XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Введение

Надежность автоматизированных систем управления (АСУ) является одним из ключевых факторов, определяющих эффективность и безопасность современных технологических процессов, особенно в таких ответственных отраслях, как нефтегазовый комплекс. Для АСУ товарного парка, обеспечивающих прием, хранение и отгрузку нефтепродуктов, бесперебойная работа имеет критическое значение, поскольку сбои в их функционировании могут привести к значительным экономическим потерям, нарушениям технологического режима и рискам для окружающей среды.

Сложность распределенных систем, взаимозависимость их компонентов, а также влияние разнообразных внешних и внутренних факторов делают необходимым применение строгих и формализованных методов оценки и расчета надежности уже на стадии проектирования. Такой проектный расчет позволяет не только выявить потенциально слабые места системы, но и заложить необходимый запас прочности, выбрать оптимальные архитектурные решения и стратегии технического обслуживания.

Целью данной работы является систематизация и обзор методов расчета проектной надежности АСУ товарного парка. Для достижения этой цели в работе решается ряд задач: раскрываются основные понятия и показатели надежности, приводится классификация отказов, рассматриваются как традиционные методы анализа (такие как расчет по среднегрупповым интенсивностям отказов, метод Монте-Карло), так и современные подходы, включающие анализ жизненного цикла с применением машинного обучения. Кроме того, исследуются вопросы технической диагностики, программной надежности и комплексные методы повышения надежности системы в целом.

Проведенный анализ позволяет сформировать целостное представление о современных возможностях и инструментах, направленных на создание высоконадежных и эффективных автоматизированных систем управления технологическими объектами.

1 Методы повышения надежности АСУ товарного парка

Повышение надежности функционирования товарного парка нефтепродуктов должно осуществляться комплексно на трех ключевых стадиях: проектирование объектов хранения, строительство и монтаж оборудования, а также эксплуатация. Только последовательная работа на всех трех этапах позволяет достичь значимых результатов в обеспечении бесперебойной работы. Если на стадии проектирования не заложить соответствующие требования по надежности, то на последующих этапах устранение этих недочетов потребует значительно больших трудозатрат и финансовых вложений.

Основная задача при проектировании товарного парка заключается в обеспечении ее безотказной работы в течение всего жизненного цикла. Чем сложнее технологическая схема и чем больше элементов она содержит (резервуары, насосы, запорная арматура, системы контроля), тем выше вероятность возникновения отказов. Поэтому при проектировании следует придерживаться принципа разумной достаточности с минимально необходимым количеством соединений и зависимостей между элементами. Важной задачей становится выбор такой технологической схемы, в которой взаимное влияние параметров отдельных компонентов и их возможные отклонения минимально сказываются на выходных характеристиках всей системы.

Для обеспечения стабильности работы применяются системы автоматического регулирования с обратными связями, что, с одной стороны, повышает устойчивость параметров, но с другой – увеличивает количество элементов и потенциально снижает общую надежность. Поэтому критически важен баланс между сложностью системы управления и ее надежностью. Качество применяемого оборудования играет определяющую роль – следует выбирать наиболее надежные и перспективные компоненты, соответствующие специфическим условиям хранения нефтепродуктов.

Когда на стадии проектирования не удается достичь требуемых показателей надежности, применяются дополнительные меры на этапе эксплуатации, включая усовершенствование систем управления и резервирование критически важных элементов. Системы обратной связи могут быть не только стабилизирующими, но и корректирующими, обеспечивая поддержание параметров резервуарного парка, насосных станций и контрольно-измерительных приборов в заданных пределах.

Резервирование может осуществляться как аппаратурными, так и структурными методами. Аппаратурное резервирование предполагает использование нескольких устройств для выполнения одной технологической функции (например, резервные насосные агрегаты). Структурное резервирование реализуется через специальные схемы подключения основного и резервного оборудования – как для всей технологической цепи в целом, так и для отдельных элементов.

