Среди многочисленных функций информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) одной из важнейших является обеспечение безопасного функционирования потенциально опасных производственных объектов (ОПО), которая обычно реализуется с помощью подсистем противоаварийных защит (ПАЗ). Проблема прогнозирования параметров надёжности и обеспечение функциональной безопасности противоаварийных защит (далее по тексту ПАЗ) ОПО возникла как техническая задача в эпоху начала индустриализации. Эта задача актуальна до сих пор, и она развивается и усложняется вместе с развитием техники.
Проблемы безопасности машин и механизмов возникли на стадии их внедрения в хозяйственную деятельность человека с самого начала промышленной революции 19-го века. Изобретатели первых машин разделяли проблему безопасности на следующие составные части:
1. Защиту машины от постороннего вмешательства.
2. Защиту персонала от опасных частей машины.
3. Защиту машины от разрушения, вследствие нарушения технологии или режимов эксплуатации.
Шло время, усложнялись машины, появлялись новые технологии и оборудование, их реализующее и параллельно с этим процессом шло усовершенствование приспособлений, приборов и систем, обеспечивающих защиту оборудования, персонала и окружающей среды от вредного воздействия и последствий производственных аварий.
В общепринятой в России терминологии эти системы называются «системами блокировок и защит» [52]. С появлением информационно-измерительной техники и появлением автоматизированных систем, увеличился объём и сложность задач, выполняемых ПАЗ. Массовая компьютеризация производств и постепенная передача информационно-измерительных и управляющих функций от оператора к компьютеру или программируемому логическому контроллеру (далее по тексту ПЛК), привела к появлению управляющих информационно-измерительных систем. С этого момента одной их самых важных функций подсистем ПАЗ ИИУС, стала функция блокировки нежелательных воздействий информационно-измерительных и управляющих систем на технологию и объект управления.
Рассмотрим главные задачи, возлагаемые на эти подсистемы:
— задача предотвращения аварий и минимизация последствий аварийэто основная задача, возлагаемая на подсистемы ПАЗ управляющих информационно-измерительных системзадача блокирования (предотвращения) намеренного или ненамеренного вмешательства в технологию ОПО, которое может привести к развитию опасной ситуации и инициировать срабатывание ПАЗ — задача системы блокировок.
В современных системах эти две задачи неразделимы, поэтому будем называть подсистемы, решающие эти задачи, подсистемами ПАЗ, что в терминах стандарта [31] обозначается Е/Е/РЕ.
Electrical/Electronic/Programmable electronic), т. е. электрические/электронные/с программируемой электроникой системы, связанные с безопасностью.
В международных нормативных документах и технической литературе приняты и другие обозначения подсистем ПАЗ:
— Система безопасности (Safety Instrumented SystemSIS) [111].
— Система, предназначенная для защиты (Safety Related System — SRS).
115].
Актуальность работы.
Современный этап развития производственных мощностей народного хозяйства России и других стран мира, характеризуется следующими параметрами:
— увеличение единичной мощности объектов;
— увеличение концентрации потенциально опасных объектов на единицу производственной площади;
— приближение потенциально опасных объектов к населённым пунктам;
— региональная и международная зависимость безопасности среды обитания от опасных событий на производственных объектах;
— возрастание влияния человеческого фактора на безопасностьтеррористическая опасность на потенциально опасных производственных объектах.
В этой ситуации возрастает значимость и ответственность задач, возлагаемых на подсистемы ПАЗ управляющих информационно-измерительных систем. Недостаточное внимание к противоаварийным защитам приводит к авариям, имеющим катастрофические последствия. Увеличение уровня автоматизации производств, приводит к усложнению техники ИИУС, появлению компьютеризированных производств, оперативный контроль за состоянием которых, человек-оператор, в реальном масштабе времени, осуществлять не способен. Поэтому вся ответственность за безопасное ведение производственного процесса возлагается на подсистемы ПАЗ. В свою очередь, сложность подсистем ПАЗ возрастает одновременно со сложностью контролируемого объекта.
Если критерием качества выполняемой функции ИИУС ОПО служит качество и количество выпускаемой продукции, то критерием качества функционирования подсистемы ПАЗ является целостность, полнота безопасности, надёжность функционирования [31, 116, 104].
Если работоспособность ИИУС ОПО постоянно подтверждается её текущим функционированием, то работоспособность подсистем ПАЗ ИИУС может быть проверена только двумя способами:
1. Реальным выполнением функции безопасности при возникновении аварийной ситуации.
