UDK 621.3:(53+54+621+66), ISSN 0352-9045 Informacije MIDEM 22(1992)2, Ljubljana Zanesljivost merilnih sistemov L. Mikola, D. Donlagic KLJUČNE BESEDE: zanesljivost, verjetnost, redundanca, merilni sistem, elektronski sistemi, aparaturna oprema POVZETEK: V članku je opozorjeno na problematiko zanesljivosti s posebnih poudarkom na merilnih sistemih. Nakazan je postopek za določanje zanesljivosti aparaturne opreme in nekaj načinov za njeno povečanje. Opozorjeno je na literaturo, ki omogoča temeljitejšo in poglobljeno obravnavo. Reliability of Measuring Systems KEY WORDS: reliability, probability, redundacy, measuring systems, electronic systems, hardware ABSTRACT: The paper draws allention to the problem s of reliability with special emphasis on measuring systems. Presented is a method for the determination of hardware reliability and some way s of improving it. Included is a list of relevant references. 1. Uvod Merilni sistemi so pomembna sestavina kompleksnih tehničnih sistemov. Od njih je v veliki meri odvisno, če bodo nadzorovani procesi potekali znotraj zahtevanih območij. Odpoved merilnega sistema lahko povzroči zaustavitev procesa, v kritičnejših primerih pa tudi ne- varnost za ljudi in okolje. Zato je zanesljivo delovanje merilnih sistemov zelo pomembno in ga je treba anali- zirati že v fazi načrtovanja sistema in nadaljevati v fazi realizacije, oz. zanesljivost "vgraditi" v sistem. Ob zago- tovitvi ustreznih obratovalnih pogojev je nato mogoče pričakovati, da bo sistem opravljal svojo osnovno funk- cijo z ustrezno visoko zanesljivostjo. 2. Zanesljivost v merilni tehniki Zanesljivost R(t) (a. realibility, n. Zuverlassigkeit), je definirana kot verjetnost uspešnega delovanja opazo- vane enote (elementa, naprave, sistema) znotraj zahte- vanih meja v določenem časovnem inteNalu. Nanjo vpliva več parametrov, od zasnove, kakovosti sestavnih delov, vplivov vplivnih veličin, do človeškega faktorja. Te vplive je mogoče zajeti in obdelati s statističnimi meto- dami in verjetnostnim računom ter podati kvantitativno ali kvalitativno oceno zanesljivosti. Pogoj za realno ocenjevanje pa je temeljito poznavanje obravnavanega sistema in razmer, v katerih bo opravljal svojo funkCijo. V merilni tehniki je znana zahteva, naj bo izmerjena vrednost fizikalne veličine enaka ali vsaj dovolj blizu pravi vrednosti. Zato se od zanesljivega sistema pri- čakuje, da bo sposoben dajati merilne rezultate, ki se bodo le malo razlikovali od prave vrednosti merjene veličine, da bo sipanje rezultatov pri ponovljenih merjen- 107 jih čim manjše in da bo časovna stabilnost lastnosti sistema visoka. Osnovna informacija o izpolnjevanju naštetih zahtev je dana s podatkom o razredu merilnega sistema. Sodobni merilni sistemi so sestavljeni iz množice ele- mentov. Pri obravnavi njihove zanesljivosti se izhaja iz zanesljivosti posameznih elementov, lahko pa tudi iz zanesljivosti kompleksnejših sestavnih delov, če so do- segljivi ustrezni osnovni podatki. Nato se postopno pre- haja na določitev zanesljivosti celotnega sistema. Spre- membe lastnosti osnovnih elementov vplivajo na spre- membo lastnosti sistema, kar lahko privede do pre- nehanja delovanja (popolne odpovedi) ali pa delovanja izven zahtevanih območij (delne odpovedi). V tem dru- gem primeru bi lahko merilni sistem sicer posredoval merilne rezultate, vendar bi ti bili izven območij po- greškov, ki jih zagotavlja podatek o razredu sistema. Kakorkoli že, sistem v nobenem od teh primerov ne opravlja svoje funkcije tako, kot je od njega zahtevano. V sodobnih merilnih sistemih so že pogosto vgrajene tehnične rešitve, ki povečujejo zanesljivost. Taki so na primer sistemi s samotestiranjem in sistemi s samo- umerjanjem. 