книги из ГПНТБ / Казацкер, А. А. Надежность систем автоматизации в пищевой промышленности

устройства условно-годовая экономия Эу? с учетом экономиче­ ских последствий отказов может быть определена по формуле

ЭуГ = ЭРг - Э Л О (0.

где Зугр — значение условно-годовой экономии, приведенное в расчете эко­ номической эффективности данного образца управляющего уст­ ройства.

Рассмотрим на предыдущем примере (см. стр. 92) расчет показателя ущерба.

Отказы каналов № 1 и 2 приводят к вынужденному простою управля­ ющего устройства, вследствие чего возникает ущерб I рода. При этом пред­ полагается, что к вынужденному простою управляющего устройства приво­ дят лишь те отказы, критерий которых задан в виде общих показателей надежности. Отказы канала № 3 приводят к вынужденному простою печи, вследствие чего возникает ущерб III рода. Расчет ущерба приведен в табл. 18.

Суммарное количество вынужденных простоев Ь\1 канала № 1 равно суммарному числу отказов канала № 1 т.\1 (имеются в виду только отказы, критерии которых заданы в виде общих показателей надежности), т. е. b11= 7. В таком случае величина ущерба I рода за время вынужденных простоев канала № 1

у \ (t) = y \ b \ = (0,604-*- 133,5) 7 = 4,23 -*-934,5 руб.

Аналогично изложенному выполняется расчет показателя ущерба I рода за время всех вынужденных простоев канала № 2.

Ниже приведены только промежуточные результаты расчета показателя

JV(0.

3

100

имеет место только ущерб II рода. Такое решение можно обосновать сле­ дующим образом: даже если потребуется переработка заготовленного для данной отказавшей печи теста, то стоимость переработки невысока и ею можно пренебречь. (При этом предполагается, что разрушение печи не при­ вело к полной порче либо уничтожению заготовленного для данной печи теста.)

Тогда У " = (0,656 ч- 0,958) + (29,6 ч- 49,4) 100 = 3025,6 ч- 5035,8 руб.

Приведенный расчет величины среднего ущерба II рода, обусловлен­ ного вынужденным простоем отказавшего канала защиты и печи, свидетель­ ствует о том, что даже только один отказ канала защиты безопасности

= 3083,47ч6426,25 руб.

Описанный подход к оценке показателя экономических по­ следствий отказов положен в основу соответствующего руково­ дящего материала института «Пищепромавтоматика».

101

Г Л А В А 7

М Е Т О Д Ы П О В Ы Ш Е Н И Я Н А Д Е Ж Н О С Т И СИС ТЕ М И С П Е Ц И А Л Ь Н Ы Х С Р Е Д С Т В А В Т О М А Т И З А Ц И И В П И Щ Е В О Й П Р О М Ы Ш Л Е Н Н О С Т И

Необходимость в решении задачи повышения надежности средств и систем автоматизации возникает либо в случае, если существующий уровень не обеспечивает выполнение требова­ ний, заложенных в техническое задание (или в ТУ), либо в слу­ чае, если ставится задача обеспечения максимально возможной надежности (например, для устройств автоматической защиты). В этих, а также в других случаях необходимо предпринять ряд мер, позволяющих улучшить (иногда значительно) показатели как безотказности, так и ремонтопригодности. Методы повыше­ ния надежности всегда зависят от тех конкретных условий, в которых предполагается изготовлять и эксплуатировать изде­ лия, от имеющихся возможностей и от целого ряда других факторов. Методы эти индивидуальны для каждого изделия. Однако могут быть указаны некоторые общие методы, которые позволяют наметить подход к решению конкретной задачи [71, 72, 74]. Методы эти существенно зависят от стадии «жиз­ ни» изделия: разработки, изготовления и эксплуатации. Хотя эти стадии взаимосвязаны, рассмотрим каждую стадию от­ дельно.

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ НА СТАДИИ РАЗРАБОТКИ

На стадии разработки (проектирования) закладыва­ ются основы технических показателей изделия, в том числе и показателей надежности. Поэтому стадии разработки средств систем автоматизации для пищевой промышленности должно быть уделено особое внимание.

