автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Подсистемы противоаварийной защиты опасных производственных объектов в составе информационно-измерительных и управляющих систем

ПОДСИСТЕМЫ ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ В СОСТАВЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы

(приборостроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискапие ученой степени кандидата технических паук

з [/,ДГ, 1012

ПЕНЗА-2012

005016380

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ДАНИЛОВ Александр Александрович

Официальные оппоненты: МЯСНИКОВА Нина Владимировна,

доктор технических наук, профессор, Пензенский государственный университет, профессор кафедры «Автоматика и телемеханика»;

РАДКЕВИЧ Валерий Васильевич,

доктор технических наук, ООО «ИнЭко-А» (г. Москва), генеральный директор

Ведущая организация: ОАО «Всероссийский теплотехнический

научно-исследовательский институт» (г. Москва)

Защита диссертации состоится 15 мая 2012 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д.212.186.02 в Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан_апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета —.—. Светлов Анатолий Вильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди многочисленных функций информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) одной из важнейших является обеспечение безопасного функционирования потенциально опасных производственных объектов (ОПО), которая обычно реализуется с помощью подсистем противоаварийной защиты (ПАЗ). Безопасность ОПО обеспечивается выполнением требований по защите от превышения давления, температуры, достижения предела опасной концентрации и т.д. Каждое из этих требований обеспечивается соответствующей функцией безопасности. Входными параметрами функции безопасности являются значения физических параметров (давления, температуры, уровня и др.), результатом выполнения - воздействие посредством исполнительного механизма (ИМ) и перевод ОПО в безопасное состояние. Одними из требований к современным подсистемам ПАЗ являются их интеграция в ИИУС и реализация с применением универсальных измерительных модулей, позволяющих использовать их как для реализации измерительных и управляющих функций, так и для реализации функций безопасности. Вместе с тем существующие требования к проведению периодического контроля ИИУС, и ПАЗ в частности, требуют периодической остановки этих систем, а значит, и объекта управления в целом. Разумеется, это неприемлемо и обуславливает актуальность разработки новой структуры ИИУС, в которой остановка любого из каналов подсистемы ПАЗ не приводила бы к остановке всей ИУС. Создание новой структуры подсистем ПАЗ в составе ИИУС позволило бы существенно увеличить такую важную эксплуатационную характеристику систем ПАЗ и ИИУС, как время непрерывной работы, а также позволило бы итерационно добавлять новые функции без остановки ОПО. Учитывая, что подсистемы ПАЗ обеспечивают выполнение множества функций безопасности, независимость их друг от друга в новой структуре позволит не только улучшить характеристики безотказности подсистем ПАЗ в составе ИИУС, но и осуществлять замену одних (неисправных, отработавших) элементов другими (новыми) без остановки всей ИИУС.

Значительный вклад в создание ИИУС и их метрологическое обеспечение внесли многочисленные коллективы ученых, в том числе А. А. Братин, В. А. Грановский, А. И. Заико, Г. И. Кавалеров, В. П. Кузнецов, Б. Ф. Кузнецов, С. М. Мандельштам, Н. П. Миф, A. JI. Семенкж, Е. Н. Сычев, М. П. Ца-пенко, В. М. Шляндин, Ю. Н. Яковлев и другие.

Наиболее значимые результаты в теории и практике данного научного направления в последнее время получены коллективами ОРГРЭС (г. Москва), Института проблем управления (г. Москва), Всероссийского научно-исследовательского института по эксплуатации атомных станций (г. Москва), Всероссийского теплоэнергетического института, немецкого института стандартов (DIN), международной электротехнической комиссии (IEC), иностранных компаний Siemens, ABB, Hima, Triconnex и др.

Вместе с тем, кроме названных выше, нерешенными остались вопросы оперативного подтверждения соответствия характеристик подсистем ПАЗ требуемым характеристикам, а также вопросы прогнозирования отказов и расчета дополнительного ресурса подсистем противоаварийных защит ОПО в составе ИИУС при замене элементов. В реально работающих ИУС замена деградировавших или отказавших элементов на новые происходит постоянно, но не существует алгоритма определения дополнительного ресурса, который появляется в результате замены.

Цель диссертационного исследования состоит в совершенствовании эксплуатационных характеристик подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС.

Основные задачи диссертационного исследования:

1. Анализ структур подсистем ПАЗ в составе ИИУС и классификация их по признакам защит.

2. Совершенствование структуры подсистем ПАЗ, позволяющей осуществлять оперативную замену элементов подсистемы защит без остановки ОПО.

3. Разработка способов оперативного подтверждения соответствия параметров безотказности подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС интегральному уровню безопасности оборудования ОПО.

4. Разработка алгоритма расчета продления ресурса противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС при замене элементов.

Методы исследований. Для решения поставленных задач применялись методы математического анализа, теории вероятности и математической статистики, теории надежности и теории погрешностей. Основные теоретические положения проверены экспериментально и путем моделирования на ЭВМ с использованием пакетов программ Ма^аЬ 6.5, ишто<1, Isagraf, 1Р1х 3.5.

Достоверность научных положений подтверждена результатами экспериментальных исследований, а также практикой разработки, внедрения и эксплуатации подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС в энергетике, химии, нефтепереработке.

Оценка достоверности результатов исследования в ходе экспериментальных работ выявила: результаты эксперимента получены с применением средств измерений утвержденного типа, поверенных с использованием аттестованного испытательного оборудования. Многократное повторение эксперимента показало его воспроизводимость, эксперимент проводился в условиях максимально допустимой температуры эксплуатации. Опыт практической эксплуатации систем, построенных с применением результатов работы, показал их безотказность в условиях более чем трехлетней работы в неотапливаемых помещениях в различных климатических зонах.

Идея базируется на анализе результатов многолетней практики автора исследований по построению подсистем противоаварийной защиты

опасных производственных объектов в составе информационно-измерительных и управляющих систем и единственного на текущий момент в России положительного опыта сертификации отечественного оборудования для интегрального уровня безопасности БГЬЗ в немецком испытательном центре ТОУ.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Предложена новая классификация подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС, отличающаяся введением новых классификационных признаков - универсальностью модулей ввода-вывода и местом локализации вычислителя функции безопасности.

2. Предложена новая структура подсистем ПАЗ в составе ИИУС, позволяющая осуществлять оперативную замену элементов подсистемы ПАЗ, поэтапно наращивать сложность системы, добавлять новые функции безопасности, проводить подтверждение соответствия и модернизацию без остановки ИИУС и технологического процесса.

3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена основанная на Марковской модели прогнозирования отказов математическая модель непрерывных и случайных отказов подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС.

4. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден алгоритм расчета дополнительного ресурса подсистем противоаварийной защиты ОПО ИИУС, который создается путем замены элементов.

Теоретическая значимость исследования обусловлена тем, что разработана новая математическая модель прогнозирования параметров безотказности подсистемы противоаварийной защиты, позволяющая, в отличие от существующих моделей, учитывать как случайные, так и непрерывные отказы элементов защиты, их деградацию, проводить расчет параметров безотказности как на стадиях проектирования систем, так и в период их эксплуатации.

Теоретические расчеты в исследовательской работе построены на известных и проверяемых данных, в том числе для предельных случаев, результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными и не противоречат результатам научных работ и публикаций других авторов по теме диссертации и в смежных отраслях науки.

Изложены и проанализированы существующие методы прогнозирования безотказности подсистем противоаварийной защиты, изучены мировые тенденции, опыт ведущих мировых производителей оборудования ПАЗ и международные стандарты, а также факторы, влияющие на развитие данного направления в науке.

Раскрыты существующие противоречия между практикой построения систем противоаварийной защиты и действующими российскими и международными нормативными документами, регламентирующими этапы жизненного цикла подсистем противоаварийной защиты опасных производственных объектов в составе информационно-измерительных систем.

Изучены взаимосвязи процесса верификации функций безопасности подсистем ПАЗ ОПО и процессов модернизации и развития этих подсистем. Выявлены внутренние противоречия между техническими регламентами объектов повышенной опасности и отсутствием способов определения дополнительного ресурса подсистем при замене элементов.

Проведена модернизация существующих численных методов расчета параметров безотказности подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС.

Объектом исследования в настоящей работе являются подсистемы ПАЗ ОПО в составе ИИУС.

Практическая ценность работы. Результаты научных исследований послужили основой для совершенствования эксплуатационных характеристик ИИУС ОПО: времени непрерывной работы, времени продленного ресурса ПАЗ ОПО. Практически внедрены: новая структура подсистемы ПАЗ в составе ИУС, алгоритм расчета дополнительного ресурса подсистем ПАЗ, сформулированы рекомендации по увеличению времени непрерывной работы ИУС ОПО.

Значение результатов исследования для практики подтверждается не только улучшением эксплуатационных характеристик существующих подсистем ПАЗ в составе ИИУС, но и получением фактической экономии средств на всех этапах жизненного цикла систем, что подтверждается справками о практическом внедрении результатов научно-исследовательской работы.

Определены границы практического применения результатов исследования. Проведен анализ условий применения разработанной математической модели безотказности и приведены предложения по изменению нормативных документов, регламентирующих работу подсистем противо-аварийных защит.

Создана система практических рекомендаций для проектантов и эксплуатирующих организаций по применению функциональной архитектуры, математической модели и алгоритма расчета дополнительного ресурса.

Представлены предложения по изменению нормативных документов, регламентирующих работу подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС.

Установлено на практических примерах, что применение функциональной структуры подсистем ПАЗ позволяет получить параметры безотказности систем, более чем на порядок превышающие параметры существующих структур подсистем противоаварийной защиты.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Классификация подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС, отличающаяся введением новых классификационных признаков.

2. Структура подсистем ПАЗ в составе ИИУС с аппаратным и программным разделением функций безопасности, позволяющая на работающей подсистеме ПАЗ добавлять, модернизировать и верифицировать функции безопасности подсистемы ПАЗ.

3. Математическая модель прогнозирования отказов элементов подсистем противоаварийной защиты ОПО, позволяющая учитывать как непрерывные, так и случайные отказы элементов.

4. Алгоритм расчета дополнительного ресурса подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС при замене элементов, позволяющий продолжать эксплуатацию ОПО без проведения верификации подсистемы ПАЗ до остановки ОПО на регламентные работы.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили практическое воплощение в ряде ИИУС, внедренных в различных проектах предприятий Холдинга фирм TREI в России, Казахстане, Белоруссии, Сербии, Боснии и Герцеговине.

Разработана типовая конфигурация ИИУС с применением интеллектуальных модулей М932С для реализации проектов в различных отраслях промышленности. В их числе:

1. ИИУС турбоагрегата К-55-90 с генератором ТЗФП-6Э-2МУЗ ГРЭС корпорации «Казахмыс» Республики Казахстан.

2. ИИУС котлоагрегатов № 1-6 БКЗ 420-130 Усть-Илимской ТЭЦ.

3. ИИУС нефтепромыслов «Казмунайгаз» г. Атырау Республики Казахстан.

Результаты диссертационной работы были использованы при проектировании ИИУС, а также при разработке методик контроля характеристик ИИУС Холдинга фирм TREI.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих всероссийских научно-технических конференциях: «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (Пенза, 2004); «Промышленные контроллеры от А до Я» (Москва, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010); «Автоматизация ТЭЦ и ГРЭС» (Усть-Илимск, 2007); «Проблемы и практика автоматизации газотранспортных систем» (Москва, 2009); «Проблемы и перспективы построения распределенных систем в энергетике» (Москва, 2010), а также на Юбилейной научно-практической конференции фирмы TREI GmbH (Москва, 2010).

Личный вклад соискателя состоит в самостоятельном творческом анализе ситуации, сложившейся на данном научном направлении, в постановке задач с использованием большого практического опыта автора, решении этих задач с применением передовых достижений науки и техники. Автор непосредственно участвовал в получении исходных данных, формировал программу и методику эксперимента, совмещая цели и задачи эксперимента с задачами производственной деятельности. Выполнял лично и руководил работами по внедрению результатов исследования, обучению и подготовке персонала, эксплуатирующего ИИУС ОПО, созданные с применением результатов работы автора. Автором изучены и грамотно применены математические методы обработки результатов эксперимента и построения математической модели.

Публикации. По материалам диссертационной работы автор имеет 11 опубликованных работ, из них 6 в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК и одна статья в зарубежном научном издании.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, приложения; изложена на 173 страницах, содержит 40 рисунков и 11 таблиц; список использованных источников включает 121 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы, цель и задачи исследования, дана общая характеристика работы, показана научная новизна полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ современных теории и практики построения подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС. Рассмотрена реализация подсистем защит ОПО с применением универсальных измерительных модулей, позволяющих использовать их как для реализации измерительных и управляющих функций, так и для реализации функций ПАЗ.

Рассмотрены существующие методики расчета параметров безотказности. Проанализированы требования нормативных документов. Приведены примеры основных структур подсистем защит ОПО: централизованной резервированной, централизованной троированной, децентрализованной резервированной. Проведены анализ и систематизация их основных свойств и отличительных особенностей.

