XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Введение

Автоматизация технологических процессов составляет важную часть научно-технического прогресса в энергетической отрасли, в частности, в сфере теплоснабжения. Теоретические исследования в области совершенствования управления работой котельных установок и их оптимизации получили новые возможности практической реализации с появлением программируемых логических контроллеров (ПЛК), микропроцессорной техники и созданием на их основе сложных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП).

Современная котельная представляет собой сложный энергетический комплекс, эффективная и безопасная эксплуатация которого всецело зависит от бесперебойной и корректной работы АСУ. Именно система управления обеспечивает поддержание критически важных технологических параметров, управление горелочными устройствами, регулирование расхода топлива и теплоносителя, а также реализует защиту оборудования от аварийных режимов. В этом контексте надежность АСУ становится не просто техническим требованием, а ключевым фактором, определяющим безаварийную работу, бесперебойное теплоснабжение потребителей и минимизацию рисков для персонала и объектов.

Необходимость обеспечения высокой надежности вытекает из анализа эксплуатации котельных. Несмотря на внедрение современного оборудования, прогрессивных технологий и средств автоматизации, в работе систем теплоснабжения сохраняется значительный риск возникновения аварийных ситуаций, ведущих к перебоям в подаче тепла. Эти риски обусловлены, прежде всего, старением основных фондов, износом тепловых сетей, а также возрастающей сложностью и взаимозависимостью элементов самой АСУ ТП.

Сегодня, в условиях цифровизации и роста требований к энергоэффективности, резко повысилась нагрузка на системы управления. Учитывая тенденцию к интеграции котельных в более крупные интеллектуальные энергетические системы (Smart Grid), можно утверждать, что возросла ответственность за решения, принимаемые как автоматикой, так и оперативным персоналом. Простои котельного оборудования, вызванные отказами в системе автоматизации или некорректными управляющими воздействиями, наносят значительный экономический ущерб и подрывают надежность теплоснабжения целых районов.

Технологический процесс работы котельной, протекающий в условиях переменных нагрузок и внешних возмущений, подвержен влиянию множества факторв: изменение качества топлива, колебания температуры наружного воздуха, изменение давления в сетях и др. Оператору приходится постоянно адаптировать режимы работы, полагаясь на опыт и показания приборов. Современные АСУ ТП позволяют перейти от ручного регулирования к автоматизированному оптимальному управлению, жестко нормировать технологические процессы и широко внедрять энергосберегающие режимы.

Современные тенденции, такие как импортозамещение, ужесточение экологических норм и требования к повышению КПД, остро ставят вопрос о необходимости создания высоконадежных, отказоустойчивых и кибербезопасных систем автоматизации. Это определяет актуальность темы проектного расчета и повышения надежности АСУ котельных.

Целью данной работы является проведение проектного расчета надежности автоматизированной системы управления котельной и разработка на его основе практических рекомендаций по повышению её безотказности.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

• систематизировать основные понятия, определения и классификацию отказов в теории надежности;

• рассмотреть ключевые показатели надежности АСУ: безотказности, ремонтопригодности, долговечности и сохраняемости;

• провести анализ надежности АСУ котельной на примере оценки вероятности безотказной работы (ВБР) тепловых сетей;

• разработать комплекс методов и рекомендаций по повышению надежности АСУ котельной на аппаратном, программном, структурном и организационном уровнях.

1. Основные понятия и определения

Современные АСУ представляют собой сложные киберфизические комплексы, интегрирующие вычислительные мощности, программируемые логические контроллеры, оборудование с ЧПУ, роботизированные платформы и системы управления транспортом. Их объединяют высокоскоростные коммуникационные каналы, которые служат основой для сбора, аналитической обработки, архивирования и транзита информационных потоков, направленных на управление технологическими процессами.

Под надежностью и безопасностью АСУ подразумевается ее устойчивость к дестабилизирующим воздействиям, которые могут носить как непреднамеренный, так и злонамеренный характер. Результатом таких воздействий становится компрометация информационной целостности (хищение или модификация данных) или сбой в функционировании.

1. Непреднамеренные угрозы возникают по объективным причинам:

• техногенные катастрофы или перебои в энергоснабжении;

• аппаратные неисправности и сбои в электронных компонентах;

• дефекты, заложенные на этапе создания программного кода;

• человеческий фактор, проявляющийся в ошибочных действиях операторов.

2. Целенаправленные атаки – это результат деятельности злоумышленников. Их цели варьируются:

• несанкционированное извлечение данных: утечка информации, составляющей коммерческую или государственную тайну;

• фальсификация информации: ее искажение или полное уничтожение;

• дестабилизация работы: достижение состояния, когда система частично или полностью теряет функциональность, либо доступ к ее критически важным ресурсам блокируется.

Надежность компонентов АСУ определяется набором ключевых характеристик: устойчивостью к отказам, функциональной готовностью, эксплуатационным ресурсом и стабильностью при хранении.

1. Устойчивость к отказам (Безотказность) – это способность системы непрерывно функционировать в течение заданного интервала времени или объема работ до возникновения первого сбоя.

2. Функциональная готовность (Работоспособность) – состояние, при котором все заявленные функции выполняются в полном объеме и с параметрами, регламентированными технической документацией.

3. Восстанавливаемость – атрибут системы, который определяет ее способность к профилактике, диагностике и устранению последствий сбоев. Эта характеристика напрямую влияет на временные и финансовые затраты, необходимые для возврата системы в рабочее состояние и поддержания его.

4. Эксплуатационный ресурс (Долговечность) – потенциал системы к длительной работе при условии проведения регулярного технического обслуживания и ремонтов. Оценивается двумя показателями:

• технический ресурс: наработка системы до момента, когда ее дальнейшая эксплуатация становится невозможной;

• срок службы: календарная продолжительность эксплуатации до наступления предельного состояния;

Предельное состояние – это точка, в которой использование системы прекращается по причине:

• неустранимого или экономически нецелесообразного для устранения отказа;

• возникновения рисков для безопасности;

• потери экономической эффективности от дальнейшей эксплуатации;

• классификация систем по критерию ремонтопригодности.

