Надежность программного обеспечения микропроцессорных систем управления металлорежущими станками

Иноземцев Александр Николаевич, д-р техн. наук, заведующий кафедрой, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Анцева Наталья Витальевна, канд. техн. наук, доц., anzeva@ramblrer.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

MANAGEMENT OF SYSTEM OF MACHINE TOOL S PREVENTIVE MAINTENANCE BY

MAINTENANCE WORKABILITY CRITERIA

A.N. Inozemtsev, N. V. Antseva

The approach to management of system of machine tool's preventive maintenance on industrial enterprises based on optimization of preventive maintenance period by maintenance workability criteria is represented.

Key words: maintenance workability, optimization, machine tool, preventive maintenance.

Inozemtsev Aleksandr Nikolaevich, doctor of technical science, professor, chief of department, Russia, Tula, Tula State University,

Antseva Natalia Vitalyevna, candidate of technical science, docent, anzeva@ramblrer.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.873

НАДЕЖНОСТЬ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИМИ СТАНКАМИ

А. Н. Иноземцев, П. В. Губарев

Рассмотрены вопросы повышения надежности программного обеспечения промышленных микропроцессорных систем управления с целью обеспечения необходимого качества функционирования технологического оборудования.

Ключевые слова: надежность управления, программное обеспечение, микропроцессорные системы управления.

Применение в производстве современного технологического оборудования с микропроцессорными системами управления (МСУ) связано с риском недостижения необходимого качества технологического процесса в результате полного или частичного отказа программного обеспечения. Программное обеспечение (ПО) - это интеллектуальный продукт, состоящий из программ, процедур, правил и любой другой связанной с ними документации, относящихся к функционированию системы обработки

31

данных [1]. Отказом ПО называется переход его в состояние невозможности выполнения всех функций в соответствии с указанными спецификациями, а данные, на которых произошел отказ - это выброс системы. Цена такого отказа крайне высока, так как в большинстве случаев приводит к простою оборудования или задержке освоения технологического процесса выпуска нового изделия. Дорогостоящее технологическое оборудование с ЧПУ обычно является самым нагруженным на предприятии, так как только интенсивный график их работы способен окупить амортизационные издержки. Кроме того, отказ ПО некоторых видов оборудования, например, оптических систем измерения параметров режущего инструмента, ведет к сбоям в работе целых участков и цехов, что также увеличивает экономические потери. Отдельное внимание стоит обратить на группу отказов программных средств систем управления, ведущих к поломке узлов оборудования; при этом к потерям от простоя машин прибавляются расходы на ремонт и восполнение комплекта запасных частей. С целью поиска путей повышения качества функционирования ТО с МСУ на базе предприятия ОАО “Тульский оружейный завод” было проведено исследование по сбору и систематизации информации о парке технологического оборудования с микропроцессорными системами управления и применяемом в них программном обеспечении, а также о простое оборудования в результате отказа ПО. В ходе исследования выяснилось, что до 32% времени простоя ТО с МСУ связано с отказами его программного комплекса (табл. 1). На основе полученных данных актуальной представляется задача управления надежностью ПО МСУ и снижения уровня риска, связанного с его отказами.

Таблица 1

Простой технологического оборудования с МСУ _______при отказах различных подсистем _____________________

Подсистема МСУ Время простоя, %

Отказ режущего инструмента или другого формообразующего объекта 47

Отказ ПО 32

Отказ привода подач 9

Отказ вспомогательной технологической системы (подача СОЖ, операции над стружкой, освещение и так далее) 4

Отказ подсистемы электроники (в том числе стойки МСУ) 3,5

Отказ привода главного движения 2,5

Отказ технологического приспособления (дорн, крепеж, фиксатор и так далее) 1

Прочее 1

Надежность ПО - это его способность в конкретных областях применения выполнять заданные функции в соответствии с программными документами в условиях возникновения отклонений в среде функционирования, вызванных сбоями технических средств, ошибками во входных данных, ошибками обслуживания и другими дестабилизирующими воздействиями. Обычно в отношении ПО рассматривают показатели готовности, безотказности и ремонтопригодности. Для управления надежностью ПО МСУ ТО структурному подразделению предприятия, занимающемуся сопровождением программных комплексов машин с МСУ (отдел ПО ТО), необходима стандартизованная и прослеживаемая система менеджмента надежности.