Структуры подсистем ПАЗ ОПО, используемые в настоящее время, характеризуются взаимозависимостью функций безопасности, что не позволяет верифицировать и модифицировать их независимо друг от друга. При этом действующие способы оценки параметров безотказности не дают возможности аналитического определения дополнительного эксплуатационного ресурса подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС при замене элементов.

На основании проведенного анализа сформулированы классификационные признаки подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС. Известны ранее по литературным источникам следующие признаки:

- по возможности резервирования функций ПАЗ: нерезервированные/резервированные;

- по централизации функций ПАЗ: централизованные/децентрализованные.

Для более детального анализа свойств ИУС предложены следующие классификационные признаки подсистем ПАЗ ОПО:

- по месту локализации вычисления функций ПАЗ: в центральном процессоре (ЦПУ) контроллера ПАЗ / в интеллектуальном модуле ввода-вывода;

- по применению многоканальных модулей ввода-вывода: специализированных/универсальных.

С учетом дополнительных признаков предложена новая классификация подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС, изображенная на рис. 1.

Классификационные признаки подсистем ПАЗ ОПО:

Возможность резервирова-

Центрапиэо-ванность/ децентрализован ность структуры

Место локализации вычислителя

функции безопасности

Универсальность модулей ввода'вьеода

1 2 3^ 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15

Рис. 1. Классификация подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС

На рис. 1 совпадение синих и красных стрелок определяет выбор набора признаков, реализация которых в структуре подсистем ПАЗ позволит решить задачи совершенствования эксплуатационных характеристик ИИУС и определит признаки новой структуры подсистем ПАЗ

Во второй главе на основании классификации признаков подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС впервые предложена функциональная структура подсистем ПАЗ, изображенная на рис. 2. В функциональной структуре реализованы следующие квалификационные признаки: 1) применен универсальный модуль ввода/вывода -(Т); 2) микропроцессорный вычислитель условий выполнения функций безопасности локализован в универсальном модуле ввода/вывода; 3) для связи с универсальными модулями ввода/вывода применен резервированный последовательный интерфейс позволяющий создавать децентрализованные подсистемы ПАЗ ОПО в составе ИИУС; 4) функции безопасности реализованы независимо друг от друга и индивидуально резервированы. Каждая функция безопасности вы-

полняется как в основном, так и в резервном универсальном модуле ввода/вывода.

Рис. 2. Функциональная резервированная структура подсистемы ПАЗ ОПО в составе ИИУС

Предложенная структура подсистемы ПАЗ обладает следующими преимуществами :

1) функциональной законченностью, программной и аппаратной независимостью друг от друга функций безопасности противоаварийной защиты;

2) возможностью тестирования функций безопасности методом «черного ящика»;

3) возможностью модификации функции безопасности;

4) отсутствием аппаратной избыточности при создании малых подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС, реализующих небольшое количество функций безопасности;

5) реализацией в одной подсистеме ПАЗ ОПО функции разных интегральных уровней безопасности;

6) возможностью корректировки среднего времени наработки на отказ подсистем ПАЗ ОПО по диагностическим данным в процессе эксплуатации;

7) возможностью плановой замены элементов в подсистемах ПАЗ ОПО с заранее прогнозируемым изменением ресурса.

Сделан вывод о невозможности использования существующего математического аппарата для численного определения дополнительного ресурса и корректировки среднего времени наработки на отказ в процессе эксплуатации. Проведены классификация и анализ существующих методов прогнозирования и научное обоснование выбора Марковской модели прогнозирования отказов как наиболее соответствующей функционально сложным структурам подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС, а также позволяющей учитывать непрерывную и случайную деградацию параметров элементов ПАЗ.

В третьей главе для реализации возможностей функциональной структуры рассмотрена «-мерная Марковская модель. Предлагаемая система имеет т элементов, технические характеристики которых удовлетворяют определенным параметрам. В процессе эксплуатации эти технические параметры изменяются в сторону деградации и по истечении некоторого времени не будут соответствовать заданным требованиям. Распределим т элементов системы по п группам. Предположим, что в 1-й группе находится щ элементов, во 2-й группе -т2элементов, ..., в п-й группе — тп элементов. Условимся, что с повышением номера группы технические параметры элементов деградируют в большей степени. Количество элементов в группах деградации является случайной величиной и изменяется во времени. £?ы - вероятность деградации элемента из (/ - 1)-й группы в г'-ю. <2^ — вероятность случайных отказов в /'-й группе.

Для реализации аналитического расчета времени продления ресурса подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС при оперативной замене элементов, в расчетную схему прогнозирования отказов вводим вероятность замены элемента из последней, п-й группы деградации в первую - <2Л (рис. 3).

Состояние подсистемы ПАЗ описываем случайным и-мерным вектором с параметрами

Ц = (14 (0 = тх,\12 (О = (О = тп) ■

Неизвестной величиной, которую необходимо определить, является вероятность количества элементов в каждой группе деградации:

Рщ.т2,...,т„ (О = 1(0 = »«1,112(0 = »»2..".И7|(0 = тп) ■

Структура вероятностных переходов приведена на рис. 4, где: а, ,+1 — интенсивность перехода из /-Й группы деградации в следующую, Р, - интенсивность случайных отказов в г'-й группе.

1-я группа 2-я груша /-я группа л-я группа элементов элементов элементов системы элементов системы системы ^ ......„„„_..................системы

- вероятность замены

Рис. 3. Расчетная схема прогнозирования отказов подсистем ПАЗ с заменой элементов

4,(0= т, -1, 4,(0 = т„

ц2(Г) = /п2+1, ч МО = «2.

4,(0 = т„ 4,(0 = Щ -1.

4,(0 = тм, М0 = М,ч|+1.

4,-Л0 = т,-„ ^„-1(0 = т„_1,

й„(0 = т. МО = т„

О.

т,а12Д<

та. ,.,Дг

9

4,(0 = т„ ц2(0 = т2,

МО = т„ 4,(0 = тм,

1^.-1 (О = ".-1-1. 4„(0 = т. +1

т„,а„_, „Д?

4,(0 = МО = ..., ц,(0 = т„ ц/+1(7) = им, ..., ц„_,(/) = т„_и ц„(0 = т„

4,(0 = '», -1 4^(0 = т2,

4,(0 = Щ, Ц/(0 = т,+1,

4.-,(0 = тв. 4.(0 = т.

отДД/ "г„а„,Д< тДД/

4,(0 = Щ, 4,(0 = Щ,

Ц,(г) = т, -1, Ц/О^м.

4„-,(0 = т„-1, 4.(0 = т.

