запаздывание. Для этого выделяют одну наибольшую постоянную времени, а все остальные малые постоянные времени заменяют звеном динамического запаздывания.

Существуют аналитические, экспериментальные и комбиниро­ ванные методы получения математического описания объектов управления.

Аналитические методы базируются на использовании уравнений, описывающих физико-химические и энергетические процессы, про­ текающие в исследуемом объекте управления. Это, например, законы сохранения вещества и энергии (уравнения материального баланса). В настоящее время для многих классов объектов управления полу­ чены их математические модели: в частности для аэрокосмических объектов (ракет, самолетов, вертолетов), для технологических объектов (химические реакторы), для энергетических процессов (ядерные реакторы, паровые турбины, генераторы, двигатели). При получении таких описаний обычно оперируют с дифференциальными уравнениями в частных производных, так как переменные изме­ няются как во времени, так и в пространстве.

Экспериментальные методы предполагают проведение серии экспериментов на реальном объекте управления. Обработав резуль­ таты экспериментов, оценивают параметры динамической модели объекта, задавшись предварительно ее структурой.

Наиболее эффективными оказываются комбинированные методы построения математической модели объекта, когда, используя аналитически полученную структуру объекта, ее параметры опре­ деляют в ходе натурных экспериментов.

7.3. Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами

Проектирование (разработка) автоматизированной системы управления технологическими процессами включает в себя:

-изучение объекта автоматизации;

-разработку и согласование с заказчиком технического задания

на систему автоматического управления; - выбор оптимального по критерию “цена - качество” состава

технических средств, необходимых для решения поставленной задачи (приборов, датчиков, исполнительных механизмов, средств сбора и

обработки информации, средств для реализации человеко-машинного интерфейса), и составление заказной спецификации;

-разработку проектной документации (схемы автоматизации, электрических принципиальных схем и схем соединений, чертежей видеокадров, схем компоновки оборудования, описания базы данных системы, алгоритмов управления);

-разработку программ, реализующих алгоритмы управления технологическим оборудованием (нижний уровень управления) и алгоритмы сбора и обработки информации (верхний уровень управ­ ления);

-поставку оборудования, согласно заказной спецификации;

-монтажные и пуско-наладочные работы.

7.4.Определение надежности автоматизированных систем управления технологическими процессами

На сегодняшний день применение средств автоматизации тех­ нологических процессов очень широко распространено практически во всех отраслях промышленности. Возникает необходимость повы­ шения точности показаний датчиков, их нормальной работо­ способности, качественного и бесперебойного слежения и управления технологическими процессами.

Для начала необходимо выяснить, что представляет под собой надежность, как и чем она описывается.

Под элементом в теории надежности понимают некоторое само­ стоятельное техническое устройство, рассматриваемое в данной за­ даче как единое целое. Так, например, при исследовании надежности АСУТП к числу элементов можно отнести датчики, преобразователи сигналов, аналоговые регуляторы, микроконтроллеры, управляющие ЭВМ исполнительные механизмы и т.п. Каждое из перечисленных устройств может быть разделено на ряд более мелких узлов и деталей, но в соответствии с договоренностью при исследовании надежности АСУТП эти устройства считают неделимыми и называют элементами системы.

Системой в теории надежности называют несколько вза­ имодействующих между собой элементов, соединенных оп­ ределенным образом для выполнения тех или иных системных функций.

Понятия элемента и системы носят условный, договорной харак­ тер: каждый элемент может рассматриваться как система при более детальном изучении его надежности; каждая система может оказаться элементом при решении более “масштабных” задач надежности. АСУТП может рассматриваться как “элемент” автоматизированной системы управления предприятием.

Надежность элемента, понимаемая как его способность выпол­ нять заданные функции в течение определенного отрезка времени, в указанных условиях эксплуатации, базируется на определениях безотказности (работоспособности, исправности) и отказа.

Пусть поведение конкретного элемента в процессе его эксплу­ атации характеризуется набором ряда координат или переменных

Уг У? —' Уг —'У* изменяющихся во времени t под действием некоторых контролируемых факторов {xt x r ...f хJ = хк и большого числа неизвестных и (или) неконтролируемых переменных

Элемент можно назвать работоспособным (исправным), если в данный момент времени / при хкеХ справедливы неравенства:

где у:, у} - нижняя и верхняя грани допустимых или “нормальных” флуктуаций^, при вариациях в е к т о р а в заранее указанной области X (граниу:,у.' I = и X обычно оговариваются в технических условиях или паспортах элемента).

