Можаев А.С. (сост.) Моделирование и расчет надежности и безопасности АСУ ТП на стадии проектирования
Подождите немного. Документ загружается.
9
6. ПОРЯ ДОК ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ АСМ
6.1. Основные этапы технологии АСМ
6.1.1. На первом этапе постановки задачи осуществляется:
- составлени е пер ечней главных функций
F
проектируемой АСУТП и возможных
аварийных ситуаций AC , вероятностных и других системных показателей надежности и
безопа сности, которые должны быт ь определены в процессе моделирования и расчетов;
- постр оение форм ализованных структурных моделей (схем, сценариев) надежности и
безопа сности проектируемой АСУТП и определение критериев р еализации главных функций
(
F
) и возникновения аварийных ситуаций ( AC ).
- определение вероятностных и други х пар аметров надежности элементов АСУ Т П и
событий (нежелательных, инициирующих и др.), определяющих условия возникновения
аварийных ситуаций.
По составу, содержанию и форме представлени я исх одные данные, определяемые на
первом этапе , должн ы позволять использовать соответствующие пр ограммны е комплексы
на следующих этапах автоматизированного структур но-логического моделирования и
расчета надежности и безопаснос ти АСУ Т П.
6.1.2. На втором эта пе автоматизированного моделир ования и расчетов выполня ет ся :
- ввод исх одных данных (схем функциональной целостности, критер иев
функционирования, параметров элемен т ов и др.) в ПК АСМ;
- автом атическое построение математических моделей (логических , аналитических ,
статистических , марковских или др.) и расчеты на их основе показателей надежности и
безопа сности проектируемой АСУТП.
6.1.3. На третьем этапе прим енения результатов осуществляется выработка и обоснование
проектных (управленческих ) решений путем:
- использования вычисленных вероятностных показателей надежности и безопасности
проектируемой АСУТ П;
- детерминированного анализа отказоустойчивости и безопасности АСУТ П на основе
логических модел ей реализации функций и возник новения аварийных ситуац ий;
- решения задач парам етрической и структурной оптимизации пр оектируемых АСУТ П.
Содержание и организация выполнения указанных этапов технологии
автом атизир ованного структурно-логического моделир ования и расчета показ ателей
надежности и безопасности АСУТ П описаны в п.п.6.2 – 6.4 настоящих МР.
10
6.2. Содержание и организация выполнен ия первого этапа постановки
задачи автоматизированн ого моделирования и расчетов
6.2.1. Для эффективного пр именения технологии автоматизированного структурно-
логического моделирования на Предприятиях необх одимо обеспечить методическую
подготовку и организацию эффективной сов местной работы специалистов по
проектированию АСУТ П, в интересах которых производится оценка надежности и
безопа сности (Заказчика), и специалистов по прим енению технологии и пр ограммны х
комплексов автоматизированного структурно-логического м оделирования (Исполнителя).
6.2.2. Начальный этап и основную, содержательную часть постановки задачи выпол ня ет
Заказчик, или привлеченная им для участия в работе специализированная организация
(специали сты). На этом этапе выполня ет ся подготовка исх одных данных, перечисленных в
п. 6.1.1. Пр и этом первичное представление структурных модел ей АСУТ П по функциям
F
и
заданным аварий ным ситуациям AC может осуществляться в любой из следующих
общепринятых форм:
- структурно-ф ункциональных схем с дополнительным и описаниям и логических условий
работы элемен т ов, реализации функций и возникновения авар ийных ситуаций в АСУТП;
- дере вьев отказов;
- дере вьев событий;
- схем последовательно-параллельного соединения элементов;
- графов связности;
- схем функциональной целостно сти, которые непосредственно используются в
технологии и ПК АСМ.
6.2.3. Значения исх одных вероятностных )(tpp
ii
= ,
ii
pq −=1, и дру гих параметров
элемен т ов
H
i
,...,2,1= определяются в соответствии с ГО СТ 27.301-95. При этом
источниками этих исходны х данных могу т быть:
- стандарты и технические условия на составные части и комплектующие элементы
АСУТ П;
- справочники и базы данных по надежности элементов и частотам нежелательных,
инициирующих и др. исх одных событий аварий АСУТ П;
- данные о надежности объектов-аналогов элементов, входя щи х в состав АСУТ П;
- другие источники, включая результаты обработки статистических данных
эксплуатации, автон ом ное моделир ование и расчет надежности элементов и подсистем, а
также экспе ртные оценки специалистов.
