Контроль технического состояния систем в процессе их эксплуатации

АСУТП может нормально функционировать тогда и только тогда, когда создается возможность получать непрерывно информацию о ее техническом состоянии. Осуществить получение такой информации с помощью некоторого одного универсального метода невозможно из-за большого разнообразия элементов АСУТП и их функционального назначения. Процесс создания АСУТП всегда сопровождается процессом поиска наиболее подходящих методов контроля технического состояния системы и ее частей.

Существуют следующие основные виды контроля.

По целевому назначениюразличают:

- контроль работоспособности, который осуществляется с целью определения, в каком состоянии находится объект – работоспособном или неработоспособном;

- диагностический контроль, который определяет не только состояние объекта, но и причину его неисправности, если он находится в неисправном состоянии;

- прогнозирующий контроль предназначен не только для того, чтобы определить состояние объекта, но также и для того, чтобы определить, какие отказы возможны в объекте в ближайший момент времени, с тем, чтобы своевременно принять меры по их устранению.

По степени автоматизации различают:

- автоматический контроль, который осуществляется специальными устройствами и программой без вмешательства человека-оператора;

- автоматизированный контроль – с частичным вмешательством человека;

- ручной контроль – без средств автоматизации.

По временным характеристикам различают:

- периодический контроль;

- непрерывный контроль.

По полноте контроля может быть:

- полный контроль;

- частичный контроль.

По последовательности контрольных операций:

- последовательный контроль, при котором устройства объекта контролируются последовательно одно за другим;

- параллельный контроль, при котором устройства объекта контролируются одновременно.

По используемым методам контроль бывает:

- прямой контроль, который основан на непосредственном (прямом) измерении параметров, определяющих техническое состояние объекта. Он может быть программным и аппаратурным;

- косвенный контроль, который основан на наблюдениях косвенных (побочных, сопутствующих) признаков, которые могут быть использованы для определения или прогнозирования технического состояния (повышенный нагрев, повышенный шум и т. д.).

Программный контроль основан на использовании специальных программ. Он, в свою очередь, подразделяется на контроль программно-логический и тестовый.

Программно-логический контроль предназначен для контроля за правильностью функционирования системы и ее отдельных частей. Правильность функционирования системы может быть проверена повторением операций переработки информации или повторной пересылкой информации, а также с помощью сравнения получаемых результатов с эталонными.

Тестовый контроль (тестирование) предназначен для проверки состояния аппаратуры и программ с помощью специальных испытательных (тестовых) программ. На вход проверяемого объекта подается определенный набор входных данных, которому должен соответствовать определенный набор выходных данных. Анализ выходных данных позволяет определить состояние объекта и даже причину неисправного состояния.

Тестирование – основной метод измерения качества, определение корректности и реальной надежности функционирования программ на любых этапах разработки. Результаты тестирования и измерения показателей качества должны сравниваться с требованиями технического задания для определения степени соответствия предъявлявшимся требованиям, полученным разработчиком от заказчика. Такие достаточно полные эталоны, как совокупность требований технического задания и поэтапная их декомпозиция в спецификациях, необходимы для тестирования при промежуточных и завершающих испытаниях.

Важная особенность тестирования сложных ПС – необходимость достаточно полной их проверки при ограниченной длительности испытаний. Это определяет целесообразность тщательного планирования тестирования с учетом всех результатов, полученных на предыдущих этапах разработки. При планировании основная задача состоит в достижении максимальной достоверности испытаний, определения качества и надежности ПС при ограниченных затратах ресурсов на проведение тестирования.

Аппаратурный контроль – это контроль, осуществляемый с помощью специальной контрольной аппаратуры, введенной в структуру объекта. Контрольная аппаратура работает одновременно с основной. Большое разнообразие контролируемых объектов и широкие возможности в выборе методов контроля, каждый из которых обладает своими недостатками и преимуществами в конкретных условиях применения, привели к тому, что в инженерной практике используются многочисленные методы аппаратурного контроля. Наиболее распространенными являются: числовой по модулю; кодовый по модулю; аппаратурно-микропрограммный; мажоритарный; с использованием корректирующих кодов, шлейфовых каналов, контрольных сумм; основанный на проверке запрещенных выходных слов и запрещенных переходов.

