Можаев А.С. (сост.) Моделирование и расчет надежности и безопасности АСУ ТП на стадии проектирования

Подождите немного. Документ загружается.

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМ Ы УПРАВЛЕНИЯ

НА ДЕЖНОСТЬ И БЕ ЗОПАСНОСТЬ

АВТ ОМАТ ИЗИРОВАННОЕ СТ РУКТУРНО-ЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ

НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Т ЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ОБОРУДОВАНИЕМ

НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Мет одические рекомендации

Санкт-Петербург

2003 г.

СПЕЦ ИА ЛИЗИРО ВАН НА Я ИНЖИНИРИНГО ВАЯ КОМПАНИЯ

III

А ННОТАЦИЯ

1. М етодические рекомендации раз работаны по плану НИР на 2002 г. ОАО "Ассоциация

"М онтажавтоматика" (Москва) в ОАО "Специализированная инжиниринговая компания

"Севзапм онтажавтоматика " (Санкт-Петербург).

2. М етодические рекомендации предназначены для специалистов предприятий и

организации, выпол ня ющи х работы по моделированию и расчету показателей надежности и

безопа сности автоматизированных систем управления технологическими процессам и и

оборудованием на стадии пр оектирования. Сформулированы общие положения, цели и

задачи Методических рекомендаций. Дана общая характеристика и порядок прим енения

технологии и пр огр аммных комплексов автом атизированного структурно-логического

моделирования и расчета пок азателей надежности и безопасности АСУТ П на стадии

проектирования. Приведены примеры автоматизирован ного моделирования и расчета

надежности и безопасности АСУТ П.

3. М етодические рекомендации разработаны под общей редакцией ген ераль ного

директора ОАО "СПИК СЗМА" Нозика А.А.

4. Разработчик: веду щий специалист Научно-и сследовательского отдела ОАО "СПИК

СЗМА" д.т.н., п рофессор Можаев А.С.

5. М етодические рекомендации разработаны впервые.

СОДЕРЖАНИЕ

1. ОБЛАСТ Ь ПРИМЕНЕНИЯ.........................................................................................................2

2. РУКОВОДЯЩИЕ И НОРМАТ ИВНЫЕ ДОКУМЕ НТЫ..........................................................4

3. ОПРЕДЕЛЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ..........................................................................................4

4. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ МЕТОДИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ................................................6

5. ОБЩАЯ ХАРАКТ ЕРИСТ ИКА Т ЕХНОЛОГИИ АВТ ОМАТИЗИРОВАННОГО

СТРУКТУРНО-ЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ..........................................................7

6. ПОРЯДОК ПРИМ ЕНЕНИЯ Т ЕХНОЛОГИИ АСМ..................................................................9

6.1. Основные этап ы технологии АСМ ....................................................................................9

6.2. Содержание и организация выполнения первого эта па

постановки задачи автоматизированн ого моделирования и расчетов ..............................10

6.3. Содержание и организация выполнения второго эта па

автом атизир ованного моделир ования и расчетов ................................................................11

6.4. Содержание и организация выполнения третье го этапа

прим енения результатов автоматизированного моделирования и расчетов ....................12

7. ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................................................13

Приложение 1. Апп арат схем функциональной целостности .............................................14

Приложение 2. Состав модулей типового программного комплекса АСМ ......................16

Приложение 3. Методы расчета типовых вер оятностных показ ателей

надежности и безопасности АСУТ П ....................................................................................19

Приложение 4. Примеры прим енения технологии АСМ ....................................................22

Пример 1. А втом ати зированн ое м оделирование и расчет надеж ности

пр ограммно-логического контроллера АСУТП............................................................22

Пример 2. А втом ати зированн ое м оделирование и расчет безопасности

заправочной операции .....................................................................................................32

А ВТОМА ТИЗИРОВАННЫ Е СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИ Я

НА ДЕЖНОСТЬ И БЕ ЗОПАСНОСТЬ

АВТ ОМАТ ИЗИРОВАННОЕ СТ РУКТУРНО-ЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И

РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТ И И БЕЗОПАСНОСТ И АВТ ОМАТ ИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ Т ЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ОБОРУДОВАНИЕМ

НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Мет одические рекомендации

______________________________________________________________

Дата введе ния

1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

1.1. Настоящие М етодическ ие рекомендации (МР) предназначены для использования

проектным и организациями, проектными и проектно-конструкторскими отделами други х

организаций и предприятий (да лее Предпр иятия), выполня ющих работы по моделированию

и расчету показателей надежности и безоп асности автоматизированн ых систем управления

технологическими процессам и и оборудованием (АСУТ П) на стадии проектирования.