2. Периодическим подтверждением способности подсистемы ПАЗ выполнить функцию безопасности, т. е. подтверждением соответствия безопасности [31,116].
Периодичность подтверждения соответствия безопасности определяется характеристиками безотказности подсистем ПАЗ.
Проблема оптимальной периодичности подтверждения соответствия безопасности всегда волновала учёных и практиков ведущих индустриальных стран. Но кроме периодического подтверждения соответствия, подсистемы ПАЗ на активном этапе жизненного цикла, постоянно подвергаются внутренним диагностическим тестам. Такая диагностика является обязательным условием эксплуатации подсистем ПАЗ уровня SIL2 (Safety integrity levelинтегральный уровень безопасности) и выше [31]. Выявленные во время диагностических тестов неработоспособные (или потенциально неработоспособные) модули и элементы подсистемы подлежат замене на новые элементы, прошедшие автономную процедуру подтверждения. Согласно действующим нормативным Российским и международным документам, после такой замены, вся подсистема ПАЗ должна пройти процедуру внеочередного подтверждения, но это не всегда возможно по технологии объекта. Важно оценить, как изменятся параметры безотказности подсистемы ПАЗ при замене отказавшего элемента на новый? На сегодняшний день нет нормативных документов, позволяющих производить такую замену и определить время добавленного ресурса подсистемы ПАЗ ИИУС.
Необоснованно завышенные расчетные параметры надёжности подсистемы ПАЗ ИИУС и как следствие необоснованно увеличенный интервал времени подтверждения соответствия, может привести к катастрофическим последствиям, что неоднократно случалось в промышленной истории. С другой стороны, необоснованно заниженные показатели безотказности подсистемы ПАЗ ИИУС, вынуждают эксплуатирующий персонал чаще останавливать эксплуатацию объекта для проведения операций подтверждения соответствия, что существенно снижает экономические показатели эффективности подсистемы ПАЗ и ОПО в целом.
Не менее опасны и случаи ложных срабатываний подсистем ПАЗ, что также может привести к большому материальному ущербу и даже разрушению оборудования. Причины ложных срабатыванийневозможность проверки больших подсистем ПАЗ ИИУС методом «чёрного ящика», т. е. перебором всех возможных комбинаций входных воздействий и выявление комбинаций, приводящих к ложным срабатываниям функций ПАЗ ИИУС.
Все эти факты невыполнения функции безопасности подсистем ПАЗ являются следствием двух основных причин:
1. Снижения безотказности подсистем ПАЗ ИИУС вследствие концентрации их функций в одной системе и снижения общей надёжности системы.
2. Невозможности гарантированного подтверждения соответствия безопасности подсистем ПАЗ.
Безопасность ОПО обеспечивается выполнением требований по защите от превышения давления, температуры, достижения предела опасной концентрации и т. д. Каждое из этих требований обеспечивается соответствующей функцией безопасности. Входными параметрами функции безопасности являются значения физических параметров ОПО (давления, температуры, уровня и др.), результатом выполнения функции безопасности является воздействие на ОПО посредством исполнительного механизма (ИМ), переводящего ОПО в безопасное состояние.
Сложность функционирования современных подсистем ПАЗ в составе ИИУС заключается и в том, что подсистемы ПАЗ собрали в себе параметрические проблемы, свойственные информационно-измерительным системам, и проблемы функциональные, свойственные управляющим системам и системам релейной автоматики. Таким образом, параметрами качества подсистем ПАЗ стали в комплексе: метрологическая точность, метрологическая температурная и временная стабильность, глубина диагностики датчиков и сенсоров, глубина диагностики интерфейсов, резервирование, дублирование, глубина диагностики исполнительных механизмов и пр.
Ввиду появления новых ПЖ, сочетающих в себе свойства больших контроллеров для распределённых систем управления (далее по тексту РСУ или DCS — Distributed control system) и имеющих в своём составе интеллектуальные модули, которые позволяют выполнять функции ПАЗ, появились предпосылки для создания новой структуры подсистем ПАЗ ИИУС. Данная структура призвана решить проблемы, возникающие на различных стадиях жизненного цикла систем безопасности.
