Диагностика и надежность автоматизированных систем

Министерство образования и науки РФ 

Федеральное государственное бюджетное 

образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический 

университет имени Г.Ф. Морозова»

Диагностика и надежность 

автоматизированных систем

Учебное пособие

Воронеж 2016

УДК 62-192:52

Мещерякова, А.А. Диагностика и надежность автоматизированных 

систем: Учебное пособие по направлению подготовки  бакалавра 15.03.04    –

«Автоматизация технологических процессов и производств» для очной фор
мы обучения / А.А. Мещерякова, Д.А. Глухов; М-во образования и науки РФ, 

ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 124 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТУ

Рецензент: д.т.н., профессор, зав. кафедрой электротехники и автоматики 
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени 
Петра I»  Афоничев Д.Н.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................. 6

ЧАСТЬ I НАДЁЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ АСУТП ...................................... 8

Глава 1 Основные термины и определения теории надѐжности........................ 8

1.1 Система и элементы ...................................................................................... 8

1.2 Состояния и события..................................................................................... 8

1.3 Понятие наработки и наработки до отказа................................................ 12

1.4 Надежность................................................................................................... 13

Глава 2. Показатели надежности невосстанавливаемых систем...................... 14

2.1 Функция и плотность распределения наработки до отказа..................... 15

2.2 Вероятности отказа и безотказной работы................................................ 17

2.3 Интенсивность отказов ............................................................................... 18

2.4 Средняя наработка до отказа...................................................................... 20

Глава 3 Основные законы распределения наработки до отказа....................... 22

3.1 Экспоненциальное распределение............................................................. 22

3.2 Нормальное распределение ........................................................................ 23

3.3 Усечѐнное нормальное распределение...................................................... 25

3.4 Распределение Вейбулла............................................................................. 26

Глава 4 Потоки отказов восстанавливаемых систем......................................... 29

4.1 Определение потока отказов ...................................................................... 29

4.2 Основные свойства потоков ....................................................................... 30

4.3 Простейший поток (однородный пуассоновский поток) ........................ 32

4.4 Процесс восстановления............................................................................. 33

4.5 Неоднородный пуассоновский поток........................................................ 36

Глава 5 Показатели надежности восстанавливаемых систем .......................... 37

5.1 Показатели безотказности .......................................................................... 37

5.2 Показатели ремонтопригодности............................................................... 38

5.3 Показатели долговечности.......................................................................... 40

5.4 Комплексные показатели надежности....................................................... 41

Глава 6 Расчѐт надѐжности локальных систем без учѐта восстановления ..... 42

6.1 Основные этапы расчета надежности........................................................ 42

6.2 Способы соединения элементов и составление структурной................. 43

схемы системы ................................................................................................... 43

6.3 Расчет надежности систем с параллельно-последовательным............... 45

соединением ....................................................................................................... 45

6.4 Расчет надежности систем со сложной структурой................................. 46

6.5 Виды резервирования.................................................................................. 55

Глава 7 Расчѐт надѐжности локальных систем с учѐтом восстановления ...... 57

7.1 Восстанавливаемые системы. Интегродифференциальные уравнения

надежности ......................................................................................................... 57

7.2 Расчет надежности восстанавливаемых систем с использованием........ 60

метода переходных вероятностей.................................................................... 60

Глава 8 Оценка надѐжности систем и их элементов по результатам .............. 63

испытаний .............................................................................................................. 63

8.1 Виды испытаний на надежность ................................................................ 63

8.2 Определительные испытания ..................................................................... 66

8.3 Контрольные испытания............................................................................. 74

Глава 9 Обеспечение надѐжности систем при эксплуатации........................... 78

9.1 Организация эксплуатации......................................................................... 78

9.2 Классификация запасных частей ............................................................... 81

9.3 Организация пополнения запаса................................................................ 82

9.5 Расчет количества восстанавливаемых запасных частей........................ 85

по вероятности достаточности ......................................................................... 85

9.6 Техническое обслуживание....................................................................... 89

ЧАСТЬ II НАДЁЖНОСТЬ ПРОГРАММНОГО................................................. 91

ОБЕСПЕЧЕНИЯ АСУТП..................................................................................... 91

Глава 1 Основные определения надѐжности программного обеспечения...... 91

Глава 2 Показатели надѐжности программного обеспечения.......................... 93

