Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами
Бокий Д.И., аспирант Бойкова О.Г., кандидат технических наук, доцент
(Санкт-Петербургский государственный технологический институт)
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОМПЛЕКСА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АСУТП С УЧЕТОМ НАДЕЖНОСТИ
Разработаны структура и программное обеспечение программного комплекса оценки надёжности автоматизированных систем управления, позволяющего производить расчет характеристик надежности комплекса технических средств.
Ключевые слова: математические модели, технические средства, система.
SOFTWARE SYSTEM FOR DESIGNING COMPLEX TECHNICAL MEANS FOR INDUSTRIAL CONTROL IN VIEW OF RELIABILITY
The structure and the software reliability assessment software system of automatic control system, which allows to calculate the reliability characteristics of complex of hardware.
Key words: mathematical models, engineering tools, system.
Расчет анализа надежности комплекса технических средств автоматизированных систем управления предусмотрен требованиями государственных и международных стандартов [13]. От обеспечения возможности достаточно точно и оперативно решать задачи определения показателей надежности непосредственно зависит экономичность, ресурсосбережение и конкурентоспособность современного производства.
Данная работа посвящена разработке программного комплекса для проектирования технических средств АСУТП на основе заданных значений показателей надежности системы.
Существующие в настоящее время технологии автоматизированного моделирования и расчета надежности реализуются на практике по единой общей методике [4-5], которая характеризуется следующими тремя основными этапами.
Во-первых, этап формализованной постановки задачи моделирования и расчета показателей надежности систем, которая включает в себя: разработку структурных моделей (схем) исследуемых свойств системы (надежности, безопасности, сценариев возникновения и развития аварийных ситуации); задание критериев, определяющих обобщенные условия реализации свойств надежности и безопасности АСУТП; определение значений показателей надежности и безопасности элементов АСУТП.
Во-вторых, этап автоматического построения (с помощью ЭВМ) математических моделей, необходимых для выполнения расчетов и проведения анализа надежности АСУТП в целом.
И на заключительном этапе, на основе расчетов показателей надежности формирование рекомендаций по резервированию элементов системы с целью обеспечения требуемого уровня надежности.
Программный комплекс был создан на примере автоматизированной системы управления электротехническим оборудованием электростанции. Программный комплекс содержит интеллектуальный советчик проектировщика для формирования рекомендаций по резервированию элементов АСУ на основе расчета надежности. Также он включает модуль ввода графической информации для формирования структурной схемы элементов системы, модуль
формирования набора расчетных формул для оценки параметров надежности на основе структурной схемы, модуль расчета параметров надежности КТС АСУ, БД отказов, модуль формирования отчетов. Среда разработки- Borland C++ Builder 6, операционная система -Windows XP.
Оценку надежности АСУ проводят на различных стадиях создания и эксплуатации АСУ. При разработке АСУ проводят проектную (априорную) оценку надежности системы. При опытной и промышленной эксплуатации АСУ проводят экспериментальную (апостериорную) оценку надежности системы.
Проектная оценка надежности АСУ с учетом только КТС АСУ, проводимая на начальных этапах разработки системы, является ориентировочной, и ее используют для предварительного определения состава и структуры КТС АСУ.
При проведении проектной и экспериментальной (расчетно-экспериментальными методами) оценок надежности АСУ следует использовать данные по надежности элементов АСУ, приведенные в документации их изготовителей и разработчиков, в официальных отчетах об эксплуатации элементов АСУ, а также в справочниках.
В качестве показателей надежности АСУ используют показатели, характеризующие: надежность реализации функций системы, опасность возникновения в системе аварийных ситуаций.
Основными единичными показателями безотказности являются средняя наработка системы на отказ, вероятность безотказного выполнения системой i-й функции в течение заданного времени.
Комплексными показателями безотказности являются коэффициенты готовности системы, технического использования, коэффициент сохранения эффективности системы.
Для расчета показателей надежности использовался следующий алгоритм. Пусть некоторая техническая система составлена из n элементов (узлов).Для этой системы имеется алгоритм расчета вероятности работоспособного состояния (ВБР) [6]. Для расчета коэффициента технического использования в формуле для определения ВБР системы необходимо заменить ВБР каждого элемента на коэффициент технического использования этого элемента.