Вместе с тем, кроме названных выше, нерешёнными остались вопросы оперативного подтверждения соответствия характеристик подсистем ПАЗ требуемым характеристикам, а также вопросы прогнозирования отказов и расчёта дополнительного ресурса подсистем противоаварийных защит ИИУС ОПО при замене элементов. В реально работающих ИИУС, замена деградировавших или отказавших элементов на новые, происходит постоянно, но не существует алгоритма определения дополнительного ресурса, который появляется в результате замены.
Для реализации данного подхода необходимо провести исследования, направленные на создание математической модели повышения безотказности подсистем ПАЗ ИИУС, разработать соответствующую структуру и проекты нормативных предложений для организации жизненного цикла подсистем ПАЗ, отвечающим высоким требованиям безопасности.
Цель работы состоит в совершенствовании эксплуатационных характеристик подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС.
Основные задачи работы:
1. Анализ структур подсистем ПАЗ в составе ИИУС и классификация их по признакам защит.
2. Совершенствование структуры подсистем ПАЗ, позволяющей осуществлять оперативную замену элементов подсистемы защит без остановки ОПО.
3. Разработка способов оперативного подтверждения соответствия параметров безотказности подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС интегральному уровню безопасности оборудования ОПО.
4. Разработка алгоритма расчёта продления ресурса подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС при замене элементов.
Объектом исследования в настоящей работе являются подсистемы ПАЗ ОПО в составе ИИУС.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы математического анализа, теории вероятности и математической статистики, теории надёжности, и теории погрешностей. Основные теоретические положения проверены экспериментально и путём моделирования на ЭВМ, с использованием пакетов программ Май^аЬ 6.5, ипипо<1,18а§ гаГ, 3.5.
Научная новизна.
1. Предложена новая классификация подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС, отличающаяся введением новых классификационных признаков — универсальностью модулей ввода-вывода и местом локализации вычислителя функции безопасности.
2. Предложена новая структура подсистем ПАЗ в составе ИИУС, позволяющая осуществлять оперативную замену элементов подсистемы ПАЗ, поэтапно наращивать сложность системы, добавлять новые функции безопасности, проводить подтверждение соответствия и модернизацию без остановки ИИУС и технологического процесса.
3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена, основанная на Марковской модели прогнозирования отказов, математическая модель непрерывных и случайных отказов подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС.
4. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден алгоритм расчёта дополнительного ресурса подсистем противоаварийной защиты ОПО ИИУС, который создаётся путём замены элементов.
Практическая значимость работы:
Результаты научных исследований послужили основой для совершенствования эксплуатационных характеристик ИИУС ОПО: времени непрерывной работы, времени продлённого ресурса ПАЗ ОПО. Практически внедрены: новая структура подсистемы ПАЗ в составе ИУС, алгоритм расчёта дополнительного ресурса подсистем ПАЗ, сформулированы рекомендации по увеличению времени непрерывной работы ИУС ОПО.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Классификация подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС, отличающаяся введением новых классификационных признаков.
2. Структура подсистем ПАЗ в составе ИИУС с аппаратным и программным разделением функций безопасности, позволяющая на работающей подсистеме ПАЗ, добавлять, модернизировать и верифицировать функции безопасности подсистемы ПАЗ.
3. Математическая модель прогнозирования отказов элементов подсистем противоаварийной защиты ОПО, позволяющая учитывать как непрерывные, так и случайные отказы элементов.
4. Алгоритм расчёта дополнительного ресурса подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС при замене элементов, позволяющий продолжать эксплуатацию ОПО без проведения верификации подсистемы ПАЗ, до остановки ОПО на регламентные работы.
Реализация результатов работы:
Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили практическое воплощение в ряде ИИУС, внедрённых в различных проектах предприятий Холдинга фирм ТЯЕ1 в России, Казахстане, Белоруссии, Сербии, Боснии и Герцеговине.
Разработана типовая конфигурация ИИУС с применением интеллектуальных модулей М932С для реализации проектов в различных отраслях промышленности. В их числе:
1. ИИУС турбоагрегата К-55−90 с генератором ТЗФП-6Э-2МУЗ ГРЭС корпорации «Казахмыс» республики Казахстан.
2. ИИУС котлоагрегатов № 1−6 БКЗ 420−130 Усть-Илимской ТЭЦ.
3. ИИУС нефтепромыслов «Казмунайгаз» г. Атырау Казахстан.
Результаты диссертационной работы были использованы при проектировании ИИУС, а также при разработке методик контроля характеристик ИИУС Холдинга фирм ТБ1Е1.
