автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка методики анализа показателей надежности современных АСУ ТП ТЭС и АЭС

РГБ ОД

' ^ ч |>ол-|

, I

На правах рукописи

г

МЕЗИН Сергей Витальевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АНАЛИЗА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ АСУ ТП ТЭС И АЭС

Специальность 05.13.07 — Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена на кафедре "Автоматизировании системы управления тепловыми процессами" Московского Энергетического Института (Технического Университета) Научный руководитель: доктор технических наук

профессор Аракелян Э.К. Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор Володин В.М., кандидат технических наук с. н. с. Корягин А. В.

Ведущая организация: НИИ "ТЕПЛОПРИБОР"

Защита состоится "21" июня 2000 г. в 10.00 час. на заседании диссертационного совета К-053.16.01 Московского Энергетического Института (Технического Университета) (111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Энергетического Института (Технического Университета). Автореферат разослан " /9 " »¿/¿¿¿I_2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, К-053.16.01

Андрюшин А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Общеизвестно, что полезность и |)фективность генерирующего оборудования электро- и ;плоэнергетических комплексов современных ТЭС и АЭС в тчительной степени обусловлены аналогичными фактеристиками используемых систем и средств управления «личного уровня и назначения, в том числе и автоматизированных 1стем управления технологическими процессами (АСУ ТП).

К числу важнейших факторов полезности и эффективности 1мих АСУ ТП можно отнести их точность, экономичность, тожность и надежность. Эти факторы органически связаны друг с ругом и определяют главное назначение составляющих систему груктурных и функциональных компонентов: комплекса гхнических средств, программного и информационного эеспечения, обслуживающего персонала. Последние структурно и ункционально увязаны с общей системой управления тергетическими объектами, которые обычно имеют ногоуровневую иерархическую структуру (уровень ндивидуального и группового управления, уровень управления ^ергоблоками, уровень управления технологическим процессом в елом). Поэтому названные выше структурные и функциональные омпоненты АСУ ТП также организованы в многоуровневую ерархическую структуру, обладающую сложным поведением.

Среди важнейших характеристик эффективности ункционирования АСУ ТП особое место занимает надежность, пределяемая как комплексное свойство системы к сохранению во ремени в установленных пределах всех тех параметров, которые гражают способность системы выполнить требуемые функции в эданных режимах и условиях эксплуатации. Как следует из этого пределения, поиск более совершенных и адекватных методов и утей оценивания, анализа и совершенствования характеристик адежности АСУ ТП и их компонентов представляет важную аучную и практическую задачу.

Как известно, задачи повышения уровня надежности АСУ П могут решаться на различных этапах их жизненного цикла,

начиная со стадии разработки и проектирования, заканчивая стадие эксплуатации и модернизации. Можно с уверенность констатировать, что на настоящий момент отсутствуют методт комплексной оценки показателей надежности АСУ Т1 учитывающие надежность как технических средств, так и друг* составляющих, например, программного обеспечения ил оператора. Более того, надежность АСУ ТП ТЭС и АЭ( представляется невозможным рассматривать в отрыве от друге важных их характеристик, таких как: эффективност технологичность, экономичность, экологичность и др.

Настоящая работа имеет свой целью создание научи обоснованной методики расчета характеристик надежности АСУ Т ТЭС и АЭС, учитывающей многоуровневую иерархическу] природу системы управления, увязанную с многоуровнево структурой самого генерирующего оборудования.

Методика расчета исходит из многоуровневого описани процесса функционирования АСУ ТП и генерирующег оборудования, а также учитывает всю имеющуюся априорную эксплуатационную информацию относительно поведения надежности наиболее представительных элементов и подсисте АСУ ТП, формирующих надежность выполнения функций уровне АСУ ТП.

Исходными данными для разработки явились алгоритмы процедуры анализа иерархий, позволяющие на основе экспертно информации, источником которой служит обслуживающи персонал, установить важность учета и значимость влияния каждог из структурных и функциональных компонентов АСУ ТП генерирующего оборудования на характеристики надежност уровней функционирования системы.

Научная новизна работы состоит в:

- разработке концепции многоуровневого описани процесса функционирования автоматизированных систа управления технологическими процессами ТЭС и АЭС;

- интегрировании преимуществ структурных функциональных методов анализа и расчета характеристи надежности сложных систем вместе с современным

методами анализа иерархий, позволяющими оценить количественно влияние каждого из элементов уровней на характеристики надежности системы в целом и ее подсистем.

Практическая значимость работы заключается в:

— создании научно обоснованной методики для оценки и анализа показателей надежности современных АСУ ТП;

— применимости созданной методики для решения актуальной проблемы обоснованного выбора конкретной АСУ ТП при автоматизации различных объектов энергетики с учетом как надежности систем автоматизации, так и других их важнейших характеристик.

Достоверность и обоснованность результатов работы и 1водов обеспечивается:

— использованием моделей и методов теории иерархических систем, успешно зарекомендовавших себя в различных областях человеческой деятельности;

— использованием для анализа реальных систем данных из первоисточников и от компетентных специалистов;

— адекватностью получаемых оценочных показателей надежности действительному состоянию надежности систем и ее элементов.

Апробация работы. Основные положения, решения и зультаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

1. На Пятой (1999 г.) и Шестой (2000 г.) Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва);

2. На научно-техническом семинаре "Опыт внедрения и эксплуатации автоматизированных систем управления предприятиями (АСУП) тепловых и атомных электростанций" (г. Москва, 2000 г.);

3. На заседаниях кафедры АСУ ТП МЭИ (ТУ).