Восстанавливаемые системы: имеют продлеваемый жизненный цикл, который ограничен экономической целесообразностью и постепенным снижением производительности.

Невосстанавливаемые системы: ремонт которых технически невозможен или прямо запрещен проектной, эксплуатационной или нормативной документацией.

5. Стабильность при хранении (Сохраняемость) – это способность системы и ее компонентов поддерживать исходные эксплуатационные параметры на протяжении всего срока хранения и транспортировки в условиях внешних воздействий (перепады температуры, влажность, механические вибрации и т.д.).

С точки зрения надежности, система может находиться в одном из двух основных состояний: исправном или неисправном. При этом неисправное состояние делится на работоспособное, неработоспособное и предельное (рис. 1).

Рисунок 1 - Состояние системы

Для восстанавливаемых объектов, к каким относится и большинство систем автоматизации, характерен циклический процесс: переходы между этими состояниями образуют поток отказов и последующих восстановлений. Этот цикл продолжается до момента наступления предельного состояния, после которого эксплуатация системы становится невозможной или экономически невыгодной, что приводит к ее списанию и утилизации.

Жизненный цикл системы начинается не с ввода в эксплуатацию, а с момента ее приемки отделом технического контроля (ОТК) на заводе-изготовителе. Таким образом, этап эксплуатации включает в себя не только непосредственную работу, но и все сопутствующие периоды: хранение на заводе, транспортировку, хранение на объекте, монтаж и наладку [1].

2. Классификация отказов

В теории надежности отказ – это ключевое понятие, обозначающее событие, в результате которого система полностью или частично теряет свою работоспособность.

Отказ проявляется как:

• нарушение в выполнении одной или нескольких заданных функций (отказ функционирования);

• ухудшение качества выполнения функций, когда система работает неудовлетворительно из-за изменения своих параметров (отказ по параметру).

Это может быть связано как с техническим состоянием системы, так и с ошибками персонала.

Отказы систематизируют по различным признакам следующим образом:

1. По характеру изменения параметра до момента отказа:

• внезапный отказ – характеризуется резким, скачкообразным изменением параметров системы;

• постепенный отказ – происходит в результате медленного, плавного изменения параметров (например, из-за износа).

2. По связи с другими отказами:

• независимый отказ – возникает по собственной причине и не связан с другими неисправностями в системе;

• зависимый отказ – является прямым следствием или результатом другого отказа.

3. По возможности последующего использования:

• полный отказ – система полностью теряет работоспособность и не может выполнять основные функции;

• частичный отказ – система сохраняет способность выполнять часть своих функций, но с ухудшенными характеристиками.

4. По характеру устранения:

• устойчивый отказ – для его устранения требуется вмешательство (ремонт, замена элемента);

• самоустраняющийся отказ (сбой) – отказ возникает на короткое время и затем система самостоятельно возвращается в работоспособное состояние. Повторяющиеся сбои называют перемежающимися отказами.

5. По наличию внешних проявлений:

• очевидный (явный) отказ – обнаруживается сразу по внешним признакам или сигналам системы;

• скрытый (неявный) отказ – не имеет явных внешних проявлений и может быть обнаружен только с помощью специальной диагностики.

6. По причине возникновения:

• конструкционный отказ – связан с ошибками или недостатками в проектировании системы;

• технологический отказ – вызван нарушениями в процессе изготовления или сборки;

• эксплуатационный отказ – происходит из-за нарушений правил эксплуатации, обслуживания или внешних воздействий.

7. По природе происхождения:

• естественный отказ – возникает по объективным причинам (износ, старение, воздействие окружающей среды);

• искусственный отказ – вызывается умышленно, например, в результате неправильных действий оператора или внешнего вмешательства.

8. По времени возникновения:

• отказ при испытаниях – происходит на этапе проверки системы перед вводом в эксплуатацию;

• отказ периода приработки – характерен для начального этапа эксплуатации, когда проявляются "детские болезни" системы;

• отказ периода нормальной эксплуатации – возникает во время основного срока службы системы, когда интенсивность отказов стабилизируется;

• отказ последнего периода эксплуатации – связан с износом и старением компонентов системы в конце ее жизненного цикла [2].

В таблице 1 систематизированы виды отказов согласно описанным критериям.

Таблица 1 – Систематизированные виды отказов

№ п.п.	Классификационный признак	Тип отказа	Краткая характеристика
	По характеру изменения параметра	Внезапный	Резкое, скачкообразное изменение параметров системы.
		Постепенный	Медленное, плавное изменение параметров (например, из-за износа).
	По связи с другими отказами	Независимый	Возникает по собственной причине, не связан с другими неисправностями.
		Зависимый	Является прямым следствием другого отказа

Продолжение таблицы 1 – Систематизированные виды отказов

	По возможности использования	Полный	Система полностью теряет работоспособность.
		Частичный	Система сохраняет возможность выполнять часть функций с ухудшением характеристик.
	По характеру устранения	Устойчивый	Для восстановления работоспособности требуется ремонт или вмешательство.
		Самоустраняющийся (сбой)	Система самостоятельно возвращается в работоспособное состояние.
	По наличию проявлений	Очевидный (явный)	Обнаруживается сразу по внешним признакам или сигналам.
		Скрытый (неявный)	Обнаруживается только с помощью специальной диагностики.
	По причине возникновения	Конструкционный	Вызван ошибками или недостатками в проектировании системы.
		Технологический	Связан с нарушениями в процессе изготовления или сборки.
		Эксплуатационный	Возникает из-за нарушений правил эксплуатации или внешних воздействий.
	По природе происхождения	Естественный	Возникает по объективным причинам (износ, старение, внешняя среда).
		Искусственный	Вызывается умышленно (ошибки оператора, внешнее вмешательство).
	По времени возникновения	При испытаниях	Происходит на этапе проверки системы перед вводом в эксплуатацию.
		Периода приработки	Характерен для начального этапа эксплуатации ("детские болезни").
		Нормальной эксплуатации	Возникает в основной период службы системы.
		Последнего периода эксплуатации	Связан с износом и старением в конце жизненного цикла.