1.2. М оделирование и расчет надежности и безопасности АСУТ П выполня ются пр и

проектировании объектов нового строительства, реконструкции и тех нического

перевооружения объектов производственного назначения:

- в безусловном порядке, когда их проведение регламентировано руководящими и

нормативными докум ент ами Государственн ых надзорных органов;

- как правило, при создани и АСУТ П взрывопожароопасных и токсичных

технологических установок, имеющих в св оем составе блоки 1-й и 2 категорий

взрывоопасности, и других потенциально опасных объектов;

- при требованиях о выполнении расчетов надежности и бе зопасности , установленных

заказчиками в задания х на проектирование, технических задания х на создание АСУТ П,

текстах контрактов (договоров).

1.3. В М етодических рекомендация х излагаются основы соврем енн ой технолог ии

автом атизир ованного структур но-логического моделирования (АСМ) и расчета показ ателей

надежности и бе зопасн ос ти структурно-сложных и высокоразм ерных АСУТ П, которая

включает в себя:

- общий логико-вероятностный метод (ОЛВМ) анализа структурно-сложных систем ;

- специализированные пр огр аммные комплексы (ПК), в которых автомати зирован ы

процессы построения логико-вероятностных моделей и расчета показ ателей

надежности и безопасности структур но-сложных и высокоразм ерных АСУТ П;

- методики постановки задач, использования пр огр аммных комплексов

автом атизир ованного моделирования и пр именения результатов оценки надежности и

безопа сности АСУТ П на стадии проектирования.

1.4. Автом атизированное структурно-логическое моделирование и расчет надеж ности и

безопа сности выполня ются для оценки уровня безотказности и/или безопа снос ти

протекания технологических процессов (функционирования оборудования), как по

отдельным функциям (подсистемам, контурам управления) и аварийным ситуац иям, так и по

проектируемой АСУТ П в целом.

1.5. Рез ультаты расчетов надежности и безопаснос ти АСУТ П предусм отрен о

использовать сам остоятельн о и как составную ча сть оценки риска аварий на опасных

производственных объектах в соответствии с Методическими указаниями РД 03-418-01.

1.6. Результаты моделирования и расчетов надежности оформляются документ ом

"Проектная оценка надежности системы", который разрабатывается в части проекта

"Общесистемные решения". Состав и содержание документа должны соответствовать п.2.10

РД50-34.698-90.

1.7. Настоящие М етодическ ие рекомендации являются основой для разработки в

ведомствах и на Пр едпр иятиях м етодических докум ентов (отраслевых метод ических

указаний , стандартов предприятий, рекомендаций, методик и т.п.) по в недрению и

прим енению технологий автоматизированн ого моделирования и расчетов надежности и

безопа сности проектируемых АСУТ П.

1.8. М етодические рекомендации разработаны в соответствии с требованиями

государственных и межотраслевых норм ативно-технических документов, перечисленных в

п.2.

1.9. При использовании иных технологий автом атизированн ого моделирования

(например, деревьев отказов, деревьев событий и др.) для расчета пок азателей надежности и

безопа сности АСУТ П, должн ы разрабатываться соответствующие методическ ие

рекомендации.

2. РУКОВОДЯЩИЕ И НОРМАТИВНЫ Е ДОКУМЕНТЫ

Настоящие Методические рекомендации разработаны на основе и в соответствии с

требованиями следующих норм атив но-технических документ ов:

ГО СТ 27.001-95. Межгосударственн ый стандарт. Система стандартов "Надежность в

тех нике". Основные положения. М инск: Межгосуда рственный совет по

стандартизации, метролог ии и сертификации, 1997. –3 с.

ГО СТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные по нятия. Терм ины и определения . М.:

Издательство стандартов, 1989.

ГО СТ 27.301-95 Надежнос ть в технике. Расчет надежности. Основные положения. М.:

Изд-во стандартов, 1997. – 15 с.

ГО СТ 24.701-86. Единая система стан дартов автомати зирован ных систем управления.

Надежность автом атизир ованных систем управления. Основные

положения. М.: Издательство стандартов, 1987. – 17 с.

ГО СТ 27.310-95. М ежгосударственный стандарт. Надежность в тех нике. Анализ видов,

последствий и критичности отказов. Основные положения. М.:

Издательство стандартов, 1997. – 12 с.

РД 03-418-01 М етодические рекомендации по проведению анализа риска опасных

производственных объектов. Докуме нты м ежотраслевого прим енения по

вопросам промышленной безопасности, охраны недр. Госгортехнадзор

России, 2001. –20 с.

ПБ 09-170-27 Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных

хим ических, нефтехимическ их и нефтеперерабатывающих произ водств.

Утвер ждены постановлением Госгортех надзора России от 22.12.97 г.

№52.