Публикации. Основные положения и результаты диссертаци отражены в пяти печатных трудах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введение 4 глав, основных выводов, 1 приложения и библиографическог списка использованной литературы из 46 наименований. Он изложена на 107 страницах машинописного текста, включая 1 рисунков и 14 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрено состояние вопроса оценк надежности автоматизированных систем управлени технологическими процессами тепловых и атомных электрически станций. Проведенный анализ существующих работ по проблема! надежности позволяет с уверенностью говорить о достаточна основательной теоретической базе, сформировавшейся на сегодня области надежности. Однако, весьма сложная структур современных АСУ ТП ТЭС и АЭС и тенденция к дальнейшему и усложнению приводит к крайне затруднительному применена классической теории надежности, а зачастую - и вообще принципиальной невозможности.

Наличие в составе современных АСУ ТП ТЭС и АЭС таки: компонентов, как программное обеспечение, оператор и др., дл которых на сегодня нет общепризнанных методик определени показателей их надежности, приводит к значительным трудностям ! оценке надежности системы в целом.

Рассмотрение АСУ ТП ТЭС и АЭС с точки зрени. квалиметрии показывает, что надежность играет одну из главны: ролей среди показателей эффективности этих систем, а значит поис] более совершенных и адекватных методов и путей оценивания анализа и совершенствования характеристик надежности АСУ ТП 1 их компонентов представляет важную научную и практическун задачу.

Существующие традиционные структурный I функциональный подходы к анализу надежности АСУ ТП, подробн< рассмотренные в этой главе, несомненно играли и продолжаю

грать существенную роль в общей теории надежности технических истем, позволяя получать количественные оценки надежности тех ли иных систем. Однако, учитывая ярко выраженный [ногоуровневый, иерархический характер АСУ ТП ТЭС и АЭС ыло бы весьма полезно и уместно применение к рассмотрению адежности этих систем методов и процедур анализа иерархий.

Во второй главе излагается методика анализа надежности >СУ ТП ТЭС и АЭС на основе методов и процедур анализа ерархий. С целью более полного понимания, интерпретации и ценивания базовых системных свойств АСУ ТП, а также учитывая онтекст, в котором эти системы рассматриваются и применяются писание процесса их функционирования ведется на следующих ровнях описания:

- уровень физических процессов;

- уровень обработки информации;

- уровень принятия решения и управления.

Логическая схема соответствующего многоуровневого писания АСУ ТП с учетом естественных связей между уровнями редставлена на рис. 1._

>

Верхний уровень (управления и принятия решений)

7\

,{и,}теит

>

Промежуточный уровень (обработки информации/

l,Z|}uy£Zm

7\

{•^Лнуе^ну .

ООЕ=С>

.¡г/,}нуе?/„у

Нижний уровень (физических процессов)

{У/}цу£>в>

МнуеРт

Ъ'/}ц уб^ну

Рис. 1. Многоуровневое представление АСУ ТП ГЭС и АЭС {*,}, (у,}, {«Л, {?,( - множества входных, выходных, управляющих и информационных сигналов подсистем верхнего (ВУ). промежуточного (ПУ) и нижнего (НУ) уровней

На уровне физических процессов рассматриваются т физические законы и закономерности, которые управляют работой: взаимодействием составляюших АСУ ТП частей и ответственны з правильное и надежное функционирование.

Уровень обработки информации (данных) характеризуете процессами математических преобразований и вычислений, результате которых формируются и передаются информационны потоки.

Последний - третий уровень характеризует систему с точк зрения преобразования оперативным персоналом точной, полной достоверной информации о состоянии процессов в управляющи решения, а также их реализацию с помощью соответствующи органов регулирования и управления.

Отталкиваясь от методов и процедур анализа иерархи? создана соответствующая формализованная математическая схем; позволяющая получить искомые оценки, основываяс исключительно на суждениях экспертов.

Сосредоточим внимание на конкретном уровне обозначим Ки Кг, ..., К„ - наиболее представительные, по мненш группы экспертов, компоненты этого уровня по надежности. Групп экспертов сравнивает компонент К, с компонентом К} устанавливает количественное выражение своего суждения о относительной важности этих компонентов в виде чисел я,;, /, / = ] 2, .... п. В результате этого действия формируется матрица л размерности п х п, содержащая всю имеющуюся информацш относительно сравниваемых друг с другом пар (К), /<}), /,_/ == 1,2, .. п. По соображениям, связанным с требованиями согласованности, матрице попарного сравнения предполагается, что элемент] взаимообратны, т.е. для всех /..у =1,2,...,« имеет место условие а,у 1/ а}1. Помимо целесообразности, это условие является важно предпосылкой для установления существования единственног неотрицательного решения для шкалы отношений.

После того, как количественные суждения представлен! квадратной матрицей А = \\ау\\, задача сводится к тому, чтобы компонентам К\, К2, ..., К„ поставить в соответствие множеств числовых весов (коэффициентов относительной важности) и^, м> , и',,, отражающие суждения экспертов.

Между суждениями а,7 и соответствующими величинами и>, и , предполагается естественная связь я,у = / му, что эквивалентно сражению

aij^wj=wh i,j= 1,2,..., п. (1)

Взяв сумму из обеих частей (1) по индексу /, получим:

п

м

или в матричной форме:

А\у = Л\У, (2)

К w = (ч>1, ц'2,..., н'„)г - вектор оценок относительной важности.

Уравнение (2) представляет из себя известную задачу о эбственных значениях. Свойства матрицы парных сравнений А квивалентны свойству согласованности:

• я,* = оцсУ V /', у", к. (3)

Единственное решение лу с неотрицательными компонентами '„ I = 1, 2,..., п, уравнения (2) должно удовлетворять уравнению

(А - я!) • мг = 0, (4)

це I - единичная матрица размерности п.

