Влияние надежности на показатели точности управления

Влияние отказов АСУ ТП на точность управления показана на рис. 8. На отрезке времени (0, ) выполняется автомати­ческая стабилизация управляемого параметра относитель­но некоторого номинального значения . В момент про­изошел отказ, под влиянием которого регулирующий орган начинает перемещаться в одно из крайних положений, что вы­зывает возмущающее воздействие на управляемый объект и приводит к резкому изменению управляемого параметра. Сис­темы управления технологическими объектами проектируют таким образом, чтобы после отказа автоматической управляю­щей функции оперативный персонал имел возможность вме­шаться в процесс управления, выполняя неавтоматическое управление (с худшим, как правило, качеством). Такое управ­ление персонал начинает с момента , перемещая регулирую­щий орган в направлении уменьшения сигнала ошибки . Время уходит на выявление отказа (если в сис­теме нет средств автоматического контроля исправности), на принятие оператором решения и на его реализацию. Интервал (, ) соответствует неавтоматическому управлению в неста­ционарном режиме при ликвидации последствий неправильно­го перемещения регулирующего органа, интервал (, ) – неавтоматическому управлению в стационарном режиме, при­чем среднеквадратическое отклонение управляемого парамет­ра на этом интервале, как правило, выше, чем на интервале (0, ). В момент и закончилось восстановление и продолжает­ся режим автоматического управления до следующего отказа в момент и т. д.

Р и с. 8. Поведение управляемого параметра после отказов

управ­ляющей системы

Показатели точности управления применяют для управля­ющих функций АСУ ТП, реализующих их локальных систем. Показатели точности включают в себя динамические и стати­ческие показатели (характеристики) функции автоматического или программного регулирования, показатели безошибочности и своевременности функций логического управления и др.

Показатели точности управления могут рассматриваться как без учета взаимодействия АСУ ТП и ее элементов с объ­ектом управления (например, значения амплитудно- или фазочастотной характеристики регулятора при фиксированных час­тотах), так и в замкнутой системе управления с учетом дина­мических свойств объекта. Так, отказы одноканального автоматического регулятора в замкнутой системе могут сами служить источником возмущающих воздействий на объект; обычно такие отказы являются явными. Отказы, не вызываю­щие возмущающих воздействий и не обнаруженные средства­ми автоматического контроля исправности, могут быть неяв­ными и обнаруживаться только при наличии внешних воздей­ствий. При детерминированных внешних воздействиях такие отказы могут вызвать увеличение статической ошибки, увели­чение площади под кривой переходного процесса, снижение степени затухания переходного процесса. При случайных внешних воздействиях отказы могут вызвать увеличение среднеквадратического отклонения и математического ожидания ошибки регулируемого параметра.

Влияние надежности на метрологические показатели. Метрологические показатели устанавливают для информационных функций АСУ ТП, реализующих их измерительных систем и средств измерений. В число этих показателей входят система­тическая и случайная составляющие погрешности, вариация выходного сигнала, время установления показаний и др.

Из всех этих показателей наиболее важным является по­грешность измерений как по своему практическому значению (например, по влиянию на точность управления), так и по степени ухудшения из-за отказов. Например, эксперименталь­ное исследование надежности ряда автоматических потенциометров, мостов и других вторичных приборов показало, что выход погрешности за пределы вследствие отказа наблюдает­ся в 2-3 раза чаще, чем иных метрологических показателей. Выход погрешности измерений за пределы связан с изменени­ем и иных метрологических показателей. Так, в 95% выходов за допустимые пределы вариации показаний одновременно вы­ходила за пределы и погрешность измерений.

Отказы измерительных систем могут приводить к полному пре­кращению их функционирования, когда персонал не полу­чает никакой информации о значении измеряемого параметра: при изменении этого параметра отсутствует сигнал на выходе измерительной системы (например, из-за того что перегорела электронно-лучевая трубка дисплея, на который выводится информация). Такие отказы являются явными.