Основополагающая роль в обеспечении надежности системы принадлежит этапу ее разработки. Именно на этой стадии закладывается потенциальный уровень надежности, который в дальнейшем лишь реализуется и поддерживается на этапах изготовления, монтажа и ввода в эксплуатацию.

На практике достичь идеального, заложенного при проектировании уровня удается не всегда. Это является результатом последовательной работы на стадиях производства, отладки, испытаний и опытной эксплуатации. Исключение составляют серийные системы, где накопленный опыт позволяет не только достичь, но и превзойти первоначальные показатели надежности за счет внесения улучшений.

Таким образом, разработчик несет ключевую ответственность. В его задачи входит не только проектирование системы с заданными параметрами надежности, но и заложение в документацию всех необходимых технических и организационных решений для ее поддержания на протяжении всего жизненного цикла.

При этом возможности проектировщиков по закладке высокой надежности ограничены не только их личной квалификацией, но и общим организационно-техническим уровнем обеспечения качества, достигнутым предприятием в целом [3].

3. Показатели надежности АСУ котельной

Надежность котельной для теплоснабжения характеризуется степенью уверенности в том, что данная система способна в нормальных условиях эксплуатации производить и доставлять теплоноситель потребителям [4].

Надежность характеризуется рядом свойств: безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью. Где под безотказностью подразумевается способность системы или элемента сохранять работоспособность в течении требуемого времени при эксплуатации его в заданных условиях; под долговечностью – свойство системы или элемента сохранять работоспособность до наступления предельного состояния; под ремонтопригодностью – свойство системы или элемента приспосабливаться к предотвращению [5], обнаружению и устранению отказов с помощью технического обслуживания и проведения ремонтов; под сохраняемостью – свойство системы или элемента сохранять технические показатели в процессе хранения и транспортировки.

Отказ в работе АСУ котельной возникает вследствие нарушения нормального выполнения её функций. Работа такой системы представляет собой случайное чередование интервалов работоспособности и простоев, продолжительность которых является величиной случайной. Именно поэтому для оценки надежности автоматизированных систем применяют математический аппарат теории вероятностей, теории случайных процессов и математической статистики.

3. 1. Показатели безотказности

Ключевой характеристикой безотказности восстанавливаемых систем служит вероятность Р(Т) того, что время безотказной работы превысит заданный интервал Т.

Вероятность безотказной работы Р(t) – шанс, что за заданную наработку t отказов не произойдет, – связана с противоположной характеристикой: вероятностью отказа F(t), то есть шансом появления хотя бы одного отказа за время t. Эти вероятности связаны простым соотношением.

Для экспоненциального закона распределения, широко применяемого при оценке надежности АСУ, вероятность безотказной работы P(t) – то есть вероятность отсутствия отказов в течение наработки t – связана с вероятностью отказа F(t) простой функциональной зависимостью.

Основными критериями безотказности ремонтируемых систем являются:

• вероятности наработки между отказами Р(t) больше заданного значения Т;

• параметр потока отказов системы (среднее число отказов системы за единицу времени) 

 где λ_i – интенсивность отказов;

• наработка на отказ (средняя продолжительность работы системы между двумя последовательными отказами)

• гарантированная (гамма-процентная) наработка до отказа, т.е. вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ системы не возникает.

3. 2. Показатели ремонтопригодности

Ремонтопригодность системы характеризуется следующими основными показателями:

• вероятность Р(Т_З) восстановления системы за заданное время Т_З;

• среднее время восстановления Т_В (определяет средние затраты времени на обнаружение и устранение отказа при заданных условиях обслуживания);

• гамма-процентное время восстановления – время, в течение которого восстановление работоспособности системы будет полностью осуществлено с вероятностью γ, выраженной в процентах;

• коэффициент готовности k_Г – определяет вероятность того, что система исправна в любой произвольно выбранный момент времени в промежутках между плановым профилактическим обслуживанием и оценивается отношением времени наработки на отказ к средней длительности цикла работа-восстановление 

 

• коэффициент технического использования k_ТИ - оценивается отношением времени наработки на отказ к средней длительности цикла работа-восстановление-профилактика 

3. 3. Показатели долговечности

Долговечность системы характеризуется ее ресурсом Т_Р – общее время (или объем) работ системы за весь срок службы до момента, когда дальнейшая ее эксплуатация невозможна или экономически нецелесообразна.

Основными показателями долговечности системы являются:

• средний ресурс – математическое ожидание ресурса;

• гамма-процентный ресурс – суммарная наработка, в течение которой система не достигает предельного состояния с вероятностью γ, выраженной в процентах;

• гамма-процентный срок службы – календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой система не достигнет предельного состояния с вероятностью γ, выраженной в процентах.

3. 4. Показатели сохраняемости

Показатели сохраняемости количественно определяют способность системы и ее компонентов поддерживать исходные эксплуатационные качества в течение всего периода хранения и транспортировки. Ключевыми из этих показателей являются:

• средний срок сохраняемости – это математическое ожидание времени, в течение которого параметры системы остаются в установленных допустимых пределах при соблюдении условий хранения и транспортировки;

• гарантированный срок сохраняемости – это минимальный срок, в течение которого система сохраняет свои свойства с заданной вероятностью (γ), выраженной в процентах. Этот показатель также называют гамма-процентным сроком сохраняемости.

Нормальное функционирование автоматизированной системы (АС) напрямую зависит от исправности всех ее элементов. Вероятность безотказной работы системы P(t) рассчитывается как произведение вероятностей безотказной работы каждого из ее N элементов:

где P(t) – вероятность безотказной работы i-го элемента.

Для повышения надежности системы применяется принцип избыточности, который подразделяется на два основных вида:

• cтруктурная избыточность предполагает наличие в системе резервных (дополнительных) элементов или каналов передачи сигналов, не используемых в штатном режиме. В случае отказа одного из элементов его функции передаются резервному, что позволяет системе продолжать работу;

• информационная избыточность заключается во включении в передаваемые сигналы дополнительных, избыточных данных (например, контрольных сумм или корректирующих кодов). Эта информация не требуется при нормальной работе, но используется для обнаружения и исправления ошибок, возникающих при отказах.