Ненулевое решение (4) получаем из уравнения: с!е1(А - п\) = 0.

Поскольку в общем случае нельзя требовать, чтобы числовые ыражения экспертных оценок а,у удовлетворяли условию огласованности (4), т.к. человеческие ощущения нельзя выразить с омощью подобных точных формул. В терминах собственных начений это означает, что согласованность имеет место тогда и олько тогда, когда максимальное собственное значениеХ.тах [атрицы суждений А равно п, а в остальных случаях имеет место еравенствоХпих ^ п, следовательно величина п может служить герой отклонения элементов матрицы А, а следовательно и уждений экспертов, от согласованности.

Таким образом, задача заключается в нахождении вектора : (У;, W2.--.Wn) , ассоциированного с собственным значением А.тах 1атрицы А из уравнения

А'*У = Хщах "УУ.

Для анализа структур, состоящих из N уровней, предлагается

нахождение степеней влияния элементов низших уровней п< отношению к единственному элементу г верхнего, исходя и соотношения:

где N > 3, а через / Б^) обозначена матрица взаимодействие оценок важности между элементами совокупностей двух соседние уровней Я, и 5,-1.

Для расчета характеристик надежности уровней и системы I целом предлагаются следующие формулы:

где Ни и Нс - характеристики надежности к-ого уровня и системь соответственно, и',* - весовая характеристика /-го элемента ¿-огс уровня, Гц - его характеристика надежности.

В третьей главе предлагаются процедуры коррекции экспертных оценок и оптимизации характеристик надежное™ системы в целом и отдельных ее страт.

В соответствии с пожеланиями экспертов, в зависимости от требований к надежности системы предложены два варианта алгоритма коррекции экспертных оценок - автоматический и автоматизированный. В первом случае, порог надежности определяется заранее, до получения вектора коэффициентов относительной важности. Во втором случае, эксперт назначает этот порог в соответствии со своими предпочтениями при наличии информации о степени влияния каждого элемента матрицы попарных сравнений на надежность уровня.

Для оптимизации характеристик надежности на уровне страты получена стандартная задача математического программирования, имеющая вид:

А"

= «г(52 /г). П),

3

\еХ^Ер

•де X с Ер - некоторое открытое подмножество Ер, на котором >пределены функции надежности гц^х) и функции-ограничения ¡г/4(х) и й*(х).

Для всей системы:

^ '1С

Н = ПЕ% • Ъ(*)) -> тах

¡Ы 1=1 ч(х) < О,

(5)

Ь(х) = О,

хеХ^Е".

где через q(x), Ь(х) обозначены общие (векторные) ограничения.

Решение этой общей задачи позволит найти оптимальные [возможно - локальные) значения конструктивных или режимных параметров, которые обеспечат максимально возможное значение надежности всей системы. Оно, очевидно, будет отражать "локальные" стратегии оптимизации и на уровнях (стратах).

В случае наличия переменных параметров и параметров, связанных, например, с конкретными условиями и режимами функционирования АСУ ТП и тех технических комплексов, с которыми она увязана в единый контур управления, вместо (5), необходимо решить задачу многокритериальной оптимизации:

Я =

=> шах ч(*)* о,

Ь(х)= О, хе!с Ер.

В этом случае необходимо найти компромиссное решение хэ (эффективное по Парето), являющееся "разумным" компромиссом между локальными оптимальными решениями х*к, к = 1, 2, 3 соответствующих задач:

нк = 2X • r'k(*)max>

,=' qW^O,

h(!) = 0, xelcF.

Таким образом, предложенная процедура оптимизации характеристик надежности, позволяет с точки зрения параметров, структуры или алгоритмов системы найти наиболее предпочтительное их сочетание для обеспечения достаточного уровня надежности как по ведущим трем стратам функционирования системы, так и в масштабах системы в целом.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена программной поддержке разработанной методики и ее практическому применению.

Для целей построения и анализа иерархий с помощью системы программирования Visual С++ 5.0 с использованием библиотеки классов MFC был разработан программный продукт "Helpex" ("помощник эксперта").

Эта программа позволяет визуализировать процесс создания иерархий различных типов, проводить их корректировку, сохранение и, конечно же, проводить анализ иерархий в соответствии с вышеизложенным подходом, а именно находить, основываясь на экспертной информации приоритеты элементов, лежащих на нижнем уровне иерархии, по отношению к единственному элементу верхнего уровня. Программа также приспособлена для решения одноуровневой задачи ранжирования по экспертным оценкам совокупности элементов путем решения задачи о собственном векторе и собственном значении.

Программа занимает порядка 165 Кб дискового пространства, функционирует под операционными системами Windows NT, Windows 95 и выше и выполнена как многодокументное Windows приложение.

Для иллюстрации вышеизложенного метода анализа показателей надежности АСУ ТП на основе экспертных оценок приводится рассмотрение системы TELEPERM ME как

1ерархичеекой структуры. Сначала даются общие сведения о •истеме, ее назначении, основных компонентах и т.п., приводятся юступные сведения по надежностным характеристикам элементов :истемы и ссылки на источники этой информации. Далее, наиболее ¡начимые с точки зрения надежности элементы системы заспределяются по принятым уровням описания АСУ ТП физических процессов; обработки, передачи и распределения {анных; управления и принятия решений). Затем, для отобранных •лементов в пределах каждого уровня проводится процедура трного сравнения степени важности учета по критерию гадежности, и, в соответствии с разработанной методикой, ¡ыводятся числовые представления о степени влияния элементов на надежность уровня и системы в целом. Далее, путем агрегирования юказателей надежности всех уровней системы с учетом юлученных для них весовых коэффициентов, получена оценка тдежности всей системы.

