Надежность, оптимизация и диагностика автоматизированных систем

 
 
 
 
 
М. Л. Хазин 
 
 
 
 
 
 
 
НАДЕЖНОСТЬ, ОПТИМИЗАЦИЯ И ДИАГНОСТИКА 
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ 
 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 
1 

Печатается по решению редакционноиздательского совета Уральского  
государственного горного университета 
 
УДК 622:681.5 
ББК 33.1+32.965 
Х12  
 
 
 
Рецензенты: 
профессор, доктор технических наук (УрФУ) Ю. Н. Жуков; 
доцент, кандидат технических наук (УрФУ) И. Н. Тихонов 
 
 
 
Хазин, М. Л. 
Х12   
Надежность, оптимизация и диагностика автоматизированных  
систем : учебник / М. Л. Хазин. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2022. – 248 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0890-5 
 
Изложены основные понятия и термины теории надежности. Приведены 
основы расчета резервированных и нерезервированных, невосстанавливаемых и 
восстанавливаемых систем. Рассмотрены вопросы анализа надежности и оптимизации сложных автоматизированных систем, программного обеспечения и методов повышения надежности.  
 
Для студентов направления подготовки 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств». 
 
 
УДК 622:681.5 
ББК 33.1+32.965 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0890-5 
” Хазин М. Л., 2022 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
2 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Надежность является одним из важнейших показателей современной техники. От нее зависят такие показатели, как качество, эффективность, безопасность, живучесть. Техника может быть эффективной, если она имеет высокую 
надежность. Надежность техники определяется при ее проектировании и производстве. Чтобы создать автоматизированную систему, удовлетворяющую требованиям надежности, необходимо уметь рассчитать ее надежность в процессе 
проектирования и обеспечить ее при технической реализации. 
Теория надежности как техническая дисциплина имеет особенности: 
x это трудный для изучения предмет, что связано с широким использованием математики при изучении теории надежности; 
x необходимость применения компьютерных технологий для решения 
практических задач; 
x случайный характер отказов и восстановлений. Эта особенность приводит к тому, что любые решения задач надежности имеют вероятностный характер; 
x трудность математического моделирования объектов из-за отсутствия 
достоверных данных о надежности элементов системы, в частности, данных о 
законах распределения отказов и восстановлений; 
x трудность, а во многих случаях невозможность статистических испытаний из-за технических и экономических ограничений; 
x сложность современных систем и как результат большие размерности 
уравнений, решение которых во многих случаях невозможно даже при использовании компьютерных технологий. 
Основное внимание в данном учебном пособии уделяется вопросам анализа надежности техники при различных законах распределения отказов и восстановления, с использованием математического аппарата интегральных уравнений.  
Целью освоения дисциплины «Надежность, оптимизация и диагностика 
автоматизированных систем» является формирование у студентов прочных знаний по основным положениям теории надежности автоматизированных систем. 
Задачи освоения дисциплины: 
1. Научиться оценивать надежность автоматизированных систем. 
2. Научиться проводить диагностику автоматизированных систем. 
3. Научиться создавать автоматизированные системы с оптимальным или 
заданным уровнем надежности. 
В процессе освоения данной дисциплины студент формирует и демонстрирует следующие компетенции: способен осуществлять модернизацию и автоматизацию действующих и проектирование новых автоматизированных и автоматических производственных и технологических процессов с использованием автоматизированных средств и систем технологической подготовки производства, разрабатывать и практически реализовывать средства и системы 
автоматизации и управления различного назначения (ПК-1); 
3 