Внедрение избыточности повышает общую надежность системы, главным образом, за счет увеличения ее безотказности.

Параллельно с этим, для повышения ремонтопригодности системы применяются следующие мер:

• использование унифицированных блочных конструкций, что упрощает замену вышедших из строя модулей;

• оснащение системы средствами оперативной диагностики и индикации отказов, которые сокращают время на поиск и устранение неисправностей.

Таким образом, надежность автоматизированной системы управления (АСУ) в значительной степени определяется оптимальным сочетанием двух ключевых свойств: безотказности и ремонтопригодности.

3. Анализ надежности АСУ котельной

Надежность котельной для теплоснабжения обуславливается набором соответствующей системой надежностей:

• надежность технического оборудования;

• надежность информационных систем, куда в нынешней ситуации входят новые риски, связанные с отключением импортного оборудования;

• надежность тепловой сети.

Надежность технического оборудования, позволяет довольно безопасно производить технологическую деятельность без риска возникновения чрезвычайных ситуаций по отношению к жизни рабочего персонала и окружающей среды. Работа технического оборудования зависит от множества различных факторов, например, таких, как совершенство конструкции изделия, качество использованных материалов для его изготовления, его технологии изготовления, его транспортировки и монтажа, а также его условиями обслуживания и эксплуатации. В нынешних условиях при вредоносном воздействии иностранных компаний-разработчиков вынужденно применяются модернизирующие мероприятия, направленные на безопасное и независимое функционирование оборудования, с помощью резервирования. Резервирование – широко используемый метод кардинального повышения надёжности в энергетической сфере, целью которого является обеспечение безотказности. Суть этого метода заключается в идее замены отказавшего иностранного элемента исправным отечественным, находящийся в резерве, то есть на складе. В нашем случае для модернизирующих мероприятий больше подходит резервирование замещением в виде ненагруженного резерва, когда резервный элемент находится в ненагруженном режиме до начала его использования вместо основного [6].

Для количественной оценки надежности технического оборудования используется параметр под названием «интенсивность отказов». Интенсивность отказов – условная плотность вероятности появления отказов технического оборудования, которая устанавливается с учетом того, что до анализируемого промежутка времени не происходит появления отказа. В процессе функционирования количество исправных единиц технического оборудования n(t) с течением времениtможет уменьшитьсяза счет того, что в результате отказов часть из них n(t) – n(t + Δt) становится неисправными.

Интенсивность отказов характеризуется пределом:

Длительность tбезотказной работы единицы технического оборудования (от момента начала эксплуатации t = 0 до t) представляет собой случайную величину, следовательно имеется возможность её описания с помощью вероятности:

где n(0)→∞ – число исправных единиц технического оборудования в момент времени t = 0, а n(t) — число исправных элементов в момент времени t.

Вероятность безотказной работы технического оборудования можно пояснить подобным образом: допустим, что на котельной используется 100 каких-либо приборов, имеющий каждый вероятность безотказной работы равную P(t) = 0,99 в течение време­ни t = 1 год, то по истечении года с начала эксплуатации в сред­нем один из приборов выйдет из строя [5].

Поделим числитель и знаменатель уравнения (9) на n(0) и в итоге получим:

Решив данное дифференциальной уравнение (11) при начальном условии равном P(0) = 1, можно получить функцию распределения длительности безотказной работы P(t) технических приборов:

Из определения вероятности вероятность отказа Q(t) равняется:

В начале приработки технического прибора интенсивность отказов, как правило снижается, после становится равной λ(t) = λ = const, а затем после израсходования своего ресурса стремительно растет (рис. 2).

Рисунок 2 - Интенсивность отказов

Так как для технического оборудования котельной обычно указывают, что λ = const, то уравнение (12) при таком раскладе упрощается и выглядит следующим образом:

Следовательно, вероятность безотказной работы технического прибора за временной промежуток от t = 0 до t экспоненциально снижается с течением времени, при условии, что устройство прошло этап приработки и не израсходовало собственный ресурс.

Данная вероятность не зависит от того, сколько технический прибор отработал до начала отсчёта времени, а значит неважно, используется подержанный или новый технический прибор. Это парадоксальное утверждение применимо исключительно для экспоненциального распределения, так как исходя из выражения (14) с течением времени не происходит уменьшение ре­сурса технической единицы, а причины отказов распределены во времени согласно модели белого шума.

Вероятность отказа технического прибора исходя из определения за время t равняется F(t) =1 – P(t),а плотность распределения времени до отказа f(t) (частота отказов) является производной от функции распре­деления, которую можно представить в виде:

Это же выражение можно представить для экспоненциальной функции распределения:

Из уравнения (16) можно выразить среднюю наработку до первого отказа Т_ср, яв­ляющаяся математическим ожиданием случайной величины длительности безотказной работы t:

В данном уравнении интегрирование проводиться по частям.

Наработка на отказ Т_ср – ключевой показатель, указывающийся в эксплуатационной документации на техническое оборудование котельной. Так как исходя из (14) уравнения при t = Tср получается, что P(T_ср) = 1/e = 0,37, то наработку на отказ можно растолковать подобным образом: если в резерве есть в наличии 100 технических единиц приборов, то через время T_ср после начала их применения окажется в среднем 37 функционирующих и 63 отказавших технических единиц приборов [5].

Для того, чтобы понизить коэффициент корреляции, то есть снизить влияние общих причин отказов, в котельной необходимо устанавливать техническое оборудование разных фирм, которые изготовлены из разных материалов, на разных физических принципах и с применением разных технологических процессов. Монтаж технического оборудования должны проводить разные люди для того, чтобы избежать возникновения однообразных ошибок монтажа и неправильной трактовки руководства по эксплуатации монтируемого технического прибора [11].

Воспользовавшись табличными данными интенсивности отказов приборов, взятыми из справочных материалов, построим график зависимости интенсивности отказов от времени (рис. 3).

Рисунок 3 - Зависимость интенсивности отказов приборов от времени

Из графика видно, что в начале приработки интенсивность отказов увеличивалась, потом снижалась, далее в процессе эксплуатации была постоянной, а на стадии износа начала стремительно увеличиваться.