11
6.2.4. Завершающий этап постановки задачи выполня ет Испол ни тель. Он осуществляет
формализацию исх одных данных и подготовку их к вводу в ПК АСМ. В том случае, если
структурные сх емы АСУТ П представлены Заказчиком не непосредственно в форме СФЦ ,
то Исполнитель преобраз ует их в гр афы ),(
Y
XG схем функциональной целостности и
согласует с Заказчиком. Для каждой выходной функции из множества
F
и авар ийной
ситуации из множества AC формулируются соответствующие логические критерии
функционирования })y({Y
iF
и })y({Y
iAC
.
Изобразительные средства и методика построения СФЦ изложены в Приложени и 1.
Пример ы фо рмализованной постановки задачи автоматизированного структурно-
логического моделирования фрагментов АСУТ П при ведены в Приложении 4.
6.2.5. Работы по первому этапу постановки задачи автом атизированн ого модел ирования и
расчетов могу т выполня ть ся Заказчиком, Исполнителем или сов местно.
6.3. Содержание и организация выполнен ия второго этапа
автоматизированного моделирования и расчетов
6.3.1. Подготовленные на первом этап е форм ализованные исходные да нные (СФЦ, ЛКФ и
параметры элементов) для каждой выходной функции
F
и задан ной аварийной ситуац ии
AC Исполни тель вводит в ПК АСМ. В Приложении 2 описан состав модулей типового
программного комплекса а втом атизированн ого структур но-логического м оделир ования
надежности и безопасности АСУТ П.
6.3.2. На основе введенного в ПК АСМ гр афа ),(
Y
XG СФЦ проектируемой АСУТ П для
каждого заданного ЛКФ })({
iF
yY , })({
iAC
yY осуществляется автом ати ческое построение
логических фу нкций работоспособности })({
iF
xY и })({
iAC
xY . Автоматическое построение
ФРС осуществляется в ПК АСМ универсальным пр огр аммным модулем логического
моделирования. Он позволяет получать все возможные виды логических ФРС, наприм ер,
кратчайшие пути успешного функционирования, минимальные сечени я отказов,
минимальные пропускные и отсечные сочетания, а также их немонотонные комбинации.
6.3.3. Полученные логические ФРС })({
iF
xY и })({
iAC
xY с пом ощью пр огр аммных
комплексах аналитического моделирования автом атически преобраз уются в
соответствующие многочлены расчетных вероятностных функции }),,({ tqpP
iiF
и
}),,({ tqpP
iiAC
. Многочлены ВФ являются аналитическими законами распределения
времени безотказной работы, которые соответствуют СФЦ и заданны м логическим
критериям ф ункционирования АСУТ П.
12
6.3.4. С помощью полученных логических и вероятностных математическ их моделей в
ПК АСМ выполня ются расчеты требуемых показателей надежности и безопасности
проектируемых АСУТ П. В Приложении 3 описаны ряд методов расчета типовых
показателей надежности АСУТ П, которые реализованы в базовых образцах ПК АСМ. В
Приложении 4 приведены два примера расчета вероятностных показателей и
детерминированного анализа надежности и безопасности фрагментов АСУТ П.
6.3.5. Состав методов и методики расчета, вероятностных и других показ ателей
надежности и безопасности , могу т изменяться в процессе развития теори и и адаптации
технологии и программны х комплексов автом атизированн ого структур но-логического
моделирования АСУТ П к особенностям различных Предприятий.
6.4. Содержание и организация выполнен ия третьего этапа применения
результатов автоматизированн ого моделирования и расчетов
6.4.1. Для выр аботки и принятия проектных решений на основ е результатов
автом атизир ованного моделирования, на Предприятиях используются типовые или
специально разрабатываем ые методы, компьютерные программы и методики, позволяющие
реализовать цели и решать задачи расчета надежности и безопасности АСУТ П. В этих
методах должны учитываться особенности проектируемых на Предприятиях АСУТ П и
объектов управления.
6.4.2. Одним из типовых приемов использования ре зультатов автом ати зирован ного
моделирования и расчетов является нормативный анализ. Он осуществляется путем
сравнения показателей достигнутого уровня надежности и безопасности пр оектируемой
АСУТ П с требованиями , указанным и в норм ативных докум ент ах, технических задания х или
пр ограммах обеспечения надежности. По результата м норм ативного анализа принимаются
соответствующие проектные и другие решения.