Согласно ГОСТ Р 51901.2-2005, продукция может представлять собой комбинацию аппаратных средств, программного обеспечения и человеческих действий по сопровождению. Цель системы менеджмента надежности состоит в том, чтобы гарантировать достижение требуемой надежности продукции путем управления процессами. Применительно к подразделению предприятия, осуществляющему сопровождение ПО МСУ ТО, продукцией можно считать услугу сопровождения и обеспечения работоспособности программных комплексов МСУ, оказываемую внутреннему потребителю - производствам организации.

Из ГОСТ Р 51901.2-2005 следует, что система менеджмента надежности должна являться неотъемлемой частью полной системы менеджмента организации, а политика предприятия в сфере надежности может составлять часть политики менеджмента предприятия или быть включена в политику в области качества. В отношении системы менеджмента надежности ПО МСУ ТО рассматриваемого предприятия ОАО “ТОЗ” второй вариант предпочтительнее, так как система менеджмента качества хорошо документирована, а заявления о политике и целях в области качества объявлены и актуализируются.

Для разработки, внедрения и поддержания в надлежащем состоянии системы менеджмента надежности ПО МСУ ТО отдел ПО ТО должен:

идентифицировать требования в сфере надежности, связанные со своей деятельностью, применительно к каждому виду курируемого оборудования;

установить цели в сфере надежности и планировать стадии жизненного цикла продукции (услуги) в соответствии с конкретными проектами и производствами;

гарантировать своевременное выполнение уместных поэтапных действий надежности в течение всех применяемых стадий жизненного цикла;

определить критерии и методы оценки надежности и приемки продукции;

обеспечить ресурсы и информацию, необходимые для выполнения требований надежности при проектировании услуги;

проводить мониторинг надежности, выполнять необходимые измерения и анализировать их результаты для непрерывного совершенствования продукции;

поощрять объединение процессов управления надежностью различных экземпляров ТО для обеспечения рентабельности операций и технического обслуживания там, где это возможно;

развивать отношения с поставщиками ТО и заказчиками (внутренними производствами) для достижения всех проектных целей и удовлетворения и превышения требований заказчика.

Для реализации перечисленных требований необходимо проектирование и реализация следующих этапов менеджмента надежности для каждого конкретного вида оборудования [2]:

1) определение целей в сфере надежности,

2) анализ необходимости и значимости работ в сфере надежности,

3) составление стратегического плана действий для достижения целей в сфере надежности,

4) выполнение выбранных действий в сфере надежности,

5) анализ результатов осуществленных действий в сфере надежности,

6) оценка достигнутых результатов в сфере надежности для дальнейших действий усовершенствования.

Этапы менеджмента надежности состоят из последовательности действий, применяемых на любой стадии жизненного цикла услуги сопровождения и обеспечения работоспособности программных комплексов МСУ. Цикл обратной связи на различных этапах допускает непрерывное совершенствование.

Для конкретизации этапов, представленных выше, а также для разработки планов повышения надежности ПО МСУ ТО, была произведена декомпозиция структуры гипотетического (содержащего все виды ПО) программного комплекса МСУ и классификация его составных частей (рис. 1).

По результатам анализа случаев отказа ПО МСУ ТО было выявлено большинство причин их возникновения и составлен ряд причинноследственных диаграмм Исикавы, позволяющих облегчить выработку плана повышения надежности [3]. Например, для интерфейсного ПО такая диаграмма выглядит следующим образом (рис. 2).