4,(0 = т„

Цг(0 = т2'

4,(0 = т„ 4,(0 = Щ.„

4„-,(0 = т„-,~1 4.(0 = т.

4,(0 = /",+Ъ42(0 = т2, МО = т„ (0 = тм,..., ц„_, (/) = /п„_,, ц„(<) = т„-1

Рис. 4. Структура вероятностных переходов с заменой элементов

Обозначения в сносках рис. 4: (Т) - и-мерный вектор текущего состояния системы, (.!,(/) = т, - количество элементов в ¡-й группе;^?) - вектор состояния перехода одного элемента из г-й группы в следующую; (3^)-вектор состояния перехода элемента из предпоследней группы в последнюю; (Т)— вектор состояния случайного отказа одного элемента в 1-й группе; (5)- вектор состояния перехода (замены на новый) элемента из последней группы в первую. Количество элементов в группах в момент перехода выделяем подчеркиванием. Каждый прямоугольник рис. 4 есть новое состояние системы, обусловленное переходом элемента из одной группы деградации в другую и описываемое новым многомерным вектором состояния системы.

При ограничении количества групп деградаций тремя получен закон распределения случайной величины для системы с заменой элементов. Для трех групп: СХ|2 - интенсивность перехода из 1-й во 2-ю группу деградации; а2з - интенсивность перехода из 2-й в 3-ю группу; а31 - интенсивность перехода из 3-й в 1-ю группу, т.е. интенсивность замены; рь р2, Рз - интенсивность случайных отказов в каждой из трех групп; ш[0) — начальное количество элементов в системе.

С учетом введенных ограничений получено математическое выражение вероятности количества элементов в группах деградации как функции времени и интенсивностей переходов.

Р(ищ,т2,т3) =

-X

1

1-

«12«23«31

42

«12+01

«2303

(а12+р2)-(а31+р3)'

(сс12+р1)-(а2з + р2)-(а31+р3)

х(1-ехр(а31+р3) ?)! + ^ (1-ехр(-(а23+р2) /)) + а23 + р2

«12+01 ехр(-(а12+Р1) г)

Р^-ехрОи+Р,) /))]

(0)

«12«23а31

(а12 + р1)-(а23+р2)-(а31 + р3)

ехр(-(а31+р3) г)

т\

а

Г»2

-12

«12+01 «12«23

(ехр(-(а2з + 02)О-ехр(-(а12 +01) 0)

Щ

Математические ожидания, полученные через момент производящей функции закона распределения случайной величины, позволяют рассчитать ожидаемое количество элементов в каждой их трех групп деградации в любой момент времени.

ехр(- (ос12 +Р])0

а12а23а31

^12 + )" ( « 23 +Э2 ) " («31 + Рз )

ехр( - (а31+Р3)/)

(0 = т2) = 4,

М(ц 3(0 = 4)

«12

«12+31

«12«23

(ехр(-(а23 + Р2)/) - ехр(-(а, 2 + Р1) 0)

, (2)

.(а12+р1)-(а2з+р2) где коэффициент пропорциональности

ехр(- (а31+33)0 - ехр( - (а23 + Р2)0)

«12«2зРз

1-

а12а23а31

(«12 +Р1)'(а23 +Рг)'(а31 + Рз) «12Р2

„С)

Р]

и,<°>-1

(а12+р1)-(а2з+Р2)-(аз1+Рз) («12 +01М«23 +Р2) («12+Р1).

Полученные выражения составляют математическую модель прогнозирования независимых отказов подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС.

На основе предложенной модели разработан алгоритм расчета дополнительного ресурса подсистемы ПАЗ ОПО в составе ИИУС (рис. 5), который формируется благодаря замене элементов.

Расчет значений интенсивностей а12, а23, рь Рг, Рз произвели, решая итерационно систему нелинейных уравнений: Г г

у=1

М

г\+г2

1 + к.

Рз

а.

'12

Рз=-1>з-1п-

г1+г2

1 + ^

_Рз_ «12.

_Рз_ «12

1 + *>А

«23

„(0)

(3)

где ги г2,г3- количество элементов в трех группах, разделенных по паспортным значениям интенсивностей отказов; ки к2 - коэффициенты пропорциональности между этими группами; Ь, - интенсивность отказов элементов.

1. Определить по паспортным данным значения интенсивностей отказов элементов

подсистемы ПАЗ (Ъ)

т

2. Разбить элементы по группам: 1 - элементы, имеющие наименьшую интенсивность

отказов; 2 - элементы, имеющие средние значения интенсивностей отказов; 3 - элементы,

имеющие максимальные значения интенсивностей отказов

т

3. Определить количество элементов в этих группах и присвоить значения: п - первая группа; гг- вторая группа; гз-третья группа

т

4. Определить значения коэффициентов пропорциональности между группами /о, к: и значения интенсивностей случайных отказов /3<, /Зг по формуле (4)

т

5. Подставить вычисленные значения и выражения п, Гг, Гз, ки кг Т в систему

нелинейных уравнений и определить начальные условия при ¡=0 простого

итерационного процесса по формуле (5) и подставить в систему уравнений (4)

1*-

6. Найти значения а\1"} ,/З}*1^ при /=/'+1

8 Определить значения а}"1'.а!'3"', как решения системы нелинейных уравнений (4)

*

9. Вычислить значения /?,, /} через к< и кг по формуле (4)

т

10 Подставить вычисленные интенсивности переходов в систему уравнений математических ожиданий (2) и решить ее при условии то- 1, а31 =о,т.е. найти

среднее время наработки до отказа элемента ПАЗ или прогнозируемое время замены (з

т

11. При замене количество элементов в третьей группе уменьшается на число замены, а в первой группе увеличивается на число замены. Подставить эти значения в формулу распределения случайной величины (1) и найти из нее интенсивность замены СЫ

т

12. Подставить вычисленные интенсивности переходов и значение о31 в систему

уравнений математических ожиданий (2) с заменой элементов и решить ее при условии то- 1, т.е. найти среднее время наработки до отказа элемента ПАЗ или прогнозируемое время следующей замены й +1 Разница между 1з и й +1 даст дополнительный расчетный

ресурс после замены

Рис. 5. Алгоритм расчета дополнительного ресурса подсистемы ПАЗ

h =

1 1 rlM

-,k2=

наиб.

'э

; P, =^,Рз;(32=/Г2Р3.