Например, стабилизатор напряжения переменного тока можно считать работоспособным, если при вариациях входного напряжения Xj в области Х= [180, 260]В выходное напряжение у удовлетворяет неравенству 210<=у<=230В. Помимо контролируемого внешнего факторах1напряжение^ зависит от неконтролируемых переменных - температуры х2 и влажности х3 окружающей среды, частоты переменного тока х4и т.п.

Автоматическая система регулирования (АСР), являясь неотъ­ емлемой частью АСУТП, считается работоспособной, если при сту­ пенчатых возмущениях по нагрузке xI в {x j,x +} и малых изменениях коэффициента усиления объеета х2 выходная координата у не будет выходить за границы интервала [у,у*], где у* - у - диапазон допус­ каемых технологическим регламентом изменений у (необходимо отметить, что и в данном примере у зависит не только от xJt ху но и 170

от неконтролируемых изменений динамических характеристик ТОУ, действия неучтенных помех и других факторов).

Подавляющее большинство технических средств автоматизации имеет значительную стоимость и приспособлено к восстановлению или замене и последующему обнаружению и ремонту отказавших узлов и деталей. Отказом (выходом из строя) элемента называют событие, заключающееся в нарушении хотя бы одного или (по договоренности) нескольких неравенств (7.1) При этом элемент становится неработоспособным (отказавшим) и не может выполнять свои функции по поддержанию у. в установленных интервалах

у / — у; >

Отказы элементов зависят от действия большого числа неиз­ вестных факторов и скрытых причин, во многом зависящих от про­ ектных и конструкторских решений, технологии изготовления, усло­ вий эксплуатации. Отказы элементов происходят чаще всего в слу­ чайные моменты времени и трактуются как случайные события, заключающиеся в нарушении неравенств (7.1). Отрезок времени от момента включения в работу исправного элемента до момента его отказа есть случайная величина, называемая временем безотказной работы и обозначаемая в дальнейшем Т (конкретные значения обозначаются через /, 0 <= / <=оо)

Отказавший элемент может быть восстановлен (отремонтирован или заменен исправным) и снова включен в работу. Длительность восстановления элемента также является случайной величиной, так как зависит от действия большого числа факторов (конструкции элемента, наличия запасных деталей, квалификации и “настроения” ремонтного персонала и т.п.). Эта случайная величина обозначается Р, а ее конкретные значения - f, 0< = f <=оо.

Некоторые отказавшие элементы нельзя или экономически невы­ годно ремонтировать. Такие элементы называют невосстанавливаемыми; к их числу относятся сравнительно дешевые детали и узлы технических средств автоматизации: конденсаторы, омические сопротивления, мембраны пневматических элементов и т.п.

Различают отказы зависимые и независимые. Причиной появ­ ления зависимого отказа служит выход из строя некоторого другого устройства. Возникновение независимых отказов не связано с

надежностью или ненадежностью других элементов и определяется только конструкцией или условиями эксплуатации исследуемого

элемента.

Отказы называют полными, если нарушены все п неравенств (7.1), или частичными, когда не выполняются только некоторые условия (7.1). Граница между полным и частичным отказом имеет договорной характер, поэтому в дальнейшем понятие частичного отказа не используется и полагается, что элемент может быть только в одном из двух состояний: отказа или работоспособности (при этом случайные события отказа и работоспособности элемента образуют полную группу событий).

По характеру проявления во времени отказы классифицируют на внезапные и постепенные. Первые определяются резкими изме­ нениями координат у элементов, вызванных поломками, раз­ рушениями, существенными вариациями режимов работы. Примера­ ми таких отказов служат короткие замыкания или обрывы электри­ ческих проводок, разрывы пневмолиний, засорение дросселей пневмоэлементов, ‘“пробивание” конденсаторов и т.п. При по­ степенных отказах наблюдается некоторое закономерное изменение отдельных координат элемента, проявляющееся в плавном приближе­ нии у к одной из граней у: илиу.+. Причинами постепенных отказов элемента могут быть старение или износ отдельных деталей или узлов, например, монотонное изменение емкости конденсаторов, изоляционных характеристик электрических проводок, упругих свойств мембран пневмоэлементов и т.п.