В результате освоения дисциплины студент должен: 
Знать: 
x математический аппарат теории надежности; 
x основные показатели надежности и методики их определения; 
x методы анализа надежности; 
x методы технической диагностики. 
Уметь:  
x анализировать современные автоматизированные системы на всех 
стадиях их жизненного цикла; 
x рассчитывать основные показатели надежности автоматизированных 
систем; 
x создавать автоматизированные системы с оптимальным или заданным 
уровнем надежности; 
x проводить техническую диагностику автоматизированных систем. 
Владеть: 
x навыками использования технической и справочной литературы; 
x навыками расчета надежности и оптимизации автоматизированных 
систем по результатам эксплуатационных данных или испытаний; 
x навыками применения методик технической диагностики автоматизированных систем. 
Изложение учебного материала сопровождается контрольными вопросами 
после каждой главы. 
Учебник соответствуют требованиям государственного образовательного 
стандарта подготовки 15.04.04 – «Автоматизация технологических процессов и 
производств».  
 
 
 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Характерной особенностью современного развития техники является широкое внедрение методов и средств автоматики, вызванное переходом на автоматизированное и автоматическое управление различными производственными 
и технологическими процессами, создание гибких производственных модулей, 
систем и комплексов. Повышение эффективности и качества проектируемых 
технических систем невозможно без повышения надежности автоматизированных систем управления, что обусловливает возрастание фактора надежности в 
современных условиях развития техники и проектировании технических систем 
различного назначения. 
Другой причиной, требующей повышения надежности, является возрастание сложности технических систем, аппаратуры их обслуживания, жесткости 
условий их эксплуатации и ответственности задач, которые на них возлагаются. 
Недостаточная надежность технических систем приводит к увеличению доли 
эксплуатационных затрат по сравнению с общими затратами на проектирование, производство и применение этих систем. При этом стоимость их эксплуатации может во много раз превышать стоимость их разработки и изготовления. 
Кроме того, отказы автоматизированных систем приводят к различного рода 
последствиям: потерям информации, простоям других устройств и систем, авариям и т. д.  
В конечном счете надежность автоматизированных систем определяется 
надежностью комплектующих элементов. Поэтому знание основных вопросов 
надежности элементной базы является в настоящее время необходимым условием успешной работы в области информатики и управления, и особенно это относится к будущим разработчикам аппаратуры автоматики. 
Надежность является одним из самых важных показателей современной 
техники. От нее зависят такие показатели, как качество, эффективность, безопасность, риск, готовность, живучесть. Техника может быть эффективнойтолько 
при условии, если она имеет высокую надежность. Надежность техники определяется при ее проектировании и производстве.Чтобы создать автоматизированную систему, удовлетворяющую требованиям надежности, необходимо уметь 
рассчитать ее надежность в процессе проектирования, знать методы обеспечения 
высокой надежности и способы их технической реализации. Необходимо также 
доказать экспериментально, что показатели надежности спроектированной системы не ниже заданных. Нужно также разработать методы, обеспечивающие 
высокую безотказность техники в процессе ее эксплуатации. Все это невозможно 
реализовать,если не владеть основами теории надежности. Ее должен знать проектирующий технику, технолог, эксплуатационщик. Необходимость знания теории надежности широкому кругу специалистов – одна из особенностей теории 
надежности как научной дисциплины. 
Основные вопросы, которые изучает теория надежности, – отказы технических элементов (средств, систем); критерии и количественные характеристики 
надежности; методы анализа и повышения надежности элементов и систем на 
этапах проектирования, изготовления и эксплуатации; методы испытания 
5 