(4)

наиб, э

Начальные условия итерационного процесса осК/.З^ таковы:

а1

М_

12 _

In

„(0) V"i J

■2>э

7=1

[0] , а122 = In

P[3°]=ln

+ r2 + r3-l »(0)

v. mi ; '2>э

7=1

1>э 7=1

(5)

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований и внедрений ИИУС. Цель эксперимента - подтверждение достоверности расчетов количества элементов в группах деградации и дополнительного ресурса при замене элементов. Эксперимент проведен в ООО «ТРЭИ ГМБХ» г. Пензы путем ускоренных испытаний автоматизированной системы технологического прогона 4-канальных универсальных модулей M4AI4-20 аналогового ввода тока в диапазоне 4—20 мА, имеющих паспортную приведенную погрешность в рабочих условиях эксплуатации 6прв = ±0Д %.

Схема испытаний приведена на рис. 6. Испытания проведены по типовой методике Ф.1 стандарта РД В 319.01.11-98 (Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Типовые методики ускоренных испытаний на безотказность и долговечность. МО РФ. - М., 2000. -92 с.) с рассчитанным коэффициентом ускорения (Ку), равном 7, при максимально допустимой для модулей M4AI4-20 температуре окружающего воздуха 50 °С.

При среднем времени безотказной работы одного модуля M4AI-4-20, равном 98000 ч (что соответствует интенсивности отказов 1,02 х 10"5 или 10200 FIT), среднее время безотказной работы системы, содержащей 256 аналогичных модулей, при Ку, равном 7, составляет всего 55 ч.

Разделяем модули по четырем группам деградации по пределам допускаемой приведенной погрешности в рабочих условиях эксплуатации: первая группа модулей, обладающих приведенной погрешностью в рабочих условиях эксплуатации, - менее ±0,05 %; вторая группа - от ±0,05 % до ±0,15 %; третья группа - от ±0,15 % до ±0,35 %; четвертая группа - более ±0,35 %, или физический отказ модуля, т.е. потеря информационного обмена с модулем.

Результаты эксперимента показаны на рис. 7. Расчетные значения математического ожидания количества элементов в группах деградации (2) показаны сплошными линиями и обеспечивают достаточно высокую сходимость с результатами эксперимента (пунктирные линии).

И3485 канал диагностики.

М4АМ-20 1,02 Е-05

М4А1-4-20 1,02 Е-05

М4А1-4-20 1,02 Е-05

. М4А1-4-20 га-1* 1,02 Е-05

Ы4А1-4-20 1,02 Е-05

С£ ш о

М4А1-4-20 1,02 Е-05

М4А1-4-20 1,02 Е-05

М4АМ-20 1,02 Е-05

М4А1-4-20 1,02 Е-05

Рис. 6. Схема проведения эксперимента

300 270 240 210 180 150 120 90 60 30 0

Количество

элементов

- 1 -я группа деградации 5прв = ±0,05 %

1 - 2-я группа деградации 5прв. = ±0,15%

1 \ 3-я группа деградации бпрв з •• ±0,35 %

\ \ ... ч \ ч \ ...........~' _------

------ Ч

1 / 1 /, ' —— — — — - ' ---^

24

48 , . 72 64

96 120 144 168 192 216 240 t,ч

Рис. 7. Зависимость количества элементов экспериментальной системы в разных группах деградации от времени

Результаты экспериментальных исследований той же экспериментальной системы с заменой элементов изображены на рис. 8.

Замену проводим группой из 64 элементов системы, попавших в 3-ю группу деградации, момент замены определяем как время выхода любого элемента в 4-ю группу (группу отказа). Группа замены из 64 элементов выбрана с целью 64-кратного увеличения интенсивности отказов в группе замены, сокращения времени эксперимента и увеличения влияния группового элемента замены на экспериментальную ИИУС. Время скачкообразного изменения количества элементов в группах деградации соответствует времени замены.

В реальной системе проводят замену одного или группы элементов с истекающим ресурсом работы или по результатам диагностических тестов во время работы. Подчеркиванием на рис. 8 отмечены экспериментально

определенные времена замены элементов системы, время замены в эксперименте соответствовало времени выхода одного элемента из третьей группы деградации, или отказ элемента в любой группе деградации. Далее были произведены расчеты времени дополнительного ресурса экспериментальной системы с использованием алгоритма расчета дополнительного ресурса (рис. 4). Результаты сравнения экспериментальных и расчетных значений приведены в табл. 1. Очевидна высокая сходимость расчетных результатов с данными эксперимента, что подтверждает адекватность предложенной автором модели.

Рис. 8. Экспериментальная зависимость количества элементов системы в группах деградации от времени при замене элементов

Таблица 1

Сравнение экспериментальных и расчетных значений дополнительного ресурса экспериментальной системы

Значения дополнительного ресурса, ч 1-я замена 2-Я ; замена 3-я замена 4-я замена 5-я замена

Экспериментальное 68 96 125 154 181

Расчетное 68 99 130 159 190

Д, ч 0 3 5 5 9

В работе проведено сравнение структур подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС. На примерах показано, что при замене элементов в подсистемах ПАЗ централизованной и децентрализованной структур время непрерывной работы увеличивается менее чем на 250 ч, в то время как для предложенной автором функциональной структуры подсистемы ПАЗ -на 2905 ч, т.е. более чем в 10 раз. Результаты оценки вероятности для функциональной структуры графически показаны на рис. 9.

Рис. 9. Графики зависимости вероятности безотказной работы от времени для функциональной структуры при замене элементов

Приведены результаты практического внедрения результатов в подсистеме ПАЗ турбогенератора ГРЭС корпорации «Казахмыс», с применением интеллектуальных универсальных модулей в/в (рис. 10).

Рис. 10. Элемент построения функциональной подсистемы ПАЗ ОПО -интеллектуальный универсальный модуль ввода/вывода М932С

Модуль М932С разработан и серийно изготовляется предприятием ООО «ТРЭИ ГМБХ» для применения в качестве основного элемента подсистем ПАЗ. Вычислитель функции ПАЗ выполнен на базе программируемого микроконтроллера Р1С18Р8722.

Приведена общая схема построения ИИУС турбогенератора с применением в подсистеме ПАЗ модулей М932С (рис. 11).

ю о

Дублированный Ethernet 100M/1G

УСО-4 Шкаф управления СН

УСО-6 Шкаф управления ПМН

УСО-8 Шкаф управления НГО

Сборка задвижек 01LA2

Шкаф МПК ТГ-1 с резервированной процессорной частью и модулями защит

HUB1 RS-485

HUB2 RS-485

УСО-2 Шкаф контроля параметров г/а

jV'Wv .

Резервируемые SCADA-серверы

Рис. 11. Схема ИИУС турбогенератора ГРЭС с подсистемой защит, построенной по функциональной структуре

Основные результаты и выводы по работе:

1. Предложена новая классификация подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС, отличающаяся от известных новыми классификационными признаками - локализацией вычисления функций ПАЗ и универсальностью модулей ввода-вывода, что позволило сформулировать технические требования, разрешающие существующие противоречия между сложившейся практикой применения структур ПАЗ в составе ИИУС и требованиями нормативных документов.

