового не существует, а есть только разные степени функциональности.

Рабочий и инженер, проводящий испытания, имеют противоположные цели. Первый должен создать устойчивую и эффективную систему. Второй должен придумать всевозможные тесты, чтобы выявить как можно больше ошибок. Оба должны следовать руководящим документам, хотя и в них могут быть внесены изменения, диктуемые практикой и здравым смыслом.

20-й век с его промышленной и научно-технической революцией привнес в область качества некоторые новые особенности. Прежде всего, работы по обеспечению качества начали структурировать и документировать. Потребность в этом вызывалась объективными причинами. Массовое производство привлекло в промышленность большое количество неквалифицированной силы, что заставило руководителей предприятий уделять повышенное внимание контролю. Контрольные функции документировались, а их исполнение проверялось. Подобная деятельность называется «Контроль качества». Однако, употребляя данное выражение, следует помнить, что по своему смысловому значению контроль качества приближается к понятию «управление», поскольку включает в себя не только технический контроль и всевозможные проверки, но и принятие корректирующих мер по их результатам. Далее, необходимость в документировании работ по качеству диктовалась также усложнением выпускаемой продукции и жесткими условиями ее применения.

Когда в начале 80-х годов Международная организация по стандартизации (ИСО), откликаясь на вызовы международного сотрудничества, приступила к созданию основополагающих международных стандартов в области качества, она тщательно изучила имеющиеся к тому времени стандарты разных стран. На основе достигнутого консенсуса были подготовлены и впервые в 1987 г. изданы международные стандарты 9000. Эта серия, вобрав в себя существовавшие в то время подходы к структурированию документов, включала три стандарта, ИСО 9001, 9002, и 9003, в которых был определен порядок контроля и управления на различных фазах организации работ по проекту. Эти стандарты определяли также, в какой степени производитель и заказчик делят ответственность на разных этапах выполнения проекта и правила контрактных отношений. Стандарт относился не только к технической продукции или проектированию предприятий, а описывал также соответствующее обслуживание и организационные мероприятия со стороны поставщика, например, предъявление заказчику соответствующих сертификатов. Кроме того, был создан ИСО 9000 - всеобъемлющий документ справочного характера. В стандарте ИСО 9000 содержались указания по применению того или иного документа данной серии.

Второй особенностью, характерной для второй половины 20-го века, стало то обстоятельство, что подходы к качеству оформились в межотраслевую научную дисциплину. Методам обеспечения качества, оценке затрат на него, статистическому регулированию технологических процессов, статистической обработке результатов испытаний, методам решения возникающих проблем стали обучать.

Внимание руководителей в отношении качества должно быть направлено на конкретные результаты (цели), а не на методы и средства их достижения. Желаемые результаты и сроки должны формулироваться ясно. Например, снизить на 30% затраты на качество в течение 5 лет. Однако цели останутся просто перечнем желаний, если не будут распределены по более низким уровням организации и соотнесены с предоставлением необходимых ресурсов. Донести до каждого работника принятые стратегию и цели, выстроить работу каждого уровня в соответствии с ними – важнейшая задача современного управления. Под ресурсами понимается, в том числе, и дополнительная нагрузка, налагаемая на подчиненных для выполнения поставленных задач по качеству, и создание необходимой инфраструктуры, если потребуется. Одним словом, ресурсы – это та цена, которую приходится платить за качество. Если ресурсы не предоставляются, реакция работников низших уровней выразится в том, что цели качества будут восприниматься ими как недостаточно приоритетные.

О состоянии дел с качеством руководители высшего уровня узнают из получаемых отчетов и персонального участия в проверках систем качества, действующих на предприятиях. Информация, предоставляемая руководителям, должна включать не только заводские данные, но и сведения с мест эксплуатации, что будет способствовать выявлению причин плохого качества и определению возможностей их улучшения. Весьма критичен выбор контролируемых с помощью отчетов параметров. Если существенный элемент пропущен, руководитель не сумеет составить представление о важных для него вещах. Если же в отчет включен малозначительный вопрос, руководитель будет попросту тратить свое время. Персональное участие в проверках даст руководителю дополнительные знания для принятия решений.

В 1987 г. Американское общество по контролю качества провело опрос руководителей 307 крупных компаний и 308 малых фирм. Их попросили ранжировать по десятибалльной шкале восемь направлений в деятельности по улучшению качества:

1. мотивация работников;

2. изменение общей корпоративной культуры;

3. обучение работников;

4. контроль производственного процесса;

5. вложения в капительное оборудование;

6. усиление контроля над поставщиками;

7. расширение технического контроля;

8. усовершенствованная административная поддержка.

Наибольший рейтинг получили направления, связанные с человеческим фактором, а не с машинами и процессами: мотивация, корпоративная культура и обучение.

