Дослідження та розробка програмних методів та засобів забезпечення працездатності АСК ТП нафтоперекачувальних станцій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство промислової політики України

Державне підприємство

“Науково-виробнича корпорація

„Київський інститут автоматики””

Рижук Микола Петрович

УДК 658.012.011.56:691.3.06

ДОСЛІДЖЕННЯ ТА РОЗРОБКА ПРОГРАМНИХ МЕТОДІВ

ТА ЗАСОБІВ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПРАЦЕЗДАТНОСТІ АСК ТП НАФТОПЕРЕКАЧУВАЛЬНИХ СТАНЦІЙ

05.13.06 - автоматизовані системи управління

та прогресивні інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в ДП „Науково-виробнича корпорація „Київський інститут автоматики” Міністерства промислової політики України

контроль технічний аварійний інформація

Науковий керівник: доктор технічних наук, ст. науковий співробітник,

Грабовський Георгій Геннадійович,

директор виробничого підприємства НВП „КІА”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Литвинов Валерій Андроникович,

провідний науковий співробітник Інституту

проблем математичних машин та систем НАН

України.

кандидат технічних наук, с.н.с.

Рабчук Віталій Львович,

завідуючий відділом Ukrteleport Ltd.

Провідна установа: Київський національний університет будівництва

та архітектури Міністерства освіти і науки

України, кафедра інформаційних технологій.

Захист відбудеться „27” вересня 2006 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.818.01 ДП “НВК “Київський інститут автоматики”” за адресою: 04107, Київ-107, вул. Нагірна, 22, корп.1, к.219.

Відзиви на автореферат у двох примірниках, засвідчені печаткою установи, просимо надсилати на адресу: 04107, Київ-107, вул. Нагірна, 22, ДП “НВК “КІА”” , вченому секретарю.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ДП “НВК „Київський інститут автоматики””.

Автореферат розісланий „25” серпня 2006 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук Л.П.Тронько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сьогодні розроблено і досліджено досить великий арсенал методів і засобів забезпечення надійності цифрових пристроїв та комп'ютерних систем, призначених для керування реальними об'єктами та процесами. Зазначені методи орієнтовані, головним чином, на об'єкти оборонного призначення або деякою мірою на унікальні умови експлуатації (наприклад, космічні). В той же час застосування цих методів для промислових об'єктів ще не стало нормою, оскільки відсутні відповідні наукові обґрунтування та достатній досвід в адаптації навіть відомих методів забезпечення надійності в промислових умовах, хоча умови для їх застосування в промисловості суттєво кращі. Це можна пояснити відсутністю в умовах промислового застосування будь-яких суттєвих обмежень за масою і габаритами на устаткування та, що не менш важливо, для більшості технологічних процесів часові обмеження на виконання контрольно-діагностичних процедур не є жорсткими. Таку ситуацію можна вважати сприятливою для широкого застосування відомих методів забезпечення надійності та розробки нових методів, адаптованих до конкретних умов експлуатації об'єкта та засобів автоматизації. Для промислових об'єктів надійність засобів автоматизації безпосередньо впливає на ефективність роботи об'єкта в цілому.

Слід зауважити також, що для сучасних систем автоматизованого керування нафтоперекачувальними станціями (НПС) характерним є досить велика питома вага програмного компонента. Іншими словами, такі системи реалізуються найчастіше на основі комп'ютерів серійного виробництва, об'єднаних в локальну обчислювальну мережу каналами передачі інформації із відповідним телекомунікаційним обладнанням. Природно, що в таких умовах при розробці систем керування можливості варіації структури на архітектурному рівні практично відсутні (припустимо лише резервування на рівні великих компонентів, наприклад, комп'ютерів). Тому основним інструментом оптимізації надійності стає програмне забезпечення системи.

Враховуючи традиційно високий рівень автоматизації та комп'ютеризації сучасних НПС, задачі забезпечення їх працездатності та безпеки слід розв'язувати в рамках існуючих та таких, що проектуються, автоматизованих систем керування НПС. Саме такий підхід і визначає основний зміст дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася згідно з планами підприємства „Аскорт” НПК „КІА” в рамках контрактiв: АСК ТП НПС №1 “Пiнськ”, договір №П-013.21 вiд 18.11.2003 р.; АСК ТП НПС №1 “Туров”, договір №7.21 вiд 15.03.2004 р.; АСК ТП НПС №1 та №2 “Кобрiн”, договір №8 вiд 31.05.2004 р.

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є подальший розвиток методів надійнісного проектування дискретних систем керування та розробка алгоритмів і процедур, що забезпечують збереження працездатності комп'ютерних мереж промислового призначення при виникненні помилок в інформації, що надходить від об'єкта керування, а також несправностей електронного обладнання.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі задачі:

1) розробити методи випереджувального контролю технічного стану об'єкта керування, що дозволяють відслідковувати наближення до аварійних ситуацій;

2) розробити процедури виявлення помилок в інформації, що надходить від об'єкта, на основі використання кореляційних залежностей між окремими параметрами та значеннями одного параметра в різні моменти часу;

3) дослідити можливості контролю обчислювального процесу за критерієм часу виконання окремих фрагментів і гілок робочих програм;

4) дослідити можливості стандартних (фірмових) засобів по реалізації запропонованих алгоритмів і процедур контролю;

5) розробити методичні рекомендації по надійнісному проектуванню систем зазначеного класу .

Об'єкт дослідження - комп'ютерні системи керування промислового призначення.

Предмет дослідження - методи забезпечення надійності на основі розробки процедур оперативного контролю технічного стану засобів автоматизації та нейтралізації впливу порушень працездатності.