Глава 3 Факторы, определяющие надѐжность................................................. 100

программного обеспечения................................................................................ 100

3.1 Общие факторы.......................................................................................... 100

3.2 Факторы, связанные с разработкой программного обеспечения.......... 100

3.3 Эксплуатационные факторы..................................................................... 102

Глава 4 Обеспечение надѐжности в процессе тестирования.......................... 103

4.1 Функциональное тестирование ................................................................ 104

4.2 Системное тестирование........................................................................... 106

4.3 Приемо-сдаточные испытания ................................................................. 110

Глава 5 Защита программного обеспечения от вирусов ................................. 111

5.1 Определение вируса .................................................................................. 111

5.2 Классификация вирусов............................................................................ 111

5.3 Пути проникновения и распространения вирусов на ПК...................... 113

5.4 Признаки появления вирусов ................................................................... 114

5.5 Методы защиты от вирусов...................................................................... 114

5.6 Классификация антивирусных программ ............................................... 116

5.7 Обзор существующего антивирусного ПО............................................. 118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 122

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................... 123

ВВЕДЕНИЕ

Существенными особенностями современных технологических про
цессов являются необходимость в точном поддержании их параметров отно
сительно некоторых оптимальных значений, высокие требования к свойствам 

производимой продукции, которые сочетаются с увеличивающейся быстро
той изменения параметров. Для управления такими процессами необходимо 

получать и перерабатывать в реальном масштабе времени значительный объ
ем информации о параметрах процесса и состоянии технологического обору
дования, что позволяет своевременно выработать управляющие воздействия. 

Ручное управление этими процессами невозможно; большая часть задач 

управления передается АСУТП, которые выполняют не только такие тради
ционные для промышленной автоматики функции, как измерение и центра
лизованный контроль технологических параметров, автоматическое регули
рование, защиту от аварий и т. п., но и вычисление технико-экономических 

показателей работы производств, оптимальное управление технологическим 

режимом, пуск и останов агрегатов, адаптивное управление и т. д. В то же 

время некоторые из задач управления по различным причинам (недостаточ
ная надежность технических средств, сложность алгоритмизации и др.) ос
таются за персоналом.

Повышение мощности агрегатов, расширение функций, выполняемых 

автоматикой, интенсификация производственных процессов усугубляют по
следствия отказов АСУТП. Выход из строя таких систем может привести к 

значительному экономическому ущербу, снижению производительности 

труда, потерям энергии и сырья, к снижению долговечности, а иногда и к 

авариям технологических агрегатов. Увеличение количества и сложности ап
паратуры автоматики, установленной на промышленных предприятиях, вы
зывает непрерывный рост затрат на их эксплуатацию, причем эти затраты 

резко повышаются при использовании ненадежной аппаратуры. Количество 

персонала цехов автоматики на промышленных предприятиях     возрастает –

эти цехи зачастую выдвигаются на одно из первых мест по численности пер
сонала.

Установление и достижение требуемого уровня надежности разрабаты
ваемых и эксплуатируемых АСУТП является важнейшей задачей при созда
нии систем, решение которой требует проведения специального комплекса 

работ, выполняемых на различных стадиях разработки и функционирования 

АСУТП.

Основной составляющей современных АСУТП являются персональные 

компьютеры (ПК), программное обеспечение (ПО) которых позволяет осу
ществлять контроль и управление всей автоматизированной системой. Доми
нирующим ПО таких ПК являются SCADA-системы (SCADA – Supervisory, 

Control and Data Acquisition – супервизорный контроль и сбор данных). Они 

осуществляют: моделирование технологического процесса на мониторе ПК, 

ведение постоянного контроля работы приборов, регистрацию на ПК через 

заданные промежутки времени данных с выбранных пользователем каналов 

приборов, отображение текущих показаний приборов в цифровом или графи
ческом виде на экране ПК, сообщение о выходе контролируемых величин за 

заданные границы, возможность просмотра архива измерений. В связи с чем, 

приобретают огромное значение проблемы обеспечения надѐжности ПО ПК, 

входящих в состав АСУТП. К этим проблемам относятся оценка надѐжности 

программного обеспечения; определение факторов, влияющих на достиже
ние заданного уровня надѐжности ПО; совершенствование методов повыше
ния надѐжности ПО в процессе проектирования и в процессе эксплуатации 

разработанного ПО, а также пути проникновения и средства борьбы с ком
пьютерными вирусами.