Числовой контроль по модулю основан на том, что существуют вполне определенные соотношения между результатами операций над числами и результатами таких же операций над остатками от деления чисел на некоторый делитель. Делитель называется модулем, а остаток от деления на модуль – вычетом.

Рассмотрим применение числового контроля по модулю на элементарном примере.

Двоичное число А может быть представлено в виде

Вычет (остаток от деления числа А на модуль q):

где r_i – вычет от деления 2ⁱ на модуль q.

При заданном значении модуля q значения r_i становятся вполне определенными. Для q = 3, например, они равны r₀=1; r₁= 2; r₂= 1; r₃= 2и т. д. Поэтому вычет из числа А при известном модуле q легко определить по следующей схеме, на которой C_i – простейшие сумматоры на два выхода (рис. 6.2).

Рис. 6.2 Схема определения вычета

Операция определения r_a путем последовательного суммирования называется сверткой. Эта операция облегчается тем, что a_i могут принимать значения либо 0, либо 1, а r_i – периодически повторяющиеся числа. Поэтому определение a_ir_i не требует специальных устройств, а осуществляется при вводе числа А.

С помощью вычетов можно осуществлять проверку правильности операции сложения и умножения, так как вычет суммы равен сумме вычетов, а вычет произведения двух чисел равен произведению вычетов этих чисел. Если в аппаратуре, например, непрерывно производится суммирование двух чисел, то дополнительной контрольной аппаратурой производится проверка совпадения.

В случае расхождения фиксируется отказ в выполнении операции суммирования.

Кодовый контроль по модулю отличается от числового контроля по модулю тем, что при этом контроле осуществляются операции с вычетами от суммы цифр двоичного слова без учета их «веса», т. е. без учета того, к какому разряду принадлежат эти цифры.

Пусть, например, по каналу передается «слово»

Перед тем как послать это «слово» в канал, определяется сумма и в случае необходимости дополняется дополнительным разрядом так, чтобы вычет, т. е. остаток от деления на модуль q, был равен вполне определенному числу. Вычет числа, получаемый на выходе канала, контролируется. В случае расхождения с ожидаемым результатом фиксируется отказ в выполнении поставленной задачи пересылки информации.

Обычно используют модуль, равный 2, и вычет, равный либо 1 (при проверке на нечетность), либо 0 (при проверке на четность). При туком контроле обнаруживается невыполнение функции передачи информации, если имели место ошибки, т. е. запись 1 вместо 0 и наоборот в одном, трех, пяти, семи, т. е. в нечетном числе разрядов. Для обнаружения ошибки в большем числе случаев необходимо увеличение значение модуля, но это потребует усложнения контрольной аппаратуры.

Контроль с использованием корректирующих кодов основан на том, что числа, используемые либо при вычислениях, либо при передаче по каналам связи, кодируются так, что в них вводятся дополнительные контрольные разряды, позволяющие не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их. Наиболее распространены корректирующие коды Хемминга. Вероятность исправления ошибок при передаче информации зависит от кратности ошибок и от надежности контрольной аппаратуры. Одиночные ошибки при безотказной работе контрольной аппаратуры исправляются с вероятностью, практически равной 1.

Аппаратурно-микропрограммный контроль – контроль правильности выполнения программы. Программа при этом разбивается на независимые части (микропрограммы) и каждая часть контролируется с помощью специальной контрольной аппаратуры, которая реализует контрольные микропрограммы либо во время основной работы системы, либо в период ее простоев. С помощью такого контроля выявляются ошибки выполнения арифметических операций, ошибки, возникающие при хранении, выдаче и записи информации, ошибки в работе переключающих устройств и т. п. Контроль может обеспечивать не только выявление ошибок с индикацией результата, но также исправление ошибок, переключение на другой режим работы, подключение резервного оборудования, восстановление информации и т. п.