6.4.3. Использование результатов автоматизированн ого моделирования в процессе
проектирования должн о осуществляться на основе объективной оценки роли (зн ачимост и,
положительных и отрицательных вкладов) отдельных или групп элемен тов в обеспечение
надежности и безопас ности АСУТ П в целом. На этой основе выр абатываются оптимальные,
по тех нико-экономическ им пок азателям, проектные решения, направленные на увеличение
надежности, безопасности, эффективности и снижение риска функционирования
разрабатываемых АСУТ П. Пр имер использования результатов автомати зирован н ого
моделирования и расчетов для увеличения надежности и безопасности фрагмент а АСУТ П
приведен в Приложении 4.
13
6.4.4. Рекоменду ется планировать работы, направленные на совер шенствование и
адаптацию технологии и ПК АСМ к особенностям различных Предприятий, разработку
методов, компь ютерных программ и методик прим енения результатов моделирования и
оценк и надежности и безопасности для выработки и обоснования проектных
(управленческих ) решений.
7. ЛИТЕРАТУРА
1. Рябинин И.А., Черкесов Г.Н. Логико-вероятностные мето ды исследования
надежности структурно-сложных си стем . М.: Радио и связь, 1981.
2. Рябинин И.А. Надежность и бе зопасн ос ть сложных систем . СПб.: Полите хн ика, 2000.
3. .Дж.Хенли, Х.Ку мамото. Надежность технических систем и оценка риска. М.:
М ашиностр оение, 1984.
4. М ожаев А.С. Теор ия и практика автом атизир ованного структур но-логического
моделирования систем. // Доклады международной конференци и по информатике и
управлению. (ICI & C’) Том 3. СПб.: СПИИРАН, 1997, с.1109-1118.
5. М ожаев А.С. Программный комплекс автом атизи рован н ого структур но-логического
моделирования сложных систем (ПК АСМ 2001). // Труды Международной Нау чной
Школы 'Моделирование и анализ безопасности, риска и каче ств а в сложных системах'
(МА БРК – 2001). СПб.: Издательство ООО 'НПО 'Омега', 2001, с.56-61.
6. Нозик А.А. Технология автоматизированного структурно-логического моделир ования
в проектных расчетах надежности систем. // Тру ды второй международной научной
школы "М оделир ование и анализ безопасности и риска в сложных системах". МА БР
- 2002. СПб.: Издательство "Биз нес-Пресса , 2002, - с. 337-344.
7. Нозик А.А. Методы проектного расчета надеж ности автоматизированных систем
управления технологическими процессам и. // Труды II международной научно-
практической конференции. Часть I. "М икропроцессорн ые, аналоговые и цифр овые
систем ы: проектирование и си стем отехни ка, теория и вопросы применения".
Новочеркасск: НПИ, 20002, -с.33-45.
8. Проурзин В.А. Алгор итмы численн ого анализа надежности и риска для сложной
систем ы на основе деревьев отказ ов. // Труды Международной Научной Школы
'Моделиро вание и анализ безопасности, риска и качества в сложных системах' (МА
БРК – 2001). СПб.: Издательство ООО 'НПО 'Омега', 2001, с.263-268.
14
Приложение 1
АППАРАТ СХЕМ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ Ц ЕЛО СТНО СТИ
Рис.1. Изобразительные средства и типовые фрагме нты СФЦ
Разработка СФЦ для автомати зированн ого моделирования и расчета надежности и
безопа сности АСУТ П явл яется основой формализованной постановки задач в технологии
АСМ. Теоретической ба зой методики разработки СФЦ и задан ия ЛКФ выступает общий
логико-вероятностный метод системного анализа. Граф схемы функциональной целостности
),(
Y
XG представляет собой универсальное средство структурного представлени я состава
элемен т ов системы ( Xx
i
∈ ) и логических условий ( Yy
i
∈ ) реализации ими своих функций
в системе . С помощью логических критериев функционирования })({
iF
yY и })({
iAC
yY
задаются условия реализации выходных функций (
F
) и возникновения аварийных си туаций
( AC ) в пр оектируем ой АСУТП.
15
Общая методика построения СФЦ включает в себя следующие основные этапы.