Рассматривая постоянное резервирование с постоянно включенным резервным оборудованием, можно отметить упрощение оперативных переключений, повышение универсальности системы – при отказе основного оборудования резервное продолжает работу до проведения ремонта. Однако при этом происходит изменение рабочих параметров системы при выходе из строя резервных элементов, что не всегда допустимо для технологических процессов хранения нефтепродуктов. Техническая сложность реализации такого подхода возрастает, увеличиваются габариты и стоимость системы.

Резервирование с поэлементной заменой представляет собой метод ненагруженного резерва. В этом случае резервное оборудование находится в состоянии ожидания и не эксплуатируется постоянно – отказ одного или нескольких элементов не приводит к отказу всей системы. Благодаря этому сохраняется ресурс резервного оборудования. Простота реализации такой схемы позволяет применять ее в различных технологических узлах товарного парка. Основной недостаток – возможность отказа переключающего устройства, отвечающего за переход с основного на резервное оборудование.

Резервирование с общим замещением также относится к ненагруженному резерву. Здесь действует принцип: чем более детализировано резервирование, тем выше надежность системы. Часто применяются мажоритарные схемы управления, например, система "2 из 3", которая автоматически исключает неисправный канал из работы. Это значительно повышает стабильность функционирования всего товарного парка.

Активное резервирование использует логические схемы управления и обеспечивает стабильность параметров при отказах отдельных элементов. Резервное оборудование обычно находится в режиме ожидания, что позволяет экономить его ресурс. Такой подход повышает безотказность, особенно в системах с различными типами потенциальных отказов. Однако при этом приходится вводить дополнительные компоненты – индикаторы неисправности, системы переключения и другие элементы. Конструкция усложняется, а управление системой становится более трудоемким.

Надежность автоматизированной системы товарного парка может существенно снижаться под воздействием внешних помех, периодических или самовосстанавливающихся отказов, приводящих к искажению передаваемой информации. Обеспечение надежности начинается с соблюдения установленных технических норм и стандартов. Контроль входных материалов и оборудования, а при необходимости – их замена, осуществляются для предотвращения возможного загрязнения нефтепродуктов и повреждения оборудования. Оптимальная организация рабочих мест способствует повышению безотказности работы.

На этапе строительства и монтажа часто выявляются скрытые дефекты, которые обнаруживаются посредством производственного контроля. Также проводятся тренировочные испытания и обкатка оборудования при повышенных нагрузках, что повышает надежность в начальный период эксплуатации. Своевременная профилактика и прогнозирование отказов позволяют заблаговременно заменить критические элементы. Время ремонта минимизируется за счет эффективной диагностики, поскольку полностью исключить вероятность отказов невозможно.

2 Техническая диагностика АСУ. Алгоритмы и методы диагностирования.

Техническая диагностика представляет собой одно из фундаментальных средств, обеспечивающих стабильную и безотказную работу автоматизированных систем управления. Если рассматривать эту дисциплину более глубоко, то она охватывает комплекс теоретических знаний и практических методик, направленных на своевременное выявление различных отклонений в рабочих режимах и состояниях автоматизированной системы. В сферу ее компетенции входит не только обнаружение, но и последующее устранение дефектов как в системе в целом, так и в ее отдельных компонентах, включая точное определение мест их локализации.

Главная цель диагностических мероприятий состоит в точном определении актуального технического состояния системы в любой момент времени. Этот комплексный процесс включает в себя многоуровневую проверку исправности оборудования, оценку работоспособности всех подсистем и анализ корректности выполнения функциональных задач. Диагностика позволяет установить, насколько текущие параметры системы соответствуют установленным нормативным значениям и в полной ли мере выполняются все необходимые технологические функции. Особое значение имеет идентификация факторов, способных нарушить штатный режим работы системы.

Процесс диагностирования обязательно учитывает весь спектр рабочих режимов и условий эксплуатации, включая экстремальные и пограничные состояния. Важным аспектом является мониторинг динамики изменения параметров во времени, что непосредственно связано с концепцией параметрической надежности системы и позволяет прогнозировать ее поведение в долгосрочной перспективе.

