Методы повышения уровня надежности систем АСУЗ



Рассмотрены вопросы оценки уровня надежности систем АСУЗ и современные методы повышения ее уровня для проектирования и использования уже существующих систем.

В последнее время все больше различного оборудования, будь то инженерные системы или мультимедийные устройства, включается в состав строящихся или уже построенных зданий и сооружений. Современные технологии значительно упрощают и повышают эффективность используемых помещений, но чем больше количество этих достаточно сложных систем, тем больше ресурсов нужно выделять для их оптимального использования и обслуживания.

На этом фоне назрела необходимость создания интегрированного решения, способного управлять вышеописанными устройствами с максимальным удобством и эффективностью.

Данная потребность вылилась в реакцию на нее рынка и появлению широкого спектра различных систем, оптимизирующих использование и повышающих эффективность работы зданий и сооружений. Их часто называют системами АСУЗ (автоматизированными системами управления зданием) или системами «Умного дома».

И если еще десяток лет назад реализации подобных систем присутствовали в единичных экземплярах на объектах верхнего ценового диапазона, то теперь технологии «Умного дома» наряду с «Интернетом вещей» и облачными решениями прочно завоевали свое место среди огромного количества строящихся и построенных объектов как коммерческого, так и личного назначения.

Одна из основных задач систем «Умного дома» (АСУЗ) — снижение затрат на эксплуатацию зданий и сооружений за счет реализации стратегии энергоэфективности, уменьшения количества персонала за счет автоматизации и улучшения качества работы подконтрольных систем за счет применения технологий более полного сбора и обработки информации, и соответственно, более эффективного управления инженерными и другими подсистемами.

Отсюда один из ключевых параметров эффективной работы систем АСУЗ — это уровень ее надежности. В самом деле, в случае некачественной реализации (ошибки проектирования, монтажа, пуска-наладки), затраты на последующее техническое обслуживание, ремонт и модернизацию могут снизить или вообще уничтожить планируемый экономический эффект от внедрения средств автоматизации, не говоря уже о последствиях технических катастроф и т. д.

Таким образом, становится понятна необходимость введения расчетов показателей надежности систем АСУЗ, причем на текущий момент времени многие проектные решения не предоставляют подобных данных.

В контексте работы систем АСУЗ существуют нормативные документы, это прежде всего это соответствие стандартам ISO 16484 Building automation and control systems (BACS), СТО НП «АВОК» 8.1.3–2007 «Автоматизированные системы управления зданиями», исходя из их анализа можно сделать выборку показателей, актуальных для систем АСУЗ.

Но что касаемо именно аспекта надежности, для систем «Умного дома» нет каких-либо специализированных документов и/или стандартов, что позволяет для формирования критериев надежности обратится к ныне действующему ГОСТ 24.701–86, общему для всех автоматизированных систем управления.

Исходя из него и других источников — понятие надежности можно представить так — это свойство системы сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения.

Показатель надежности — это количественная характеристика одного или нескольких свойств, определяющих надежность системы. В основе большинства показателей надежности лежат оценки наработки системы, то есть продолжительности или объема работы, выполненной системой. Показатель надежности, относящийся к одному из свойств надежности, называется единичным. Комплексный показатель надежности характеризует несколько свойств, определяющих надежность системы [1].

В качестве показателей надежности АСУЗ вполне допустимо использовать показатели, характеризующие надежность реализации функций системы.

Основными единичными показателями безотказности являются:

‒ — средняя наработка системы на отказ в выполнении i-ой функции (средняя наработка на отказ i-ой функции АСУЗ) — ;

‒ — вероятность безотказного выполнения системой i-ой функции (вероятность безотказной работы i-ой функции АСУЗ) в течение заданного времени .

Комплексными показателям безотказности и ремонтопригодности, наиболее полно отражающим общий уровень надежности является коэффициент готовности системы к выполнению i-ой функции (коэффициент готовности i-ой функции АСУЗ) — К_Гi;

Среди методик оценки надежности зарубежными производителями принято свое обозначение терминам наработки системы на отказ — Mean operating time between failures (MTBF) — отношение суммарной наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки. Данную характеристику нередко отражают в документации, позволяя рассчитать уровень надежность системы с данными компонентами [2].

Коэффициент готовности так же применяется в зарубежной практике и носит название Instantaneous availability function — вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается [2]. На практике данный коэффициент готовности определяется через среднее суммарное время простоя за заданный интервал времени.

(1)

После введения понятия надёжности и некоторых ее оценок, рассмотрим методы, способные увеличь ее уровень:

‒ Конструктивный метод — реализация оптимальной структуры и топологии системы АСУЗ, организация резервирования жизненно важных элементов;

‒ Технологический — применяется при проектировании отдельного оборудования, входящего в состав АСУЗ — соответственно при проектировании системы «Умного дома» остается только учитывать показатели надежности, публикуемые производителем стороннего оборудования;

‒ Эксплуатационный — обеспечение необходимых процедур для поддержания оборудования систем АСУЗ в исправном состоянии [3].

Первым, и одним из самых действенных методов обеспечения надежной работы систем АСУЗ является конструктивный.

На этапе проработки общей концепции АСУЗ важно учесть необходимые функции системы, которые нужно реализовать, ее масштаб, потребность в типе конечных устройств и тщательно проработать топологию и технологию реализации АСУЗ.

