18. Вопросы надежности scada-систем.

Современные методы управления производственным процессом на основе компьютерных технологий получили широкое распространение на большинстве промышленных предприятий. Все успешно работающие системы обеспечивают контроль и управление ТП, предоставляют графический интерфейс оператора, производят обработку сигналов тревог, построение графиков, отчетов и обмен данными. В тщательно спроектированных системах эти возможности способствуют улучшению эффективности работы предприятия и, следовательно, увеличению прибыли. Однако при разработке таких систем инженеры часто упускают из вида один существенный аспект - что произойдет, если какой либо элемент аппаратуры выйдет из строя? Вопросы, связанные с оценкой надежности систем, а также с методами ее повышения, рассматриваются в рамах теории надежности.

Основные понятия теории надежности

В самом общем смысле, надежность – это способность некоего изделия выполнять требуемые от него функции в течение некоторого времени. Другими словами, надежность – это способность к безотказной работе. Таким образом, ключевым в теории надежности является понятие отказа. Теория надежности занимается отказами изделия, происходящими под влиянием на него множества разнообразных факторов, которые являются случайными событиями. Отказ происходит в случайный момент времени, поэтому время безотказной работы изделия является случайной величиной.

Очевидно, что в простейшем случае каждый элемент системы может находиться в двух состояниях – «работает» либо «отказал». В связи с этим становится возможным ввести понятие «вероятности безотказной работы». Вероятность безотказной работы – это вероятность того, что данный элемент системы в данный момент находится в состоянии «работает». Соответственно, вероятность отказа – это вероятность того, что данный элемент системы в данный момент находится в состоянии «отказал». Очевидно следующее соотношение:

p =1 – q (1)

где p – вероятность безотказной работы; q – вероятность отказа.

Отметим, что вероятность безотказной работы, как и вероятность отказа, являются функциями времени. Однако в практических расчетах эти величины часто полагают постоянными. В этом случае говорят о надежности системы в стационарном режиме работы.

Одним из способов повышения надежности систем является резервирование.

Резервирование – это метод повышения надежности путем введения резервных элементов, являющихся избыточными по отношению к минимальной функциональной структуре изделия, необходимой и достаточной для выполнения заданных функций.

Резервные элементы могут находиться в следующих режимах:

а) нагруженный (резервные элементы находятся в том же режиме, что и основные – «горячий» резерв);

б) облегченный (резервные элементы находятся под частичной нагрузкой – «теплый» резерв);

в) ненагруженный (на резервные элементы не подается никакой нагрузки – «холодный» резерв).

Число резервных элементов на один основной элемент системы называется кратностью резервирования.

Пример

Пусть система состоит из трех последовательно включенных элементов, каждый из которых имеет вероятность безотказной работы p=0.95. Рассчитать вероятность безотказной работы системы без резервирования и с резервированием каждого элемента. Резерв считаем нагруженным.

Рис. 28. Структура системы без резервирования.

Рассчитаем вероятность безотказной работы системы без резервирования (см. рис. 28). По теореме о сложении вероятностей, вероятность безотказной работы равна

(2)

Соответственно, вероятность отказа такой системы равна

(3)

Как видим, вероятность отказа является достаточно высокой. Введем теперь резервные элементы для всех элементов системы. Получившаяся структура приведена на рисунке 29.

Рис. 29. Структура системы с резервированием всех элементов.

Вероятность безотказной работы такой системы определяется по следующей формуле:

(4)

Вероятность отказа, соответственно, равна

(5)

На первый взгляд, резервирование приводит к увеличению количества элементов, а, следовательно, к увеличению стоимости системы. Однако, из рассмотренного выше примера видно, что увеличение числа элементов в два раза позволило уменьшить вероятность отказа примерно в двадцать раз. Очевидно, что в системах автоматизации, критичных по надежности, резервирование является необходимой и даже обязательной мерой, без которой невозможно достичь требуемых показателей надежности.

При построении систем с резервированием следует иметь в виду следующее.

1) Существует некоторая нижняя граница надежности элементов системы, ниже которой резервирование не дает ощутимых результатов. Т.е., для построения надежных систем необходимо использовать достаточно надежные элементы.

2) Существует некоторая верхняя граница кратности резервирования, выше которой надежность системы перестает существенно увеличиваться. Более того, надежность системы может начать снижаться, вследствие влияния отказов используемых коммутационных устройств, соединителей и т.д.