Общие правила взр ывобезопасности хим ических производств и

объектов. Утвер ждены М инистер ством по чрезвычайным ситуациям

Республики Беларусь 28 июня 1996 г. М инск: 1996 г. - 80 с.

РД 50-34.698-90 М етодически е указания. Информационная технология. Автом атизирован-

ные системы. Требования к содержани ю докум ентов. Государственный

комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам и. М.:

Издательство стандартов, 1990, 38 с.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

3.1. В настоящем МР использованы терм ины и сокращения:

- по надежности в тех нике в соответствии с ГОСТ 27.001-95, ГОСТ 27.002-89, 27.301-95;

- по надежности систем автоматизац ии в соответствии с ГОСТ 24.701-86;

- по безопас ности и риску в соответствии с ГОСТ 27.310-95, РД 03-418-01, ПБ 09-170-27.

3.2. Дополните льно в МР использованы следующие терми ны и сокращения:

АСУТ П – автом ати зирован ные системы управления технологическими процессам и и

оборудованием;

F – ф ункция или множество главных функций, реализуем ых АСУ Т П;

АС – аварийная си туаци я или м ножество аварийных ситуаций , которые могут возникнуть в

процессе функционировании проектируемой АСУТ П;

ОЛВМ – общий логико-вероятностный метод теории автом атизированного структурно-

логического моделирования систем;

АСМ – автома тизированн ое структурно-логическое моделир ование – инфор мационная

технология, основанная на ОЛВМ, в которой строго форм ализованы и

автоматизированы процессы построения математических моделей и расчетов

показателей надежности и безопасности АСУТ П большой разм ерности и высокой

структурной сложности;

ПК АСМ – пр ограммный комплекс автоматизирован ного стр уктурно-логического

моделирования и расчета показателей надежности и бе зопасности АСУ Т П;

СФЦ – схема функциональной целостности проектиру емой АСУТ П или ее подсистемы,

которая представляет собой специальный ориентир ованный граф ),(

XG , где X -

м ножество вершин, представляющих элементы, а

- м ножество дуг,

представляющих логические связи между элементами в АСУТП;

ЛКФ – логический критерий функционирования, определяющий условие реализации

выходной функции

или возникновения аварийн ой ситуации AC в

проектируемой АСУТ П;

ФРС – логическая функция работоспособности системы;

КПУФ – кр атчайшие пути успешного функционирования;

МСО – миним альные сечения отказов;

ВФ – вероятностная функция (многочлен);

ПЛК – пр ограммно-логический к онтроллер;

Показатели безопасности - вероятностные и другие хар актер истик и возникновения

аварийной ситуации в АСУТП вследствие отказов ее элементов и других факторов;

Предпр иятия - проектные организации, проектные и проектно-конструкторские отделы

други х организаций и пр едпр иятий, в интересах которых выполня ются

(сам остоятельн о или по заказу) работы по оценке надежности и безопасности

АСУТ П строящихся, реконструируемых или модернизируемых объектов;

Исполнитель – ор ганизации, их структурные подразделения и специалисты, выполня ющ ие

автом атизир ованное структурно-логическое моделирование и расчет показателей

надежности и безопасности АСУТ П;

Заказчик – организации, их структурные подразделения и специалисты, в интересах которых

Исполнитель выполня ет моделирование и расчет надежности и безопасности

АСУТ П. В частности, Заказчиком мо жет быть разработчик АСУТ П.

4. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ МЕТОДИЧ ЕСКИХ РЕКОМЕ НДАЦИЙ

4.1. Основной целью разработки М етодических рекомендаций является реализация на

Предпр иятия х требований государственных норматив ных документов, указанных в п.2, по

оценк е надежности и безопасности АСУТ П на стадии проектирования.

4.2. Основным и задачами прим енения технологии автом атизированного структурно-

логического моделирования и расчета надежности и безопасности АСУТ П на стадии

проектирования являются:

- определение достигнутого (ожидаемого) уровня надежности и безопасности АСУТ П и

их составных частей;

- сравни тельный анализ структурных решений АСУТП и обоснование выбор а

оптимальных вариантов по критериям надежности, безопасности и стои мости;

- проверка соответстви я ожидаемого (достигнутого) уровня надежности и безопасности

проектируемых АСУТ П требованиям нор мативных докум ент ов, программ обеспечения

надежности, технических задан ий или контрактов (договоров);

- предоставление спец иалистам , разрабатывающим технические решения, объективной

информации о состоянии си стем ы, наиболее слабых (опасных) элементах (узлах,

компонентах) и рекомендаций по увеличению надежности и безопас ности АСУ Т П;

- повышение каче ства, конкурентоспособности и эффективности проектируемых

АСУТ П.

