Причиной отказа ПО служит некоторая систематическая ошибка программы, после устранения которой программистом данный отказ исчезает, т.е. имеет место восстановление ПО.

Различают ошибки первичного и вторичного типа.

Ошибки первичного типа связаны с неточностями в текстах программ и возникают при подготовке носителей и документации ПО, при записях кодов на алгоритмических языках и трансляции программ на машинный язык. А также из-за неточностей алгоритмов и при неверных или некорректных постановках решаемых на УВМ вычислительных задач.

Ошибки вторичного типа во многом являются следствием первичных ошибок программ. К ним относят ошибки:

вычислительные (неверная индексация и подсчет временных параметров, расхождение результата ручного и машинного счета, появление неустойчивых операций и т.п.);

логические (пропуск логических условий, неверные краевые условия и др.)

сопряжения интерфейсов (межмодульных, программно-технических, информационных).

Ошибки первичного и вторичного типов порождаются на этапах разработки спецификаций на ПО; проектирования ПО; реализации программ.

Устранение ошибок или восстановление программ осуществляется программистом на этапе отладки ПО, который заканчивается сдачей готовых программ в эксплуатацию. Однако, как показывает опыт исследования надежности сложных ПО, около половины ошибок программ не выявляется на стадии отладки и сдачи ПО в эксплуатацию. Эти ошибки (преимущественно вторичные) проявляют себя в процессе эксплуатации ПО в случайные моменты времени t и приводят к отказам программ.

Отказы ПО при его эксплуатации имеют ряд отличий от отказов технических элементов:

· Отказ ПО не приводит к разрушению или поломке программного элемента. Отказы ПО не связаны с физическим износом элемента (в частности носителя программ) .

· Отказ ПО не коррелирован с процессорным и, тем более, астрономическим временем (с процессорным временем или числом прогонов ПО программ пользователем).

· При длительной эксплуатации ПО все его ошибки могут быть устранены и программы становятся абсолютно надежными. Если обозначить через N(t) число не выявленных ошибок ПО в произвольный момент процессорного времени t, то формально имеет место соотношение lim N(t) = 0, справедливое при условии, что в процессе восстановления программ в них не вносятся новые ошибки.

Опыт создания и эксплуатации ПО реального времени показывает, что при устранении одних ошибок вносятся другие. Поэтому, при длительной эксплуатации ПО, общее число ошибок может оставаться постоянным или даже возрастать.

Для описания надежности ПО используют такие же функциональные и числовые характеристики, как и при исследовании надежности технических элементов.

Основные показатели надежности ПО:

1. функция ненадежности или отказа ПО Q(t) = Вер {того, что отказ ПО появится до момента времени t};

2. функция надежности ПО P(t) = Вер {того, что отказ ПО появится после момента времени t);

3. интенсивность отказов ПО (t) = dQ/dt:

4. средняя наработка на отказ ПО: t = t f(t)dt = P(t)dt

Программное обеспечение АСУТП состоит из большого числа программ, подпрограмм и модулей, находящихся под управлением операционной системы реального времени или программы-диспетчера. Выполнение каждой из этих программ осуществляется последовательно во времени на одном и том же процессоре. Если эти программы имеют взаимные информационные связи или предназначены для получения одного результата y (вычисление одной функции), то в надежностном отношении такой программный комплекс представляет собой простую систему без избыточности и вероятность его безотказной работы равна произведению вероятностей безотказной работы каждой i-ой программы:

где m - общее число программ.

Надежность такого ПО определяется надежностью отказов самой «ненадежной» программы, имеющей наибольшее значение , i=1,m.

Для повышения надежности нерезервиированного ПО следует в первую очередь улучшить характеристики самых «ненадежных» программ (более жесткое динамическое тестирование «ненадежных» программ, расширяя при этом набор тестовых задач). Если тестирование не уменьшает интенсивность проявления ошибок, то переписывают «ненадежную» программу, стремясь усилить ее структурированность путем увеличения числа готовых и хорошо изученных программных модулей и стандартных подпрограмм и применения апробированных межмодульных интерфейсов. Понижению интенсивности способствует и переход на другой более высокий язык программирования.

Другой путь повышения надежности ПО связано с резервированием и введением в программную систему некоторой избыточности.

Применительно к ПО АСУТП различают три вида резервирования:

1. временное;

2. информационное;

3. программное.