В соответствии с ГОСТом 24.701-86 под надежностью информационных систем (ИС) в энергетической отрасли подразумевается свойство системы сохранять в фиксированных границах времени значения всех параметров, которые характеризуют способность системы осуществлять необходимые функции в установленных режимах работы. Где ИС – автоматизированная система, представляющая собой сочетание программного обеспечения (ПО), информационного обеспечения, технических средств автоматизации (ТСА) и обслуживающего персонала [7].

Для того, чтобы обеспечить необходимый уровень надежности информационных систем, требуется принимать во внимание её специфику:

• информационная система представляет собой сложную многофункциональную систему, функции которой определяются различными критериями надежности и отличаются по значимости;

• любая ИС не застрахована от появления аварийных ситуаций, которые происходят от отказов или сбоев работы системы и могут спровоцировать серьезные отклонения в работе всего автоматизированного объекта (остановка котла);

• в процессе работы информационной системы задействованы технический персонал и все виды её обеспечения, влияющие в той или иной мере на её надежность [8].

В качестве демонстрации предотвращения отказов в работе автоматизированной системе управления (АСУ) котлоагрегата с помощью ремонта приведем пример: необходимо определить, когда следует проводить профилактический ремонт частей АСУ для того, чтобы минимизировать потери из-за дефектов. Если ремонт будет проводиться часто, возникнут существенные затраты на обслуживание при небольших потерях из-за случайных неполадок.

Поскольку заранее предугадать не представляется возможным, когда произойдет поломка, требуется отыскать вероятность того, что оборудование котельной выйдет из строя в момент времени t.

Математическая постановка имеет следующий вид: ремонт системы производится индивидуально, если она перестала функционировать из-за поломки. Спустя Tинтервалов времени производится профилактический ремонт всех nсистем. Требуется определить оптимальное значение T, при котором минимизируются общие затраты на ремонтирование отказавших систем и выполнение профилактического ремонта в расчете на один интервал времени.

Пусть p_t – это вероятность отказа одной системы в момент t, а n_t – случайная величина, которая равна числу всех отказавших систем в тот же момент. Пусть С₁ – затраты на ремонт отказавшей системы и С₂ – затраты на профилактический ремонт одной системы.

Применение критерия ожидаемого значения оправдывается тем, что системы работают в течении значительного промежутка времени. Данный критерий ожидаемого значения случайной величины представляет собой выборочные средние значения случайной величины.

Вместе с этим ожидаемые затраты на ремонт за один интервал будут равны

где M(n_t) – математическое ожидание числа отказавших систем в момент времени t.

Допустим, что n_tимеет биноминальное распределение (распределение числа успехов в серии из n экспериментов, каждый из которых завершается успехом с вероятностью p) с параметрами (n, p_t), то M(n_t) = np_t. Таким образом

Необходимые условия оптимальности T^* имеют вид:

В следствии этого, начиная с малого значения T, находят E[C(T)], пока не будут удовлетворены необходимые условия оптимальности.

Пусть С₁ = 300000; С₂ = 7500, n = 29.

Значения p_tимеют вид:

Таблица - 2 Профилактические ремонт

T	pt		ОЗ(Т)
1	0,05	0
2	0,07	0,05	326250
3	0,10	0,12	420500
4	0,13	0,22	532875
5	0,18	0,35	652500

T* = 3, E[C(T*)] = 420500

Из выше приведенной таблицы следует, что профилактический ремонт требуется проводить через T* = 3 интервала времени [12].

В процессе ускоренной цифровизации энергетической отрасли появились новые возможности для киберпреступников. Кибератаки вызваны в первую очередь не только значительной стоимостью активов и данных энергетического сектора, но и высокоавтоматизированными и слабозащищенными процессами и сетями. Угрозу среднего уровня информационной безопасности представляют сами производители-поставщики технического и программно-технического оборудования так, как они уже на этапах разработки могут внести функциональные особенности, которые в процессе работы приборов могут повлечь за собой крупный имущественный ущерб или причинить вред здоровью сотрудников энергопредприятий, либо же просто ограничить доступ к его использованию.

Из письма Министерства энергетики РФ от 29 июня 2021 г. N НШ-7491/07 "О базовой модели угроз безопасности информации в интеллектуальных системах учета электрической энергии (мощности)" следует, что наибольшие проблемы по снижению надежности теплоснабжения приносят нарушители ИСУЭ (интеллектуальная система учета электрической энергии) [9]. Данные нарушители делятся на два типа: внешние и внутренние. Первые, из которых не имеют прав по доступу к информационным ресурсам и компонентам ИСУЭ, а вторые имеют. Согласно банку данных угроз ФСТЭК (Федеральная служба по техническому и экспортному контролю) России внешние и внутренние нарушители подразделяются на следующие три типа:

• с низким потенциалом, обладающие возможностью получения информации об уязвимых местах основных компонентов ИСУЭ, методах и средствах реализации угроз информационной безопасности, а также самостоятельного создания методов и средств реализации цифровой агрессии на основные компоненты ИСУЭ;

• со средним потенциалом, обладающие всеми возможностями нарушителей с низким потенциалом и, в дополнение, имеющие доступ к знаниям о характеристиках и индивидуальных особенностях работы основных компонентов ИСУЭ;

• с высоким потенциалом, обладающие всеми возможностями нарушителей со средним и низким потенциалом и имеющие неправомерный доступ к ПО технических средств основных компонентов ИСУЭ для внесения в них ошибок и программ, передающих информацию вредоносным получателям.

Основные задачи информационной безопасности (ИБ) в сфере энергетики:

• охрана производственных зон создания электроэнергии и поставки конечным потребителям (АСУ ТП);

• гарантирование безопасности информационной инфраструктуре и веб-ресурсам;

• выявление внутренних нарушений и неблагонадежных работников;

• недопущение нарушения конфиденциальности.