Функциональные характеристики надежности

Поведение случайной величины Т наиболее полно описывается интегральным законом распределения вероятностей отказа, опре­ деляемым как вероятность Q события, заключающегося в том, что при определенных условиях эксплуатации отказ элемента произойдет ранее момента времени t:

Функция Q(t) характеризует “ненадежность” элемента и называется функцией распределения вероятностей отказа. Согласно договоренности о включении в работу только исправных элементов,

всегда справедливо Q(0) =0. При / =оо все элементы откажут (в природе нет ничего вечного) и, следовательно, Q(°о) = Вер{Т<оо} = 1. В общем случае интегральный закон распределения вероятностей отказа является непрерывной и неубывающей функцией “положительного” времени t, 0<=t<=оо.

Психологически удобнее использовать другой интегральный закон распределения вероятностей времени безотказной работы:

определяющий вероятность отказа элемента не ранее некоторого момента времени /,0<=/<=оо.

Функция P(t) описывает надежность элемента и часто называется законом или функцией надежности. Из физического смысла надеж­ ности следует, что Р(оо)=Вер{Т><п}=09 т.е. вероятность бесконечно исправной длительной работы элемента равна нулю. Согласно договоренности о включении в работу при t=0 только исправных элементов имеем Р(0)=Вер{Т>0}=1. При увеличении / от 0 до w функция P(t) в общем случае не возрастает.

Ранее предполагалось, что элемент может находиться только в одном из двух возможных состояний: работоспособности или нерабо­ тоспособности (отказа). В силу несовместимости этих событий, образующих полную группу, получаем:

P(t)+Q(t)=I. (7.4)

Надежность элемента при малых t не всегда удобно описывать функцией P(t) из-за малых различий значений вероятностей безот­ казной работы, близких к единице. Поэтому для описания поведения случайной величины Т часто применяют дифференциальный закон

называемый чаще всего плотностью распределения вероятностей. Функция плотности^/) всегда положительна, так как Q(t) - неубы­ вающая, a P(t) - невозрастающая функции t. По сравнению с P(t) и Q(t) эта функция не несет новой информации о случайной величине Т, в частности, по известной плотности легко найти P(t) и Q(t), взяв для этого интегралы от левой и правой частей (7.5):

Q(t)=J‘f(t)dt P(t)=fcf(t)dt. (7.6)

Для описания надёжности технических элементов и систем широкое применение получила такая функциональная характеристика как интенсивность отказов

чаще всего называемая лямбда-характеристикой.

Функция X(t) характеризует условную вероятность отказа элемента в случае, если до этого момента отказы не возникали.

Функциональные вероятностные характеристики Q(t), P(t), f(t), \(t) однозначно связаны друг с другом, поэтому, если известна одна из них, можно определить все остальные.

Числовые характеристики надежности

Основной числовой характеристикой величины Т является

Истинное среднее чаще всего обозначают tuи называют средней наработкой на отказ или просто наработкой на отказ (не путать с наработкой до отказа).

В отдельных (немногочисленных) случаях для описания

Одной из распространенных числовых характеристик техничес­ ких элементов автоматически является гамма-процентный ресурс, обозначаемый как /у. Под ресурсом элемента понимают время его безотказной работы до какого-либо заданного уровня надежности. Так, если желаемый уровень надежности задать вероятностью P(t)=у, О < у < 7, то гамма-процентный ресурс есть отрезок времени от нуля до значения /у, являющегося корнем уравнения 100*Р(Т) *=у%t где у% измеряется в % и равно у*100% .

При исследовании надежности технических средств автома­ тизации желаемый уровень надежности у% чаще всего Полагают равным 90%, 95% и, реже, 80% и 99%.

Другой числовой характеристикой надежности технических средств автоматизации служит вероятность безотказной работы P(tJ за заданное время th,h=lt2)... Значение P(tJ легко вычисляется по известному закону или определяется графическим путем.

В зависимости от общего уровня надежности и срока службы элемента значения P(tJ могут выбираться из достаточно широкого интервала. Так, для пневматических средств автоматизации часто принимают tJ= 2000 ч, t2=4000 ч, t3= 8000ч, для технических средств

Техническая система состоит из нескольких взаимодействую­ щих между собой элементов (устройств, приборов, машин и т.д.). Такая система может характеризоваться некоторыми координатами у г у 2,...,У; >—,уп и считаться работоспособной (исправной), если в

где у;,у.* - нижняя и верхняя грани области “ нормальной “ работы системы (эти значения обычно задаются в технических паспортах или эксплуатационных регламентах).