3. Zanesljivost aparaturne opreme merilnih sistemov Sodobni merilni sistem zbira in obdeluje merilne podatke o več enakih ali različnih fizikalnih veličinah, od katerih je odvisen potek nadzorovanega procesa. Tak merilni sistem (slika 1) je skupina večih naprav, med katerimi je praviloma mikroračunalnik, ki krmili delovanje celotnega Informacije MIDEM 22(1992)2, str. 107-111 MERILNI PRETVORNIK PREKLOPNIK OBJEKT 56 ....--~ U,I · · · · · · l/t · o-U,I f( Slika 1: Shema merilnega sistema 1 JI Slika 2: Potek pogostosti odpovedi "A(t) sistema, obdeluje podatke, poslužuje periferne enote itd. Ocenjevanje zanesljivosti sistemov se praviloma na- naša na obdobje normalnega delovanja v njihovi življenj- ski dobi, to je na obdobje, ki leži med obdobjem zgodnjih odpovedi in obdobjem izrabljenosti, v katerih je opažena večja vrednost pogostosti odpovedi A(t). Vobravnava- nem obdobju velja izhodišče 1. (t) = konst. To izhodišče je v elektrotehniki pogosto uporabljano, posebej pa v elektroniki. Sodobni merilni sistemi so praktično elektronski sistemi, zato je mogoče zanesl- jivost njihovih elementov oceniti z izrazom (2): R(t)=e-At (1) Čas t (h) je časovni interval opazovanja, imenovan tudi čas misije. A(t) (h-1) je pogostost odpovedi, ki je vhodni podatek in mora biti poznan ali predhodno določen za vsak element, upoštevajoč vse vplivne veličine, od ka- terih je A(t) odvisna. Pomembno je, da se ugotovi dovolj veljaven podatek A(t) , s čimer je tudi ocena zanesljivosti veljavnejša. Pogosto naletimo na problem kako dobiti realne vhodne podatke za A(t). Včasih jih sicer dajo proizvajalci ele- mentovali sklopov, velikokrat pa mora ustrezen podatek oblikovati uporabnik sam, izhajajoč iz nekega osnovne- ga podatka, ki ga priredi za svoje specifične potrebe, oz. L. Mikola, D. Donlagic: Zanesljivost merilnih sistemov 1 DA PRETVO RNIK AD PRETVORNIK MIKRO- yo RACUNALNIK PERIFERNE ENOTE /o )JR ,A-- -----" 108 lIJ Jr 1 - obdobje zgodnjih odpovedi II - obdobje normalnega delovanja III - obdobje izrabljenost1 razmere. Način priprave vhodnih podatkov je razdelan v ustrezni literaturi (7). Nekoliko pregledneje je mogoče primerjati numerične rezultate, če opazujemo zanesljivosti komplementarno verjetnost odpovedi O(t). O(t) = 1 - R(t) (2) Na raven sistema se z ravni elementov praviloma pre- haja z upoštevanjem zaporedne vezave v smislu zanesl- jivosti, kar pomeni, da odpoved kateregakoli elementa povzroči odpoved sistema. Zanesljivost sistema je tedaj (3): Rs (t) = R1 (t) . R2 (t) .... Rn (t) (3) Kadar gre za popravljive sisteme, kar merilni sistemi povečini so, se računa razpoložljivost A (t), ki pomeni verjetnost, da bo sistem ob določenem (zahtevanem) trenutku na razpolago za opravljanje svoje funkcije. Razpoložljivost se računa z izrazom (2): ----~ Slika 3: Zaporedna vezava L. Mikola, D. Donlagic: Zanesljivost merilnih sistemov A(t) = ~ + ~A_ e-(A +}lJ . t A+/-! A+/-! (4) /-! (t) (h-1) je pogostost popravil, ki jo je mogoče izračunati z izrazom (2): 1 /-! (t) = MTTR (5) MTTR (h) je srednji čas popravila obravnavanega siste- ma, torej tudi vhodni podatek, odvisen od vrste faktorjev: izučenosti tehničnega kadra, dosegljivosti rezervnih de- lov, obsega in vrste okvare itd. Tudi v primeru popravljivih sistemov je ugodneje vred- notiti s 01 (t), verjetnostjo, da ob zahtevanem trenutku sistem ne bo sposoben opravljati svoje funkcije. 