Для предприятий пищевой промышленности, на большинстве которых малочисленный или недостаточно подготовленный пер­ сонал службы КИПиА, особенно важно создание систем авто­ матизации, обладающих высокими показателями безотказности и ремонтопригодности. Создание таких систем при относительно небольшом увеличении их стоимости требует значительных уси­ лий на стадии разработки, т. е. упрощение и удешевление экс­ плуатации достигается за счет усложнения стадий разработки и изготовления. Все это вызывает необходимость особенно тща­ тельно подходить к вопросу повышения надежности на стадии разработки.

Методы повышения надежности средств и систем автомати-

102

ки) эффективность разрабатываемой системы (прибора). Ха­ рактеристики, изложенные и обоснованные при разработке тех­ нического задания, являются на всех дальнейших стадиях «жизни» системы (прибора) основными критериями, позволяю­ щими оценить качество разработки. Как показывает опыт, на стадии разработки технического задания очень часто допуска­ ются ошибки, влекущие за собой в конечном счете снижение надежности.

Одна группа ошибок связана с тем, что недостаточно полно учитываются условия работы проектируемой системы (прибо­ ра) как с точки зрения нормальных, так и особенно предельных значений. Очень часто не учитываются условия хранения и тран­ спортировки (в частности, тряска, вибрация, предельно возмож­ ные значения температуры и влажности), что иногда приводит к необходимости проведения до наладки системы ее капиталь­ ного ремонта.

Другая, наиболее важная группа ошибок, связана с назначе­ нием и обоснованием допустимых крайних значений регулируе­ мых (контролируемых) технологических параметров как в ста­ тическом, так и в динамическом режимах. Часто в данном во­ просе разработчики идут «на поводу» у технологов и принима­ ют узкие диапазоны предельных значений без каких-либо суще­ ственных технико-экономических обоснований, что значительна усложняет разработку и снижает ее надежность. Кроме того, разработчик в процессе разработки всегда должен знать, хотя бы приближенно, «цену отказа», т. е. технические и экономиче­ ские последствия длительных или кратковременных отклонений регулируемых (контролируемых) параметров от заданных зна­ чений.

Часто в процессе проектирования выясняется, что допусти­ мость хотя бы кратковременного выхода за заданные пределы позволяет значительно упростить разработку, повысить ее на­ дежность . без серьезного ущерба для качества регулируемого процесса, т. е. позволяет получить в конечном счете значитель­ ный технико-экономический эффект. В ряде случаев при боль­ шой «цене отказа» с целью повышения надежности необходимо применять резервирование. Это особенно касается устройств ав­ томатической защиты.

Существенное влияние на надежность системы оказывает принятый объем автоматизации (количество устанавливаемых приборов.) Если при малом объеме автоматизации контроль и управление технологическим процессом затруднены, то каждый лишний прибор, каждый ненужный контур регулирования яв­ ляются источником дополнительных отказов. Остальные вопро­ сы перечислены ниже и специальных пояснений не требуют.

1. Содержатся ли в задании на проектирование (технич ском задании) все сведения, характеризующие условия работы приборов и средств автоматизации? Указаны ли номинальные-

104

и предельные значения величин, характеризующих указанныеусловия?

2.Какие специальные требования предъявляются с точки зрения взрыво- и пожаробезопасности, агрессивности сред и допускаемых к применению материалов?

3.Указаны ли номинальные и допустимые крайние значе­ ния на контролируемые, регулируемые технологические пара­ метры?

4.Указано ли время, в течение которого допустимы крайниезначения регулируемых параметров?

5.Имеются ли обоснования для требований, содержащихся

взадании на проектирование (техническом задании)?

6.Нельзя ли без существенного ущерба для эффективности системы (прибора) расширить пределы допусков регулируемых

технологических параметров? Какие технические, экономические последствия вызовет указанное расширение пределов?

7.Достаточно ли обоснован объем автоматизации, соотно­ шение между автоматизированным, централизованным и мест­ ным (ручным) режимами управления?

8.Какие имеются обоснования для требуемых характери­ стик надежности?