Из-за такой нестабильной ситуации в работе программно-технического оборудования возникают уязвимости, снижающие надежность теплоснабжения являются, которые вызваны:

• отсутствием нужного объема запчастей;

• отсутствием гарантий;

• отсутствием обновления программного обеспечения (ПО);

• отсутствием защиты от несанкционированного доступа;

• отсутствием соответствующих регламентированных работ;

• отсутствием доступа в облачное хранилище.

Исходя из вышеперечисленного, следует, что для того чтобы повысить надежность автоматизированных систем управления требуется провести модернизацию на энергообъектах путем замены западных ИС на отечественные. Данные манипуляции позволят в нашей стране повысить уровень информационной безопасности, научно-технического процесса и воссоздать монополистическую среду.

Энергоэффективность теплоснабжения тесно связана с надежностью тепловых сетей. Тепловые сети представляют собой чрезвычайно нестабильное звено систем теплоснабжения, в особенности при их подземной прокладке. Это, прежде всего, вызвано посредственным качеством используемых ранее конструкций тепловых коммуникаций, теплоизоляции, регулирующей арматуры, неудовлетворительным автоматическим регулированием процессов транспортировки, распределения и потребления тепловой энергии, моральным и физическим износом трубопроводов и генерирующего оборудования в условиях постоянного дефицита финансирования. Кроме всего прочего, в больших системах структура тепловых сетей не совпадает с их масштабами [13].

Сеть центрального теплоснабжения не располагает стопроцентным резервированием, так как фактическое состояние всех участков теплопровода, которые требуют замены, определить невозможно. В энергосистеме ремонт производится по текущему состоянию, а не, как положено, по нормативным показателям. Изношенные тепловые сети приводят не только к большим тепловым потерям, но и к серьезным производственным авариям в виде полного размораживания системы теплоснабжения в холодное время года, что может привести к неудобствам или даже гибели людей. Снизить вероятность возникновения аварий возможно с помощью модернизации оборудования, противоаварийной защиты и внедрении современных систем контроля [14].

Надёжность обеспечения качественных показателей тепловой энергии и безотказность этого теплоснабжения есть общепринятый критерий эффективности работы системы центрального теплоснабжения, надежность которой оценивается по вероятности её безотказной работы (ВБР). Задачей системы центрального теплоснабжения является обеспечение бесперебойного снабжения потребителей тепловой энергией.

Для тепловой сети минимально допустимый показатель ВБР составляет , для источника теплоты , для абонентских установок потребителей [6]. ВБР системы центрального отопления должна примерно равняться .

Чтобы оценить надежность работы тепловых сетей города Самары, построим математическую модель на основе методологии системного анализа сложных производственных систем.

Избыточные потери теплоносителя тепловой сети, по большей части, являются отказами в работе тепловой сети. Это связано с нарушенной работой запорной арматуры или появлением утечек в теплопроводах.

Тепловые сети восстанавливаются путем замены неисправных запорных устройств и реконструкцией поврежденных участков трубопровода.

Продолжительность службы тепловой сети существенно превосходит время предотвращения отказов, а характер отремонтированной сети не зависит от событий, произошедших в период отказов.

Исходя из выше сказанного, поток отказов не обладает последействием, а условия появления событий независимы во взаимно не пересекающихся интервалах времени [15].

Поток отказов тепловой сети имеет свойство ординарности, что указывает на то, что вероятность множественных событий интервале пренебрежимо мала по сравнению с вероятностью ровно одного события в этом интервале [16].

Приблизительно определив ВБР тепловой сети в течении года, можно предположить, что поток отказов имеет стабильный характер, то есть обладает стационарностью, при этом параметр потока отказов можно принять независимым от времени [17].

Это предположение справедливо, так как временной интервал, за который проводится анализ надежности работы тепловой сети (один год), относительно невелик на фоне рассчитанного времени эксплуатации тепловой сети, составляющее около 30 лет [15].

На основании вышеизложенного, можно смело сказать, что поток отказов тепловой сети обладает отсутствием последствий и свойствами стационарности и ординарности, к тому же, его можно считать простейшим.

Следовательно вероятность появления отказов будет подчиняться закону Пуассона [18].

где – количество отказов за время ; - рассматриваемый период эксплуатации, для нашего случая примем год; - параметр потока отказов тепловой сети.

Вероятность того, что за 1 год на тепловой сети не произойдет ни одного отказа будем оценивать по выражению:

Параметр потока отказов оценивается по формуле:

В соотношении (24) - количество отказов каждого из N объектов за время t.

Рассмотрим как объект тепловой сети область между двумя соседними секционными запорными устройствами, а также одно из присоединённых к нему запорных устройств. Следовательно для двухтрубной системы теплоснабжения количество участков тепловой сети составит:

где n – количество участков тепловой сети.

Согласно [19] максимальное расстояние между двумя соседними запорными устройствами составляет для Ду ≤ 100мм – 1000м, 400-500 мм – 1500м, для Ду≥600 мм – 3000м. В первом приближении примем среднее значение длины одной секции равным 1500 м. Тогда:

Количество отказов ищем подобным образом, принимая, что на трубах, которые требуют замены, в течение года произойдёт отказ, а вероятность того, что любой из N элементов откажет за время t более 1 раза равной 0.

Тогда:

где

Используя статистические данные по протяженности и состоянии тепловых сетей в г.о. Самара из таблицы 3, оценим вероятность безотказной работы тепловой сети за весь рассматриваемый период с помощью формул (22)-(28).

Таблица - 3 Статистические данные по протяженности и состоянии тепловых сетей в г.о. Самара

Показатели		Число источников теплоснабжения	Число источников теплоснабжения мощностью до 3 Гкал/ч	Протяженность тепловых и паровых сетей в двухтрубном исчислении	Протяженность тепловых и паровых сетей в двухтрубном исчислении, нуждающихся в замене	Протяжение тепловых и паровых сетей, которые были заменены и отремонтированы за отчетный год
Ед. изм.		единица	единица	метр	метр	метр
Рассматриваемый период	2013	120	61	708800	306100	23700
	2014	120	61	708800	306100	22998
	2015	115	56	708759	306107	27939
	2016	122	64	731600	303650	26054
	2017	121	56	731600	303650	22197
	2018	121	52	888325	220658	23227
	2019	120	52	910181	223304	17038
	2020	118	52	910181	394980	14587
	2021	115	45	910181	285925	14872
	2022	137	48	919300	394300	13600
	2023	146	44	1075100	394980	15100

Результаты расчёта приведены в таблице 4.