01 (t) = 1 - A(t) (6) Posebno obravnavo, s specifičnimi pristopi, zahteva uporabljena programska oprema. Ta sicer ni izpostavl- jena staranju kot aparaturna oprema, vendar je važno, katere faze so pri obravnavi zajete, npr. faza zasnove, izdelave, testiranja, uporabe. Pristopi k obravnavi so opredeljeni z določenimi modeli. Področje zanesljivosti programske opreme, ki je vsekakor pomembna sestavi- na merilnih sistemov, v tem članku ni obravnavano. I I I I I I ~ Slika 4: Sistem z aktivno redundanca Slika 5: Sistem s pasivno redundanca 109 Informacije MI DEM 22(1992)2, str. 107-111 4. Sistemi s povečano zanesljivostjo Merilni sistemi, ki opravljajo svojo funkcijo v izrazito pomembnih tehničnih ali drugih sistemih, morajo imeti visoko zanesljivost. Kadar so vse možnosti povečevanja zanesljivosti enojnega sistema izrabljene, se nadaljnje povečanje lahko doseže z uvedbo redundance, to je nekega paralelnega sistema, ki lahko prevzame nalogo osnovnega, če le-ta odpove. Redundanca je lahko ak- tivna, kar pomeni, da sta sistema delujoča in obema teče življenjska doba, ali pa pasivna, kadar se redundančni sistem vklopi šele v trenutku, ko osnovni odpove. V primeru izredno pomembnih naprav, npr. takih, katerih okvare lahko povzročijo nevarnost ljudem in okolju, mo- ra biti redundanca večkratna, da se dosežejo nizke verjetnosti odpovedi celotnega sistema. Enostaven primer sheme aktivnega redundančnega sis- tema je podan na sliki 4. V smislu zanesljivosti je to vzporedna vezava. Zanes- ljivost takega sistema se izračuna z izrazom (3): Rs(t) = 1-0s(t) (7) Os (t) = 01 (t) . 02 (t) .... On (t) (8) Primer sistema s pasivno redundanco z enim redun- dančnim sistemom je prikazan na sliki 5. Izračun zanesljivosti Rs(t) se v tem primeru izračuna z izrazom (2): (9) Predpostavljeno je, da je v tem primeru zanesljivost preklopne naprave Rpr = 1. Če to ni zagotovljeno, je treba upoštevati tudi možnost odpovedi preklopne na- prave. 5. Analitična redundanca Analitična redundanca se uporabi takrat, kadar razen od merilnega sistema dobljene informacije obstajajo še nadaljnja znanja o tehničnem procesu ali merilnem sis- temu, ki se jih da upodobiti z matematičnim modelom. Ta je vgrajen v procesni računalnik, ki povezan v proces preverja merjene vrednosti in njihovo verjetnost. Razen istovrstnih veličin se lahko primerjajo tudi razlikujoče se in ne le neposredno izmerjene, pač pa tudi izračunane. Proces je v tem primeru sestavljen iz dveh etap: tvorbe "residuala" (signala indikacije sprememb) in odločitve. Dokazano je, da se učinkovit sistem da doseči le z učinkovitim procesom generiranja "residuala". Koncept sistema z analitično redundanco je prikazan na sliki 6. Informacije MI DEM 22(1992)2, str. 107-111 Proces merilni signali Algoritem vrednotenja merilni signal "residual" "residual Statistični lest 1 Odloči tev Slika 6: Koncept analitične redundance I statistično ovrednoten signal Namesto redundančne aparaturne opreme je v tem primeru uporabljena redundančna informacija. Tak način kontrole verjetnosti pomaga tudi v izjemnih situacijah pri odločitvi, če so nenavadni merilni signali verjetni, ali pa kaže na izredne pogonske razmere. 