Методи досліджень ґрунтуються на основних положеннях теорії надійності (для аналізу складових, що визначають реальний рівень надійності системи керування), завадозахищеного кодування та технічної діагностики (для розробки процедур контролю), а також теорії ймовірностей (для оцінки ефективності запропонованих підходів та їх оптимізації).

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в тому, що отримали подальший розвиток методи забезпечення працездатності комп'ютерних систем керування промисловими об'єктами, до яких висуваються підвищені вимоги щодо надійності та безпеки, на основі врахування реальних обмежень на припустимий час відновлення обладнання і можливостей стандартних (фірмових) програмних засобів.

До числа нових наукових результатів, отриманих в дисертаційній роботі, можна віднести:

1. Новий підхід до формального опису траєкторії зміни технічних станів об'єкта керування, що дозволяє створювати процедури випереджувального контролю за критерієм наближення до аварійних станів.

2. Нові підходи до побудови алгоритмів контролю вхідної інформації на основі штучного розширення алфавітної множини та новий метод контролю обчислювального процесу в цілому за часом виконання його окремих гілок і фрагментів робочих програм.

3. Подальший розвиток і вдосконалення методики проектування програмного забезпечення високонадійних комп'ютерних систем керування промисловими об'єктами, яка спрямована на виявлення додаткового числа збоїв і вiдмов, а також зменшення часу роботи АСК ТП з невиявленою вiдмовою.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій дисертаційної роботи підтверджується коректним використанням математичного апарату, розробкою нових моделей і алгоритмів, які враховують основні особливості складних процесів перекачки нафти (часові обмеження виконання програм, високі вимоги до надійності функціонування).

Практичне значення отриманих результатів. На основі теоретичних досліджень, виконаних в дисертації, розроблено відповідне програмне забезпечення АСК ТП НПС магістрального нафтопроводу Мозир-Кобрін (НПС “Туров”, НПС “Пiнськ”, НПС “Кобрін”). Системи знаходяться в промисловій експлуатації, результати якої показали високу ефективність застосованих методів забезпечення надійності та відповідність прийнятих припущень реальним умовам експлуатації.

Практичне значення отриманих результатів також визначається їх досить високою універсальністю в тому розумінні, що запропоновані методи і процедури контролю можуть бути використані в широкому спектрі систем керування незалежно від їх призначення, оскільки єдиним критерієм, що виділяє цей клас систем, є підвищені вимоги до надійності.

Апробація результатів дисертації. Наукові та практичні результати дисертації були заслухані й обговорені на міжнародній науково-практичній конференції “Автоматизация производственных процессов” (м. Хмельницкий, 2002р., доповідь опубліковано в [2]), науково-практичній конференції “Проблемы автоматизации технологических процессов и пути их решения на предприятиях Украины” (м. Київ, 2002р.), міжнародній

конференції “Автоматика 2002” (м. Донецьк, 2002р.), міжнародній науково-практичній конференції “Мікропроцесорні прилади та системи у автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький, 2003р., доповідь опубліковано в [8]), на II міжнародній конференції "Параллельные вычисления и задачи управления" РАСО, 2004 (м. Москва, 2004р.), міжнародній науково-практичній конференції “Комп'ютернi системи в автоматизації виробничих процесiв” (м. Хмельницький, 2005р., доповідь опубліковано в [14].

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 17 наукових працях, серед яких 14 статей - у фахових виданнях, 3 тези доповідей на науково-практичних конференціях.

Особистий внесок здобувача полягає у самостійному виконанні теоретичної, дослідницької та експериментальної частини роботи, інтерпретації одержаних результатів. У спільних публікаціях особисто здобувачеві належить наступне: [4] - створення методики прогнозування моменту виникнення аварійних ситуацій; [5] - дослідження методів інформаційної надлишковості з метою їх застосування для контролю та діагностики реальних технологічних процесів; [9] - розробка методики створення типових функціональних компонентів, орієнтованих на використання у складі пакетів Concept и Modsoft; [10] - розробка і дослідження методу використання в складі програмного забезпечення АСК ТП нафтоперекачувальних станцій двоверсійних програм (описаних на різних мовах програмування різними програмістами); [12] - розробка методу підтримки режиму гарячого резервування контролерів QUANTUM при виникненні програмних помилок, які приводять до зациклювання програм; [13] - дослідження і розробка методу оцінки впливу зміни значень коефіцієнта технічного використання на економічну ефективність АСК ТП.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із списку умовних скорочень, вступу, чотирьох розділів, викладених на 181 сторінках машинописного тексту, списку використаних джерел (83 найменування). Робота містить 10 рисунків, 1таблицю та 3 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи. Показано, що серед комп'ютерних систем керування може бути виділений досить великий клас систем промислового та спеціального призначення, для яких найбільш суттєвим показником є надійність. З точки зору традиційного для

теорії надійності поділу на відновлювальні та невідновлювані об'єкти такі системи займають проміжне становище. З однієї сторони, вони є, безумовно, відновлюваними, однак, з іншої, - припустимий час відновлення є досить малим, що визначається технологічними обмеженнями на можливість короткочасного відключення деяких складових системи від об'єкта. Саме ця особливість визначає основний зміст досліджень: розробку методів і процедур забезпечення надійності комп'ютерних систем, які б об'єднували традиційні структурні методи використання апаратної надлишковості з методами автоматизації пошуку несправностей і контролю обчислювального процесу.

У першому розділі проведений аналіз існуючих методів підвищення надійності дискретних систем на основі введення й використання структурної та інформаційної надлишковості. Найбільш вагомий внесок в створення теоретичних засад та методів проектування високонадійних цифрових систем зробили такі видатні вчені минулого століття, як Дж. фон Нейман, К.Шеннон, М.А.Гаврилов, В.А Гуляєв, Ю.Г.Заренін, П.П.Пархоменко, Є.С.Сагомонян, Ю.Г.Савченко, Н.А.Шишонок, В.В.Ліпаєв, В.С.Харченко та інші.