Расчеты проводились на основе следующих экспертных эценок:

- для уровня физических процессов:

Табл. 1.

№ Элементы уровня Экспертные оценки

п/п 1 2 3 4

1 Устройства питания 1 1/5 1/7 1/9

2 Арматура 5 1 1/2 1/4

3 Двигатели (со своими схемами управления) 7 2 1 1/3

4 Первичные преобразователи, датчики 9 4 3 1

- для уровня обработки, передачи и распределения данных:

Табл. 2.

№ Элементы уровня Экспертные оценки

п/п 1 2 3 4

1 Модули 1 3 1 9

2 Источник питания 24 V 1/3 1 1/3 6

3 Конвертер и/1 1 3 1 9

4 Пользовательское ПО П уровня 1/9 1/6 1/9 1

- для уровня управления и принятия решений:

Табл. 3

№ Подуровни уровня Экспертные оценки

п/п 1 2

1 Технический фактор 1 1/7

2 Человеческий фактор (Оператор) 7 1

— для подуровня " Технический фактор ":

Табл. 4

№ Элементы подуровня Экспертные оценки

п/п 1 2 3 4 5

1 РС 1 1/3 3 5 8

2 Монитор 3 1 6 6 9

3 FAZ 1/3 1/6 1 3 7

4 Источник питания 1/5 1/6 1/3 1 6

5 Пользовательское ПО I уровня 1/8 1/9 1/7 1/6 1

- для системы в целом:

Табл. 5.

№ Уровни системы Экспертные оценки

п/п 1 2 3

1 Уровень физических процессов 1 9 5

2 Уровень обработки, передачи и распределения данных 1/9 1 1/6

3 Уровень управления и принятия решений 1/5 6 1

После проведения машинных расчетов получены следующие результаты для коэффициентов относительной важности компонентов по уровням:

— для уровня физических процессов:

Табл. 6.

№ п/п Наименование элемента уровня Коэффициент относительной важности

1 Устройства питания 0.041157

2 Арматура 0.15156

3 Двигатели (со своими схемами управления) 0.25036

4 Первичные преобразователи, датчики 0.55692

- для уровня обработки, передачи и распределения данных:

Табл. 7.

№ Наименование элемента уровня Коэффициент

п/п относительной важности

1 Модули 0.40041

2 Источник питания 24 V 0.16136

3 Конвертер Щ 0.40041

4 Пользовательское ПО П уровня 0.037816

- для уровня управления и принятия решений:

Табл. 8.

Ле Наименование подуровня уровня Коэффициент

п/п относительной важности

1 Технический фактор 0.12467

2 Человеческий фактор (Оператор) 0.87533

— для подуровня " Технический фактор ":

Табл. 9.

№ Наименование элемента Коэффициент

п/п подуровня относительной

важности

1 РС 0.25914

2 Монитор 0.50653

3 FAZ 0.13129

4 Источник питания 0.076208

5 Пользовательское ПО I уровня 0.026829

- для уровня управления и принятия решений в целом (с учетом оператора):

Табл. 10.

№ п/'п Наименование элемента уровня Коэффициент относительной важности

1 РС 0.032307

2 Монитор 0.063149

3 FAZ 0.016368

4 Источник питания 0.009501

5 Пользовательское ПО I уровня 0.003345

6 Оператор 0.87533

- для системы в целом: Табл. 11

№ п/п Наименование уровня системы Коэффициент относительной важности

1 Уровень физических процессов 0.72837

2 Уровень обработки, передачи и распределения данных 0.054104

3 Уровень управления и принятия решений 0.21753

Итоговая таблица для системы в целом поел упорядочивания по возрастанию степеней важности и перехода о относительных единиц к процентам, имеет вид:

Табл. 1.

№ п/п Уровень принадлежности Наименование элемента системы Коэффициент относительной важности, %

1 I Пользовательское ПО I уровня 0.0727638

2 II Пользовательское ПО П уровня 0.2045997

3 I Источник питания 0.2066753

4 I FAZ 0.3560531

5 I PC 0.7027742

6 II Источник питания 24 V 0.8730221

7 I Монитор 1.3736802

8 II Модули 2.1663783

9 II Конвертер U/1 2.1663783

10 III Устройства питания 2.9977524

11 III Арматура 11.0391757

12 III Двигатели (со своими схемами управления) 18.2354713

13 I Оператор 19.0410535

14 III Первичные преобразователи, датчики 40.564382

Результаты (табл.12) показали, что первичные преобразователи, датчики в системе автоматизации на базе 'ГЕЬЕРЕЮМ МЕ получили рейтинг самого слабого звена с точки

¡рения надежности их работы. Это полностью согласуется с фактикой функционирования системы ТЕЬЕРЕКМ МЕ на юссийских объектах управления, где принято нижний уровень ютоматизации оставлять без кардинального переоборудования, а модернизацию проводить на верхних уровнях АСУ ТП.