Временное резервирование ПО заключается в многократном прогоне одних и тех же «ненадежных» программ и сравнении результатов расчета. Такое нагруженное резервирование позволяет устранять влияние случайных сбоев и выявлять случайные ошибки, требующие восстановления программ.

Информационное резервирование ПО основано на дублированных исходных и промежуточных данных. Эти данные могут проходить дополни тельную обработку, например, усреднение, до ввода в ПО, где они обрабатываются один раз; или обрабатываться одной и той же программой дважды, т.е. информационное резервирование подкрепляется временным.

Программное резервирование предусматривает наличие в ПО двух или больше разных программ для получения одного и того же результата у или реализации одной функции. Здесь возможно нагруженное и ненагруженное резервирование.

Резервирование программного обеспечения распределенных АСУТП часто сопровождается аппаратурным резервированием. При отказе ПО какой-либо локальной технологической станции или при выходе из строя технических средств этой станции, операционная система РАСУ передает выполнение ответственных функций отказавшей ЛТС другой станции.

6. Общая характеристика условий работы автоматических систем

Автоматические системы, а также их отдельные элементы при эксплуатации находятся под воздействием различных факторов, которые будем называть нагрузками. Характерной особенностью электронных автоматических систем по сравнению с механическими системами является большое разнообразие нагрузок, воздействующих на систему.

По физической природе нагрузки можно разделить на следующие основные классы:

1) механические нагрузки -- вибрации, удар, постоянно действующие ускорения;

2) климатические нагрузки -- температура, влажность и влага, атмосферное давление, солнечная радиация, пыль, песок;

3) электрические нагрузки -- ток, напряжение, рассеиваемая мощность;

4) радиоактивные нагрузки -- поток нейтронов, гамма-лучей

Механические нагрузки воздействуют на автоматические системы, работающие на подвижных объектах: летательных аппаратах, электровозах, кораблях и др. Кроме того, механические нагрузки возникают при транспортировке, а также при эксплуатации оборудования.

В результате воздействия механических нагрузок отказы автоматических систем имеют следующий характер:

1) смещение скользящих и вращающихся деталей и узлов;

2) обрыв элементов;

3) разрушение паек;

4) разрушение нитей накала ламп;

5) стук контактов;

6) короткое замыкание близко расположенных проводников и деталей;

7) размыкание нормально-замкнутых контактов;

8) замыкание нормально-разомкнутых контактов;

9) повреждение обмоток трансформаторов;

10) разрушение элементов конструкции.

Климатические нагрузки, воздействующие на автоматические системы, зависят от географического места, в котором работает система, а также от условий работы системы (стационарные, полевые и т. д.).

В результате воздействия климатических нагрузок отказы автоматических систем имеют следующий характер

1) изменение значений электрических констант (R, L, С и т. д.);

2) размягчение изоляции;

3) снижение эластичности изоляции;

4) уменьшение поверхностного и объемного сопротивлений изоляции вплоть до коротких замыканий вследствие образования льда;

5) замерзание движущихся частей;

6) размыкание и замыкание контактов вследствие коробления;

7) изменение прочности конструкционных элементов;

8) потеря смазочных свойств, а следовательно, чрезмерный механический износ подвижных частей вследствие попадания пыли и песка;

9) короткие замыкания вследствие ухудшения изоляционных характеристик воздуха с изменением высоты.

Так же, как и в случае механических нагрузок, климатические нагрузки в отдельных местах системы могут в значительной степени отличаться от их значений в окружающей атмосфере.

Электрические нагрузки обычно определяются для элементов и реже для узлов. Величина электрической нагрузки зависит от принципиальной электрической схемы и конструкции системы. Электрическая нагрузка определяет режим работы элемента. Для большинства электрических элементов устанавливается номинальное значение электрической нагрузки.

Характерными отказами автоматических систем вследствие воздействия электрических нагрузок являются:

1) обрыв элементов в результате перегорания;

2) короткое замыкание элементов в результате пробоя.

Величина электрических нагрузок в значительной степени зависит от режима работы системы. В установившемся режиме работы действительное значение нагрузки близко к ее расчетному значению, всегда меньшему, чем номинальное значение, поэтому обычно коэффициент нагрузки меньше единицы. В переходных режимах величина нагрузки может в несколько раз превышать расчетное значение, тогда коэффициент нагрузки становится большим единицы. Это обстоятельство характерно для моментов времени включения и выключения автоматической системы. В этом случае обычно появляется большее число отказов, чем при работе в установившемся режиме.