2. Предложена оригинальная структура подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС, новизна которой подтверждена Патентом РФ, позволяющая осуществлять оперативную замену элементов системы подсистем ПАЗ, итерационно наращивать сложность подсистем ПАЗ ОПО, добавлять новые функции безопасности, проводить подтверждение соответствия и модернизацию без остановки ОПО и технологического процесса.

3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена новая математическая модель непрерывных и случайных отказов подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС, основанная на Марковской модели прогнозирования отказов.

4. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден алгоритм расчета дополнительного ресурса подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС, который формируется при замене элементов.

5. Разработаны и внедрены ИИУС с улучшенными эксплуатационными характеристиками: ИИУС турбоагрегата К-55-90 с генератором ТЗФП-63-2МУЗ ГРЭС корпорации «Казахмыс» Республики Казахстан; ИИУС котлоагрегатов № 1-6 БКЗ 420-130 Усть-Илимской ТЭЦ; ИИУС нефтепромыслов «Казмунайгаз» г. Атырау Республики Казахстан.

В приложении представлены справки о внедрении результатов работы, программы и протоколы испытаний подсистем ПАЗ и копия решения Роспатента о выдаче патента на изобретение функциональной структуры подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Рогов, С. Л. Контроллеры серии ТГШ1-5В: Метрологические характеристики, возможности, сравнение с аналогами, перспективы / А. А. Данилов, С. Л. Рогов, А. А. Степанов // Автоматизация в промышленности. - 2003. - № 2. - С. 28-31.

2. Рогов, С. Л. Выбор аппаратных средств автоматизации для построения систем безопасности промышленных объектов / С. Л. Рогов, А. А. Степанов, В. В. Дьяченко // Промышленные АСУ и контроллеры. -2006. -№ 10.-С. 34-39.

3. Рогов, С. Л. Необходимость и достаточность номенклатуры каналов ввода/вывода в промышленных контроллерах/ С. Л. Рогов П Промышленные АСУ и контроллеры. - 2008. - № 2. - С. 31-37.

4. Рогов, С. Л. Распределенные АСУТП в энергетике - мода или необходимость? / С. Л. Рогов II Промышленные АСУ и контроллеры. - 2008. -№5. -С. 15-21.

5. Рогов, С. Л. Противоаварийная защита: Теория, стандарты и практика построения систем на основе ПЛК / С. Л. Рогов II Автоматизация в промышленности. - 2010. - № 2. - С. 44-49.

6. Рогов, С. Л. Надежность измерительных систем, функционирующих в составе систем защиты опасных производственных объектов / С. Л. Рогов II Измерительная техника.- 2011. - № 5. _ с. 64-66.

Публикации в других изданиях

7. Рогов, С. Л. Автоматизация контроля и управления водно-химическим режимом электростанций на базе современных программно-аппаратных средств / С. Л. Рогов, Э. Декк, Л. М. Живилова, В. А. Костан-дян // Энергетик. - 2007. - № 2. - С. 35-39.

8. Рогов, С. Л. Об эффективности применения полевых устройств фирмы «TREI» в АСУТП объектов энергетики / С. Л. Рогов II Новое в российской энергетике. - 2008. - № 4. - С. 25-36.

9. Рогов, С. Л. Применение интеллектуальных устройств управления реверсивным приводом в системах РСУ и ПАЗ / С. Л. Рогов II Автоматизация и IT в энергетике. - 2012. - № 2. - С. 43-47.

10. Rogov, S. L. Reliability of measurement systems functioning as systems for the protection of dangerous production facilities / S. L. Rogov II SpringerLink. - URL: http://www.springerlink.com/content/048763wl51h33815/

11. Рогов, С. Л. Проблемы метрологического обеспечения при производстве и эксплуатации измерительных систем / С. Л. Рогов II Метрологическое обеспечение измерительных систем : сб. докл. науч.-техн. конф. -Пенза, 2004. - С. 59-62.

12. Положительное решение Роспатента № 2011109653/07(014009) от 14.12.2011 на заявку № 2011109653/07(014009) о выдаче патента на изобретение. Приоритет установлен по дате 15.03.2011. Автор - Рогов С. JI., RU. Патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью «ТРЭИ ГМБХ», RU. Название изобретения - Система противоаварийных защит.

Научное издание

РОГОВ Сергей Львович

ПОДСИСТЕМЫ ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ В СОСТАВЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы

Редактор Ю. В. Коломиец Технический редактор А. Г. Темникова Компьютерная верстка А. Г. Темниковой

Распоряжение № 13/2012 от 04.04.2012. Подписано в печать 09.04.2012. Формат 60х84'/16. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 282. Тираж 100.

Пенза, Красная, 40, Издательство 111У Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru

61 12-5/3305

Пензенский Государственный Университет

На правах рукописи

РОГОВ Сергей Львович

ПОДСИСТЕМЫ ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ В СОСТАВЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные

и управляющие системы

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель проф., д.т.н. Данилов А. А.

ПЕНЗА 2012

Оглавление

Стр.

Список терминов, условных обозначений и сокращений.............................4

Введение.............................................................................................................5

Глава 1 Анализ существующих подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС..15

1.1 Характеристика объекта исследования...................................................15

1.2 Структуры современных подсистем ПАЗ ИИУС...................................17

1.3 Анализ существующих методов расчёта безотказности подсистем ПАЗ.....................................................................................................................26

1.4 Анализ и классификация структур подсистем ПАЗ...............................29

1.5 Обзор методов и средств обеспечения функциональной безопасности подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС.................................40

Выводы по 1 главе..................................................................................49

Глава 2 Структуры подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС и методы прогнозирования их отказов....................................................................50

2.1 Функциональная структура ПАЗ ОПО в составе ИИУС.................50

2.2 Анализ новой структуры ПАЗ ОПО в составе ИИУС......................52

2.3 Новые качественные характеристики функциональной структуры.....54

2.4 Прогнозирование безотказности ПАЗ ИИУС................................55

Выводы по 2 главе...............................................................61

Глава 3 Марковские модели для прогнозирования отказов ПАЗ опасных производственных объектов в составе ИИУС...............................62

3.1 Определение схемы Марковского процесса для прогнозирования отказов ПАЗ ИИУС....................................................................62

3.2 Марковская модель прогнозирования непрерывных и случайных отказов подсистем ПАЗ ИИУС......................................................................67

3.3 Марковская модель прогнозирования непрерывных и случайных отказов систем ПАЗ ИИУС с заменой элементов........................................79