ЧАСТЬ I НАДЁЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ АСУТП

Глава 1 Основные термины и определения теории надѐжности

1.1 Система и элементы

Система – это совокупность элементов, взаимодействующих между 

собой в процессе выполнения заданных функций.

Элемент системы – это составная часть системы, которая рассматри
вается без дальнейшего разделения как единое целое. Внутренняя структура 

элемента в данном случае не является предметом исследования.

Понятия “система” и “элементы” условны: то, что является системой для од
них задач, для других принимается элементом в зависимости от целей изуче
ния, требуемой точности, уровня знаний о надежности и т. д.

Пример. АСУТП может рассматриваться как элемент более сложной 

системы – автоматизированного технологического комплекса, включающего, 

помимо АСУТП, технологический объект управления.

1.2 Состояния и события

Работоспособное состояние – это такое состояние системы (элемен
та), при котором значения параметров, характеризующих способность систе
мы выполнять заданные функции, находятся в пределах, установленных 

нормативно-технической или конструкторской документацией.

Неработоспособное состояние – это состояние системы, при котором 

значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выпол
нять заданные функции, не находится в пределах, установленных норма
тивно-технической или конструкторской документацией.

Пример. Система измерения температуры является неработоспособной, 

если основной параметр, характеризующий качество ее функционирования –

погрешность измерения, превышает заданную величину.

Исправное состояние системы – это состояние, при котором система 

соответствует всем требованиям нормативно-технической и конструкторской 

документации.

Неисправное состояние системы – это состояние, при котором система 

имеет хотя бы одно несоответствие требованиям нормативно-технической и 

конструкторской документации.

Работоспособная система удовлетворяет только тем требованиям, ко
торые существенны для функционирования, и может не удовлетворять про
чим требованиям (например, по сохранности внешнего вида элементов). Ис
правная система должна удовлетворять всем требованиям нормативно
технической и конструкторской документации. Система, находящаяся в ис
правном состоянии, всегда работоспособна.

Отказ – это событие, которое заключается в нарушении работоспособ
ности системы, т. е. в переходе ее из работоспособного в неработоспособное 

состояние.

Отказы можно разделить на


внезапные;


постепенные.

Внезапные – это отказы, которые наступают в результате резкого, скач
кообразного изменения одного из параметров.

Внезапные отказы обычно имеют характер обрывов, поломок, замыка
ний и часто проявляются в нарушении цепи прохождения сигнала (например, 

сгорание термопары, залипание контактов магнитного пускателя).

Постепенные – это отказы, которые наступают в результате длительно
го, постепенного изменения параметров.

Постепенные отказы часто имеют характер разрегулировок.

По степени нарушения работоспособности отказы разделяют на


полные;


частичные.

Полные – это отказы, после которых функционирование   оборудования

полностью прекращается.

Частичные – это отказы, после которых может продолжаться функ
ционирование оборудования с ухудшенными показателями.

По характеру внешних проявлений отказы разделяют на


явные;


неявные (скрытые).

Явные – это отказы, которые обнаруживаются непосредственно после 

возникновения.

Неявные (скрытые) – это отказы, которые соответственно не обнару
живаются непосредственно после возникновения.

По связи с предшествующим отказом отказы разделяют на


первичные;


вторичные, являющиеся следствием ранее воз
никших отказов.

Первичные – это отказы, которые не являются следствием ранее воз
никших отказов.

Вторичные – это отказы, которые являются следствием ранее возник
ших отказов.

Пример. Значительная часть отказов электрических исполнительных 

механизмов являются вторичными, возникшими вследствие перегрузки по 

току в силовых цепях электродвигателя при одновременном несрабатывании 

защиты, что приводит к сгоранию обмотки электродвигателей.

Повреждение – это событие, которое заключается в переходе системы 

из исправного в неисправное (но работоспособное) состояние.

Критерии отказа – это отличительный признак или совокупность при
знаков, по которым устанавливается факт возникновения отказа.