9.Предъявляются ли к системе (прибору) специальные требования в части согласования ее (его) работы с другими системами (приборами)?

10.Какая возможна серийность разрабатываемой системы?

11.Какие требования предъявляются условиями транспор­ тировки, хранения системы (прибора)?

Разработка проектного задания, технического предложения,

рабочих чертежей. На этих этапах проектирования разработчик должен задаваться следующими вопросами:

1.Рассматривалась ли возможность использования отрабо­ танных типовых решений?

2.Как нужно изменить требования к схеме, чтобы можно

было использовать типовые решения?

3.Нельзя ли упростить схему, сохранив ее функции в задан­ ных пределах?

4.Учтены ли требования при выборе типа н характеристик

источников питания, возникающие при автоматизации других объектов данного предприятия?

5. Не возникнет ли необходимость в двух типах источников, питания?

6.Нельзя ли использовать более простые приборы за счетизменения выбранного закона регулирования без нарушения требований технического задания (задания на проектирование)?1

7.Какие элементы схемы являются нестандартными, несе­

рийными?

8. Нельзя ли изменить схему так, чтобы отпала необходи­ мость в использовании несерийных элементов?

105

при расчете предполагаемого технико-экономического эффекта от проектируемой системы?

Основное внимание должно быть обращено на характери­ стики отдельных узлов и элементов и режимы их работы. Каче­ ственный анализ разработки с точки зрения надежности необ­ ходимо на этой стадии проводить одновременно с расчетом надежности, учитывая режимы и условия работы.

Большое внимание должно быть обращено на анализ воз­ можных возмущений регулируемого процесса при отказе от­ дельных элементов, приборов, при перерывах в снабжении вспомогательной энергией. Даже кратковременный перерыв в снабжении энергией часто вызывает большие возмущения. На­ пример, пневматические исполнительные механизмы при пре­ кращении подачи сжатого воздуха стремятся занять конечное положение. Это положение должно быть наиболее безопасным.

Необходимо помнить, что источник вспомогательной энергии должен отличаться особенно высокой надежностью. В этом случае резервирование является обязательным.

Такое же положение наблюдается при использовании много­ контурных, каскадных систем регулирования. Отказ одного из элементов контуров предыдущего каскада может воспринимать­ ся в последующих контурах как возмущение по процессу или изменение уставки с вытекающими отсюда, возможно весьма нежелательными, последствиями. Необходимо предусмотреть меры для предотвращения опасных последствий. Для этого мо­ гут использоваться сигнализация, блокировка, резервирование, специальные схемные решения [78, 79].

При анализе проектируемых схем наряду с повышением на­ дежности необходимо применять все рациональные меры для уменьшения последствий отказов.

Большое влияние на надежность оказывает качество вспо­ могательной энергии. Например, исследования универсальных пневматических регуляторов показали, что количество отказов из-за применения недостаточно высушенного и очищенного воз­ духа в 6 раз превысило число отказов, вызванных погрешностью

приборов [80].

При расчете выходных параметров проектируемых систем очень часто не оценивают начальную надежность, т. е. свойст­ во аппаратуры сохранять свои выходные параметры в задан­ ных пределах на момент выхода из производства (монтажа) при наличии допусков на детали, узлы и источники питания [81], что, естественно снижает надежность системы. Опыт пока­ зывает, что в тех случаях, когда не учитывают возможное соче­ тание крайних значений (допусков) элементов и источников пи­ тания, оговоренных техническими условиями на эти элементы, крайние значения выходных параметров системы (прибора) выходят за пределы, оговоренные заданием на проектирование, (техническим заданием) еще на стадии наладки, а если приня­

107

тые запасы невелики,— через некоторое время после начала эксплуатации.

Большое влияние режимов работы элементов на их надеж­ ность достаточно освещено в литературе. Здесь следует лишь предостеречь от очень часто встречающейся ошибки, когда при учете условий работы элементов не принимают во внимание их конструктивное расположение и при расчете принимают темпе­ ратуру помещения, а не температуру внутри корпуса, около самого элемента, что очень существенно при наличии тепло­ выделяющих элементов. Для определения фактических условий необходимо проводить исследования действующих макетов и опытных образцов. Для ориентировки можно использовать ли­ тературные данные [76, 78].