1) Подготовительный этап:
- На основе предоставленных Заказчиком перечня элементов, форм представления и
описания структурных схем АСУТ П (см. п.6.2.2) определяется состав функциональных
вершин
H
i
,...,2,1− , которыми представляются в СФЦ элементы, входя щ ие в структурные
части (подсистем ы) проектируемой АСУТ П;
- На основе перечней и описаний функций
F
и аварийных ситуац ий AC
проектируемой АСУТ П выделя ются те ее структурные части (фрагменты и подсистемы), для
которых должны быть построены частные СФЦ фрагментов и подсистем проектируем ой
АСУТ П.
2) Разработка частных СФЦ фрагментов и подсистем АСУТП:
- Для каждого элемента
i
фр агмент а или подсистемы определя ются его выходная
функция
i
y , и логические условия ее реализации функциям и ,...,
kj
yy дру гих элемен тов
данной структурной части АСУТ П;
- Логические условия реализации выход ных функций представляются графическими
средствам и СФЦ (см. рис.1) на вход а х и выхода х функциональных и фиктивн ых вершин,
входя щи х в состав разрабатываем ых частных СФЦ фрагмен тов и подсистем проектируемой
АСУТ П.
3) Разработка общих СФЦ надежности и безопасности АСУТП и определение ЛКФ:
- Сложные и высокоразм ерные АСУТП могу т представляться нескольким и частными
СФЦ надежности и безоп ас ности отдельных и групп выходных функций F и аварийных
ситуаций АС проектируемой АСУТ П.
- При необходимости, раз работанн ые СФЦ структурных фрагментов могут
объединяться в общие СФЦ реали зации все х выход ных функций F и СФЦ возникновения
аварийных ситуаций АС в проектируемой АСУТ П.;
- Для каждой функции F и аварийной ситуации АС определя ются (задают ся) логически
критерии функционир ования })({
iF
yY и })({
iAC
yY . В технологии АСМ эти к ритер ии могут
определять, как условия реализации, та к и условия не реализации функций F и авар ийных
ситуаций АС, а также любые немонотонные комбинации этих условий.
4) Анали з результатов построения СФЦ :
- в случае согласования результатов структурного м оделир ования Заказчиком и
Исполнителем, процедура построения СФЦ завершается;
- в противном случае выполня ется итерационная корректировка предыдущих этап ов до
успешного построения СФЦ надежности и/или бе зопасн ос ти проектируемой АСУТП.
16
Приложение 2
СО СТАВ МОДУЛЕЙ ТИПОВОГО ПРОГРА ММНОГО КО МПЛЕКСА
А ВТОМА ТИЗИРОВАННОГО СТРУКТУРНО -ЛО ГИЧЕСКО ГО МОДЕЛИРОВА НИЯ
Рис.2. Структура и состав моду лей типового ПК АСМ
1. Прог р аммные комплексы АСМ, используемые для моделирования и расчета
надежности и безопасности АСУТ П, по составу определя емых показателей и точности их
вычислени й должны соответствовать требован иям государственных и отраслевых
нормативных и технических докуме нтов на создание АСУТ П.
2. Схема, приведенная на рис.2, представляет базовый образец программного комплекса,
реализующего технологию автом атизированного структурно-логического моделирования и
расчета показателей надежности и безопас ности АСУ Т П на стадии проектирования, который
должен обладать следующим и функциональными возможностями:
- выполня ть автома ти зи рован ное моделир ование и расчет показател ей надежности и
безопа сности фрагментов, подсистем и АСУТ П в целом, условия реализации функций и
возникновения аварийных ситуац ий в которых представлены графами схем функциональной
целостности и логическими критериями функционирования;
Интерфейс ввода-вывода
Модули формализованного
предста вления, хранения и
преобразования СФЦ и ЛКФ
Универса льный программный модуль
автоматического построения логических
функций работоспособности АСУТП,
кото
р
ые оп
р
еделяют состояния
р
еализации
функций и возникновения аварийных
ситу аций
Мод
у
ли, оп
р
еделения и
преобразования
параметров элементов
АСУТП.
Мод
у
ли
автоматического
постро ения расчетных
математических
моделей, надежности и
безопасности АСУТП.
Мод
у
ли сох
р
анения, накопления, вывода
р
ез
у
льтато
в
модели
р
ования и
р
асчетов
надеж ности и безопасности АСУТП, методики их использования для технико-
экономического анализ а, выработки и обоснования проектных решений
Базы данных
параметров элеме нтов
СФЦ и результатов
моделирования и
расчетов
Мод
у
ли выполнения
р
асчето
в
показ ателей надежно сти и бе зопасност и АСУТП,
значимостей, вкладов элементов, анализа отказоустойчивости.