5. ОБЩАЯ ХАР АКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГ О

СТРУКТУРНО -ЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВА НИЯ

5.1. Существующие технологии моделирования и расчета надежности и безопасности

структурно-сложных систем характеризуются следующим и трем я основными этапами:

- постановки задачи, главное место в которой занимает разработка структурных сх ем

надежности и/или сценариев возникновения аварийных ситуаций;

- постр оения расчетных м атематических моделей (логических, аналитическ их или

статистических ) для количественной оценки свойств надежности и безопасности систем ;

- выполнения расчетов показателей надежности и безопасности систем и использование

полученных результатов для выр аботки и обоснования исследовательских , пр оектных,

эксплу атационных и других управленческих решений.

5.2. Постоянно возрастающие структурная сложность и размерность современ ных

АСУТ П сделали практически невозм ожным выполне ни е второго этапа средствами

традиционных ("ручных") технологий построения математических моделей их надежности и

безопа сности. Реш ить данную проблему предусм отрен о на основе технологий, в которых

автоматизированы процессы построения сложных и высокоразмерных мате мат иче ских

моделей надежности и безопасности АСУТ П.

5.3. Существующие отечественные и зарубежные технологии и программны е комплексы

автом атизир ованного моделирования различаются способами представления исх одных

структурных схем, предметными областя м и (классами анализируем ых объектов), методами

и пр огр аммными комплекса ми авто матизированного моделирования, а также составом

вычисля емы х показателей надежности и безоп ас ности исследуем ых систем . В настоящее

время наибольшее распространение получили технологии автом атизированн ого

моделирования, в основе которых лежат способы построения структурных схем надежности

и сценариев возникновения авари й в виде деревьев отказов, деревьев событий , схем

последовательно-параллельного соединения элемент ов, графов связности и схем

функциональной целостности. Теоретической основой указанных технологий выступают

различные мод ификации так называемых логико-вероятностн ы х методов исследования

надежности структурно-сложных систем. По специализации, уровню теоретической

разработки, качеству программной реализации, а также составу и точности вычисления

показателей, разные технологии автоматизированного моделирования могу т существенно

отличаться друг от друга и в р азличной степени удовлетворять целям, задачам и

особенностям проектных расчетов надежности и бе зоп асности АСУТ П различных типов и

назначения.

5.4. Рассм атриваемая в настоящих М етодических рекомендациях технология

автом атизир ованного структурно-логического моделир ования и расчета показ ателей

надежности и безопасности АСУТ П на стади и пр оектирования характеризуется следующими

основными поло жениями:

5.4.1. В технологии АСМ используется универсальный графический аппарат построения

структурных моделей на эта пе постановки задач оценки надежности и безопасности АСУТ П

– схем ы функциональной целостности (СФЦ). С помощью СФЦ могут представляться

практически все известные структурные схем ы надежности и безоп ас ности систем,

используемые в других технологиях автоматизирован ного моделир ования (де ревь я отказов,

деревья событий, последовательно-параллельные соединения, граф ы св язности и др.).

Вместе с тем аппарат СФЦ позволяет строить принципиально новые классы немо нотонных

и комби наторно-последовательных структурных моделей надежности и безопасности

соврем енн ых АСУ Т П.

5.4.2. Теоретической основой технологии АСМ я вляется общий логико-вероятностный

метод (ОЛВМ) системн ого анализа. В сравнении с другими структурными мето дами

моделирования надежности и безопасности систем , ОЛВМ впервые реализует все

возможности основного аппарата моделирования – алгебры логики в базис е функционально

полного набора операций "И", "ИЛИ" и "НЕ". Это позволяет с помощью ОЛВМ решать

задачи оценки надежности и безопасности, которые решаются методами других технологий

автом атизир ованного моделирования, а также учитывать в формируемых моделях ряд новых

системных особенностей соврем енных АСУТ П.

5.4.3. В ОЛВМ полностью алго ритмизированы и реализованы в пр ограммных

комплексах авто матизированного структурно-логического м оделирования (ПК АСМ)

наиболее сложные и громоздкие процессы построения математических моделей и

выполнения расчетов показателей надежности и безопасности АСУТ П. Это позволяет, во-

первых , оценивать надеж ность и безопасность АСУ ТП большой разм ерности и высокой

структурной сложности, и, во-вторых, осуществить практическое внедрение технологии

автом атизир ованного структурно-логического м оделирования в деятельнос т ь Пр едпр иятий.

5.4.4. Уни версальность и полнота разработки ОЛВМ обеспечивают возможность

дальнейшего развития технологии и ПК АСМ, а также их адаптацию к особенностям задач

моделирования и расчета надежности и безопасности АСУТ П различных Предпр иятий.