Широке застосування цих методів в апаратурі спеціального призначення, зокрема, в бортовій апаратурі, системах керування в атомній енергетиці, транспорті тощо показало їх високу ефективність з точки зору підвищення надійності.

Об'єктом, на який повинні бути скеровані засоби підвищення надійності, є АСК ТП НПС, основним призначенням яких є керування основним і допоміжним обладнанням НПС, захист, контроль та сигналізація.

АСК ТП НПС (як і більшість систем промислового призначення), з одного боку, є, безумовно, відновлюваними системами, але, з іншого, - максимальний час їх відновлення обмежений припустимим часом відключення окремих локальних регуляторів і систем автоматики. Цей час для різних пристроїв суттєво різний і залежить від конкретного моменту часу відносно ходу технологічного процесу (поточних значень тисків, температур, рівнів тощо). Здебільшого цей час настільки малий, що відновлення може бути здійснено лише шляхом автоматичного переключення на резерв.

Таким чином, арсенал методів, що можуть бути використані для забезпечення надійності АСК ТП НПС, повинен містити як методи, що застосовуються в невідновлюваних системах (мають структурну надлишковість), так і методи прискорення пошуку несправностей, типові для відновлюваних систем.

Далі у цьому розділі проведено детальний аналіз таких відомих методів забезпечення надійності, як резервування (метод Дж. фон Неймана), використання завадозахищених кодів та інформаційної надлишковості, що виникає в результаті наявності кореляції між значеннями технологічних параметрів, та аналіз впливу програмного компонента на надійність. Проведений аналіз показав, що розглянуті методи скеровані на покращення окремих показників надійності АСК ТП і в повній мірі не можуть розв'язати проблему забезпечення ефективності автоматизованого комплексу в цілому з точки зору безвідмовності та безпеки (питання економічної доцільності й ефективності в дисертації не розглядаються). Такий висновок базується передусім на специфічності НПС як об'єкта керування, який характеризується дуже малим припустимим часом відновлення та суттєвим впливом програмного компонента на працездатність в цілому. Тому разом із використанням методів резервування на апаратному рівні слід застосовувати методи контролю достовірності інформації та діагностування технічного стану обладнання для прискорення пошуку несправностей. Важливо також оптимізувати сам процес розробки програм шляхом максимального використання типових програмних модулів, перевірених раніше при експлуатації аналогічних систем, а також включення до складу програмного комплексу додаткових модулів для контролю обчислювального процесу.

Другий розділ присвячений розробці методів оперативного контролю працездатності технічного стану обладнання АСК ТП. При розробці таких методів головна увага приділяється можливості випереджувального виявлення порушень нормального ходу технологічного процесу.

У загальному випадку зміна фізичних станів ділянки магістралі як станів об'єкта може бути представлена наступною таблицею.

Таблиця

			…		…
			…		…
			…		…
…	…	…	…	…	…	…
			…		…
			…		…
…	…	…	…	…	…	…

В таблиці , ,…, - значення технологічних параметрів в момент часу . Припускається, що реєстрація параметрів здійснюється в дискретні фіксовані моменти часу =,…, ,+,…, наприклад, шляхом циклічного опитування відповідних давачів.

Задача випереджувального контролю може бути розв'язана, якщо за траєкторією зміни параметрів до моменту j обчислити значення параметрів на майбутній (+)- й момент. Слід також зауважити, що значення параметрів (принаймні, їх частини) в кожний момент часу зв'язані деякою функціональною залежністю , яка визначається фізичними закономірностями технологічного процесу. Ця обставина може суттєво полегшити розв'язання задачі контролю.

Таким чином, в самому загальному вигляді задача випереджувального контролю може бути сформульована так: задані значення технологічних параметрів за деякий фіксований період спостереження _с

_,

де - вектор стану об'єкта в момент часу . Потрібно знайти прогнозований стан на момент (+) і оцінити, наскільки цей стан небезпечний з точки зору виходу за припустимі границі. Для уточнення та конкретизації поставленої задачі пропонуються такі критерії оцінки потенційної небезпеки:

Критерій 1: за різницею площ поля припустимих значень та зони довірчих границь .

Для одного параметра

.

Для двох параметрів як різницю площ

.

Для трьох параметрів (різниця об'ємів)

.

У загальному випадку для k параметрів

,

де - вагові коефіцієнти, які враховують відносний вплив відповідних параметрів на рівень безпеки об'єкта; -прогнозовані значення -го параметра.

Критерій 2: по мінімальній відстані _min між границями цих областей. В загальному випадку поле допустимих значень і зони довірчих границь мають неправильні форми, і відстань між „оболонками” за різними напрямками різна. Мінімальна відстань визначається обчисленням і перебором відповідних відстаней за всіма напрямками, тобто

або .

Критерій 3: за швидкістю зближення границь. Для цього необхідно відслідковувати, як змінюється мінімальна відстань в дискретні моменти часу, що відповідають моментам опитування давачів, тобто обчислювати різницю

.

Перевищення цієї різниці деякої критичної величини свідчить про наближення аварійної ситуації.

Критерій 4: за фактом перетину траєкторією в прогнозованій точці області припустимих значень або виходу частини області за межі .

Всі зазначені варіанти передбачають, по суті, контроль за взаємним розташуванням двох „трубок”: одна в середині другої. При нормальному ході технологічного процесу переріз, що визначає довірчі границі прогнозованого стану, повинен знаходиться в середині зони припустимих значень. Очевидно, що аварійній ситуації відповідає вихід траєкторії за межі цієї зони і саме цій ситуації потрібно своєчасно запобігти. Тому перетин траєкторією поля припустимих значень не може бути використаний як контрольна умова (буде вже пізно). Показано, що найбільш простими з точки зору реалізації є критерії 2 і 4,хоча можуть бути і компромісні варіанти, які враховують тенденції і швидкість руху саме в небезпечному напрямку. Слід наголосити, що при виборі конкретної процедури контролю вирішальним фактором лишається час реакції системи на наближення аварійної ситуації.