Радиоактивное излучение имеет место в случае применения автоматических систем в установках, использующих термоядерные двигатели. Наибольшее влияние на электронные системы оказывают нейтроны и гамма-лучи. При оценке влияния термоядерного излучения на элементы автоматических систем в первую очередь определяется характер влияния радиации, а затем уже допустимая доза радиации.

Краткое рассмотрение условий работы автоматических систем показывает, что они работают под воздействием сложного комплекса нагрузок. Кроме того, задача аналитического описания нагрузок усложняется также и тем, что некоторые из них характеризуются несколькими параметрами. Например, вибрации характеризуются частотой и амплитудой вибраций. Задачу можно упростить при предположении, что для каждого из элементов можно выделить одну или несколько главных нагрузок. С этой точки зрения целесообразно классифицировать нагрузки не по их физической природе, а по их влиянию на систему или ее отдельные элементы.

Выделим три класса нагрузок:

1) нагрузки-напряжения;

2) нагрузки-катализаторы;

3) пассивные нагрузки.

Нагрузки-напряжения связаны с созданием в элементах или системе напряжений. К ним отнесем механические нагрузки -- вибрации, удар, ускорения и электрические нагрузки -- ток, напряжение, рассеиваемую мощность. Таким образом, нагрузки-напряжения вызывают разрушение элементов системы в том случае, если они превышают допустимые значения.

Нагрузки-катализаторы сами по себе практически не вызывают напряжений в элементе или системе и, следовательно, без нагрузок-напряжений они не приводят к отказам. Однако нагрузки-катализаторы изменяют прочность материалов или ухудшают физические, химические и электрические параметры. К этой группе нагрузок отнесем климатические нагрузки: температуру, влажность, атмосферное давление, солнечную радиацию. Действительно, повышенные температуры изменяют, например, прочность материалов на разрыв; влажность изменяет электрическую прочность изоляционных материалов и т. д. В дополнение к климатическим нагрузкам можно иногда отнести и накопленное время работы системы или число циклов работы системы. Очевидно, что это может быть сделано в тех случаях, когда время работы изменяет прочностные характеристики элементов или системы в целом.

К, пассивным нагрузкам следует отнести такие условия работы системы и элементов, которые сами по себе не вызывают напряжений в элементах системы и не изменяют ее способности противостоять нагрузке, например воздействие пыли, песка, а также биологических факторов. Эти нагрузки в основном определяют выбор соответствующих материалов и конструктивных форм элементов и систем.

В большинстве случаев нагрузки являются случайными функциями времени, т. е. представляют случайный процесс.

В наиболее простейших случаях можно не учитывать корреляционных связей между различными типами нагрузок, т. е. считать нагрузки статистически независимыми. Кроме того, если изменение нагрузок во времени является стационарным случайным процессом, можно в качестве количественных характеристик нагрузок использовать распределения нагрузок как случайных величин.

Представляет интерес оценка, как возможных значений нагрузок, так и их максимальных значений. Для определения плотности вероятности нагрузок по известным реализациям случайного процесса (в случае стационарного процесса достаточно знать одну реализацию в течение длительного времени) необходимо разделить общее время наблюдения на достаточно малые интервалы и определить нагрузку в каждом интервале.

Рис. 6.1. Плотности вероятности нагрузки и плотности ее максимальных значений.

Таким образом может быть построена функция плотности вероятности нагрузки и плотность вероятности максимальных значений нагрузки в результате фиксирования в течение продолжительного отрезка времени максимальных нагрузок. Взаимное расположение указанных плотностей вероятностей показано на рис. 6.1.

Использование для расчетов надежности автоматических систем, плотностей вероятности нагрузок ni(Z) и (Zmax), соответствует условию приложения к системе статических нагрузок.

7. Методы повышения надежности автоматических систем

Повышение надежности при проектировании

При создании и эксплуатации автоматических систем необходимо стремиться обеспечить заданную, а иногда и максимальную надежность системы при эксплуатации. Однако в практике создания сложных автоматических систем в большинстве случаев не удается, не только получить максимальную надежность, но и обеспечить даже при обычном подходе к проектированию и эксплуатации минимальную требуемую надежность системы. Поэтому при создании и эксплуатации систем необходимо принимать специальные меры, направленные на повышение надежности систем. Способы повышения надежности автоматических систем весьма многообразны и требуют от лиц, создающих системы, как широких научных и теоретических знаний, так и инженерного искусства, большого опыта и т. д.