Для реализации данного алгоритма разработан программный модуль, который может рассчитать надежность любой системы, структуру которой можно представить в виде последовательно-параллельной схемы. Связи между элементами системы представлялись в виде определенной скобочной структуры: параллельно соединенные элементы записываются с помощью квадратных скобок [AB], а последовательно соединённые с помощью круглых скобок (AB).
На рисунке 1 приведён пример последовательно-параллельной схемы, которая описывается следующей формулой ([(A[FD]B]C).
Рис. 1. Пример последовательно-параллельной схемы
При раскрытии скобочной структуры над значениями стоящими в круглых скобках производится действие по формуле расчета последовательно соединенных элементов, а стоящими в квадратных скобках по формуле для параллельно соединенных элементов [6].
Формирование самой скобочной структуры происходит следующим образом: пусть в начале система имеет один элемент «А» (скобочная структура имеет вид А), после добавления последовательного звена в скобочной структуре название элемента, к которому оно было добавлено, заменится на (А «имя нового звена»), а при параллельном на [А «имя нового звена»].
Относительная простота расчетов надежности, основанных на использовании параллельно-последовательных структур, делает их самыми распространенными в инженерной практике. Однако не всегда условие работоспособности можно непосредственно представить параллельно-последовательной структурой. В этом случае используют булевы методы оценки надежности. Для этого функция работоспособности системы должна быть описана булевым выражением с помощью непересекающихся событий. Это означает, что каждый член заключительного булева выражения для успеха системы должен быть независимым по отношению к каждому другому члену этого выражения. Самый простой способсоставления такого выражения - это использование таблиц истинности. Также можно применить алгоритм ортого-нализации Порецкого [6].
Для примененияпрограммного комплекса на этапе проектирования, для выработки рекомендаций по резервированию элементов системы управления на основе расчета, надежности был создан интеллектуальный советчик проектировщика.Структура интеллектуального советчика приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Структура интеллектуального советчика
В базе знаний надежности представлены различные параметры надежности, которые могут быть рекомендованы при расчете надежности.
База знаний резервирования содержит различные виды резервирования.
Модуль накопления позволяет модифицировать знания во время создания и последующей эксплуатации экспертной системы.
Механизм логического вывода на основе расчетов показателей надежности позволяет на основе известных фактов базы знаний создавать структурные схемы расчета с учетом резервирования.
Также, при создании структурной схемы надежности системы создается база данных узлов структурной схемы с их показателями надежности и весами системы и резервирования. При её создании используется база данных (фактов) возможных узлов и элементов системы.
Интеллектуальный советчик (ИС) начинает работать, если пользователь
♦♦♦ создал или загрузил из файла структурную схему расчета надежности; ♦♦♦ выбрал показатель надежности;
♦♦♦ задался допустимым значением показателя надежности.
Если расчетное значение показателя надежности окажется меньше допустимого, то ИС начинает свою работу. ИС перебирает узлы по их весам и выбирает элемент (с минимальной надежностью), для которого предлагается произвести резервирование. Если пользователя этот вариант не устраивает, то он может перейти к следующему варианту и так далее. Резервирование производится до тех пор, пока показатель надежности системы не достигнет требуемого значения.
Рис. 3. Блок схема работы интеллектуального советчика
Программный комплекс содержит два интерфейса - пользователя и администратора. Пользователь имеет возможность выполнения задач исследования системы. Интерфейс администратора - это защищенный интерфейс. Администратор может просматривать и редактировать все записи таблиц баз данных.
Таким образом, созданный программный комплекс позволяет произвести компоновку оборудования с учётом требований анализа надёжности в режиме «советчика оператора» на основе выдачи рекомендаций по резервированию элементов системы.
Произведено тестирование работы комплекса на примере КТС АСУ-Э газотурбинной электростанции Ваньеганского нефтяного месторождения. Комплекс технических средств имеет трехуровневую структуру. Повышение надежности системы достигается применением промышленных контроллеров, производства мировых лидеров АВВ, Shneider Electric, Siemens, работающих по схеме «горячего резерва» (полное резервирование в реальном времени процессоров, блоков питания, сетевых модулей) на среднем уровне; а также резервированием источников бесперебойного питания, датчиков основных параметров на нижнем уровне.
Расчеты показали, что при значении коэффициента технического использования (Кти) системы 0,995, его значения для подсистем должны быть не меньше 0,997, а для датчиков не меньше 0,998.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 27.301-95. Надежность в технике. Расч
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.