Далі аналізуються та оцінюються математичні методи прогнозування на основі процедур екстраполяції та інтерполяції, інтерполяційних сплайнів тощо з точки зору можливості застосування в умовах автоматизованого керування НПС.

Інший підхід до побудови алгоритмів контролю, що досліджується в дисертації, базується на використанні „природної” інформаційної надлишковості, яка є характерною майже для всіх реальних процесів. Мова йде про формалізацію фізичних закономірностей, що лежать в основі технологічного процесу, та створення на цій основі контрольних співвідношень.

Для збільшення коригуючої спроможності запропоновано підхід на основі штучного розширення алфавітної множини, яку утворюють

повідомлення, що надходять в систему від об'єкта. Розглядаючи пари, трійки і т.д. повідомлень, які надходять у сусідні моменти часу , можна зробити висновок про швидке зростання інформаційної надлишковості, яка, зрештою, і визначає коригуючу спроможність. Отримані оцінки для відносної спроможності до виявлення помилок

,

де - потужність множини заборонених слів; - розрядність повідомлень.

Отримані співвідношення для такої оцінки для багатьох конкретних випадків (наявність функціональної залежності між параметрами, поточне збільшення або зменшення значення параметра тощо).

Визначені вимоги до контролю достовірності вхідної інформації, помилки в якій пов'язані зі зміною характеристик давачів, старінням або виходом з ладу окремих компонентів, зміною кліматичних і експлуатаційних умов. Помилки у вхідній інформації розглядаються в роботі як неминучі, що передбачає включення до складу алгоритмів керування спеціальних програмних засобів, які забезпечують виявлення та нейтралізацію помилок. Контроль вхідної інформації базується на використанні природної інформаційної надлишковості.

Сигнали давачів дискретної та аналогової інформації, що використовуються в АСК ТП, після попереднього перетворення представлені у дискретному вигляді. В кожен момент часу t стан об'єкта керування може бути представлений деяким подвійним вектором

де кожна складова відноситься до одного давача й для дискретних сигналів відповідає стану сигналу (0 або 1), а для аналогових - попаданню відповідної аналогової величини в заданий інтервал значень. Будемо вважати, що - стан об'єкта в момент часу t.

Для кожного конкретного об'єкта виділяється дві підмножини: підмножина припустимих станів та підмножина заборонених станів (ці підмножини не перетинаються). Окрім того, з кожного стану об'єкта припустимі здебільшого переходи лише в задані стани, тобто можна виділити підмножину припустимих послідовностей станів або припустимих траєкторій в просторі станів.

З кожного стану об'єкта можливі переходи в скінчене число припустимих станів. Для спрощення процедури контролю та при моделюванні всі ці переходи вважаються рівноймовірними й фіксуються лише такі переходи, які не належать підмножині припустимих.

Нехай задані підмножина припустимих станів об'єкта керування та множина припустимих переходів із кожного стану в вигляді матриці

,

де значення якщо в стані припустима зміна та якщо не припустима така зміна. Запропоновано такий алгоритм процедури, що забезпечує можливість контролювати в темпі з надходженням інформації її правильність та корегувати помилки в разі їх виникнення.

Після опитування давачів та попередніх перетворень значень сигналів стан об'єкта фіксується й перевіряється належність підмножині припустимих станів . Якщо стан заборонений, то фіксується помилка. В матриці знаходимо рядок, який відповідає стану та обчислюється порозрядна сума та порозрядна кон'юнкція з компонентами вектора для тобто обчислюється величина . Якщо то вважаємо, що вхідна інформація не містить помилок і продовжується виконання робочої програми. Якщо то фіксується помилка й виконуються процедури з метою її корекції.

Аналіз основних станів та матриці , яка визначає припустимі переходи з одного стану в другий, показує, що вони містять досить високий рівень природної інформаційної надлишковості (оцінюється відношенням кількості всіх можливих станів до реально припустимих). В цьому випадку при створенні алгоритмів виявлення та корекції помилок використовуються процедури перестановочного декодування, основу якого складають операції послідовного й почергового інвертування символів в прийнятому повідомленні, а також перевірки належності отриманого таким способом слова до підмножини дозволених. Іншими словами, спотворене помилкою слово ототожнюється із найбільш близьким до нього по Хемінгу дозволеним словом, яке приймається за правильне.

Як окрему задачу розглянуто тестування системи в реальному часі, тобто без переривання виконання нею основного робочого алгоритму.

Обгрунтовується використання з цією метою часу виконання окремих гілок або фрагментів програми. Показано, що тривалості виконання програмних секцій утворюють лінійчатий спектр часових інтервалів. Цей спектр можна розрахувати або отримати експериментально, а потім використати як еталон. Розроблена методика обчислення часу виконання окремих програмних маршрутів (гілок) із урахуванням ймовірностей їх проходження.

У третьому розділі розглянуто розроблені рекомендації та методики по надійнісному проектуванню АСК ТП НПС. Описані складові, що визначають надійність роботи АСК ТП (зокрема, ймовірність безвідмовної роботи системи протягом заданого часу ). Характеризуючи наближено цей показник (за умови незалежності відмов технічних засобів, проявлення невиявлених помилок в програмах та помилкових дій персоналу), його можна записати у вигляді такої функціональної залежності:

де - ймовірність того, що в початковий момент функціонування системи технічні засоби АСК ТП НПС справні та готові до роботи;

- ймовірність безвідмовної роботи технічних засобів протягом часу ;

- ймовірність коректного виконання системних програм і стандартних бібліотечних функцій протягом часу ;

- ймовірність правильного виконання робочих програм з урахуванням впливу збоїв в роботі обладнання та невиявлених помилок в програмах (таких, що не приводять до відмови АСК ТП) протягом часу ;

- ймовірність правильного виконання функцій керування оператором АСК ТП протягом часу .