Одним из основных требований, предъявляемых и к системе менеджмента качества продукции в общем [4] и к системе менеджмента надежности в частности [2] является ориентация на требования заказчика. Так как в рассматриваемой среде функционирования отдела ПО ТО заказчиком является внутренний потребитель услуги, то классификация ре-

зультатов возможных несоответствий системы менеджмента надежности ПО МСУ ТО была произведена на основе обратной связи (рекламаций) с представителями производств предприятия (рис. 3).

состояния системы

Рис. 1. Структура ПО МСУ ТО

Нарушение структуры данных

Потеря части данных

\ Ошибка в работе прикладных программ \ или операционной системы

Ошибочное удаление \ /

оператором Ошибочный перенос г

Отказ программоносителя

Ошибка в работе прикладных программ или операционной системы

Отказ программоносителя

Отказ операционной системы или операционной оболочки

Отказ драйверного ПО

Отказ интерфейсного ПО для ввода и хранения управляющих программ, хранения технологических констант и управления оборудованием

Отсутствие дистрибутива соответствующего ПО

Некорректная установка ПО

Некорректная установка ПО

Несоответствие версии ПО аппаратным средствам системы управления

Ошибочное срабатывание механизма защиты от нелегального использования

Рис. 2. Причинно-следственная диаграмма события "Отказ интерфейсного ПО для ввода и хранения управляющих программ, хранения технологических констант и управления оборудованием"

В соответствии с результатами проведенных исследований был предложен ряд методов повышения надежности ПО МСУ ТО, различающихся в зависимости от типа оборудования по применяемости, структуре

35

(последовательные, параллельные и смешанные), затратам на реализацию и так далее.

Например, применимым к значительной части парка ТО с МСУ, методом является резервирование состояния программного комплекса в окрестности точки экстремальной приработки.

На рис. 4 представлен график примерного вида теоретической функции интенсивности потока отказов 1 ^) комплекса ПО (интервалы простоя не учитываются, а график является примером и характерен не для всех МСУ).

Последствия несоответствий системы менеджмента надежности ПО МСУ ТО

технологического

процесса

Невозможность разработки, корректировки или внедрения УП

Рис. 3. Виды рекламаций со стороны потребителя

Рассмотрим его характерные интервалы и точки.

1. В точке начала эксплуатации и в ее окрестности интенсивность потока отказов ПО равна некоторой величине 10.

2. Эмпирические наблюдения показали, что период 0< £ ^ соответствует приработке системы и ее на данном интервале можно отнести к

“молодеющим”, так как здесь происходит “выжигание” дефектов установленного ПО и 1 (г) монотонно убывает.

3. Интервал 1^<1 £ 1;2 является окрестностью точки, идеальной для резервирования. На этом этапе эксплуатации большинство дефектов, поддающихся обнаружению, устранены. Здесь функция плотности вероятности безотказной работы наиболее близка к экспоненциальному распределению

1

г

а

/ (г) — *

а

где а - параметр распределения, равный математическому ожиданию. На этом интервале функция обладает марковским свойством, и вероятность безотказной работы комплекса на этом интервале в идеальном случае не зависит от времени предшествующей работы, а интенсивность отказов постоянна и равна -1. Таким образом в окрестности точки экстремальной

а

приработки целесообразно максимально полно зафиксировать текущее состояние программных средств на каком-либо носители информации. Для этого лучше всего использовать специальное ПО для создания инкрементных образов памяти МСУ.

/ 1 V г ' г

1Ъ 4 5 6

Точка максимальной эффективности резервирования состояния системы

Рис. 4. Примерный вид теоретической функции интенсивности

потока отказов

4. Интервал 1:2<1 £ 1:3 характеризуется монотонным возрастанием интенсивности отказов. Возрастание 1 (г) происходит до некоторого критического 1 кр, когда проявляется свойство эмерджентности и восстановление ПО корректировкой его составных элементов становится неэффективным. Здесь, в отличие от механической, гидравлической, пневматической или электронной подсистемы МСУ, возможно полное восстановление заранее зарезервированного состояния ПО, которое “вернет” функцию ин-

г

тенсивности отказов на уровень, близкий к 1 эксп.