Под отказом системы понимают случайное событие, заключаю­ щееся в потере работоспособности, т.е. в нарушении одного или нескольких неравенств типа (7.10).

Технические системы, для которых можно ввести подобные определения работоспособности и отказа, называют простыми си­ стемами. Существует весьма обширный класс сложных систем, для которых не удается сформулировать четкое определение отказа и работоспособности, поэтому понятие надежности для них заменяют эффективностью.

Простая система может находиться в одном из двух состояний: работоспособности или отказа. При этом отказ простой системы всегда обусловлен выходом из строя одного или нескольких элементов, но отказ конкретного элемента далеко не всегда означает потерю работоспособности системы. Элемент называют основным, если его выход из строя вызывает отказ всей системы. Помимо основных в простую систему (далее всюду просто систему) могут входить резервные или избыточные элементы, отказ которых не ведет к выходу из строя системы. Про техническую систему, содержащую резервные элементы, говорят, что она обладает избыточностью, т.е. содержит, на первый взгляд, “лишние” элементы, без которых она может в принципе выполнять свои функции.

Система, содержащая только основные элементы, - безызбыточная система. Например, система их двух параллельно включен­ ных предохранителей обладает некоторой избыточностью, ибо пере­ горание одного из предохранителей не ведет к отказу всей системы, под которым понимается исчезновение электрическою тока в цепи. Если эти предохранители соединить последовательно, то система становится безызбыточной (не резервированной), а сами пред­ охранители - основными элементами, ибо перегорание любого из них приводит к исчезновению тока в электрической цепи.

Для описания надежности технических систем также используют графические представления взаимосвязей элементов. Такие схемы называют структурными надежностными схемами. При составлении надежностной схемы элементы соединяются между собой в зави­ симости от их влияния на работоспособность системы в целом.

Так, если система безызбыточна и состоит только из т основных элементов, то ее структурная надежностная схема представляет собой последовательное соединение т основных элементов. Отказ типа “обрыв” любого элемента этой системы приводит к выходу ее из строя.

Для системы с избыточностью резервные элементы включают параллельно друг другу. В такой надежностной схеме элементы не делятся на основные и резервные, не указывается и направление передачи сигналов.

Система состоит из т одинаковых или разнородных элементов, причем ни отдельные элементы, ни сама система в целом не восста­ навливаются (по крайней мере, на интересующем периоде времени). Каждый из элементов характеризуется известными показателями надежности P.(t), X.(t), tni или Надежность безызбыточной системы описывается аналогичными функциональными и числовыми характеристиками Pc(t), f c(t), Xc(t)t tfic или Xc, которые зависят от показателей надежности всех элементов.

Основная задача анализа надежности заданной системы без избыточности заключается в определении одной из характеристик Pc(t) или tHcпо показателям надежности основных элементов. Эта задача сводится к нахождению вероятности произведения независимых случайных событий - отказов элементов.

Вероятность появления события С равна произведению вероят­ ностей P.(t) независимых случайных событий С.:

Не сложно определить и остальные функциональные характе­ ристики системы по формулам (7.4), (7.5) и (7.7), а также числовые показатели надежности по формулам (7.9), (7.10). Надёжностные параметры системы - гамма-процентный ресурс и вероятность без­ отказной работы в заданный момент времени, вычисляют так же как и при исследовании надежности одного элемента.

Исходя из вышесказанного делаем вывод:

1.Надежность системы снижается с ростом числа ее элементов

ти уменьшением надежности отдельных элементов (увеличением интенсивностей отказов). Особенно наглядно это проявляется для равнонадежных элементов, когда наработка на отказ tm оказывается обратно пропорциональной числу элементов т и пропорциональна наработке на отказ элемента tM

2.Для повышения надежности безызбыточной системы следует стремиться: уменьшать число ее элементов, применять равнонадежные элементы с интенсивностью отказов X, использовать более надежные элементы.

3.При синтезе систем с заданными показателями надежности возможны различные комбинации числа элементов т и интенсивностей их отказов. Если решение такой задачи не очевидно и не единственно, то следует вводить в рассмотрение дополнительные критерии качества системы, например, ее стоимость.