Мажоритарный контроль – контроль, основанный на сравнении результатов работы двух (и более) устройств. Такой контроль осуществляется при мажоритарном резервировании, которое обеспечивает повышение надежности, повышение достоверности и в то же время позволяет осуществить мажоритарный контроль. Это видно из рис. 6.3, где представлено мажоритарное резервирование «два из трех». Если сигналы с логических элементов 1-2, 2-3, 1-3 подать на блок анализа, то по характеру этих сигналов (0 или не 0), а также по комбинации этих сигналов можно сделать заключение об исправности основных элементов 1-3 и устройств сравнения 1-2, 2-3, 1-3, т. е. Осуществить мажоритарный контроль состояния устройства. Например, при неисправном элементе 1 и исправных элементах 2 и 3 на выходе элемента 1-2 и элемента 1-3 будет зафиксировано отсутствие сигнала.

о о о

Рис. 6.3 Схема мажоритарного контроля

Контроль с использованием шлейфовых каналов применяется для проверки исправности каналов передачи данных. Приемная и передающая части объединяются с помощью шлейфового канала, образуя замкнутый контур, в котором передаваемая информация сравнивается с принимаемой. При несовпадении формируется сигнал о неисправности канала.

Контроль с использованием контрольных сумм заключается в том, что одновременно с передачей некоторого массива информации передается «контрольная сумма» (сумма числа знаков в кодограмме и т. п.). На приемном пункте проверяется принятое значение «контрольной суммы» и сопоставляется с требуемым значением. Несовпадение – признак ошибки в переданном массиве информации.

Контроль запрещенных «слов», состояний и переходов состоит в том, что предварительно устанавливается, какие «слова», состояния и переходы следует считать запрещенными. Например, запрещенным может быть значение синуса больше 1. Появление таких запрещенных «слов», состояний или переходов – признак нарушения функционирования системы.

Выбор вида контроля, а также его метода зависит от особенностей контролируемого объекта и требований, предъявляемых к его характеристикам. Можно высказать следующие ориентировочные справочные характеристики программного и аппаратурного контроля.

Достоинство программного контроля состоит в том, что он не требует значительных затрат и не усложняет состава системы, обладает широкими возможностями – может выполнять функции контроля состояния, диагностирования и прогнозирования, а также контроля за выполнением заданных функций. Недостаток программного контроля в том, что на время контроля прекращается либо полностью, либо частично выполнение основных функций контролируемой системы. Расширение объема программного контроля приводит к усложнению программного обеспечения, увеличению объема аппаратуры памяти, усложнению переключающих устройств и рабочих режимов системы.

Достоинство аппаратурного контроля в том, что он осуществляется одновременно с выполнением основных функций, поэтому не приводит к снижению производительности объекта. Он может обеспечивать функции контроля работоспособности, диагностирования и прогнозирования состояния объекта с высокой степенью достоверности непрерывно. По результатам аппаратурного контроля сравнительно легко осуществить устранение последствий отказов (переключение на резервные устройства, исправление информации и т. д.). Недостаток аппаратурного контроля в том, что он требует значительных затрат на изготовление встроенной контрольной аппаратуры, приводит к увеличению габаритных размеров, массы систем, а также к усложнению принципиальной схемы.

Влияние контроля на надежность контролируемого объекта весьма сложно. Его можно обнаружить лишь после того как проведен анализ либо результатов расчета надежности, либо результатов моделирования, либо испытаний и эксплуатации.

О влиянии контроля на надежность АСУ ТП в общих чертах можно сказать следующее:

1. Контроль, рассматриваемый в узком смысле этого термина, т. е. только как средство обнаружения состояния объекта, не может влиять на повышение надежности объекта. Влияние контроля на повышение надежности обнаруживается тогда, когда он сопровождается восстановлением работоспособности, исправлением обнаруженных ошибок, устранением неблагоприятных явлений, обнаруженных в процессе контроля.