6. Rezultati izračunov PO v poglavjih 3 in 4 nakazanem načinu je bila opravl- jena kvantitativna ocena zanesljivosti aparaturne op- reme merilnega sistema predstavljenega na sliki 1. Izračun je bil izveden za enojni sistem, za sistem z aktivno redundanco, sistem s pasivno redundanco in Tabela T - 1: Rezultati izračunov zanesljivosti Vrsta sistema t = 10 ur enojni 1,56· 10-3 z akt. red undanco 2,45· 10-6 s pas. redundanco 1,2 .10-6 enojni popravljivi 1,7 . 10-3 110 L. Mikola, D. Donlagic: Zanesljivost merilnih sistemov nivo alarma adi ti vna napaka enojni sistem upoštevajoč možnost popravila. Za zadnji primer je bil privzet podatek MTIR = 10 ur (Il = 0,1 h-1). Rezultati so podani za tri čase opazovanja in so pred- stavljeni v tabeli T - 1. Dobljena razmerja potrjujejo teoretična izhodišča. Za popolno informacijo in končno izbiro določene konfig- uracije sistema pa je potrebno oceniti še zanesljivost programske opreme in celotni sistem tudi ekonomsko ovrednotiti. 7. Zaključek Visoka zanesljivost delovanja merilnih sistemov je ena temeljnih zahtev, posebej v primerih nadzora ljudem in Os t = 100 ur t = 1000 ur 1,55· 10-2 1,45 . 10-1 2,42· 10-4 2,10.10-2 1,2· 10-4 1,1 . 10-2 2,7 . 10-3 2,7· 10-3 L. Mikola, D. Donlagic: Zanesljivost merilnih sistemov okolju nevarnih procesov. Zato mora biti prisotna od snovanja do obratovanja sistema, vse do zaključka nje- gove življenjske dobe, ko merilni sistem preseže dovol- jeno verjetnost odpovedi. Kadar so izražene posebne zahteve, je nujno ukrepati tako, da je zanesljivost zelo visoka, ne glede na stroške. Problematika zanesljivosti je široka, prisotna je prak- tično v vseh vejah tehnike. Zanesljivost kot področje je doživela širok razmah predvsem pri razvoju zračnega prometa, vesoljskih raziskav in jedrske energetike. Pri kOličkaj pomembnih sistemih so analize zanesljivosti nujne. 8. Literatura 1. Schruler, E: Zuverlassigkeit von Mess - und Automatisierungs- einrichtungen, Carl Hanser Verlag Munchen Wien 1984 2. Arsenault, J. E. Roberts. J. A.: Reliability and Maintainability ol Elektronic Systems, Computer Science Press, 1980 111 Informacije MIDEM 22(1992)2, str. 107-111 3. Reinschke, K., Ušakov, 1. A.: Zuverlassigkeitsstrukturen, R Olden- burg Verlag Munchen Wien 1988 4. Bajenescu, T. I.: Zuverlassigkeit elektronischer Komponenten, VDE- Verlag GmbH Berlin, Offenbach 1985 5. BassevilIe, M.: Detecting Changes in Signals and Systems-A, Automatica, Vol. 24, No. 3, 1988,309-324 6. Prock, J.: Ein allgemeines Konzept zur online-Messlehlererken- nung in dynamischen Systemen mittels analytischer Redundanz, Automatisierungstechnik 37 (1989)8, 289-294 7. Military Standardization Handbook, Reliability Predietion of Elec- tronic Equipment, 217 C, 1979 mag. Ladislav MIKOLAj dipl. ing.; dr_ Dali DONLAGIC, dipl. ing, Univerza v Mariboru, Tehniška fakulteta - Elektrotehnika, računalništvo in informatika Smetanova 17, 62000 MARIBOR Prispelo: 16.06.92 Sprejeto: 26.06.92