Естественно, что детально рассмотреть все многообразие мер и способов повышения надежности весьма трудно и это связано было бы с освещением большого количества узконаправленных задач. Учитывая это обстоятельство, в настоящем параграфе будут рассмотрены общие методы и принципы повышения надежности автоматических систем. Изучение общих методов и принципов повышения надежности автоматических систем имеет также свои положительные стороны, обеспечивающие развитие правильных и перспективных направлений создания высоконадежных систем, без чего могут стать малоэффективными правильные решения более узких практических вопросов.

В соответствии с тремя главными фазами, которые проходит каждая система, будем рассматривать три метода повышения надежности систем: при проектировании, производстве и эксплуатации.

Следует отметить, что только объединенными мерами на каждой из этих фаз можно добиться высокой надежности создаваемой и эксплуатируемой системы. Тем не менее, решающее влияние на надежность автоматических систем оказывает фаза проектирования.

3) разработкой конструкции системы и приборов, обеспечивающей минимальные нагрузки на систему и элементы, а также удобство обслуживания системы.

Повышение надежности систем при эксплуатации

Если в результате проектирования нерезервированной системы не удается обеспечить требуемую безотказность, можно применять следующие методы повышения надежности системы при эксплуатации:

Резервирование бывает информационное, временное, функциональное, аппаратурное и структурное. Рассмотрим два последних вида резервирования. Аппаратурное резервирование обеспечивается применением нескольких одинаковых устройств для достижения заданной цели, например, прием и запись уникальной информации одновременно на 2--3 устройства. Структурное (схемное) резервирование состоит в применении специальных схем соединений основного и резервного элементов.

Используют поэлементное резервирование и резервирование всей цепи основных элементов (нагруженный резерв) (рис. 8.1 а, б). В полностью резервированной системе отказ одного или нескольких элементов не приводит к отказу всей системы. При постоянном резервировании, которое иногда называют пассивным, резервные устройства постоянно включены в схему, при этом до момента ремонта включенными в схему остаются и отказавшие устройства. Постоянное резервирование отличается простотой схем, возможностью применения к различным конструкциям (системам, приборам, узлам, элементам) и даже к внутриэлементным связям. Наиболее эффективно постоянное резервирование для элементов и внутриэлементных связей.

Существенным недостатком постоянного резервирования является изменение параметров схемы и режимов работы при отказах резервных устройств, что в некоторых случаях недопустимо. Определенные технические трудности встречаются также при резервировании устройств, характеризующихся двумя типами отказов (обрыв и короткое замыкание). Кроме того, для ряда устройств автоматических систем постоянное резервирование технически трудно осуществить, а в некоторых случаях даже невозможно.

Рис. 8.1 Схемы резервирования: а -- поэлементного; б -- общего; в -- поэлементного замещением; г -т общего замещением; д -- мажоритарного; ОЭ -- основной элемент; РЭ -- резервный элемент

Как и всякому способу повышения безотказности, связанному с применением большего количества элементов, чем это требуется функциональной схемой, постоянному резервированию присущи также недостатки, связанные с увеличением веса, объема, стоимости аппаратуры и усложнением эксплуатации. Вес системы с постоянным резервированием может быть значительно уменьшен благодаря применению микроминиатюрных и молекулярных элементов.

Резервирование с поэлементным замещением (ненагруженный резерв). Достоинство -- в сохранении ресурса резервных элементов. Недостаток -- в дополнительной возможности отказа переключающего элемента (рис. 8.1 в).

Резервирование с общим замещением (ненагруженный резерв (рис. 8.1 г)). Общее правило, которое можно применять в схемном резервировании, гласит: чем мельче масштаб резервирования, тем больше надежность.

Широко используется схема мажоритарного резервирования, которая носит также название «схема голосования из трех по два». Неисправный канал автоматически исключается из линии передачи информации (рис. 8.1 д).

Резервирование осуществляют также с применением логических схем. Такое резервирование называют активным. Применение логических схем обеспечивает неизменность параметров схемы при отказах элементов, повышает безотказность системы при их использовании для устройств, характеризующихся отказами двух типов, позволяет сохранять ресурс резервных устройств, находящихся в режиме ожидания в ненагруженном состоянии. Резервирование с логическими схемами неизбежно связано с применением дополнительных устройств в виде индикаторов отказа, переключателей и т. д.