Аналіз приведеної функціональної залежності показує, що покращення показників надійності АСК ТП, що проектуються, може бути досягнуто за рахунок:

- раціонального резервування технічних засобів;

- використання коректного фірмового програмного забезпечення (коректність таких програм може визначатися за результатами їх виконання в АСК ТП, які вже експлуатуються, або за результатами тестування);

- розробки коректних і стійких робочих програм АСК ТП;

- введення до складу робочих програм процедур виявлення порушень та відновлення працездатності;

- введення до складу програмного забезпечення (ПЗ) програми контролю дій оператора.

Розглянуті способи досягнення показників надійності, що відповідають вимогам безпеки і які для зручності їх аналізу поділені на три категорії: методичні, технічні, програмні.

Методичні способи орієнтовані на розв'язання основних задач структурного програмування: зменшення складності програмних компонентів і їх взаємодії, а також запобігання помилок в програмах і їх усунення на самих ранніх етапах розробки (покращення коректності ПЗ). Очевидно, що запобігання помилок є переважаючим в порівнянні з методами нейтралізації після їх проявлення. До складу методичних способів, що використовуються, входять:

- зменшення рівня складності ПЗ за рахунок вибору раціональної структури робочих програм;

- розробка ПЗ на базі бібліотек типових програмних компонентів;

- вибір раціональної організації процесу виконання програм;

- використання сервісних можливостей пакета Concept по виявленню програмних помилок;

- тестування робочих програм з використанням імітаційного моделювання технологічних процесів (обов'язкове тестування після виконання корекції);

- застосування методу двохверсійних програм (програм, які виконують однакову функцію і розроблені за допомогою різних програмних мов) .

При проектуванні АСК ТП нових НПС ПЗ слід розглядати як набір програмних модулів, перевірена частина яких береться готовою з ПЗ подібних систем, які вже експлуатуються, а інші компоненти розробляються.

Ймовірність безпомилкового виконання програмного забезпечення буде складати:

де - ймовірність безпомилкового виконання системного (фірмового) ПЗ протягом часу t (цей час враховує роботу операційної системи з драйверами, виконання процедур і функцій, що входять до складу бібліотеки засобів автоматизації програмування); - ймовірність безпомилкового виконання функціонального (спеціального) ПЗ протягом часу t (ця ймовірність визначається, в основному, структурою ПЗ - функціональними можливостями по виявленню та усуненню наслідків помилок і відмов технічних засобів, а також залишковою кількістю в ПЗ). При створенні АСК ТП для потенційно небезпечних об'єктів слід виходити з припущення обов'язкової наявності залишкових помилок, невиявлених тестуванням.

Якщо розглядати функціональне ПЗ як сукупність запозичених і розроблених заново підсистем, значення можна записати як

де - ймовірність безпомилкового виконання і-ї підсистеми протягом часу t (за умови, що часові витрати на виконання робочих програм кожної з підсистем однакові); - кількість підсистем, запозичених із АСК ТП, що вже експлуатуються; - кількість нових підсистем.

Враховуючи, що фірмове ПЗ, а також підсистеми із складу проблемної бібліотеки підприємства мають високий ступінь готовності, то . Тоді значення буде визначатися лише ймовірностями безпомилкового виконання нових підсистем. У цьому випадку апостеріорне значення ймовірності безпомилкового виконання кожної зі створених і-ї підсистеми повинно складати (для рівномірного розподілу показників надійності підсистем).

Статистичний аналіз виявлених в процесі тестування та на ранніх етапах експлуатації АСК ТП помилок в ПЗ за критерієм Барлета, що використовується для виявлення зростаючої або спадаючої інтенсивності відмов, показав, що для опису напрацювання до відмови може використовуватися експоненціальний розподіл з параметром

де - напрацювання до відмови.

Вираз для ймовірності безвідмовної роботи має вигляд

.

До програмних засобів забезпечення надійності, які реалізовані в АСК ТП, слід віднести: контроль часу та порядку виконання програмних секцій; тестування програмних модулів на фіксованих наборах вхідних даних та перевірка результатів шляхом порівняння з еталонними значеннями; аналіз і випереджувальний контроль появи аварійних ситуацій, контроль достовірності вхідної інформації; фільтрація дискретних сигналів від релейних джерел (для усунення „деренчання”); допускова обробка значень аналогових сигналів з урахуванням значення гістерезиса.

Розглянуті технічні методи забезпечення надійності, зокрема, резервування окремих пристроїв. Подано опис алгоритму контролю двохконтролерного комплексу, який працює в режимі гарячого резервування. Застосування алгоритму дозволяє уникнути зациклювання резервного контролера після відмови основного контролера в випадках, коли ця ситуація викликана помилками в робочих програмах.

Подано опис функцій підсистеми, призначеної для виявлення порушень та відновлення працездатності АСК ТП НПС. Головна функція цієї підсистеми - підтримувати працездатність системи при відмовах технічних засобів і проявленні невиявлених помилок в програмах (шляхом переводу відмов в категорію збоїв, переводу функціональних підсистем та окремих механізмів, які відмовили, в режим ручного керування або обмеження функцій).

Запропонована методика оцінки ефективності впроваджених програмних методів контролю й відновлення працездатності на основі критерію, що враховує зменшення витрат машинного часу на відновлення працездатності АСК ТП. Цей критерій - коефіцієнт технічного використання, який характеризує відносний корисний час функціонування АСК ТП НПС.