На текущий момент с точки зрения топологии существуют централизованные, децентрализованные и смешанные системы. Каждый из данных типов имеет свои плюсы и минусы, но с точки зрения политик обеспечения надежности использование централизованных, децентрализованных и смешанных систем равносильно рассмотрению последовательных, параллельных и смешанных систем.

Отличия с точки зрения надёжности — если выход из строя одного элемента оборудования приводит к отказу всей системы — это последовательная система. Например, для централизованных систем такой точкой отказа может быть центральный сервер (контроллер) или шлюз его интерфейсов в ЛВС либо шину для исполнительных устройств. Соответственно, если функционирование одного из элементов системы достаточно для функционирования всей системы, то данная система называется параллельной. В реальности это возможно, если условно декомпилировать сложную АСУЗ на более простые подсистемы и выполнить резервирование оборудования так, что в случае работы всего лишь одного компонента этой подсистемы вся она будет работоспособна, как и АСУЗ в целом. Понятно, что это сложно с технической точки зрения и затратно экономически, поэтому наиболее распространены смешанные (последовательно-параллельные) системы — некие точки отказа существуют, но это могут быть отдельные датчики и устройства, не влияющие критически на общую работоспособность АСУЗ, а критически важное оборудование — зарезервировано.

Понятно, что существуют методы резервирования, позволяющие для любых типов топологий выполнить требования последовательно-параллельной системы — резервирование критически важного оборудования, канала связи, ПО позволяет достичь определенного уровня надежности, желаемого заказчиком.

Для этого ему нужно заявить необходимый уровень коэффициента готовности, используя понятное определение отношения времени простоя за определенный отчетный период времени.

Также на этапе проработки технического решения стоит обратить внимание на состав оборудования и используемые им протоколы для передачи данных. Логично использовать или один тип подключения к общей СПД (сейчас это, естественно стандарт Ethernet и стек протоколов TCP/IP), или не более 2-х с использованием промежуточных шлюзов, например, Ethernet/Rs-485. Таким образом, исключая многообразие протоколов и используя наиболее общепринятые, можно пользоваться разработанными и наиболее часто используемыми методиками резервирования — для ЛВС давно предусмотрены технологии использования избыточных соединений и быстрого переключения между ними в случае каких-либо нештатных ситуаций с оборудованием или каналом связи.

Использование максимально унифицированных устройств (например, реле или иных исполнительных механизмов) на этапе проектирования существенно упростит эксплуатацию и снизит номенклатуру ЗИПа.

Так же понятно, что на этапе разработки необходимо защитить оборудование АСУЗ от внешних факторов воздействия. Это могут быть скачки/пропажа электричества — устанавливаются ИБП и резервируются блоки питания наиболее важных устройств.

Это может быть пропажа связи с глобальной сетью интернет — в случае использования облачных сервисов АСУЗ должна иметь возможность продолжить работу и без них.

Также существуют риски физического воздействия (от окружающей среды — грозы, перепады температур, уровень влажности и нагрев от солнечного света, или же, напротив, преднамеренной порчи оборудования/информационной атаки с некой криминальной целью). В данном случае противодействием может быть внедрение защищенного исполнения камер видеонаблюдения, датчиков и наружных панелей, проработка условий эксплуатации всех устройств системы АСУЗ на предмет соответствия рекомендациям их производителей, меры по уменьшению риска угроз информационной безопасности АСУЗ.

Эксплуатационный метод увеличения уровня надежности в первую очередь характеризуется исполнением регламентов работ, заложенных на этапе проектирования АСУЗ. Это прежде всего регулярное ТО, во время которого проводятся работы по удалению пыли, влаги и прочив факторов, скапливающихся от времени и влияющих а работу оборудования, это может быть периодическое плановое обновление ПО на оборудовании АСУЗ, позволяющее закрывать выявленные программные проблемы в работе оборудования, это документирование и маркировка изменений развернутой и работающей АСУЗ (перекоммутация оборудования, документирование добавления новых устройств, выявление изменений относительно последней версии исполнительной документации). Часто исполнением планового ТО пренебрегают, доверяясь тому, что система стабильно работает, сталкиваясь затем с отказами заклинивших вентиляторов или поиском в пожарном порядке неожиданно переставшей работать камеры, перекоммутированной в другой кросс, но не внесенной при этом в документацию.

Также крайне важно при проведении регламентных работ контролировать текущее состояние и предупреждать возможные проблемы с вышедшем из строя оборудованием.

И не менее важно вести статистику по наработке на отказ используемого оборудования, не только доверяясь заводским данным MTBF, так как это позволяет на реальной выборке в реальных условиях эксплуатации контролировать состав актуального ЗИПа.

Данные методы позволяют при совокупном и комплексном применении значительно повысить коэффициент готовности i-ой функции АСУЗ К_Гi, уменьшив время простоя и увеличить уверенность заказчика в работоспособности системы АСУЗ, выполнив одно из наиболее важных условий внедрения — снижение стоимости эксплуатации объекта.

Литература:

1. ГОСТ 24.701–86 Надежность автоматизированных систем управления. М.: Издательство Стандартинформ, 2009. — 11 с.

2. ГОСТ Р 27.002–2009 Надежность в технике. Термины и определения. М.: Издательство Стандартинформ, 2011. — 27 с.

3. Ветошкин А. Г. Надежность технических систем и техногенный риск. — Пенза: Изд-во ПГУАиС, 2003. — 155 с.