2. Контроль и диагностика в сочетании с восстановлением оказывают существенное влияние на показатели надежности объекта по следующим основным направлениям:

а) контроль обеспечивает нормальное функционирование объекта в заданной конфигурации и в заданных режимах; позволяет определить степень готовности объекта к включению, время переключения на резерв, необходимость формирования резервных направлений передачи данных. Новой конфигурации системы и т. п. Без средств контроля и диагностики невозможно нормальное функционирование большой системы;

б) контроль и восстановление повышают показатели безотказности объекта. Одним из показателей качества контроля служит время, затрачиваемое на восстановление работоспособности объекта, а оно существенно влияет на коэффициент готовности объекта;

в) контроль повышает достоверность информации при ее хранении, переработке и пересылке. Кодовый контроль по модулю 2 позволяет обнаружить все одиночные ошибки, т. е. ошибки в одном разряде кодовой комбинации. Кодовый контроль по модулю 3 дает возможность обнаружить ошибки, число которых не кратно 3; кодовый контроль по модулю 5 – ошибки, число которых не кратно 5.

Таким образом, увеличение модуля позволяет повысить достоверность кодового контроля, но приводит к усложнению контрольной аппаратуры;

г) усложнение основной аппаратуры за счет включения дополнительной контрольной аппаратуры может привести к снижению аппаратурной надежности, а ошибки в результатах контроля – к снижению достоверности.

Контроль с использованием корректирующих кодов позволяет свести время устранения ошибки к пренебрежимо малому значению, но требует еще большего усложнения аппаратуры.

Более детальный анализ количественного влияния контроля и восстановления на показатели надежности требует учета двойственного характера влияния контроля на надежность контролируемого изделия. Это означает, что при проектировании системы контроля необходимо проводить либо расчет, либо моделирование надежности изделия с учетом влияния контроля и на основании такого расчета выбирать оптимальную стратегию контроля.

В самом общем виде рекомендация по проектированию контроля в АСУ может быть сформулирована следующим образом:

в основу системы контроля должен быть положен системный принцип (подход), т. е. организация контроля должна учитывать многосторонний характер влияния контроля на характеристики АСУ и представлять по своей структуре сложную систему, в которой должны сочетаться различные методы и средства контроля. Система контроля должна иметь многоуровневый характер: на первом, самом низком, уровне – контроль состояния отдельных технических средств; на втором – контроль выполнения функциональных задач, решаемых различными подсистемами; на третьем – объединение всех видов контроля в единую систему, позволяющую получить информацию о состоянии системы и ее функционировании, а также управлять системой путем реорганизации ее структуры, подключения резервных средств, вывода отдельных технических средств на профилактику, применения приоритетного принципа обработки информации и т. д.

Список литературы

1. Ястребенецкий, М.А. Надежность автоматизированных систем управления технологическими процессами [Текст]: учеб. пособие для вузов/ М.А.Ястребенецкий, Г.М. Иванова. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 264 с.: ил.; 21 см. – Библиогр.: с. 259-260. – 8700 экз. – ISBN 5-283-01549-1.

2. ГОСТ 27.301-95. Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения. М.: Издательство стандартов, 1997. – 15 с.

3. ГОСТ 24.701-86. Единая система стандартов автоматизированных систем управления. Надежность автоматизированных систем управления. Основные положения. М.: Издательство стандартов, 1987. – 17 с.

4. РД 03-418-01. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов. Госгортехнадзор России, 2001.// Безопасность труда в промышленности. – 2001. – № 10. С. 40-50.

5. Черкесов, Г.Н. Надежность аппаратно-программных комплексов [Текст]: учеб. пособие/ Г.Н. Черкесов. – СПб.: Питер, 2005. – 479 с.: ил.; 24 см. – Библиогр.: с. 473. – 4000 экз. – ISBN 5-469-00102-4.

6. Вентцель, Е.С.Теория случайных процессов и ее инженерные приложения [Текст]: учеб. пособие для втузов/ Л.А. Овчаров, Е.С. Вентцель. – 2-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2000. – 383 с.: ил.; 21 см. – Библиогр.: с. 378-379. – 8000 экз. – ISBN 5-06-003831-9.

7. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей [Текст]: учеб. пособие для вузов/ Е.С. Вентцель. – 5-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 1998. – 576 с.: ил.; 21 см. – Библиогр.: с. 573-575. – 12000 экз. – ISBN 5-06-003522-0.