технических средств на надежность; методы оценки эффективности повышения 
надежности. 
Предмет её исследований – изучение причин, вызывающих отказы объектов, определение закономерностей, которым отказы подчиняются, разработка 
способов количественного измерения надёжности, методов расчёта и испытаний, разработка путей и средств повышения надёжности.  
Теория надежности исследует закономерности возникновения отказов объектов, восстановления их работоспособности, рассматривает влияние внешних и 
внутренних воздействий на процессы, происходящие в объектах, разрабатывает 
методы расчета систем на надежность, прогнозирование отказов. При этом изыскиваются способы повышения надежности при проектировании и эксплуатации 
объектов, а также способы сохранения надежности при эксплуатации, определяются методы сбора, учета и анализа статистических данных, характеризующих 
надежность. 
Обеспечение надежности является серьезной задачей для специалиста, эксплуатирующего сложные автоматизированные системы, отказ которых может 
привести к авариям и чрезвычайным происшествиям.  
Совершенство методов и средств диагностики позволяет обнаруживать в 
элементах дефекты различного происхождения. В связи с этим возникает задача 
о допустимости обнаруженных дефектов с точки зрения нормального функционирования и безопасной работы. Ситуация, связанная с необходимостью прогнозирования разрушения элементов автоматизированных систем, а также с оценкой риска эксплуатации в условиях неполноты и неопределенности информации 
о качестве и состоянии автоматизированных систем, является постоянно действующим фактором. Одним из возможных способов реализации прогноза в 
условиях неопределенности исходной информации является вероятностный подход. 
Повышение надежности автоматизированной системы приводит к ее 
усложнению и, следовательно, повышению стоимости. Возможен вариант, при 
котором затраты на повышение надежности превысят величину ущерба, возникающего при отказе системы. Поэтому каждый раз необходимо решать задачу 
оптимизации по выбору средств и способа повышения надежности. 
 
 
 
 
 
 
6 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ  
НАДЕЖНОСТИ 
 
Надежность характеризует качество технического средства. Качество – совокупность свойств, определяющих пригодность изделия к использованию по 
назначению и его потребительские свойства. 
При недостаточной долговечности машины изготовляют в большем, чем 
нужно, количестве, что ведет к перерасходу металла, излишкам производственных мощностей, завышению расходов на ремонт и эксплуатацию. Физический 
срок службы машин в среднем существенно меньше срока морального износа. 
 
1.1. Этапы и направления развития теории надежности 
 
Проблема обеспечения надежности электронной аппаратуры и автоматизированных систем была сформулирована в 50-х годах прошлого века. Потребность существенного улучшения надежности авиационного оборудования была 
признана Министерством обороны США в начале 1960 г. на основе анализа расходов на материально-техническое обеспечение и на основе настоящих и будущих эксплуатационных требований к авиационной технике.  
С проблемой надежности столкнулись и в бывшем СССР. Когда в конце 
50-х годов прошлого столетия было освоено производство ЭВМ первого поколения «Урал-1» на электронных лампах, выяснилась их низкая надежность. Электронные лампы часто выходили из строя, поэтому нормальная эксплуатация этих 
весьма громоздких машин была почти практически невозможна. Положение изменилось в начале шестидесятых годов после освоения выпуска ЭВМ на полупроводниках «Минск-2». Частые отказы имели также черно-белые и цветные телевизоры. 
В 50-е и 60-е годы прошлого века в СССР было освоено производство многих машин для механизации трудоемких работ: экскаваторов, угольных комбайнов, тракторов и др. Все они имели частые отказы и неисправности. С увеличением времени эксплуатации машин число отказов возрастало, что делало их 
дальнейшую эксплуатацию невозможной. 
Стремление повысить надежность заставляет проектировщиков машин и 
конструкций существенно увеличивать запасы прочности. Так как количественное обоснование этих запасов невозможно, и они определяются инженерным 
опытом, то всегда имеется большая «избыточность» в массе и стоимости металлического материала деталей машин и элементов конструкций. Повышенная 
масса машин и конструкций при малом их ресурсе, большой расход запасных 
частей на аварийные и плановые ремонты машин и т. п. определяли высокую 
металлоемкость производства. Так, в 1989 г. в бывшем СССР выпускалось  
166 млн т стали, а в этом же году в США, где валовой внутренний продукт был 
более чем в 5 раз выше, чем в СССР, выпускалось всего 75 млн т стали. 
Когда произошла авария на Чернобыльской АЭС (1986), то выяснилось, 
что проектная и нормативная документация по атомным станциям не содержит 
7 