17
- автоматически строить логические и вероятностные мо дели для АСУТП большой
размерности и высокой структурной сложности;
- автоматически вычисля ть показатели надежности и безопасности АСУ Т П;
- обеспечивать возможность прим енения результа тов моделирования и расчетов для
выр аботки и технико-экономического обоснования проектных решений в области
надежности и безопасности АСУТ П на стадии проектирования.
3. Интерфейс ввода-вывода ПК АСМ долже н обеспечивать удобный (как правило,
графический) ввод исх одных данных (СФЦ, ЛКФ, пар аметр ов элемен тов и режимов работы
ПК АСМ) и вывод рез ульта тов моделирования и расчетов показателей надеж ности и
безопа сности АСУТ П.
4. Модули формализованного представления, х ранения и преобразования СФЦ и ЛКФ
предназначены для обеспечения эффективной обработки в ПК АСМ структурных моделей
надежности и безоп ас ности АСУ Т П большой разм ерности и высокой структурной
сложности. В частности, они должны обеспечив ать реализацию процессов деком позиции и
агрегирования громоздких процедур автом ати ческого построения логических ФРС.
5. Универсальная прог р амма (программный мо ду ль) построения логических функций
работоспособности является центральным звеном ПК АСМ. Она должна поз волять
автоматически формировать различные виды логических ФРС: монотонных (в ба зисе
операций "И", "ИЛИ) и немонотонных (в базисе операций "И", "ИЛИ", "НЕ"), КПУФ, МСО.
минимальны х пропускных и отсечных сочетаний, а также любые их комбинации. В
логических ФРС должны учитываться особенности различных АСУТ П. Наприм ер, разные
начальные состояни я системы, наличие группы несовместных событий, отказы по общей
причине, многофункциональность элементов, наличие элементов с числом состояний
больше двух, способность АСУТП ф ункционировать в различных состоян ия х с разной
эффективностью или различной степенью риска, и др.
6. Модули определения и п реобразовани я параметров элементов должны осуществлять
оперативную подготовку исх одных данных для выполнения расчетов показателей
надежности и безопасности АСУТ П.
7. Базы данных , входя щ ие в состав или связанные с ПК АСМ, должн ы обеспечивать
выдачу, хран ение и обновление параметр ов элемен т ов, типовых фрагментов и ранее
подготовленных СФЦ, а также результатов автом ати зированн ого моделирования и расчетов
надежности и безопасности АСУТ П.
18
8. Прог р аммные моду ли автом атического построения расчетных мате мат ических
моделей в зависимости от специализации ПК АСМ должны выполня ть :
- формирование аналитических модел ей в виде многочленов расчетных вероятностных и
други х функций (реализуется в базовом образце ПК АСМ);
- форм иро вание статистических моделей оценки показателей надежности и
безопа сности АСУТ П;
- форм иро вание мар ковских моделей для динамического анализа надежности и
безопа сности АСУТ П;
- формиро вание различных сетевых модел ей функционирования АСУТ П, позволяющих
учесть, например, последовательности отказов элемен т ов, влияние ненадежных
переключателей и процессов развития возможных аварийных ситуаций.
9. Модули выполнения расчетов предназначены для количественн ой оценки различных
единичных и комплексных показателей надежности и безопасности АСУТ П, относящихся к
объектам I и II вида (по классификации ГОСТ 27.301). Одновременно с расчетом
общесистем ных показателей в ПК АСМ должн ы определяться характеристики роли
отдельных элементов (значимостей и вкладов). Это обеспечит возможность дальнейшей
автоматизации процессов решения специальных зада ч технико-экономического
обоснования, оптимизации, распределения ресурсов, целевого планирования и управления
разработкой АСУТ П на стадии проектирования.
10. Модули сохранения, накопления и вывода ре зультатов предназначены для
обеспечения удобной и эффективной работы лиц, принимающих проектные решения, и
реализации различных методик технико-экономического обоснования проектируемых
АСУТ П.
11. Структура и пр ограммная реализация комплексов АСМ должны обеспечивать
возможность их дальнейш его совершенствования, развития а адаптацию к особенностям
решения задач оценки надежности и безоп ас ности АСУ Т П различных Предприятий.