Отказы измерительных систем могут вызывать ухудшение метрологических показателей без прекращения функциониро­вания. Если такие отказы обнаруживаются встроенными сред сред­ствами автоматического контроля, то они практически немед­ленно устраняются персоналом. Устранение отказов, не выяв­ленных автоматическим контролем, производится, как правило, через значительное время после возникновения – при проведе­нии поверок с помощью специальных измерительных операций, требующих применения образцовых средств измерения. Такие отказы могут приводить к длительным последствиям, связан­ным со скрытым ухудшением качества управления объектом.

Влияние надежности на показатели живучести. Свойство систем выполнять некоторые заданные функции по управлению объектом с допустимыми эксплуатационными показателями при воздействии особо существенных внешних факторов, не предусмотренных условиями нормальной эксплуатации, назы­вают живучестью АСУ ТП.

Внешние факторы, учитываемые при рассмотрении живуче­сти, отличаются от факторов, имеющих место в процессе нор­мальной эксплуатации и учитываемых, например, при рассмот­рении безотказности. Примерами существенных внешних фак­торов в задачах живучести являются сейсмические воздейст­вия, пожар. Особенностями таких внешних факторов является то, что они обычно одновременно прикладываются к ряду элементов объекта и АСУ ТП; не предсказываются по моменту появления и по величине; являются редкими событиями, про­должительность которых мала по сравнению с промежутком времени между ними.

В определении живучести в отличие от определения надеж­ности от АСУ ТП требуется выполнение не всех, а только не­которых функций. К тому же допускается снижение качества их выполнения до определенного предела. Обычно в задачах живучести рассматриваются функции, обеспечивающие без­опасность персонала, отсутствие неблагоприятных последствий для окружающей среды, предотвращение повреждений техно­логического оборудования. Например, при внешнем факторе (сильном землетрясении) от АСУ ТП может требоваться выполнение только одной функции – останова технологического процесса.

Показателем живучести при некотором значении воздейст­вия x может являться вероятность Р(x) выполнения заданных функций АСУ ТП.

Отказы элементов АСУ ТП могут приводить к снижению живучести. Например, в момент воздействия элемент может находиться в состоянии восстановления после отказа или в нем может иметь место скрытый отказ (что особенно характерно для устройств, реализующих функцию технологической защи­ты). Кроме того, отказы могут происходить и при управлении объектом при возникновении воздействий (например, из-за ошибки оператора или несрабатывания защиты).

Влияние надежности на показатели безопасности. Свойст­во систем не допускать ситуаций, опасных для людей и окру­жающей среды, называют безопасностью. Отказы некоторых элементов АСУ ТП (в первую очередь так называемых управляющих систем без­опасности, выполняющих функции автоматического включения и контроля устройств защитных, локализующих и обеспечива­ющих систем безопасности) могут приводить к нарушению безопасности. Поэтому к надежности АСУ ТП предъявляют особо высокие как количественные, так и качественные требования, а пути обеспечения надежности и безопасности этих систем во многом совпадают. Примерами качественных требований являются наличие не менее двух независимых каналов, проверка и испытания эле­ментов в процессе эксплуатации, наличие бесперебойного энер­гопитания и др.

Влияние надежности на показатели эффективности. Свой­ство систем, проявляющееся при функционировании совместно с технологическим объектом управления и выражающееся в улучшении полезных результатов его функционирования, на­зывают эффективностью АСУ ТП. В зависимости от видов результатов функционирования будем разделять показатели эффективности на технологические и экономические.

Технологические показатели эффективности отражают из­менение количества и качества продукции, количества израсходованного топлива, энергии, сырья, изменение использования технологического оборудования вследствие применения АСУ ТП. Примерами этих показателей являются повышение средне­суточного количества выпущенной продукции, снижение удельного расхода сырья и т. п.