3.4 Расчёт критериев безотказности на основе стохастической

Марковской модели.....................................................................89

Выводы по 3 главе...................................................................................98

Глава 4 Экспериментальная проверка и внедрение результатов исследования......................................................................................................99

4.1 Результаты экспериментальных исследований оценки безотказности и прогнозировании я отказов...............................................................................99

4.2 Определение дополнительного технического ресурса ПАЗ ОПО в составе ИИУС после замены элементов......................................................................107

4.3 Сравнение показателей безотказности ПАЗ ИИУС различных структур...................................................................................111

4.4 Анализ полученных аналитических результатов.................................122

4.5 Практическое применение результатов исследования.....................125

4.5 Анализ условий применения математической модели безотказности и функциональной структуры ПАЗ ИИУС на практике...................................132

Выводы по 4 главе...................................................................................138

Заключение. Основные результаты и выводы................................................139

Список литературных источников...................................................................141

Приложение А Решение о выдаче патента на изобретение.......................153

Приложение Б Справка об использовании результатов работы в ОАО

«Казахмыс», ИИУС турбогенератора ТГ-1...................................................160

Приложение В Справка об использовании результатов работы на Усть-

Илимской ТЭЦ, ИИУС котлоагрегатов БКЗ-420...........................................161

Приложение Г Программа испытаний подсистем ПАЗ турбоагрегата

ТГ-1 ГРЭС корпорации «Казахмыс»..............................................................162

Приложение Д Протокол испытаний подсистем ПАЗ турбоагрегата ТГ-1 ГРЭС корпорации «Казахмыс».........................................................................172

Список терминов, условных обозначений и сокращений

АСУТП - Автоматизированная система управления технологическим процессом.

ИМВВ - Интеллектуальный модуль ввода-вывода.

ИИУС - Информационно-измерительная управляющая система.

МПК - Микропроцессорный контроллер.

ОПО - Опасный промышленный объект.

ОС - Операционная система.

ПАЗ - Противоаварийная защита.

ПЛК - Программируемый логический контроллер.

ПТК - Программно-технический комплекс.

УСО - Устройство связи с объектом.

ЭВМ - Электронно-вычислительная машина.

DC - Diagnostic coverage (диагностическое покрытие).

MTBF - Mean time between failures (среднее время между отказами).

MTTR - Mean time to repair (среднее время восстановления

работоспособности)

PFD - Average probability to fail on demand (средняя вероятность отказа выполнения требуемой функции (отказа на запрос)).

PFH - Probability of dangerous failures per hour (вероятность опасных отказов в час).

PLC - Programmable Logic Controller (программируемый логический контроллер).

SIL - Safety integrity level (интегральный уровень безопасности). SIS - Safety instrumented system (система противоаварийной защиты). SRS - Safety related system (система связанная с безопасностью).

Введение

Среди многочисленных функций информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) одной из важнейших является обеспечение безопасного функционирования потенциально опасных производственных объектов (ОПО), которая обычно реализуется с помощью подсистем противоаварийных защит (ПАЗ). Проблема прогнозирования параметров надёжности и обеспечение функциональной безопасности противоаварийных защит (далее по тексту ПАЗ) ОПО возникла как техническая задача в эпоху начала индустриализации. Эта задача актуальна до сих пор, и она развивается и усложняется вместе с развитием техники.

Проблемы безопасности машин и механизмов возникли на стадии их внедрения в хозяйственную деятельность человека с самого начала промышленной революции 19-го века. Изобретатели первых машин разделяли проблему безопасности на следующие составные части:

1. Защиту машины от постороннего вмешательства.

2. Защиту персонала от опасных частей машины.

3. Защиту машины от разрушения, вследствие нарушения технологии или режимов эксплуатации.

Шло время, усложнялись машины, появлялись новые технологии и оборудование, их реализующее и параллельно с этим процессом шло усовершенствование приспособлений, приборов и систем, обеспечивающих защиту оборудования, персонала и окружающей среды от вредного воздействия и последствий производственных аварий.

В общепринятой в России терминологии эти системы называются «системами блокировок и защит» [52]. С появлением информационно-измерительной техники и появлением автоматизированных систем, увеличился объём и сложность задач, выполняемых ПАЗ. Массовая компьютеризация производств и постепенная передача информационно-измерительных и управляющих функций от оператора к компьютеру или программируемому логическому контроллеру (далее по тексту ПЛК),

привела к появлению управляющих информационно-измерительных систем. С этого момента одной их самых важных функций подсистем ПАЗ ИИУС, стала функция блокировки нежелательных воздействий информационно-измерительных и управляющих систем на технологию и объект управления.

Рассмотрим главные задачи, возлагаемые на эти подсистемы:

- задача предотвращения аварий и минимизация последствий аварий -это основная задача, возлагаемая на подсистемы ПАЗ управляющих информационно-измерительных систем;

задача блокирования (предотвращения) намеренного или ненамеренного вмешательства в технологию ОПО, которое может привести к развитию опасной ситуации и инициировать срабатывание ПАЗ - задача системы блокировок.

В современных системах эти две задачи неразделимы, поэтому будем называть подсистемы, решающие эти задачи, подсистемами ПАЗ, что в терминах стандарта [31] обозначается Е/Е/РЕ

(Electrical/Electronic/Programmable electronic), т.е.

электрические/электронные/с программируемой электроникой системы, связанные с безопасностью.

В международных нормативных документах и технической литературе приняты и другие обозначения подсистем ПАЗ:

- Система безопасности (Safety Instrumented System- SIS) [111].

- Система, предназначенная для защиты (Safety Related System - SRS)

[115].

Актуальность работы

Современный этап развития производственных мощностей народного хозяйства России и других стран мира, характеризуется следующими параметрами:

- увеличение единичной мощности объектов;

- увеличение концентрации потенциально опасных объектов на единицу производственной площади;

- приближение потенциально опасных объектов к населённым пунктам;

- региональная и международная зависимость безопасности среды обитания от опасных событий на производственных объектах;

- возрастание влияния человеческого фактора на безопасность;

террористическая опасность на потенциально опасных производственных объектах.

В этой ситуации возрастает значимость и ответственность задач, возлагаемых на подсистемы ПАЗ управляющих информационно-измерительных систем. Недостаточное внимание к противоаварийным защитам приводит к авариям, имеющим катастрофические последствия. Увеличение уровня автоматизации производств, приводит к усложнению техники ИИУС, появлению компьютеризированных производств, оперативный контроль за состоянием которых, человек-оператор, в реальном масштабе времени, осуществлять не способен. Поэтому вся ответственность за безопасное ведение производственного процесса возлагается на подсистемы ПАЗ. В свою очередь, сложность подсистем ПАЗ возрастает одновременно со сложностью контролируемого объекта.