Надежность автоматической системы может в значительной степени снизиться также под воздействием внешних помех, перемежающихся или самовосстанавливающихся отказов и др., приводящих к искажению передаваемой информации. В этих случаях эффективным средством повышения надежности систем является применение, особенно в дискретных информационных системах, самокорректирующих кодов и избыточности передаваемой информации. Применение того или иного метода резервирования зависит от конкретных условий, от назначения и особенностей работы системы.

В общем случае невозможно применением только одного метода резервирования добиться высокой надежности автоматической системы. Высокая надежность системы может быть обеспечена только в результате комбинированного применения методов резервирования. Одним из направлений создания высоконадежных автоматических систем на основе комбинированных методов резервирования является применение самонастраивающихся и самоорганизующихся систем. При помощи постоянного резервирования можно обеспечить функционирование системы с вероятностью, весьма близкой к единице. Однако при отказах резервных элементов в значительной степени могут измениться выходные параметры, при этом отклонения параметров могут быть такими, что, несмотря на отсутствие отказа системы, она не удовлетворяет предъявляемым требованиям. Комбинированное применение постоянного резервирования и метода самонастройки параметров при отказе резервных элементов позволяет избежать недостатков, присущих только постоянному резервированию. Еще большие возможности повышения надежности могут представиться в результате применения самоорганизующихся систем, в которых при отказах отдельных элементов или изменении внешних условий изменяется структура системы, перераспределяются функции между ее отдельными элементами.

Одним из наиболее важных средств обеспечения высокой безотказности системы на стадии эксплуатации является строгое соблюдение условий технологических процессов. Соблюдение установленных технологических процессов должно начинаться с входного контроля материалов и изделий, применяемых в системе, обеспечении при необходимости качественной замены материалов. В ряде случаев причиной низкой безотказности выпускаемых систем может быть загрязненное содержание оборудования и рабочих мест. Важным методом повышения безотказности систем является правильная организация производственного контроля и уровень культуры производства.

Особый вред качеству системы наносится скрытыми производственными дефектами в результате нарушения технологического процесса. Обычно скрытые дефекты представляют наибольшие технические трудности при производственном контроле.

Наряду с производственным контролем безотказность сложных систем может быть существенно повышена, особенно для начального периода эксплуатации, проведением тренировочных испытаний системы (приработки) в производственных условиях. Это позволяет устранить большинство производственных и скрытых отказов, если приработка системы проходит при больших, по сравнению с номинальными, нагрузками.

отказ автоматический надежность восстановление

Заключение

Правильная организация эксплуатации системы является одним из решающих факторов обеспечения высокой надежности. Большое значение имеет и своевременное проведение профилактических мероприятий, позволяющих предупредить появление отказов системы в рабочий период времени. Одним из современных методов профилактики является прогнозирование отказов, позволяющее своевременно заменить так называемые критические элементы и тем самым исключить их отказы. Естественно, что полностью исключить отказы в рабочий период не удается, поэтому необходимо проектировать систему и правила ее эксплуатации таким образом, чтобы обеспечить минимальное время восстановления отказавшей системы. В этой связи большое значение имеет разработка схем автоматической проверки и обнаружения отказов (системы диагностирования), а также, если это возможно, и схем самовосстановления отказов.

Из эксплуатационных факторов важная роль в поддержании высокой надежности автоматических систем принадлежит обслуживающему персоналу, его технической подготовке, опыту и другим качествам.

Большое значение для повышения надежности системы имеет организация эксплуатации, в частности снабжение систем запасными элементами и материалами, техническими описаниями и инструкциями по эксплуатации, организация ремонтных органов и др.

Таким образом, высокая надежность автоматических систем может быть обеспечена только комплексом методов, применяемых на всех фазах создания и эксплуатации системы.

Используемая литература

1. Балакирев В.С., Бадеников В.Я. Надежность технических и программных средств автоматизации. Учеб. пособие для ВУЗов. - Ангарск.: Ангарский технологический институт, 1994, - 64 с.

2. Ястребенецкий М.А., Иванова Г.М. Надежность АСУТП. Учеб. пособие для ВУЗов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 264 с.

3. Надежность АСУ: Учеб. пособие для ВУЗов/ Под ред. Я.А. Хетагурова. - М.: Высшая школа, 1979. - 287 с.

4. Шураков В.В. Надежность программного обеспечения систем обработки данных. Учебник для ВУЗов. - М.: Финансы и статистика, 1987. - 272 с.

Размещено на Allbest.ru