Обеспечение аппаратной надежности системы

В данном разделе необходимо обеспечить аппаратную надежность проектируемой АСУ , согласно требованиям, установленным техническим заданием и в состав которой входят необходимые элементы: датчики технологических параметров, программируемый логический контроллер, сервер базы данных, коммутатор, АРМ и т.д. Для объектов различного назначения применяются разные показатели надежности. Можно выделить четыре группы объектов, различающиеся показателями и методами оценки надежности [1]:

1. неремонтируемые объекты, применяемые до первого отказа;

2. ремонтируемые объекты, восстановление которых в процессе применения невозможно (невосстанавливаемые объекты);

3. ремонтируемые восстанавливаемые в процессе применения объекты, для которых недопустимы перерывы в работе;

4. ремонтируемые восстанавливаемые в процессе применения объекты, для которых допустимы кратковременные перерывы в работе.

Рассмотрим конкретный пример обеспечения аппаратной надежности АСУ энергокомплексом.

1.1 Определение показателей надежности системы

Согласно требованиям, указанным в техническом задании, проектируемая система относится к четвертой группе – ремонтируемым восстанавливаемым в процессе эксплуатации объектам, для которых допустимы временные перерывы в работе.

Система обеспечивает непрерывный контроль состояния технологического оборудования и управление в автоматическом режиме или в режиме дистанционного управления по командам с АРМа оператора. Поэтому расчет и определение параметров надежности системы будем проводить для аппаратной части информационно – управляющей системы.

Расчет надежности заключается в определении показателей надежности по известным характеристикам надежности соответствующих элементов конструкции и компонентов схемы [2].

Для рассматриваемой системы определим основные количественные показатели надежности:

1. Показатели безотказности работы системы:

• вероятность безотказной работы р(t);

• интенсивность отказов ;

• средняя наработка до отказа Т_ср;

2. Показатели ремонтопригодности:

• коэффициент готовности К_г.

1.2 Расчет и анализ показателей безотказности

Система спроектирована на высоконадежных элементах, имеющих интенсивность отказов порядка 10^-5. Поэтому в модели надежности используется пуассоновский поток, который, согласно [3], характеризуется следующими основными свойствами:

• свойство стационарности;

• отсутствие последействия;

• свойство ординарности.

Если используется пуассоновский поток, то распределение вероятности безотказной работы подчиняется экспоненциальному закону и будет определяться по формуле (1):

_, (1)

где – интенсивность отказов системы.

В технической литературе в качестве показателя надежности элемента приводится среднее время наработки на отказ, поэтому для определения интенсивности отказов элементов системы применяется формула (2):

(2)

где Т_i – время наработки на отказ i-го элемента, ч.

Средние наработки на отказ и интенсивности отказов элементов представлены в таблице 1. Время наработки на отказ элементов системы берется из технических характеристик элементов, источники которых также приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Перечень элементов, входящих в аппаратную часть, с указанием средних наработок и интенсивностей отказов

№п/п	Наименование	Кол-во	, ч	, ч-1	, ч-1	Источ-ник
1	Датчик давления Метран-100-Вн-ДИ	2	1,5	0,6667	1,3334	[5]
2	Датчик перепада давления Метран-100-Вн-ДД	7	1,5	0,6667	4,6669	[5]
3	Датчик загазованности ГСМ-03	2	1,7	0,5882	1,1764	[5]
4	Датчик температуры в блоках Т21ВМ-03	2	1,5	0,6667	1,3334	[5]
5	Датчик температуры Метран-276	3	1,5	0,6667	2,0001	[5]
6	Датчик давления Метран -150T	9	1,5	0,6667	6,0003	[5]
7	Датчик общего расхода газа Rosemount 3051SF	7	1,8	0,5556	3,8892	[6]
8	Датчик уровня Rosemount 3301	1	1,8	0,5556	0,5556	[6]
9	Датчик – сигнализатор аварийных уровней Rosemount 2120	3	1,8	0,5556	1,6668	[6]
10	Реле Wago	10	1	1	10	[7]
11	Коммутатор ProCurve	1	2	0,5	0,5	[8]
12	Концентратор	1	2	0,5	0,5	[8]
13	Автоматические выключатели Legrand	6	33,3	0,03	0,18	[9]
14	Модуль аналогового ввода (16 каналов) 140ACI04000	2	3,5	0,2857	0,5714	[9]
15	Модуль аналогового вывода (4 канала) 140ACI04000	1	3	0,3333	0,3333	[9]
16	Модуль дискретного ввода (32 канала) 140DDI35300	4	3,1	0,3226	1,2904	[10]
17	Модуль дискретного вывода (32 канала) 140DDO35300	2	2,8	0,3571	0,7142	[10]
18	Процессорный модуль 140CPU43412	1	2,5	0,4	0,4	[10]
19	Модуль питания 140CPS11420	1	2,6	0,3846	0,3846	[10]
20	Монтажное шасси 140ХВР01000 (140ХВР00600)	1	43,2	0,02	0,02	[10]
21	Модуль связи сети Ethernet 140NOE77101	1	9	0,1111	0,1111	[10]
22	Сервер базы данных	1	2	0,5	0,5	[11]
23	АРМ (компьютер)	1	0,5	2	2	[1]
24	Резервный АРМ (горячий резерв)	1	0,5	2	2	[1]
25	Искробезопасные барьеры	16	8,5	0,1176	1,8816	[5]

АРМ оператора является наименее надежным элементом в системе. Отказ АРМа приводит к ситуации, в которой оператор не имеет возможности контролировать технологический процесс. В соответствии с техническим заданием АРМ должен быть зарезервирован (горячий резерв) [1].

В данном случае применяется параллельное нагруженное соединение, которое соответствует случаю, когда система сохраняет работоспособность, пока работоспособен хотя бы один из двух элементов, включенных в работу.

Структурная схема надежности приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Структурная схема надежности аппаратной части системы

Для последовательного соединения вероятность отказа системы равна произведению вероятностей отказа элементов. Функция надежности определяется формулой (3):

(3)

где - функция надежности i-го элемента.

В случае нагруженного резервирования, при котором основные и резервные элементы находятся в одинаковых рабочих условиях (резервирование АРМа), вероятность безотказной работы системы определяется по формуле (4):

(4)

для позиций 23 и 24:

Вероятность безотказной работы всей системы в соответствии со структурной схемой надежности определяется по формуле (5):

(5)

Результаты вычислений показаны на графиках, изображенных на рисунках 4,5.

Рисунок 4

=2500 часов, что не удовлетворяет заданным требованиям по надежности, поэтому существует необходимость резервировать оборудование.

Рисунок 5

Из рисунка 5 следует, что время надежной работы объекта (P=0,9) 263 часа.