Процес функціонування системи зі стандартними засобами контролю можна представити у вигляді графу станів (рис.1).

Рис.1. Граф станів процесу функціонування системи зі стандартними засобами контролю

На рисунку використані такі позначення: - початковий пуск (перезапуск); - безвідмовне функціонування системи; - робота з невиявленою відмовою; - виявлення відмови стандартними програмними засобами; - ремонт технічних засобів АСК ТП, усунення помилок в робочих програмах; - виконання регламентного технічного обслуговування; - інтенсивність подій, які переводять систему із i-го в j-й стан.

Коефіцієнт технічного обслуговування АСК ТП дорівнює:



де - час знаходження системи в -му стані протягом періоду, який аналізується. Враховуючи, що середній час одноразового знаходження системи в i-му стані не залежить від шляху переходу в цей стан,

Очевидно, що підвищення може бути досягнуто шляхом збільшення часу безвідмовного функціонування системи. Цей час можна представити у вигляді суми таких часових інтервалів:

середнього часу , що витрачається на організацію обчислювального процесу й виконання робочих програм;

середнього часу , що витрачається на опитування давачів і обмін даними з мережними абонентами.

Коефіцієнти, що характеризують долю (частину) кожного з часових інтервалів в :

Граф станів після введення до складу ПЗ додаткових засобів контролю та відновлення працездатності представлений на рис.2.



Рис.2. Граф станів після введення до складу ПЗ додаткових засобів контролю та відновлення працездатності

На рис. 2 додатково позначені: - виявлення порушень працездатності додатковими програмними засобами; - прийняття рішень про подальше функціонування системи; - автоматичне відновлення працездатності.

Застосування додаткових програмних засобів забезпечує економію витрат машинного часу за рахунок виявлення додаткового числа збоїв і відмов та скорочення в результаті цього часу роботи системи з невиявленою відмовою ; автоматичного відновлення працездатності після збоїв, що раніше потребувало перезапуску системи . Але введення запропонованих засобів потребує додаткових витрат часу . Тоді можна записати

.

Індивідуально для конкретної АСК ТП НПС можна визначити такі обмеження:

, ,

де - часові обмеження на реалізацію алгоритмів керування; - додаткові часові ресурси системи.

Запропоновані методи дозволяють виявити додаткове число відмов і за цей рахунок зменшити інтенсивність переходів системи в стан невиявленої відмови. Виграш часу забезпечується в результаті того, що частина збоїв, які самовідновлюються і які раніше ідентифікувалися як відмова АСК ТП, при застосуванні запропонованих засобів будуть автоматично нейтралізовані за більш короткий час, ніж перезапуск системи. Зміна коефіцієнта технічного використання обчислюється за формулою

У четвертому розділі представлені результати впровадження та експериментального дослідження розроблених алгоритмічних і програмних засобів. Розглянута організація процесів контролю та діагностики в АСК ТП НПС, що виконуються на рівні контролера та робочих станцій. Серед специфічних функцій виділено формування узагальненої ознаки готовності агрегатів і обладнання до пуску НПС після виконання профілактичних і ремонтних робіт (при формуванні ознаки забезпечується імітація функцій окремих давачів, механізмів і підсистем); прогнозування порушень працездатності; обробка сигналів вбудованих систем контролю (системи контролю вібрацій і температур магістральних насосних агрегатів, станції керування засувками тощо); виявлення порушень працездатності перевіркою мінімального та максимального часу виконання робочих програм; підключення резервного технологічного обладнання при відмовах основного; запам'ятовування стану технологічного обладнання і вмикання його після короткочасних перебоїв з живленням; „безударне” відключення АСК ТП з контуру керування; імітація значень дискретних і аналогових сигналів як засіб зменшення часу комплексного відлагодження системи на об'єкті, а також як засіб пошуку помилок в програмах.

В додатку описані результати аналізу функціональних можливостей фірмового ПЗ з точки зору вимог АСК ТП НПС. Подана структура програмних засобiв АСК ТП НПС та результати дослідження пакета Concept по виявленню помилок в робочих програмах, а також по виявленню порушень та відновленню працездатності АСК ТП. Також подані копії актів впровадження результатів, отриманих в дисертації.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі розв'язана наукова задача подальшого розвитку методів надійнісного проектування комп'ютерних систем керування промисловими об'єктами на основі врахування реальних часових обмежень на виконання процедур контролю і відновлення працездатності та реальних умов експлуатації. Основними результатами роботи є:

1. Запропоновано та досліджено новий метод випереджувального контролю технічного стану НПС, що базується на відслідковуванні траєкторії змін стану в часі та дозволяє прогнозувати наближення до аварійних ситуацій.

2. Розроблені нові процедури виявлення помилок в інформації, що надходить від об'єкта, на основі використання кореляційних залежностей між окремими параметрами та значеннями одного параметра в різні моменти часу.

3. Досліджені можливості контролю обчислювального процесу за критерієм часу виконання окремих фрагментів програм і запропоновані відповідні програмні засоби та способи їх реалізації.

4. Досліджені можливості стандартних (фірмових) засобів для реалізації запропонованих методів і процедур.

5. Розроблені рекомендації по проектуванню промислових комп'ютерних систем, для яких головним критерієм ефективності є надійність та безпека. Рекомендації використані при проектуваннi програмного забезпечення АСК ТП НПС магістрального нафтопроводу Мозир-Кобрін (НПС “Туров”, НПС “Пiнськ”, НПС “Кобрін”).