Указанные факторы, а именно работа оператора и функционирование исходных средств автоматизации нижнего /ровня, существенно снижают общую надежность АСУ ТП на базе системы ТЕЬЕРЕКМ МЕ, и главным направлением при выборе 1утей повышения надежности АСУ ТП должно быть качественное улучшение надежности именно этих составляющих системы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Практическую значимость предлагаемого в диссертационной работе многоуровневого методического подхода к анализу характеристик надежности АСУ ТП составляет информация относительно влияния каждого рассматриваемого элемента системы на ее итоговую надежность, на надежность конкретного уровня или, в рамках задачи сравнения нескольких систем, рейтинг-список рассматриваемых систем по выбранным критериям, что может существенно помочь в решении очень актуальной на сегодня проблемы обоснованного выбора для автоматизации объектов энергетики конкретной АСУ ТП из огромного числа предлагаемых на рынке.

2. При соответствующем агрегировании полученных оценок влияния элементов с учетом реальных характеристик их надежности возможно получение итоговых результатов в виде общепринятых показателей надежности (наработка на отказ, интенсивность отказов и др.), т.е. разработанная методика учитывает тот научный потенциал, который имеется в настоящее время в теории надежности. Научная новизна диссертационной работы, в частности, состоит именно в интегрировании преимуществ структурных и функциональных методов анализа и расчета характеристик надежности сложных систем с современными методами анализа иерархий, позволяющими оценить количественно

роль каждого из элементов уровней на характеристики надежности системы в целом и ее подсистем.

3. Предлагаемая методика анализа АСУ ТП не замыкается только лишь на надежностные характеристики этих систем, она легко применима под конкретную задачу. При выборе соответствующего состава экспертов с помощью предлагаемых методов и процедур можно рассматривать, к примеру, экономические, экологические, эргономические и др. характеристики АСУ ТП. Многообразие сфер приложения разработанной методики во многом определяет ее практическую ценность.

4. Методика снабжена программной поддержкой, реализованной на современном программном уровне, что значительно упрощает математические расчеты и позволяет быстро и удобно для пользователя проводить анализ различных иерархических структур.

5. Предложенная методика расчета характеристик надежности АСУ ТП, снабженная процедурами коррекции экспертных оценок и оптимизации как на уровне отдельных страт, так и на уровне всей системы, представляет собой цельный и законченный аппарат для формирования эффективного системного подхода к актуальной проблеме оценки уровня надежности систем автоматизации и активного воздействия на них с целью обеспечения достаточной их надежности.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Э.К. Аракелян, P.E. Саркисян, C.B. Мезин. К оцениванию характеристик надежности АСУ ТП с помощью методов и процедур анализа иерархий, - Изд. МЭИ, "Теория и практика построения и функционирования АСУ ТП: Сб. науч. трудов.", 1998. - С. 16-25.

2. C.B. Мезин, Э.К. Аракелян. К оцениванию характеристик надежности АСУ ТП с помощью методов и процедур анализа иерархий // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Пятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. - Изд. МЭИ, 1999. - С. 317-319.

3. Э.К. Аракелян, P.E. Саркисян, C.B. Мезин. Методика асчета характеристик надежности АСУ ТП на основе концепции нализа иерархий // Вестник МЭИ. - 2000. - №1. - С. 23-35.

4. C.B. Мезин, Э.К. Аракелян. Методика расчета арактеристик надежности АСУ ТП на основе концепции анализа ерархий // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. ,окл. Шестой Международной научно-техническая конференции тудентов и аспирантов - Изд. МЭИ, 2000. - С. 195-196.

5. C.B. Мезин, Э.К. Аракелян, P.E. Саркисян, М.А. Панько. )ценка характеристик надежности АСУ электростанций // Опыт недрения и эксплуатации автоматизированных систем управления |редприятиями (АСУП) тепловых и атомных электростанций: Материалы научно-технического семинара - Изд. ВНИИЭ, 2000. ~ :. 19-21.

Печ: л. (fi 5_Тиражу Заказ

Типография МЭИ, Крапюказармекная. ].'}

Аннотация.

Введение.

Глава 1. Современные концепции исследования структурной и функциональной надежности АСУ ТП и ее компонентов

1.1 Краткий обзор существующих работ по проблемам надежности.

1.2 Характеристики эффективности АСУ ТП ( точность, экономичность, сложность, надежность).

1.3 Методы оценивания структурной надежности АСУ ТП.

1.4 Методы оценивания функциональной надежности АСУ ТП.

1.5 Выводы по главе.

Глава 2. Расчет характеристик надежности АСУ ТП на основе методов и процедур анализа иерархий

2.1 Многоуровневое (стратифицированное) описание процесса функционирования АСУ ТП.

2.2 Относительная важность элементов в формировании характеристик надежности страты.

2.3 Шкала отношений для матриц парных сравнений.

2.4 Оценивание относительной важности компонентов, образующих доминантную иерархию.

2.5 Расчет характеристик надежности страт и системы.

2.6 Выводы по главе.

Глава 3. Процедуры корректировки и оптимизации характеристик надежности АСУ ТП

3.1 Процедура корректировки оценок.

3.2 Процедура оптимизации.

3.3 Выводы по главе.

Глава 4. Программное обеспечение методики и ее практическое применение

4.1 Описание программного продукта Не1рех.

4.2 Расчет характеристик надежности системы ТЕЬЕРЕКМ МЕ

4.2.1 Краткое описание системы ТЕЬЕРЕКМ МЕ.

4.2.2 Распределение элементов системы по уровням.

4.2.3 Исходные данные для матриц суждений.

4.2.4 Результаты обработки матриц суждений.

4.2.5 Расчет характеристик надежности страт и системы.

4.3 Выводы по результатам расчетов.

Общеизвестно, что полезность и эффективность генерирующего оборудования электро- и теплоэнергетических комплексов современных ТЭС и АЭС в значительной степени обусловлены аналогичными характеристиками используемых систем и средств управления различного уровня и назначения, в том числе и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) [14, 18, 19, 26, 36].