сведений о событии – аварии –  и количественной оценке этого события. Между 
тем зарубежные атомные станции имели оценки вероятности возможной аварии 
станции и ее ответственных частей. Такие количественные оценки позволяют 
просчитывать надежность вариантов при проектировании станции и назначении 
способов ее технического обслуживания. 
При этом стало ясно, что отсутствие события – авария машин и конструкций – при расчете методами сопротивления материалов и строительной механики определяет неизбежность аварий. По этой причине, несмотря на применение при расчете большого запаса прочности, и там, где возможно, резервирования, имеют место аварии по техническим причинам различного оборудования, 
самолетов и космических кораблей. Уменьшение величины запасов прочности у 
менее ответственных конструкций приводит к частым отказам. При этом величина избыточной материалоемкости конструкций, неизбежной при назначении 
запасов прочности, является неизвестной. 
Опытом установлено, что выгоднее затратить дополнительные средства на 
обеспечение надежности на этапе разработки, чем расплачиваться за кажущуюся 
экономию затрат при проектировании ненадежной аппаратуры при ее эксплуатации. Решение задачи повышения надежности аппаратуры связано с разработкой теоретических методов анализа надежности на стадии проектирования, с выбором показателей надежности и их оценкой по результатам испытаний, с изучением физических и химических процессов, приводящих к отказам аппаратуры, 
к конструкторским поискам оптимальных схемных решений, с технологией и организацией производства, с планированием испытаний, с организацией получения данных о надежности аппаратуры с мест эксплуатации, с подготовкой обслуживающего персонала и вопросами экономики. 
В развитии современной теории надежности можно выделить три периода. 
Первый период – период становления (конец 40-х – начало 60-х годов прошлого 
века) – характеризуется оценкой надежности по числу зафиксированных отказов. 
Расчет надежности производился по интенсивностям отказов, входящих в систему элементов, полученных по статистике отказов. Такой подход развивался в 
связи с решением проблемы надежности в радиоэлектронике и автоматике.  
В этом направлении первые работы по вопросам надежности в нашей стране 
были выполнены A. M. Бергом, Н. Г. Бруевичем, В. И. Сифоровым, A. M. Половко, Г. В. Дружининым, Н. А. Шишонком и др. Начиная с начала 60-х годов 
прошлого века интенсивно развивались математические вопросы теории надежности (Б. В. Гнеденко, Ю. К. Беляев, А. Д. Соловьев). За рубежом в развитие 
методов теории надежности большой вклад внесли Дж. Нейман, К. Шеннон,  
А. Пирс. 
На втором периоде – периоде бурного развития теории надежности  
(60-е годы прошлого века) – при оценке надежности объектов стали учитывать 
влияние функциональных связей между элементами системы, влияние режимов 
работы (внутренних факторов) и факторов окружающей среды – температуры, 
влажности, давления, вибраций, излучений и т. п. (внешних факторов). В этот 
период расчеты и оптимизация надежности объектов получили распространение 
во всех отраслях техники (Я. К. Барлоу, С. Прошан, В. В. Болотин и др.). Многие 
8 