Что касается международных стандартов, все вышесказанное – лидерство руководителей высшего уровня, вовлечение в работу над качеством всех работников и всех подразделений компаний, проверки функционирования систем качества, обучение персонала – все это вошло в их содержание. В 1994 г. были опубликованы вторые редакции стандартов ИСО 9000. Структура документов оставалась прежней, но отдельные положения были уточнены по результатам применения стандартов. Тогда же был выпущен терминологический стандарт по вопросам качества – ИСО 8402. В конце 2000 г. ожидалось издание существенно обновленных стандартов, в которых изложение положений будет вестись под призмой процессного подхода, и будет использована новая структура документов. Всего серия включает три стандарта, один из которых (ИСО 9000) посвящен изложению принципов всеобъемлющего менеджмента качества и терминологии, а в двух других описываются требования к системам качества. Стандарт ИСО 9001 заменяет три документа 1994 года – ИСО 9001 – 9003 – и предназначен для использования в целях сертификации. Стандарт ИСО 9004, содержащий всестороннее рассмотрение вопросов качества, по-прежнему будет имеет справочный характер.

Автоматизированная система управления производством (АСУП) стала ключевой концепцией автоматизации производственных процессов. Подразумевается объединение всех потоков информации, связанной с производственной деятельностью предприятия.

АСУП строится на основе сетевых технологий, объединяя все рабочие места, в том числе на территориально-распределенном предприятии, это дает возможность работать в режиме реального времени. При разработке и внедрении на предприятии интегрированной системы управления в единой информационной сети функционируют и автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), и производственные службы.

Например, автоматизированное рабочее место начальника отдела получает информацию и от датчиков ТП своего участка, и от бухгалтерии, и от головного офиса.

С момента начала эксплуатации системы ее заказчик имеет электронный доступ к управлению АСУ ТП, мониторинг требуемых ТП, компьютерную связь со всеми службами своего предприятия, выход в Internet. Это повышает управляемость ТП и уровень принятия решений. Кроме того, резко уменьшается трудоемкость, возрастает оперативность, производительность персонала. Существующие информационные системы позволяют менеджеру, находясь в любом городе и имея доступ в Интернет, вызвать на экране «картинку» любого цеха своего комбината и посмотреть, что там происходит. Удаленный мониторинг – это принципиально новый этап в развитии АСУ ТП.

АСУП позволяет хранить всю возможную информацию по проекту в одном месте, в едином информационном пространстве (базе данных), что дает возможность значительно сократить рутинную механическую работу персонала, повысить качество работы, так как отсутствует необходимость дублирования информации, ее ввод осуществляется однократно, корректность ключевых данных контролируется при вводе. Следовательно, упрощается и процесс обработки информации.

АСУП объединяет в себе автоматизированные системы складского учета, автоматизированные бухгалтерские системы, системы планирования ресурсов и управления отношениями с поставщиками, системы анализа и прогнозирования продаж, системы контроля клиентской базой.

В системе должна быть предусмотрена поддержка соответствия текущему законодательству, т.е. систему необходимо постоянно обновлять. Известно, что жизненный цикл информационной системы в среднем составляет 7 лет, и за этот промежуток времени уже автоматизированный бизнес-процесс может потерять свою эффективность настолько, что предприятию придется начинать все заново. Следовательно, реализация АСУП – это постоянное усовершенствование и развитие.

Контрольные вопросы:

1. Что такое эргономика?

2. Какие функции выполняет человеко-машинный интерфейс?

3. Какие основные характеристики интерфейса Вы можете назвать?

4. Приведите пример наглядного интерфейса.

5. Какие психологические особенности человека учитываются при проектировании интерфейса?

6. Что такое кодирование?

7. В чем разница между синтаксической информацией и семантическим знанием?

8. Каким образом мозг воспринимает информацию?

9. В чем отличие человеческой памяти от ОЗУ ЭВМ?

10. В чем отличие промаха от заблуждения?

11. Каким образом ЭВМ помогает уменьшать ошибки?

12. С какой целью используются принципы моделирования?

13. Каким образом можно облегчить ввод данных?

14. Какие виды оборудования обычно применяют для интерфейса пользователя?

15. В чем заключаются отличительные черты каждого из них?

16. Как можно охарактеризовать надежность системы автоматики?

17. Что такое отказ?

18. Как считается коэффициент готовности?

19. Каким образом можно добиться надежности программного обеспечения?

20. Какие типы избыточности Вы знаете? В чем их особенности?

21. Каким способом можно посчитать надежность системы?

22. Объясните зависимость интенсивности отказов от времени.

23. Что такое коэффициент готовности?

24. Что такое качество?

25. Как можно добиться качества?

26. С какими целями были созданы ИСО 9000?

27. Какие сведения они содержат?

28. Опишите принцип построения АСУП.

29. В чем заключаются преимущества АСУП?

Солдатов Виктор Владимирович, Маклаков Владимир Васильевич,

Жужжалов Валерий Евгеньевич