Надежность АСУ ТП как совокупности комплекса технических средств, программного обеспечения и оперативного персонала

Автоматизированную систему управления, как и любую сложную систему, можно представить в виде совокупности элементов и затем рассмотреть взаимосвязь этих элементов между собой. Выбор элементов в зависимости от способа декомпозиции АСУ ТП мо­жет быть различен. При декомпозиции по составу в качестве элементов могут быть приняты комплекс технических средств (техническое обеспечение), информационное обеспечение (включающее в себя нормативно-справочную информацию, системы классификации и кодирования информации и др.) и организа­ционное обеспечение (совокупность документов, регламентирую­щих действия персонала). Свойства информационного и орга­низационного обеспечения влияют на надежность АСУ ТП косвенно, через функционирование технических средств, прог­раммного обеспечения и персонала, поэтому ниже при решении вопросов надежности отдельно не будут учитываться.

При функциональной декомпозиции АСУ ТП как много­функциональной системы в качестве элементов системы рас­сматриваются ее отдельные функции.

Рассмотрим АСУ ТП как совокупность комплекса техниче­ских средств, программного обеспечения и оперативного персо­нала.

Надежность комплекса технических средств. Надежность комплекса технических средств оказывает наиболее существен­ное влияние на надежность АСУ ТП, поэтому приближенно на­дежность АСУ ТП зачастую оценивают с учетом только комп­лекса технических средств.

Критерии отказов технических средств (ТС), как правило, устанавливаются в соответствии с требованиями, указанными в стандартах, технических условиях или другой технической доку­ментации на эти ТС. Поскольку большинство ТС имеют обще­промышленное назначение, то требования задаются безотноси­тельно к тем системам, в которых эти ТС функционируют. Кри­терии отказов ТС при этом не зависят от характеристик управ­ляемого объекта и требований к качеству управления.

Конкретизируем определение времени восстановления ТС, для чего рассмотрим его основные составляющие. Время восста­новления всегда включает в себя время поиска причины от­каза и время его устранения (рис. 6,а). Оперативное вре­мя восстановления

(2.1)

При эксплуатации ТС в (2.1) могут быть добавлены времена:

– ожидание от момента обнаружения отказа до начала поиска его причины;

– обеспечение персонала инструментами, материалами, запасными частями;

– ожидание от момента окончания устранения отказа до момента включения ТС;

и – демонтаж и монтаж ТС.

На рис.6,б приведена структура, времени восстановления, проведенного непосредственно на месте установки отказавшего ТС без его замены. Общее время восстановления:

(2.2)

На рис.6,в рассмотрен случай, когда восстановление про­ведено путем демонтажа отказавшего технического средства, его последующего ремонта в мастерской и монтажа на прежнем месте. При этом общее время восстановления:

, (2.3)

где – длительность ожидания ремонта в мастерской; – время устранения отказа в мастерской.

Р и с. 6. Примеры структуры времени восстановления

Надежность программного обеспечения (ПО). Теория на­дежности развива­лась для описания технических объектов, включая технические средства АСУ ТП. Отказы происходят из-за разрушения и ста­рения компонентов, причем восстановление требует ремонта, ре­гулировки, замены компонентов или технического средства. Разрушение и старение не свойственно ни программному обеспече­нию системы в целом, ни отдельным программам. Тем не менее, возможно перенесение некоторых понятий, терминов и ме­тодов надежности и на ПО (принимая при этом определенную условность такого подхода).

При разработке ПО может возникнуть ряд причин, приво­дящих к возникновению ошибок: неправильное понимание прог­раммистом алгоритма; неправильное составление общей струк­туры ПО и взаимосвязи программ; неправильный выбор мето­дов защиты программ; ошибки в переносе программ на носите­ли и др.

Отладка ПО не может устранить все ошибки, так как число возможных сочетаний входных данных и состояний системы при ее функционировании настолько велико, что заранее проверить все возможные ветви прохождения программ практически не­возможно. Поэтому поток моментов проявления ошибок ПО при функционировании АСУ ТП носит случайный характер: ошибки проявляются в случайные моменты времени, когда программа выйдет на тот участок, где имеется ошибка.

Основные отличия ошибок ПО от отказов ТС заключаются в следующем. После исправления ошибки в программе эта же ошибка в дальнейшем не может повториться. Более того, ошиб­ки, выявленные в ПО одной из нескольких однотипных систем, обычно исправляются во всех таких системах. Поток ошибок ПО нестационарный, так как по мере выявления ошибок пара­метр их потока уменьшается. Отказы ТС по одной и той же причине носят повторяющийся характер; после восстановления такой же отказ и этого, и иных аналогичных средств по той же причине может повториться вновь. Поток отказов ТС в устано­вившемся режиме с тем или иным приближением можно при­нять стационарным.