Приведенный перечень вопросов, безусловно, может быть до­ полнен и детализирован с учетом опыта проектирования. Си­ стематическое его использование позволит значительно повысить надежность разработок.

Методы повышения безотказности

Чтобы в процессе проектирования разработать или приме­ нить методы повышения безотказности конкретного изделия,, необходимо тщательно проанализировать наиболее вероятные' условия и режимы его эксплуатации, возможные источники и каналы возникновения и распространения отказов. Необходимо также, используя техническое задание и другие материалы, тща­ тельно проанализировать целевую функцию изделия с потреби­ тельской точки зрения.

Методы повышения безотказности можно условно разделить на схемные и конструктивные [78].

Схемные методы повышения безотказности являются наибо­ лее рациональными, так как могут быть реализованы без суще­ ственных капитальных затрат. Самым эффективным и трудным по реализации направлением схемных методов является созда­ ние возможно более простых схем, выполняющих заданные функции. К сожалению, простота решения в основном опреде­ ляется только эрудицией и опытом разработчика. Только лишь при разработке схем, выполняющих логические функции (при контактной и бесконтактной реализации), для минимизации чис­ ла элементов схемы может быть использован инженерный алго­ ритм, основанный на алгебре логики [82].

Вторым направлением схемных методов является создание систем автоматизации с ограниченными последствиями отказов.

Третьим направлением является резервирование. В пищевой промышленности этот путь повышения надежности еще не на­ шел широкого применения. Только для систем автоматического счета продукции (счет мешков с сахаром на сахарных заводах*

108

счет бутылок на ликеро-водочных заводах) применяется резер­ вирование датчиков по способу мажоритарной логики (два из трех). Кроме того, в ряде случаев получается фактическое ре­ зервирование локальных систем через процесс. Так, например, температура и давление в агрегате часто связаны. Поэтому системы, регулирующие эти параметры (прямо или косвенно), фактически резервируют друг друга. Резервирование отдельных элементов систем автоматизации должно найти широкое при­ менение в пищевой промышленности, особенно в системах авто­ матической защиты.

Четвертым направлением схемных методов является разра­ ботка систем (приборов), малочувствительных к изменениям параметров составляющих элементов. Во время эксплуатации элементы систем подвергаются воздействию широкого спектра дестабилизирующих факторов (температура, вибрации, износ и т. п.). Под воздействием этих факторов возникают измене­ ния (обратимые или необратимые) параметров элементов, ко­ торые могут привести к выходу за допуск выходного параметра системы. Ослабить влияние этого явления можно несколькими путями. Можно подобрать такие элементы, у которых измене­ ния параметров под действием наиболее сильных факторов хотя бы частично компенсируют друг друга. Вторым перспек­ тивным путем является применение в системах управления ал­ горитмов функционирования малочувствительных к изменениям элементов. Для приборов следует рекомендовать максимальное использование элементов, работающих в ключевом режиме. Для систем автоматизации перспективным в смысле надежности яв­ ляется применение позиционных (релейных) систем регулиро­ вания вместо систем непрерывного действия. Этот вопрос тре­ бует самостоятельного рассмотрения, однако даже беглый ана­ лиз показывает, что в пищевой промышленности неоправданно широкое распространение получили системы регулирования, реализующие сложные (в основном ГШД) законы регулирова­ ния. Эти системы обладают значительно более низкими показа­ телями надежности, чем, например, позиционные. Такое явле­ ние объясняется главным образом незначительным вниманием, уделяемым при разработке систем автоматического управления технологическими процессами вопросу обоснования допускаемых отклонений на регулируемые параметры. Вследствие более низкой надежности и недостаточного уровня эксплуатации фак­ тическая эффективность систем непрерывного действия во мно­ гих случаях ниже эффективности позиционных.

Наиболее существенными направлениями конструктивных методов повышения безотказности является использование вы­ соконадежных элементов и создание благоприятного режима работы элементов.

Разработчик, как правило, при проектировании системы (прибора) использует элементы и детали, выпускаемые про­

109