Впровадження розроблених методик та засобів дозволило підвищити ефективність роботи відповідних об'єктів автоматизації за рахунок скорочення втрат через простої, що викликані порушеннями працездатності обладнання. Економічний ефект від використання розглянутих АСК ТП складає біля 650000 грн. на рік.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Рыжук Н.П. Некоторые методы повышения надежности программного обеспечения АСК ТП нефтеперекачивающих станций // Автоматизація виробничих процесів. - 2001. - №2(13). - C. 116-124.

2. Рыжук Н.П. Проектирование корректного программного обеспечения АСУ ТП нефтеперекачивающих станций // Вісник технологічного університету Поділля. - 2002. - №3. - Т. 2. - С. 184-188.

3. Рижук М.П. Особливості контролю працездатності АСК ТП нафтоперекачуючих станцій, реалізованих на базі промислових контролерів // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2001. - №3. - С. 90-93.

4. Рыжук Н.П., Савченко Ю.Г. Экологический контроль - функция автоматизированного управления нефтеперекачивающими станциями // Науково-виробничий журнал „Арсенал ХХI столiття”.-2002. - №1. - С.67-70.

5. Рижук М.П., Савченко Ю.Г. Інформаційна надлишковість як універсальний засіб контролю реальних об'єктів // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. -2001. - №2. - C.137-140.

6. Рыжук Н.П. Обработка и передача данных в АСУ ТП нефтеперекачивающих станций // Автоматизацiя виробничих процесiв. - 2002. - №2(15). - С. 131-140.

7. Рыжук Н.П. Система обнаружения нарушений и восстановления работоспособности АСУ ТП нефтеперекачивающих станций на базе контроллеров Quantum // Автоматизація виробничих процесів. - 2002. - №1(14). - С. 108-116.

8. Рыжук Н.П. Распределение функций контроля работоспособности АСУ ТП по рабочим программам различных иерархических уровней // Збiрник наукових праць технологiчного унiверситету Подiлля. - Хмельницький: ТУП, 2003. С.17-24.

9. Рыжук Н.П. Оценка работы АСК ТП нефтеперекачивающих станций при горячем резервировании контроллеров // Автоматизація виробничих процесів. - 2003. - №1(16). - С. 87-92.

10. Грабовский Г.Г., Рыжук Н.П., Ушаков В.А. Использование проблемно-ориентированных технологий при проектировании программного обеспечения АСУ ТП // Автоматизація виробничих процесів. - 2003. - №1(16). - С. 113-120.

11. Грабовский Г.Г., Рыжук Н.П., Ушаков В.А. Использование программной избыточности при создании и эксплуатации АСУ ТП нефтеперекачивающих станций // Автоматизація виробничих процесів. - 2003. - №2(17). - С. 111-117.

12. Грабовский Г.Г., Рыжук Н.П., Савченко Ю.Г., Ушаков А.В. Структурные и программные методы диагностирования компьютерных систем управления технологическими процессами // Автоматизація виробничих процесів. - 2004. - №2 (19). - С. 73-81.

13. Грабовский Г.Г., Рыжук Н.П. Оценка влияния показателей надежности на экономическую эффективность АСУ ТП // Автоматизація виробничих процесів. - 2005. - №1 (20). - С. 116-120.

14. Грабовський Г.Г., Рыжук Н.П. Организация оперативного упреждающего контроля для прогнозирования аварийных ситуаций в АСУ ТП нефтеперекачивающих станций // Вісник Хмельницького національного університету. - Частина 1. - Т. 1. - Хмельницький, 2005. - С. 72-76.

15. Рыжук Н.П. Опыт разработки и внедрения АСУ ТП нефтеперекачи-вающих станций // Тезисы докладов научно-практической конференции “Проблемы автоматизации технологических процессов и пути их решения на предприятиях Украины”. - К.: Національний авіаційний університет, 2002. - С. 24-28.

16. Рыжук Н.П. Методы улучшения показателей надежности программного обеспечения АСУ ТП // Тезисы докладов международной конференции по управлению “Автоматика 2002”. - Донецький національний технiчний університет, 2002. - C. 245.

17. Рыжук Н.П. Организация и структура распределенных информационно-управляющих систем управления нефтеперекачивающими станциями // Доклад на II международной конференции "Параллельные вычисления и задачи управления", РАСО, 2004. - М.: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, 2004. - С. 499-514.

АНОТАЦІЇ

Рижук М.П. Дослідження та розробка програмних методів та засо-бів забезпечення працездатності АСК ТП нафтоперекачувальних станцій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальні-стю 05.13.06 - автоматизовані системи керування та прогресивні інформаційні технології. - ДП “Науково-виробнича корпорація „Київський інститут автоматики” ”, Київ, 2006.

Дисертація присвячена проблемі забезпечення працездатності складних автоматизованих комплексів при підвищених вимогах до їх надійності та безпеки. В дисертації розроблені нові підходи та процедури контролю технічного стану обладнання й ходу обчислювального процесу на основі слідкування за траєкторією зміни станів об'єкта, використання кореляційних залежностей між параметрами, часу виконання окремих гілок алгоритму функцiонування.

Для контролю обчислюваного процесу при виникненнi програмних помилок запропоновано та теоретично обгрунтовано узагальнений критерiй на базi використання процедур контролю часу виконання основних фрагментiв робочих програм (часовi допуски оперативно формуються з урахуванням стану обчислюваного та керованого процесiв). Показано, що такий пiдхiд дозволяє виявляти порушення обчислюваного процесу практично в моменти їх виникнення або з мiнiмальним запiзненням пiсля першого проявлення.

Розробленi практичнi рекомендацiї по проектуванню розподiлених промислових комп'ютерних систем, для яких головним критерiєм ефективностi є надiйне керування об'єктом i безпека для персоналу та довкiлля.