Существуют два подхода к выбору показателей надежности ПО. С одной стороны, возможно использовать обычные показа­тели надежности, такие как вероятность отсутствия ошибок за время t; среднее время между ошибками; среднее время вос­становления ПО после прекращения функционирования и т.п. Данные показатели характеризуют проявление ошибок ПО во времени, поэтому их целесообразно использовать для ПО, не­прерывно эксплуатируемого при управлении технологическим объектом. Для программ, используемых нерегулярно (при не­обходимости), возможно применение таких показателей, как вероятность успешного выполнения одного прогона программы, вероятность того, что данное ПО сумеет решить произвольную задачу из потока реальных задач.

С другой стороны, для описания надежности ПО могут быть использованы специальные показатели, характерные только для ПО и отражающие, главным образом, качество выполнения ПО. Прежде всего, это показатели корректности ПО: предполагае­мое число ошибок в ПО или плотность ошибок (число ошибок на одну команду). Другие показатели характеризуют такие свойства ПО, как устойчивость – способность ПО функциони­ровать в условиях возмущений внешней среды, исправляемость – способность ПО к внесению исправлений, защищенность ПО от внесения искажений при постороннем вмешательстве и др. Однако к настоящему времени отсутствуют методики практического определения показателей данного вида для ПО в АСУ ТП.

Наличие в АСУ ТП программно-управляемых вычислитель­ных комплексов приводит к необходимости рассмотрения специ­фического для них вида нарушения функционирования – сбоев. Под сбоем понимается кратковременное нарушение работоспо­собности комплекса, при котором функционирование восстанав­ливается без применения ремонтных работ. Сбои могут прояв­ляться в виде останова, зацикливания, выдачи неправильного результата, причем либо нарушения самоустраняются, либо вос­становление проводится персоналом путем перезапуска или пе­резагрузки комплекса. Причинами сбоев могут быть изменения условий эксплуатации (температуры, воздействий электриче­ских и магнитных нолей), неисправности технических средств, ошибки программного обеспечения. Согласно действующим стандартам на вычислительные комплексы должны за­даваться показатели, описывающие их сбои (например, сред­няя наработка на сбой).

Надежность оперативного персонала. Оперативный персонал (оператор-технолог) в составе АСУ ТП принимает непосредст­венное участие в реализации ее функций. Роль оперативного персонала заключается в следующем: наблюдение за ходом технологического процесса и правильностью функционирования АСУ ТП; настройка, ввод уставок, запуск и коррекция работы технических средств; принятие решения по управлению технологическим процессом по неалгоритмизированным правилам; не­посредственное воздействие на ход технологического процесса включением и отключением регулирующих органов и механиз­мов в некоторых режимах работы объекта (например, пуско­вых) или при отказах технических средств.

Использование оперативного персонала в качестве резерв­ного звена системы управления позволяет повысить надежность выполнения функций АСУ ТП. В то же время недостаточная на­дежность этого персонала при выполнении им основных функ­ций управления снижает общую надежность функционирования АСУ ТП.

Под надежностью человека-оператора понимается совокуп­ность его свойств, проявляющихся при его участии в функцио­нировании АСУ ТП и влияющих на надежность АСУ ТП. Основ­ными из этих свойств являются: безошибочность – способность человека-оператора выполнять все заданные операции в задан­ном порядке; своевременность – способность человека-операто­ра выполнять заданные операции за заданное время.

Оператор как элемент АСУ ТП в задачах надежности имеет ряд существенных особенностей. К ним относятся адаптация к условиям труда, существенное отличие характеристик различ­ных операторов друг от друга, утомляемость, подверженность эмоциональным воздействиям. Общим для всех операторов яв­ляются единые требования к уровню их профессиональной подготовки при допуске к работе по управлению объектом.

Алгоритмизируемой деятельности оператора по выполнению какой-либо функции АСУ ТП можно поставить в соответствие набор процедур, каждая из которых состоит в реализации оп­ределенных операций в заданной последовательности. Поток требований (запросов) на выполнение процедуры, во всяком случае при установившемся режиме работы объекта, можно принять простейшим. Длительность выполнения процедуры различна (от нескольких секунд при однократном обращении к дисплею при контроле по вызову до нескольких часов при неавтоматическом управлении после отказа технических средств).

Показателями надежности человека-оператора могут быть:

- вероятность R_б безошибочного выполнения процедуры, т. е. вероятность того, что при выполнении рассматриваемой про­цедуры будут правильно выполнены именно те операции, кото­рые составляют данную процедуру, и именно в заданной после­довательности [например, вероятность безошибочного выполне­ния требования по управлению запорной (двухпозиционной) арматурой];

- вероятность R_с своевременного выполнения процедуры, т.е. вероятность того, что совокупность всех операций, составляю­щих данную процедуру, будет выполнена за время, не превы­шающее допустимое (например, вероятность своевременного пе­реключения регулятора с автоматического режима на неавтома­тический за время не более заданного). Если же длительность t выполнения процедуры имеет порядок часа и более, то показателем надежности может быть вероятность Р(t) безошибочных, своевременных (а также точных) действий оператора за время t (например, по неавтоматической стабилизации некоторого па­раметра).