5. Далее, как показано на графике, происходит циклическое непериодическое монотонное возрастание 1(ґ), чередующееся со “скачками” периодов полного восстановления. При этом, в случае обнаружения на интервале £ 1;+1 не устраненного дефекта ПО, после его устранения необ-

ходимо зафиксировать улучшенное состояние, что приведет к уменьшению 1 эксп для последующих интервалов. Необходимо заметить, что резервирование желательно произвести также и в точке начала эксплуатации, по окончании пуско-наладочных работ и изготовлении пробной партии деталей.

Применение такого метода обычно связано с временной неработоспособностью оборудования, так что время создания образа и профилактического восстановления необходимо выбирать по критерию минимизации потерь от простоя. В то же время, его эффективность чрезвычайно высока.

Например, внедрением резервирования в том или ином виде на ряде комплексов ПО МСУ ТО на предприятии ОАО “Тульский оружейный завод” удалось добиться значительного сокращения времени восстановления оборудования после отказа (табл. 2).

Таблица 2

Пример^ результатов анализа отказов ____________

Дата возникновения отказа Наименование ТО Вид Отказа Признак отказа Возможная причина отказа Воздействие на выходе Предлагаемые меры по повышению надежности Время простоя, дн

04.09.07 Машина лазерная МЛ 112Т Утеряны технологические константы Режимы сброшены на заводские Переустановка версии ПО Частичная потеря работоспособно-сти Резервирование (возможно в виде задания) 3

12.12.07 Машина лазерная МЛ 112Т Утеряны технологические константы Режимы и параметры сброшены на тзаводские Форматирование ИББ и переустановка ПО Полная потеря работоспособности - 0.1

10.01.08 Фрезерно-сверлильный ОЦ 8оёюк с СЧПУ УЛ8ЫЛС 543МС Утеряны битовые флаги Параметры станка сброшены на заводские Замена элемента питания энергозависимой памяти Потеря работоспособно-сти Резервирование, создание таблицы параметров в точке приработки 2

18.03.08 Фрезерно-сверлильный ОЦ 8оёюк с СЧПУ УЛ8ЫЛС 543МС Утеряна часть битовых флагов и УП Нет в памяти или изменены Неизвестна, возможен человеческий фактор Потеря работоспособно-сти - 0.5

Построение на предприятии эффективной, нормативно закрепленной системы менеджмента надежности ПО МСУ ТО позволяет значительно повысить качество производственного процесса с применением современного оборудования с программным управлением.

Список литературы

1. ГОСТ 28806—90 Качество программных средств. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1991. 12 с.

2. ГОСТ Р 51901.2-2005 Менеджмент риска. Системы менеджмента надежности. М.: Стандартинформ, 2005. 10 с.

3. ГОСТ Р 51901.5-2005 Менеджмент риска. Руководство по применению методов анализа надежности. М.: Стандартинформ, 2005. 44 с.

4. ГОСТ Р ИСО 9001-2001 Системы менеджмента качества. Требования. М.: Изд-во стандартов, 2001. 22 с.

Иноземцев Александр Николаевич, д-р техн. наук, заведующий кафедрой, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Губарев Павел Валерьевич, канд. техн. наук, инженер-программист, Россия, Тула, ООО «Девелопмент Софт»

SOFTWARE RELIABILITY MICROPROCESSOR CONTROL SYSTEMS MACHINE TOOLS

A.N. Inozemtsev, P. V. Gubarev

Propose a method to improve the quality of functioning technological equipment with microprocessor control systems on the basis of its reliability management software systems.

Key words: reliability management software, microprocessor control system.

Inozemtsev Aleksandr Nikolaevich, doctor of technical science, professor, chief of department, Russia, Tula, Tula State University,

Gubarev Pavel Valerievich, candidate of technical science, software engineer, Russia, Tula, LLC "Development Soft"