Если критерием качества выполняемой функции ИИУС ОПО служит качество и количество выпускаемой продукции, то критерием качества функционирования подсистемы ПАЗ является целостность, полнота безопасности, надёжность функционирования [31, 116, 104].

Если работоспособность ИИУС ОПО постоянно подтверждается её текущим функционированием, то работоспособность подсистем ПАЗ ИИУС может быть проверена только двумя способами:

1. Реальным выполнением функции безопасности при возникновении аварийной ситуации.

2. Периодическим подтверждением способности подсистемы ПАЗ выполнить функцию безопасности, т.е. подтверждением соответствия безопасности [31,116].

Периодичность подтверждения соответствия безопасности определяется характеристиками безотказности подсистем ПАЗ.

Проблема оптимальной периодичности подтверждения соответствия безопасности всегда волновала учёных и практиков ведущих индустриальных стран. Но кроме периодического подтверждения соответствия, подсистемы ПАЗ на активном этапе жизненного цикла, постоянно подвергаются внутренним диагностическим тестам. Такая диагностика является обязательным условием эксплуатации подсистем ПАЗ уровня SIL2 (Safety integrity level- интегральный уровень безопасности) и выше [31]. Выявленные во время диагностических тестов неработоспособные (или потенциально неработоспособные) модули и элементы подсистемы подлежат замене на новые элементы, прошедшие автономную процедуру подтверждения. Согласно действующим нормативным Российским и международным документам, после такой замены, вся подсистема ПАЗ должна пройти процедуру внеочередного подтверждения, но это не всегда возможно по технологии объекта. Важно оценить, как изменятся параметры безотказности подсистемы ПАЗ при замене отказавшего элемента на новый? На сегодняшний день нет нормативных документов, позволяющих производить такую замену и определить время добавленного ресурса подсистемы ПАЗ ИИУС.

Необоснованно завышенные расчетные параметры надёжности подсистемы ПАЗ ИИУС и как следствие необоснованно увеличенный интервал времени подтверждения соответствия, может привести к катастрофическим последствиям, что неоднократно случалось в промышленной истории. С другой стороны, необоснованно заниженные показатели безотказности подсистемы ПАЗ ИИУС, вынуждают эксплуатирующий персонал чаще останавливать эксплуатацию объекта для

проведения операций подтверждения соответствия, что существенно снижает экономические показатели эффективности подсистемы ПАЗ и ОПО в целом.

Не менее опасны и случаи ложных срабатываний подсистем ПАЗ, что также может привести к большому материальному ущербу и даже разрушению оборудования. Причины ложных срабатываний -невозможность проверки больших подсистем ПАЗ ИИУС методом «чёрного ящика», т.е. перебором всех возможных комбинаций входных воздействий и выявление комбинаций, приводящих к ложным срабатываниям функций ПАЗ ИИУС.

Все эти факты невыполнения функции безопасности подсистем ПАЗ являются следствием двух основных причин:

1. Снижения безотказности подсистем ПАЗ ИИУС вследствие концентрации их функций в одной системе и снижения общей надёжности системы.

2. Невозможности гарантированного подтверждения соответствия безопасности подсистем ПАЗ.

Безопасность ОПО обеспечивается выполнением требований по защите от превышения давления, температуры, достижения предела опасной концентрации и т.д. Каждое из этих требований обеспечивается соответствующей функцией безопасности. Входными параметрами функции безопасности являются значения физических параметров ОПО (давления, температуры, уровня и др.), результатом выполнения функции безопасности является воздействие на ОПО посредством исполнительного механизма (ИМ), переводящего ОПО в безопасное состояние.

Сложность функционирования современных подсистем ПАЗ в составе ИИУС заключается и в том, что подсистемы ПАЗ собрали в себе параметрические проблемы, свойственные информационно-измерительным системам, и проблемы функциональные, свойственные управляющим системам и системам релейной автоматики. Таким образом, параметрами качества подсистем ПАЗ стали в комплексе: метрологическая точность,

метрологическая температурная и временная стабильность, глубина диагностики датчиков и сенсоров, глубина диагностики интерфейсов, резервирование, дублирование, глубина диагностики исполнительных механизмов и пр.

Ввиду появления новых ПЖ, сочетающих в себе свойства больших контроллеров для распределённых систем управления (далее по тексту РСУ или DCS - Distributed control system) и имеющих в своём составе интеллектуальные модули, которые позволяют выполнять функции ПАЗ, появились предпосылки для создания новой структуры подсистем ПАЗ ИИУС. Данная структура призвана решить проблемы, возникающие на различных стадиях жизненного цикла систем безопасности.

Вместе с тем, кроме названных выше, нерешёнными остались вопросы оперативного подтверждения соответствия характеристик подсистем ПАЗ требуемым характеристикам, а также вопросы прогнозирования отказов и расчёта дополнительного ресурса подсистем противоаварийных защит ИИУС ОПО при замене элементов. В реально работающих ИИУС, замена деградировавших или отказавших элементов на новые, происходит постоянно, но не существует алгоритма определения дополнительного ресурса, который появляется в результате замены.

Для реализации данного подхода необходимо провести исследования, направленные на создание математической модели повышения безотказности подсистем ПАЗ ИИУС, разработать соответствующую структуру и проекты нормативных предложений для организации жизненного цикла подсистем ПАЗ, отвечающим высоким требованиям безопасности.

Цель работы состоит в совершенствовании эксплуатационных характеристик подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС.

Основные задачи работы:

1. Анализ структур подсистем ПАЗ в составе ИИУС и классификация их по признакам защит.

2. Совершенствование структуры подсистем ПАЗ, позволяющей осуществлять оперативную замену элементов подсистемы защит без остановки ОПО.

3. Разработка способов оперативного подтверждения соответствия параметров безотказности подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС интегральному уровню безопасности оборудования ОПО.

4. Разработка алгоритма расчёта продления ресурса подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС при замене элементов.

Объектом исследования в настоящей работе являются подсистемы ПАЗ ОПО в составе ИИУС.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы математического анализа, теории вероятности и математической статистики, теории надёжности, и теории погрешностей. Основные теоретические положения проверены экспериментально и путём моделирования на ЭВМ, с использованием пакетов программ Май^аЬ 6.5, ипипо<1,18а§гаГ, 3.5.

Научная новизна.

1. Предложена новая классификация подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС, отличающаяся введением новых классификационных признаков - универсальностью модулей ввода-вывода и местом локализации вычислителя функции безо