В современной практике принято выделять два основных подхода к диагностированию: тестовый и функциональный. Тестовое диагностирование основывается на применении специально разработанных тестовых воздействий и сигналов, которые позволяют провести комплексную оценку параметров системы и ее компонентов. Этот метод дает возможность не только зафиксировать отклонения от нормативных показателей, но и установить причины этих отклонений, что особенно ценно для последующего устранения неисправностей.

Функциональное диагностирование, в свою очередь, ориентировано на оценку технического состояния системы в условиях ее нормальной эксплуатации – под рабочим воздействием. Такой подход позволяет контролировать выполнение системой своих прямых функций в реальных производственных условиях и оперативно выявлять причины возможных нарушений в ее работе.

Значение технической диагностики выходит за рамки простого обнаружения и устранения дефектов. Современные диагностические системы способны прогнозировать потенциальные отказы на основе анализа тенденций изменения параметров, что позволяет перейти от реактивного обслуживания к проактивному и планировать профилактические работы оптимальным образом.

Современное диагностирование автоматизированных систем управления включает в себя широкий спектр алгоритмов и методов, которые обеспечивают не только выявление существующих неисправностей, но и оценку текущего технического состояния, а также достоверное прогнозирование остаточного ресурса оборудования. Это делает техническую диагностику незаменимым инструментом в обеспечении надежности и эффективности современных автоматизированных систем.

Заключение

Проведенный анализ методов расчета проектной надежности автоматизированных систем управления товарного парка позволяет сделать ряд важных выводов. Обеспечение надежности АСУ является комплексной задачей, требующей системного подхода на всех этапах жизненного цикла системы – от проектирования до эксплуатации и технического обслуживания.

Было установлено, что традиционные методы расчета, такие как использование среднегрупповых интенсивностей отказов, сохраняют свою актуальность для приблизительных оценок, однако для получения более точных и достоверных результатов необходимо применение вероятностно-статистических подходов, в частности метода Монте-Карло. Этот метод позволяет учесть стохастическую природу отказов и влияние различных эксплуатационных факторов, обеспечивая тем самым более адекватное моделирование поведения сложной системы.

Особый потенциал в современной практике связан с внедрением методов машинного обучения и анализа данных. Интеграция этих технологий в анализ жизненного цикла открывает возможности для перехода от планово-предупредительного к предиктивному обслуживанию, что позволяет не только прогнозировать отказы, но и оптимизировать ресурсы на техническое обслуживание и ремонты.

Ключевым условием достижения высокой надежности является комбинирование различных стратегий: грамотное резервирование критических элементов, внедрение эффективных систем технической диагностики, обеспечение программной надежности и постоянный мониторинг показателей эксплуатации. При этом выбор конкретных мер должен быть экономически обоснован и направлен на достижение оптимального баланса между затратами и требуемым уровнем надежности.

Таким образом, успешное проектирование и эксплуатация высоконадежной АСУ товарного парка основываются на синтезе проверенных традиционных методов и перспективных инновационных подходов, что в конечном итоге обеспечивает стабильность, безопасность и экономическую эффективность всего технологического комплекса.

Список литературы

1. ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия.

2. Классификация отказов [Электронный ресурс] (URL: https://studfile.net/preview/11249794/) (Дата обращения: 28.10.2025)

3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ И ДИАГНОСТИКИ [Электронный ресурс] (URL: https://siurgtu.ru/sveden/files/MU_230301_Nadeghnosty_texnicheskix_sistem_MU_k_PR.pdf) (Дата обращения: 28.10.2025)

4. НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ [Электронный ресурс] (URL: https://lib.sgugit.ru/irbisfulltext/2017/17.10.17/2016/%D0%90%D1%83%D0%B1%D0%B0%D0%BA%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2/%D0%9E%D0%B1.%20%D0%B4%D0%BE%D0%BA%D1%83%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82.pdf) (Дата обращения: 28.10.2025)

5. Метод Монте-Карло: принцип работы, применение в экономике и управлении [Электронный ресурс] (URL: https://www.unisender.com/ru/glossary/chto-takoe-method-monte-carlo/#anchor-2) (Дата обращения: 28.10.2025)