К числу важнейших факторов полезности и эффективности самих АСУ ТП можно отнести их точность, экономичность, сложность и надежность. Эти факторы органически связаны друг с другом и определяют главное назначение составляющих систему структурных и функциональных компонентов: комплекса технических средств, программного и информационного обеспечения, обслуживающего персонала. Последние структурно и функционально увязаны с общей системой управления энергетическими объектами, которые обычно имеют многоуровневую иерархическую структуру (уровень индивидуального и группового управления, уровень управления энергоблоками, уровень управления технологическим процессом в целом). Поэтому названные выше структурные и функциональные компоненты АСУ ТП также организованы в многоуровневую иерархическую структуру, обладающую сложным поведением.

Среди важнейших характеристик эффективности функционирования АСУ ТП особое место занимает надежность, определяемая как комплексное свойство системы к сохранению во времени в установленных пределах всех тех параметров, которые отражают способность системы выполнить требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации [46]. Как следует из этого определения, поиск более совершенных и адекватных методов и путей оценивания, анализа и совершенствования характеристик надежности АСУ ТП и их компонентов представляет важную научную и практическую задачу [1, 11, 17, 42, 44, 45].

Как известно, задачи повышения уровня надежности АСУ ТП могут решаться на различных этапах их жизненного цикла, начиная со стадии разработки и проектирования, заканчивая стадией эксплуатации и модернизации. Можно с уверенностью констатировать, что на настоящий момент отсутствуют методики комплексной оценки показателей надежности АСУ ТП, учитывающие надежность как технических средств, так и других составляющих, например, программного обеспечения или оператора. Более того, надежность АСУ ТП ТЭС и АЭС, представляется невозможным рассматривать в отрыве от других важных их характеристик, таких как: эффективность, технологичность, экономичность, экологичность и др.

Исходя из вышесказанного, можно сформулировать цели и задачи диссертационной работы.

Цель работы - создание научно обоснованной методики расчета характеристик надежности АСУ ТП ТЭС и АЭС, учитывающей многоуровневую иерархическую природу системы управления, увязанную с многоуровневой структурой самого генерирующего оборудования.

Методика расчета должна исходить из стратифицированного описания процесса функционирования АСУ ТП и генерирующего оборудования, а также учитывать всю имеющуюся априорную и эксплуатационную информацию относительно поведения и надежности наиболее представительных элементов и подсистем АСУ ТП, формирующих надежность выполнения функций уровней АСУ ТП.

Исходными данными для разработки являются алгоритмы и процедуры анализа иерархий, позволяющие на основе экспертной информации, источником которой служит обслуживающий персонал, установить важность учета и значимость влияния каждого из структурных и функциональных компонентов АСУ ТП и генерирующего оборудования на характеристики надежности уровней функционирования системы.

Конкретные задачи исследований, решаемые в работе, следующие:

- разработка концептуальной модели многоуровневого описания процесса функционирования АСУ ТТ1 на уровнях физических процессов, обработки данных и принятия решений по управлению технологическим комплексом;

- построение аналитической модели для обработки экспертной информации относительно роли и важности компонентов в формировании характеристик надежности уровней, основанной на методах и процедурах анализа иерархий;

- разработка машинной программы, реализующей обработку экспертных данных и системное ее оформление в виде проблемно-ориентированной диалоговой системы для расчета и анализа характеристик надежности АСУ ТП и уровней ее функционирования, обеспечивающей простоту применения и легкость учета технических и психологических особенностей обслуживающего персонала, которая была бы открыта для развития и совершенствования;

- внедрение результатов разработки в энергетику, практическое их применение в расчетах характеристик надежности различных систем (на примере ТЕЬЕРЕКМ МЕ).

Научная новизна работы состоит в:

- разработке концепции стратифицированного описания процесса функционирования систем автоматизации ТЭС и АЭС;

- интегрировании преимущества структурных и функциональных методов анализа и расчета характеристик надежности сложных систем вместе с современными методами анализа иерархий, позволяющими оценить количественно роль каждого из элементов уровней на характеристики надежности системы в целом и ее подсистем.

Практическая значимость работы заключается в:

- создании научно обоснованной методики для оценки и анализа показателей надежности современных АСУ ТП;

- применимости созданной методики для решения актуальной проблемы обоснованного выбора конкретной АСУ ТП при автоматизации различных объектов энергетики с учетом как надежности систем автоматизации, так и других их важнейших характеристик.

Достоверность и обоснованность результатов работы и выводов обеспечивается:

- использованием моделей и методов теории иерархических систем, успешно зарекомендовавших себя в различных областях науки;

- использованием для анализа реальных систем данных из первоисточников и от компетентных специалистов;

- адекватностью получаемых оценочных показателей надежности действительному состоянию надежности систем и ее элементов.

Апробация работы. Основные положения, решения и результаты разработки докладывались на Пятой (1999 г.) и Шестой (2000 г.) Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва), на научно-техническом семинаре "Опыт внедрения и эксплуатации автоматизированных систем управления предприятиями (АСУП) тепловых и атомных электростанций" (г. Москва, 2000 г.), на заседаниях кафедры АСУ ТП МЭИ (ТУ).

Публикации. По теме диссертационной работы имеется 5 публикаций, перечень которых приведен ниже.