вопросы надежности были стандартизованы. Большое внимание было уделено 
физике отказов (Б. С. Сотсков). 
Со второй половины 70-х годов прошлого века наблюдается рост числа исследований, связанных с решением задач прогнозирования надежности объектов 
и оценки надежности сложных систем. Третий период – период разработки теории надежности – характерен дальнейшим углубленным изучением физико-химических и статистических закономерностей появления отказов как в простых, 
так и в сложных системах. 
С этого времени надежность стала вопросом первостепенной важности с 
точки зрения выполнения задания и стоимости жизненного цикла радиоэлектронной аппаратуры. В программах разработок, руководимых военными ведомствами США и СССР, надежность и стоимость жизненного цикла являлись главными целями в расчетах, проектировании, производстве и эксплуатации автоматизированных систем. 
Развитие теории надёжности проходило по нескольким направлениям, из 
которых можно выделить следующие:  
1. Развитие математических основ теории надёжности. Обобщение статистических материалов об отказах и разработка рекомендаций по повышению 
надёжности объектов вызвали необходимость определять математические закономерности, которым подчиняются отказы, а также разрабатывать методы количественного измерения надёжности и инженерные расчёты её показателей. В результате сформировалась математическая теория надёжности.  
2. Развитие методов сбора и обработки статистических данных о надёжности. Обработка статистических материалов в области надёжности потребовала 
развития существующих методов и привела к накоплению большой статистической информации о надёжности. Возникли статистические характеристики 
надёжности и закономерности отказов. Работы в этом направлении послужили 
основой формирования статистической теории надёжности.  
3. Развитие физической теории надёжности. Наука о надёжности не могла 
и не может развиваться без исследования физико-химических процессов. Поэтому большое внимание уделяется изучению физических причин отказов, влиянию старения и прочности материалов на надёжность, разнообразных внешних 
и внутренних воздействий на работоспособность объектов. Совокупность работ 
в области исследования физико-химических процессов, обусловливающих 
надёжность объектов, послужила основой физической теории надёжности.  
4. В конкретных областях техники разрабатывались и продолжают разрабатываться прикладные вопросы надёжности, вопросы обеспечения данной конкретной техники (полупроводниковые приборы, судовые установки, транспортные машины, вычислительная техника, авиация и т. д.). При этом решается также 
вопрос о наиболее рациональном использовании общей теории надёжности в 
конкретной области техники и ведётся разработка новых приложений, методов 
и приёмов, отражающих специфику данного вида техники. Так возникли прикладные теории надёжности, в том числе прикладная теория надёжности автоматизированных систем.  
9 

Математическим аппаратом теории надежности являются теория вероятности, математическая статистика, теория случайных процессов, теория массового обслуживания, теория информации, математическая логика, теория планирования эксперимента и другие математические дисциплины. 
 
1.2. Термины и определения 
 
Определения терминов даны в соответствии с нормативно-технической документацией в области надежности: ГОСТ 24.003-84 Единая система стандартов 
автоматизированных систем управления. Автоматизированные системы управления. Термины и определения; ГОСТ 24.701-86 Единая система стандартов автоматизированных систем управления. Надежность автоматизированных систем 
управления. Основные положения; ГОСТ 27.002-2015 Надежность в технике. 
Термины и определения. 
В теории надежности используют понятия «объект», «элемент» и «система». 
Объект – техническое изделие определенного целевого назначения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации.  
Система – объект, представляющий собой множество взаимосвязанных 
элементов, рассматриваемых в определенном контексте как единое целое и отделенных от окружающей среды. 
Подсистема – часть системы, которая представляет собой систему. 
Элемент системы – объект, для которого в рамках данного рассмотрения 
не выделяются составные части. То есть это отдельная часть системы, которая 
рассматривается без дальнейшего разделения, как единое целое без учета его 
внутренней структуры («черный ящик»). 
Объектами могут быть различные системы и их элементы, в частности сооружения, установки, технические изделия, устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали. Объект может включать в себя 
аппаратные средства, программное обеспечение, оперативный персонал или их 
комбинации. 
Эти понятия выражены одно через другое и условны: то, что является системой для одних задач, для других принимается элементом в зависимости от 
целей изучения, требуемой точности и т. д. Например, компьютер является элементом АСУ, с другой стороны, компьютер – это система, состоящая из микропроцессора, монитора, клавиатуры и т. д.  
 
1.3. Состояния объекта 
 
Основные параметры характеризуют функционирование объекта при выполнении поставленных задач и устанавливаются нормативно-техни-ческой документацией (НТД). 
Исправное состояние (исправность) – состояние объекта, в котором он соответствует всем требованиям, установленным в документации на него. 
10