Экономические показатели эффективности отражают изме­нение экономических результатов функционирования объекта вследствие применения АСУ ТП и выражаются либо в денеж­ных единицах, либо в единицах, определяющих степень соответствия затрат на АСУ ТП результатам функционирования: объекта. Экономические показатели эффективности АСУ ТП определяются сравнением двух вариантов функционирования: объекта: с АСУ ТП в составе АТК и некоторого базового ва­рианта АСУ ТП (например, с применением только локальных автоматических систем).

Примерами экономических показателей эффективности яв­ляются:

- годовой экономический эффект, определяемый соотноше­нием

;

- коэффициент сравнительной экономической эффективности

и др.

Здесь Ц – стоимость выпущенной за год продукции в опто­вых ценах; С – себестоимость этой продукции; К – капиталь­ные вложения (включая предпроизводственные затраты) на выпуск этой продукции; Е_Н – нормативный коэффициент эко­номической эффективности капиталовложений; индексы 1 и 0 относятся к автоматизированному технологическому комплек­су, использующему АСУ ТП, и к базовому варианту без АСУТП.

Рассмотрим взаимосвязь между надежностью и эффектив­ностью. С одной стороны, повышение надежности систем, как правило, связано с увеличением затрат. Улучшение элементной базы, введение избыточности, приобретение более надежных (и, как правило, более дорогих) технических средств – все это приводит к повышению единовременных затрат на содержание АСУ ТП. Введение более частого и более продолжительного тех­нического обслуживания увеличивает текущие затраты, а зна­чит, и себестоимость продукции. Повышение надежности путем: улучшения условий эксплуатации введением специального обо­рудования (например, кондиционеров) увеличивает как едино­временные затраты на приобретение этого оборудования, так и текущие затраты на его содержание и обслуживание.

С другой стороны, отказы элементов АСУ ТП приводят к снижению эффективности, причем такое снижение может быть значительным.

Влияние отказов элементов АСУ ТП на технологические показатели эффективности проявляется в том, что последствия отказов элементов сказываются на поведении ТОУ.

Повреждение технологического оборудования и останов технологического процесса приво­дят к снижению количества выпускаемой продукции вслед­ствие вынужденных затрат времени на простой оборудования и переходные процессы останова и пуска; ухудшению каче­ства продукции вследствие возможного брака при переход­ных процессах пуска и особенно останова, увеличению расхода энергии, топлива, сырья, материалов, реагентов и т. п. при останове, ремонте, простое и пуске оборудования; сокра­щению продолжительности использования оборудования.

Ухудшение характеристик технологического процесса без его останова может приводить: к недовыработке продукции; к снижению ее качества (в частности, выпуску бракованной продукции); к увеличению расхода энергии, топлива, сырья, и т. п.

Отказы элементов АСУ ТП влияют и на трудозатраты пер­сонала. Для восстановления технических средств после отка­зов необходима работа как оперативного эксплуатационного персонала АСУ ТП, так и ремонтного персонала автоматики. Для устранения повреждений оборудования после аварий не­обходима работа ремонтного технологического персонала. Для дополнительных пусков оборудования после остановов необхо­дима работа оперативного технологического персонала.

Снижение значений технологических показателей эффектив­ности и возникновение дополнительных трудозатрат из-за от­казов приводит к повышению стоимости и себестоимости про­дукции, что снижает экономические показатели эффективности.

Очевидно, что на эффективность влияют показатели точно­сти управления и метрологические показатели, и взаимосвязь надежности и эффективности (особенно после отказов, вызы­вающих ухудшение характеристик технологического процесса) должна рассматриваться в последовательности «отказ – изме­нение показателей точности управления и метрологических по­казателей – изменение технологических показателей эффек­тивности – изменение экономических показателей эффективно­сти». Установление связи между надежностью и эффективно­стью является одним из основных вопросов, возникающих при исследовании надежности любых сложных систем, включая и АСУ ТП. Можно даже сказать, что проблема обеспечения на­дежности в принципе является частью более общей пробле­мы – повышения эффективности функционирования систем, причем уровень надежности обычно в значительной степени определяет эффективность.