Основні результати роботи знайшли промислове впровадження при проектуванні АСК ТП НПС магістрального нафтопроводу Мозир-Кобрін (НПС “Туров”, НПС “Пiнськ”, НПС “Кобрін”).

Ключові слова: забезпечення надійності, пошук порушень та відновлення працездатності, траєкторія станів, обчислювальний комплекс, процедура контролю.

Рыжук Н.П. Исследование и разработка программных методов и средств обеспечения работоспособности АСУ ТП нефтеперекачивающих станций. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологи. - ГП “Научно-производственная корпорация „Киевский институт автоматики” ”, Киев, 2006.

Диссертация посвящена проблеме обеспечения работоспособности сложных автоматизированных комплексов при повышенных требованиях к их надежности и безопасности. В диссертации разработаны новые подходы и процедуры контроля технического состояния оборудования и хода вычислительного процесса на основе слежения за траекторией смены состояний объекта, использования корреляционных зависимостей между параметрами, контроля времени выполнения отдельных ветвей алгоритмов управления.

Соискателем предложены следующие методы повышения показателей надежности АСУ ТП НПС: контроль технического состояния оборудования и хода вычислительного процесса; обнаружение и коррекция ошибок в информации, поступающей от объекта управления; введение в состав ПО подсистемы оперативного обнаружения нарушений и восстановления работоспособности (функции которой рационально распределены по рабочим программам всех иерархических уровней); введение в состав ПО функции оперативного контроля действий оператора АСУ ТП, обеспечивающей компенсацию возникающих при управлении ошибок.

Проведенное соискателем исследование позволило выделить АСУ ТП НПС в отдельный класс систем с точки зрения стратегии и методов обеспечения надежности. Главной отличительной особенностью является промежуточное положение систем этого класса: с одной стороны, -- это восстанавливаемые (ремонтируемые) объекты, с другой, - невосстанавливаемые, поскольку допустимое по условиям эксплуатации время недостаточно для восстановления работоспособности традиционными методами.

Анализ требуемых значений показателей надежности АСУ ТП НПС (наработка АСУ ТП на отказ должна составлять не менее 50000 часов) показывает, что для достижения цели в арсенал используемых методов проектирования обязательно должны включаться как методы, применяемые для невосстанавливаемых систем (структурная избыточность), так и методы, ускоряющие поиск неисправностей, которые типичны для восстанавливаемых систем. Важной особенностью систем рассматриваемого класса является существенное влияние на их эффективность программного компонента, в частности, невыявленных ошибок в программах к моменту начала эксплуатации системы. Учитывая отмеченные особенности, соискателем была обоснована идея упреждающего контроля обобщенного технического состояния объекта, понимая под объектом не только НПС, но и технические и программные средства АСУ ТП. Предложен ряд критериев оценки приближения состояния объекта к аварийным ситуациям, которые базируются на слежении за положением траектории технологического процесса относительно “оболочки”, определяемой границами допустимых значений определяющих параметров.

Разработаны новые процедуры определения ошибок в информации, поступающей от объекта управления, на основе использования корреляционных зависимостей между значениями отдельных технологических параметров в различные моменты времени. Для коррекции ошибок в сообщениях предложен новый метод использования естественной информационной избыточности, возникающей вследствие корреляции сообщений от различных датчиков либо поступающей от одного датчика в различные моменты времени. Метод основан на формальном расширении алфавитного множества путем искусственного объединения в одно слово соседних по времени поступления сообщений, а также формализации физических закономерностей, связывающих отдельные параметры.

Для контроля вычислительного процесса при возникновении невыявленных ранее программных ошибок предложен и обоснован теоретически обобщенный критерий на базе использования процедур контроля времени выполнения основных фрагментов программ (временные допуски оперативно формируются с учетом состояний вычислительного и управляющего процессов). Показано, что такой подход позволяет выявлять возникающие нарушения вычислительного процесса практически в моменты их возникновения или с минимальным запаздыванием после первого проявления.

Разработаны практические рекомендации по проектированию распределенных промышленных компьютерных систем, для которых главным критерием эффективности являются надежное управление и безопасное функционирования.

Основные результаты работы использованы при проектировании АСУ ТП НПС магистрального нефтепровода Мозырь-Кобрин (НПС “Туров”, НПС “Пинск”, НПС “Кобрин”), которые внедрены в промышленную эксплуатацию.

Ключевые слова: обеспечение надежности, обнаружение нарушений и восстановление работоспособности, траектория состояний, вычислительный комплекс, процедура контроля.

Ryzhuk N.P. Development and research of software methods and means of ACS TP oil pumping stations operability assurance. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree in technical sciences by speciality 05.13.06 - automated control system and progressive information technologies. - Ministry of industrial policy of Ukraine, Kyiv, 2006.

The thesis focuses on the problem of operability assurance of complex automated group of buildings in view of rigid requirements to its reliability and safety. New methods and control procedures for technical state of equipment are developed in the thesis as well as computational process based on tracking of the trajectory of the change of object's conditions, using of correlation dependences between parameters, control of the time of the carrying out of the separate branches of working programs (the operative formation of temporary access is made taking into account real conditions of computational and control processes).

The research allowed to distinguish ACS TP OPS into the separate class of control systems from the point of view strategy and the methods of reliability ensuring.

Main characteristic peculiarity is the intermediary position of the systems of this class: from one hand - they are restorable (repairable) objects, from the other - unrepairable ones, since permissible as to the conditions of exploitation time is inadequate for restoration of operability by traditional methods. The main results of research were applied in industry in projection of ACS TP OPS of oil-trunk pipeline Mozyr-Kobrin (OPS “Turov”, OPS “Pinsk”, OPS “Kobrin”).

Key words: reliability ensuring, discovering of disorders and restoration of operability, the trajectory of conditions, computing system.

Размещено на Allbest.ru

...