Разработка методики анализа показателей надежности современных АСУ ТП ТЭС и АЭС

Общеизвестно, что полезность и эффективность генерирующего оборудования электрои 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.