Таблица - 4 Расчёт ВБР тепловых сетей

Показатели	Ед. изм	2013	2014	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021	2022	2023
- количество секций	шт	473	473	473	488	488	592	607	607	607	613	717
- число элементов	шт	1892	1892	1892	1953	1953	2371	2429	2429	2429	2453	2869
- число секций, требующих замены	шт	204	204	204	202	202	147	149	263	191	263	263

Продолжение таблицы – 4 Расчёт ВБР тепловых сетей

- количество отказов	шт	818	818	818	812	812	590	597	1055	764	1053	1055
- параметр потока отказов тепловой сети.		0,432	0,432	0,432	0,416	0,416	0,249	0,246	0,434	0,315	0,429	0,368
- ВБР тепловой сети		0,649	0,649	0,649	0,660	0,660	0,780	0,782	0,648	0,730	0,651	0,692

Анализ расчетных данных, которые приведены в таблице 4, показывает, что, ВБР тепловых сетей за период с 2013 по 2023 гг. колеблется в пределах от 0,648 до 0,78, её величина далека от требуемых значений, а значит, не удовлетворяет требованиям СП «Тепловые сети» [15].

3. Методы повышения надежности АСУ

Повышение надежности автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) котельной является комплексной задачей, затрагивающей аппаратную часть, программное обеспечение, архитектуру системы и организационные меры. Надежность определяет способность системы обеспечивать бесперебойную и безопасную подачу тепловой энергии, предотвращать аварии, такие как разрыв барабана котла или погасание факела, и работать экономично. Методы повышения надежности можно условно разделить на несколько взаимосвязанных направлений. Аппаратные методы лежат в основе надежности и включают в себя выбор качественной элементной базы: промышленные программируемые логические контроллеры (ПЛК) от проверенных производителей, рассчитанные на работу в условиях вибрации, перепадов температур и электромагнитных помех; надежные датчики температуры, давления, уровня и расхода с соответствующим классом защиты от пыли и влаги; а также исполнительные механизмы, такие как регулирующие клапаны и частотные преобразователи, обладающие так называемой "функцией безопасности", при срабатывании которой они переводятся в заранее заданное безопасное положение при пропадании сигнала или питания. Крайне важен правильный монтаж и защита оборудования: обеспечение электромагнитной совместимости путем раздельной прокладки силовых и сигнальных кабелей, использования экранированных кабелей и их качественного заземления, а также установка устройств защиты от перенапряжений. Не менее критично стабилизированное и бесперебойное электропитание, обеспечиваемое источниками бесперебойного питания для контроллеров и серверов и стабилизаторами напряжения для всей системы.

Следующим пластом являются программные и алгоритмические методы, которые закладывают интеллектуальную устойчивость системы. Сюда входят защитные алгоритмы и блокировки, которые на программном уровне запрещают выполнение опасных операций, например, запуск горелки без предварительной продувки котла или остановка питательного насоса при аварийно низком уровне воды в барабане. Для обеспечения устойчивости контуров регулирования активно применяются алгоритмы "Анти-Засорение" в ПИД-регуляторах, которые предотвращают нежелательные скачки и перерегулирование при выходе управляющего воздействия на ограничение. Для фильтрации ложных срабатываний датчиков, вызванных кратковременными помехами, используются временные задержки, а для фиксации аварийных ситуаций реализуется система квитирования, когда критическая авария требует ручного подтверждения оператора после ее устранения, что предотвращает автоматический сброс неисправленной ошибки. Важнейшим элементом является также ведение детального журнала всех событий и аварий с временными метками, что необходимо для последующего анализа причин инцидентов.

Структурные и архитектурные методы определяют то, как система организована в целом. Ключевым принципом является децентрализация управления, при которой вместо одного центрального компьютера используется распределенная сеть ПЛК, каждый из которых отвечает за свой технологический модуль, например, за конкретный котел или узел химводоподготовки; это позволяет локализовать отказ и не допустить остановки всей котельной. Принцип модульности и стандартизации подразумевает построение системы из типовых, хорошо отлаженных программных и аппаратных блоков, что значительно упрощает проектирование, поиск неисправностей и замену оборудования. Многоуровневая архитектура с четким разделением на полевой уровень, уровень управления, уровень диспетчеризации и уровень АСУП позволяет изолировать проблемы, возникающие на одном уровне, от других.

Наиболее мощным и прямым методом повышения надежности является резервирование, которое бывает нескольких видов. Аппаратное резервирование, или "горячий резерв", предполагает наличие дублирующих элементов, находящихся в режиме постоянной готовности: это резервирование контроллеров по схеме "ведущий-ведомый" с автоматическим переключением при отказе основного, резервирование источников питания и сетей связи, например, по кольцевой топологии, а также установка резервных насосов, вентиляторов или целых котлов с системой автоматического ввода в работу. Функциональное резервирование предполагает использование разных физических принципов для контроля одного критического параметра, например, для контроля уровня воды в барабане котла могут быть использованы одновременно три датчика: два электродных и один дифференциального давления, что позволяет системе принимать взвешенное решение даже при отказе одного или двух из них.

Непрерывный контроль и диагностика являются proactive-методом повышения надежности. Это включает в себя мониторинг технического состояния оборудования, например, диагностика загрязнения теплообменных поверхностей по росту перепада температур или износа подшипников насосов по данным вибромониторинга; реализация встроенных систем самодиагностики, которые отслеживают обрыв или короткое замыкание в цепях датчиков, выход сигнала за допустимые пределы и корректность работы программного обеспечения; а также периодическое проведение тестовых проверок и имитаций аварийных ситуаций для подтверждения работоспособности защитных алгоритмов без остановки технологического процесса.