1. Э.К. Аракелян, Р.Е. Саркисян, C.B. Мезин. К оцениванию характеристик надежности АСУ ТП с помощью методов и процедур анализа иерархий, - Изд. МЭИ, "Теория и практика построения и функционирования АСУ ТП: Сб. науч. трудов.", 1998. - С. 16-25

2. C.B. Мезин, Э.К. Аракелян. К оцениванию характеристик надежности АСУ ТП с помощью методов и процедур анализа иерархий, - Изд. МЭИ, "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Пятая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов", 1999. - С. 317-319

3. Э.К. Л ракеля н, P.E. Саркисян, C.B. Мезин. Методика расчета характеристик надежности АСУ ТП на основе концепции анализа иерархий// Вестник МЭИ. 2000. №1. - С. 23-35

4. C.B. Мезин, Э.К. Аракелян. Методика расчета характеристик надежности АСУ ТП на основе концепции анализа иерархий. - Изд. МЭИ, "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Шестая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов", 2000. - С. 195-196

5. C.B. Мезин, Э.К. Аракелян, P.E. Саркисян, М.А. Панько. Оценка характеристик надежности АСУ электростанций. - Изд. ВНИИЭ, Материалы научно-технического семинара "Опыт внедрения и эксплуатации автоматизированных систем управления предприятиями (АСУП) тепловых и атомных электростанций", 2000. - С. 19-21

Личный вклад автора заключается в:

- объединении преимуществ структурных и функциональных подходов к анализу и расчету характеристик надежности АСУ ТП с современными методами и процедурами анализа иерархий, позволяющими оценить количественно роль каждого из элементов системы на ее характеристики надежности, а также характеристики надежности ее подсистем;

- сборе по каталогам и техническим описаниям информации относительно элементного и модульного состава рассматриваемых анализируемых систем и дальнейшей ее обработке с разделением компонентов по стратам описания и организацией процедуры экспертного оценивания степеней важности их учета в формировании характеристик надежности системы;

- разработке и отладке программного обеспечения для построения иерархий и их анализа по методу собственных значений, а также проведении тестовых расчетов с помощью разработанного ПО.

Основные выводы

1. Практическую значимость предлагаемого в диссертационной работе стратифицированного методического подхода к анализу характеристик надежности АСУ ТП составляет информация относительно влияния каждого рассматриваемого элемента системы на ее итоговую надежность, на надежность конкретного уровня или, в рамках задачи сравнения нескольких систем, рейтинг-список рассматриваемых систем по выбранным критериям, что может существенно помочь в решении очень актуальной на сегодня проблемы обоснованного выбора для автоматизации объектов энергетики конкретной АСУ ТП из огромного числа предлагаемых на рынке.

2. При соответствующем агрегировании полученных оценок влияния элементов с учетом реальных характеристик их надежности возможно получение итоговых результатов в виде общепринятых показателей надежности (наработка на отказ, интенсивность отказов и др.), т.е. разработанная методика учитывает тот научный потенциал, который имеется в настоящее время в теории надежности. Научная новизна диссертационной работы, в частности, состоит именно в интегрировании преимуществ структурных и функциональных методов анализа и расчета характеристик надежности сложных систем с современными методами анализа иерархий, позволяющими оценить количественно роль каждого из элементов уровней на характеристики надежности системы в целом и ее подсистем.

3. Предлагаемая методика анализа АСУ ТП не замыкается только лишь на надежностные характеристики этих систем, она легко применима под конкретную задачу. При выборе соответствующего состава экспертов с помощью предлагаемых методов и процедур можно рассматривать, к примеру, экономические, экологические, эргономические и др. характеристики АСУ ТП. Многообразие сфер приложения разработанной

79 методики во многом определяет ее практическую ценность .

4. Методика снабжена программной поддержкой, реализованной на современном программном уровне, что значительно упрощает математические расчеты и позволяет быстро и удобно для пользователя проводить анализ различных иерархических структур.

5. При анализе результатов проведенных в диссертационной работе расчетов показателей надежности АСУ ТП (на примере системы ТЕЬЕРЕЯМ МЕ), становиться очевидным, что наиболее слабое звено в современных системах автоматизации - это средства нижнего уровня, такие как, задвижки, клапана, исполнительные механизмы, первичные датчики, а также человек-оператор. Таким образом, именно эти составляющие АСУ ТП в первую очередь нуждаются в существенном улучшении характеристик надежности.

6. Предлагаемая методика расчета характеристик надежности АСУ ТП, снабженная процедурами коррекции экспертных оценок и оптимизации как на уровне отдельных страт, так и на уровне всей системы, представляет собой цельный и законченный аппарат для формирования эффективного системного подхода к актуальной проблеме оценки уровня надежности систем автоматизации и активного воздействия на них с целью обеспечения достаточной их надежности.

1. Антонов A.B., Острейковский В.А. Оценивание характеристик надежности элементов и систем ЯЭУ комбинированными методами. М.: Энергоатомиздат, 1993. -251 с.

2. Базара М., Шетти К. Нелинейное программирование. Теория и алгоритмы. -М.: Мир, 1982.-583 с.

3. Банди Б. Методы оптимизации. М.: Радио и связь, 1988. - 128 с.

4. Барлоу Р., Прошан Ф. Математическая теория надежности. М.: Советское радио, 1969. - 488 с.

5. Биллиг В.А., Мусикаев И.Х. Visual С++ 4. Книга для программистов. М.: Изд. отдел "Русская Редакция" ТОО "Channel Trading Ltd.", 1996. - 352 с.

6. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1986. - 544 с.

7. Вилкомир С.А., Виноградская С.В., Ястребенецкий М.А. Комплекс программ для оценки надежности систем автоматизации электростанций. // Приборы и системы управления. 1994.- №7- С.32-36

8. Гадасин В.А., Ушаков И.А. Надежность сложных информационно-управляющих систем. М.: Советское радио, 1975. - 191 с.