4.Системы, состоящие только из основных элементов, широко применяют при автоматизации ТОУ и, в частности при построении локальных АСР и информационно-управляющих каналов АСУТП. Например, автоматическая система регулирования, состоящая из дат­ чика, нормирующего преобразователя, линии связи, задатчика, регулятора, линии связи, исполнительного механизма и регули­ рующего органа, содержит с позиции надежности только основные элементы и ее надежность определяется произведением вероятностей безотказной работы всех перечисленных выше устройств.

Повышение надежности контроллеров управления слож­ ными технологическими процессами крупных объектов автома­ тизации

Для крупных объектов автоматизации традиционные меры повы­ шения надежности за счет применения технических средств с боль­ шим временем наработки на отказ (более 100 тыс. часов) являются недостаточными. Требуются архитектурные решения, повышающие надежность контроллеров и системы в целом. Поиск этих решений основан на предположении, что единичный отказ в системе всегда возможен.

При разработке архитектурных решений, повышающих надеж­ ность контроллера, надо исходить из следующего:

-никакой единичный отказ не должен приводить к потере функциональности контроллера;

-никакой единичный отказ не должен приводить к потере объе­ ма техпроцессов, при которой невозможно функционирование объекта в целом.

Архитектура контроллера, адекватного объекту автома­ тизации

Контроллеры с традиционной архитектурой на базе парал­ лельной шины (например, VME, ISA, PCI и др.) с централизованной обработкой и даже очень мощным процессором не удовлетворяют предъявляемым требованиям в полной мере. Структура системы, адекватная функционально-технологической структуре объекта, на традиционных контроллерах возможна, но при этом стоимость системы существенно возрастает. С точки зрения эксплуатации такая система будет иметь ряд недостатков. Отсутствие архитектурных решений, повышающих надежность системы, будет допускать возможность отказов, приводящих к остановкам основного технологического оборудования на длительные периоды времени.

Контроллер с последовательной шиной. Распределение интел­ лекта по небольшим автономным контроллерам продиктовано раз­ биением технологии на функциональные узлы (ФУ). Если представить архитектуру контроллера, состоящего из автономных интел­ лектуальных модулей, в которых объем каналов ввода/вьщ0да и производительность встроенного в модуль процессора достаточны для управления средним функциональным узлом, то такая архитек­

Важной предпосылкой для использования стандартной сети из семейства современных полевых сетей (fieldbus) в качестве межмо­ дульной среды передачи является существенное снижение интенсив­ ности межмодульного взаимодействия. Проведенные исследования и оценки показывают, что интенсивность обмена информацией между интеллектуальными модулями может снизиться в сотни раз. Это до­ стигается за счет реализации операций ввода/вывода с УСО, обра­ ботки информации и управляющих программ внутри интел­ лектуального модуля. Межмодульное взаимодействие в этом случае требуется только для получения заданий/рапортов извне и получения информации о значениях параметров, необходимых для функцио­ нирования собственных алгоритмов управления. С другой стороны, объемы отдельных ФУ могут превосходить возможности отдельного модуля, поэтому сеть внутри контроллера должна быть достаточной для обеспечения более тесных и интенсивных связей, необходимых для решения задач внутри ФУ.

На цеховом уровне, где представлено несколько контроллеров, стоит задача их объединения в единую систему. Это означает, что сеть интеллектуальных модулей должна быть в общем случае двух­ уровневой и включать сеть первого ранга, образующую контроллеры ФУ из интеллектуальных модулей, и сеть второго ранга, объединя­ ющую контроллеры (кластеры) в единую систему. На рис.7.3 представлен контроллер функционального узла (КФУ) с двумя ком­ муникационными модулями, обеспечивающими подключение к дублированной сети Profibus цехового уровня.

Выбор стандартных локальных сетей для объединения интел­ лектуальных модулей внутри КФУ и полное исключение тради­ ционных параллельных шин как средства межмодульной ком­ муникации позволяют без дополнительных затрат решить проблему, неразрешимую для контроллеров с традиционной архитектурой: обеспечение надежной среды передачи данных. В современных локальных сетях обеспечивается достоверность передаваемых по сети данных, которые защищаются циклическими контрольными сум­ мами. Подобная защита данных от искажений отсутствует в боль­ шинстве параллельных шин.