Восстановление – это событие, которое заключается в переходе систе
мы из неработоспособного в работоспособное состояние.

Невосстанавливаемые системы – это системы, восстановление кото
рых непосредственно после отказа считается нецелесообразным или невоз
можным.

Восстанавливаемые системы – это системы, которые восстанавлива
ются непосредственно после отказа.

Одна и та же система в различных условиях применения может быть 

отнесена как к невосстанавливаемым, так и к восстанавливаемым.

Пример. Система, расположенная в необслуживаемом помещении, куда 

запрещен доступ персонала во время работы технологического агрегата, от
носится к невосстанавливаемым, если персонал сразу же после отказа может 

начать восстановление то к восстанавливаемым.

Большинство систем, применяемых для автоматизации технологиче
ских процессов, подлежит восстановлению после отказа, после чего они 

вновь продолжают работу. То же относится к большей части технических 

средств; к числу невосстанавливаемых можно отнести только такие их эле
менты, как интегральные схемы, резисторы, конденсаторы и т. п.

Схема основных состояний и событий, характерных для вос
станавливаемых систем, приведена на рис. 1.1.1.

Рис.1.1.1 Схема основных состояний и 

событий восстанавливаемой системы

Прекращение 
использования

Исправное состояние

Повреждение

Работоспособное состояние

(но не исправное)

Отказ
Неработоспособное состояние

(но не предельное)

Восстановление

Переход

в предельное 

состояние
Предельное состояние

Ремонт

1.3 Понятие наработки и наработки до отказа

Наработка – это продолжительность работы системы.

Наработка до отказа – это случайная величина, представляющая со
бой длительность работы системы до отказа.

Величина наработки до отказа зависит от случайных отклонений тех
нологических условий изготовления отдельных элементов от номинальных, 

различия условий транспортировки, монтажа, наладки и не будет одинаковой 

у различных систем даже при абсолютно одинаковых условиях эксплуата
ции. К тому же сами условия эксплуатации (температура, вибрация, качество 

технического обслуживания, частота включения и т. д.) в определенной сте
пени отличны друг от друга, поэтому эта величина случайна.

Отключения системы могут происходить не только из-за ее отказов, но 

и для проведения технического обслуживания, вследствие отказов автомати
зируемого технологического агрегата, из-за циклического графика работы 

системы, когда она включается на некоторые промежутки времени, опреде
ляемые технологическим режимом (например, в АСУ непрерывно-дис
кретными технологическими процессами).

Наработка до отказа в отличие от времени безотказной работы не все
гда измеряется единицами времени; наработка до отказа может измеряться и 

числом включений (срабатываний, циклов). Однако для большей части сис
тем наработка до отказа измеряется единицами времени.

Пример. На рис. 1.1.2 приведен график эксплуатации системы.

Рис.1.1.2 Временной график эксплуатации системы

Наработка до отказа T данной системы

T  t1   (t3   t2 )  (t5   t4 ) ,

0
t1
t2
t3
t4
t5
t

где 

гата;

t1 – момент отключения системы из-за останова технологического агре
t2 , t4 – моменты включения системы в работу;

t3 – момент отключения системы на профилактику;

t5 – момент отказа системы.

Для систем, работающих без отключений (кроме отказов), наработка до

отказа совпадает с временем безотказной работы.

1.4 Надежность

Надежность – это свойство системы сохранять во времени в ус
тановленных пределах значения всех параметров, характеризующих способ
ность системы выполнять требуемые функции в заданных режимах и услови
ях эксплуатации.

Надежность включает в себя четыре составляющие:


безотказность;


ремонтопригодность;


долговечность;


cохраняемость.

Безотказность – это свойство системы сохранять работоспособность 

(выполнять свои функции с эксплуатационными показателями не хуже за
данных) в течение требуемого интервала времени непрерывно, без вынуж
денных перерывов. Безотказность является наиболее важной компонентой 

надежности, так как она отражает способность длительное время функцио
нировать без отказов. Безотказность систем в решающей степени влияет на 

эффективность их использования и определяется количеством и безотказно
стью элементов, режимом их работы, наличием резервирования, па
раметрами окружающей среды (температурой, запыленностью) и др.