Наконец, организационные методы и работа с персоналом замыкают весь комплекс мер, так как даже самая совершенная система зависит от человеческого фактора. Это предполагает разработку и постоянное актуализирование подробной эксплуатационной и аварийной документации, регулярное обучение и аттестацию персонала, как дежурных операторов, так и инженеров-наладчиков, с отработкой действий в штатных и аварийных режимах. Необходимо внедрение регламентов планово-предупредительного ремонта для замены устаревающего оборудования до его выхода из строя, а также строгое разграничение прав доступа к системе управления для предотвращения несанкционированного вмешательства в настройки и логику работы. Только комплексное применение всех этих методов – от выбора качественного "железа" до подготовки грамотного персонала – позволяет создать действительно надежную и отказоустойчивую АСУ ТП, способную годами обеспечивать бесперебойную и безопасную работу котельной [20].

Заключение

В процессе выполнения работы проведен проектный расчет надежности автоматизированной системы управления (АСУ) котельной и разработаны рекомендации по повышению её безотказности.

Исследование показало, что надежность АСУ котельной является комплексным свойством, определяемым безотказностью, ремонтопригодностью, долговечностью и сохраняемостью. Анализ классификации отказов и показателей надежности позволил систематизировать знания о факторах, влияющих на стабильность работы системы.

Практическая часть работы, включающая расчет вероятности безотказной работы (ВБР) тепловых сетей г. Самары за период с 2013 по 2023 гг., выявила, что фактические значения ВБР (0.648 – 0.78) существенно ниже нормативных требований (≥0.9). Это подтверждает наличие серьезных проблем с надежностью ключевого элемента системы теплоснабжения.

На основе проведенного анализа предложен комплекс методов повышения надежности АСУ котельной.

Особое внимание в работе уделено необходимости импортозамещения и повышения кибербезопасности как критически важным направлениям для обеспечения независимой и устойчивой работы АСУ в современных условиях.

Таким образом, работа демонстрирует, что обеспечение высокой надежности АСУ котельной требует системного подхода, сочетающего корректный проектный расчет на этапе создания системы и непрерывное применение технических и организационных мер на протяжении всего её жизненного цикла. Реализация предложенных рекомендаций позволит минимизировать риск аварийных ситуаций, обеспечить бесперебойное теплоснабжение потребителей и снизить эксплуатационные затраты [5].

Список литературы.

1. Шишмарёв, В. Ю. Диагностика и надежность автоматизированных систем : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / В. Ю. Шишмарёв. — Москва : Издательский центр «Академия», 2013. — 352 с.

2. Бржозовский, Б. М. Диагностика и надёжность автоматизированных систем : учебник / Б. М. Бржозовский, В. В. Мартынов, А. Г. Схиртладзе. — 3-е изд., стер. — Старый Оскол : ТНТ, 2023. — 352 с.

3. Трухин, Г. В. Надежность автоматизированных производственных систем / Г. В. Трухин. — 4-е изд., перераб. и доп. — Москва : Энергоатомиздат, 1986. — 480 с. : ил.

4. Смит Д.Д., Симпсон К.Д. Функциональная безопасность. — М. : Издательский дом «Технологии», 2004. — 208 с.

5. Шишмарёв, В. Ю. Надежность технических систем : учебник для вузов / В. Ю. Шишмарёв. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2024. — 289 с.

6. ГОСТ 27.002-­89. Надёжность в технике. Основные понятия. Тер­мины и определения.: СТАНДАРТИНФОРМ, 2008. 32 с.

7. ГОСТ 24.701-­86. Надежность автоматизированных систем управления.: СТАНДАРТИНФОРМ, 2009. 12 с.

8. Богатырев, В. А. Надежность информационных систем: учебное пособие для среднего профессионального образования / В. А. Богатырев. — 2-е изд. — Москва: Издательство Юрайт, 2024. — 366 с.

9. Письмо министерство энергетики Российской Федерации: сайт. – URL: https://docs.cntd.ru/document/607167779/ (дата обращения: 03.11.2025)

10. Оценка надежности теплоснабжения Межозерного городского поселения: сайт. – URL: https://me.verhneuralsk.ru/Upload/files/ (дата обращения: 03.11.2025)

11. Аппаратное резервирование в промышленной автоматизации: сайт. – URL: https://www.reallab.ru/images/editor/downloads/articles/Hardware_redundanc/(дата обращения: 03.11.2025)

12. Гаврилова А.А., Диязитдинова А.Р., Цапенко М.В. Основы теории систем и системный анализ: лаборат. практикум / Сост. А.А. Гаврилова, А.Р. Диязитдинова, М.В. Цапенко. - 2-е изд. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2019. – 88 с.

13. Гаврилова А.А., Салов А.Г., Системная методология анализа: монография. - Самара: Самарский государственный технический университет; Научно-исследовательский центр, 2021. - 276 с.

14. Салов А.Г., Сагитова Л.А. Системный анализ надёжности централизованного теплоснабжения города Самары // Вестник Самарского государственного технического университета. 2018.

15. Дорохов А.Н., Керножицкий В.А., Миронов А.Н., Шестопалова О.Л. Обеспечение надёжности сложных технических систем: Учебник. СПб.: Издательство «Лань», 2011. 352 с.

16. Гаврилова А.А., Салов А.Г. Системная методология анализа и моделирования энергоэффективности генерирующих компаний: монография. Самара: Изд-во ООО "Научно-технический центр", 2021. – 277 с.

17. Руденко Ю.Н., Ушаков И.А. Надёжность систем энергетики. 2-е изд., перераб. и доп. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989. 328 с.

18. Балакирев В.С. Надёжность систем автоматизации: учебное пособие. 2-е изд., испр. Саратов: Саратовский гос. техн. ун-т, 2006. 146 с.

19. СП 124.13330.2012. Тепловые сети: свод правил: утв. МинРегионом России 30.06.2012: взамен СНиП 41-02-2003: срок введ. в д. 01.01.2013 МинРегион России. – Изд. офиц. – Москва: МинРегион России, 2012. 73 с.

20. Карпович Д. С., Барашко О. Г. Автоматика, автоматизация и автоматизированные системы управления технологическими процессами: - Минск: Белорусский государственный технологический университет, 2013. – 68 с.

Код для цитирования: Скопировать