Достоверность научных положений подтверждена результатами экспериментальных исследований, а также практикой разработки, внедрения и эксплуатации подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС в энергетике, химии, нефтепереработке.
Публикации по теме диссертации.
По материалам диссертационной работы автор имеет 11 опубликованных работ, из них шесть в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК и одна статья в зарубежном научном издании.
Апробация.
Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих Всероссийских научно-технических конференциях: «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (г. Пенза, 2004 г.) — «Промышленные контроллеры от, А до Я» (г. Москва, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010 гг.) — «Автоматизация ТЭЦ и ГРЭС» (г. Усть-Илимск, 2007 г.) — «Проблемы и практика автоматизации газотранспортных систем» (г. Москва, 2009 г.) — «Проблемы и перспективы построения распределённых систем в энергетике» (г. Москва, 2010 г.), а также на Юбилейной научно-практической конференции фирмы TREI GmbH (г. Москва, 2010 г.).
Структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных результатов и выводов и приложения.
Выводы по четвёртой главе.
1. Результаты эксперимента подтвердили адекватность предложенной Марковской модели (3.45) — наблюдается совпадение расчетных интервалов времени замены 64-х элементов экспериментальной подсистемы ПАЗ ИИУС с интервалами, полученными экспериментально. Также показано, что предложенная Марковская модель является более адекватной в сравнении с существующей, т.к. в ней учитываются непрерывные отказы элементов, а случайные отказы рассматриваются в группах деградации элементов.
2. Проведено сравнение показателей безотказности подсистем ПАЗ ИИУС централизованной, децентрализованной и функциональной структуры. Показано, что функциональная структура подсистемы ПАЗ имеет явные преимущества по безотказности функции безопасности и позволяет производить прогнозируемое увеличение ресурса подсистемы ПАЗ на значительно большее время по сравнению с известными структурами.
3. Раскрыто прикладное значение разработанной в ходе настоящего исследования математической модели. Показана возможность и необходимость её практического применения в сравнении с действующими методиками.
4. Подробно описан опыт практического применения результатов исследования. Результативность исследования и правильность выбранного направления подтверждается 3-х летним опытом эксплуатации первой подсистемы ПАЗ ИИУС и последующим внедрением пяти подсистем ИИУС ОПО, в которых реализованы результаты данного исследования.
Заключение
Основные результаты и выводы.
1. Анализ основных типов структур подсистем ПАЗ ИИУС позволил провести классификацию систем по основным структурным признакам и выявить новые признаки, необходимые для создания новой структуры. Определены технические требования, позволяющие решить существующие противоречия между сложившейся практикой применения структур ПАЗ ИИУС и актуальными международными нормативными документами.
2. Впервые разработана новая функциональная структура ПАЗ ИИУС, изучены её свойства и показаны её преимущества над существующими структурами. Показано преимущество функциональной структуры, как по основным показателям безотказности, так и по характеристикам продления ресурса в режиме замены элементов.
3. Разработана математическая модель прогнозирования непрерывных и случайных отказов подсистем ПАЗ ИИУС, в том числе с заменой элементов. Данная модель учитывает параметрическую и функциональную деградацию параметров элементов системы и позволяет производить расчёт безотказности, как в ранние периоды разработки, так и в период активной эксплуатации. Математическая модель, разработанная и испытанная в ходе проведённого исследования, позволяет на основании диагностики метрологических и функциональных характеристик элементов подсистемы ПАЗ ИИУС производить коррекцию параметров безотказности по фактическим данным эксплуатации. Что позволяет пользователю подсистемы ПАЗ, как составной части ИИУС ОПО, получать объективную информацию о функциональной безопасности опасного производственного объекта.
4. Произведён расчёт параметров функциональной структуры ПАЗ ОПО в составе ИИУС с применением разработанной в ходе исследования математической модели. Проведено сравнение параметров безотказности, полученных традиционными методиками и с помощью разработанной математической модели. На основе предложенной автором математической модели, разработан алгоритм расчёта времени продления ресурса ПАЗ ИИУС при замене элементов системы. Что позволяет проводить продление эксплуатационного ресурса подсистем ПАЗ без остановки технологического процесса. Данное решение особенно ценно для непрерывных производств, остановка которых для проведения процедур подтверждения соответствия невозможна или экономически нецелесообразна.