9. Галактионов А.И. Представление информации оператору. М.: Энергия, 1969. -136 с.

10. Гаркуша В.В., Зензина A.C., Рубо Ю.В. Расчет показателей надежности технологических защит программно-технического комплекса "ПТК -Новосибирск" для АСУ ТП ТЭС// Промышленная энергетика. 1996.- №3,-С.35-39

11. Генис Я.Г., Ястребенецкий М.А. Надежность автоматизированных систем: прошлое, настоящее, будущее// Приборы и системы управления. 1994.-№4- С.44-46

12. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности, М.: Наука, 1965. - 524 с.

13. ГОСТ 24.701-86 ЕСС АСУ. Надежность АСУ. Основные положения.

14. Дуэль М.А. Автоматизированные системы управления энергоблоками с использованием средств вычислительной техники, М.: Энергоатомиздат,1983.-207 с.

15. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бейсик для персональных ЭВМ, М.: Наука, 1989. - 240 с.

16. Искусственный интеллект. В 3-х кн. Справочник/ Под ред. Э. В. Попова -М.: Радио и связь, 1990.

17. Калашников A.A., Ринкус Э.К. и др. Оценка технического уровня ПТК АСУ ТП энергоблоков ТЭС// Теплоэнергетика. 1996,- №10,- С. 16-22

18. Китушин В.Г. Надежность энергетических систем. М.: Высшая школа,1984.-256 с.

19. Клемин А.И. Надежность ядерных энергетических установок: Основы расчета., М.: Энергоатомиздат, 1987. - 342 с.

20. Клер А.И., Деканова Н.П. и др. Методы оптимизации сложных теплоэнергетических установок. Новосибирск: Наука. Сиб. изд. Фирма, 1993.-113 с.

21. Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных задач. М.: Радио и связь, 1990. - 538 с.

22. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. М:. Мир, 1973. - 344 с.

23. Методика оценки экономической эффективности отраслевых автоматизированных систем управления (ОАСУ) в промышленных министерствах, всесоюзных и республиканских промышленных объединениях. -М.: Экономика, 1976. 52 с.

24. Мороз Г.Б. Пуассоновские модели роста надежности программного обеспечения и их применение: Аналитический обзор// Управляющие системы и машины. 1996,- №1/2,- С.69-84

25. Надежность автоматизированных систем управления/ под ред. Хетагурова Я.А. М.: Высшая школа, 1979. 287 с.

26. Надежность теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС под. ред. Андрющенко А.И., М.: Высшая школа, 1991. - 302 с.

27. Надежность технических систем: Справочник под ред. Ушакова И. А. -М.: Радио и связь, 1985. 608 с.

28. Пальчун Б.П., Юсупов P.M. Оценка надежности программного обеспечения. СПб.: Наука, 1994. - 84 с.

29. Подиновский В.В., Ногин В.Д. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач. -М.: Наука, 1982. 254 с.

30. Поллак Ю.Г. Вероятностное моделирование на электронно-вычислительных машинах. -М.: Наука, 1971. 580 с.

31. Потапова Т.Б. Методы обеспечения надежности человеко-машинных систем управления технологическими участками в непрерывном производстве// Приборы и системы управления. 1996.- №3.- С.8-9

32. Райншке К., Ушаков И.А. Оценка надежности систем с использованием графов. М.: Радио и связь, 1988. - 208 с.

33. Ринкус Э.К. Нормирование показателей надежности АСУ ТП энергоблоков ТЭС// Теплоэнергетика. 1996.- №1,- С.57-61

34. Ринкус Э.К. Нормирование показателей надежности систем технологических защит энергоблоков ТЭС// Теплоэнергетика. 1996.-№10.- С.54-57

35. РМ 25.850-87 АСУ ТП АЭС. Надежность. Общие требования.

36. Руденко Ю.Н., Ушаков H.A. Надежность систем энергетики, М.: Энергоатомиздат, 1986. -251 с.

37. Саати Т. Взаимодействия в иерархических системах// Техническая кибернетика. -№1.-1979.- С.68-84

38. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий. М.: Радио и связь, 1993.-320 с.

39. Саркисян P.E. Адаптивные процедуры для диалоговых систем: методы производных по направлению. Докторская диссертация. Ереван, Ереванский государственный инженерный университет, 1992. - 313 с.83

40. Самохвалов Ю.Я. Совершенствование метода анализа иерархий как методологической основы систем поддержки принятия решений// Управляющие системы и машины,- №1/2.- 1996.-С.91-95

41. Справочник "Интеллектуальные программные системы". М.: Типография №12, 1997. - 64 с.

42. Эффективность АСУ теплоэнергетическими процессами/ под ред. A.C. Корецкого и Э.К. Ринкуса. М.: Энергоатомиздат, 1984. 316 с.

43. Янкевич В.Ф., Коцюбинская Г.Ф. Метод анализа иерархий: модификация системы экспертных оценок и их математической обработки// Управляющие системы и машины.- №1/2.- 1996.-С.85-90

44. Ястребенецкий М.А. Надежность технических средств в АСУ технологическими процессами. -М.: Энергоиздат, 1982. 230 с.

45. Ястребенецкий М.А. Проблемы надежности АСУ ТП и пути ее решения. -Проблемы комплексной автоматизации. Сборник научных трудов ЦНИИКА, М.: Энергоатомиздат, 1988. 112 с.

46. Ястребенецкий М.А., Иванова Г.М. Надежность автоматизированных систем управления технологическими процессами. М.: Энергоатомиздат, 1989.-263 с.84