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

Т а б л и ц а 3

Представление о номенклатуре применяемых в САУ изделий названных выше трех групп можно получить из приложений, в которых приведены показатели надежности некоторых видов и типов приборов, электрических элементов и трубопроводной ар­ матуры.

Приборы и средства автоматизации, выполняющие функции получения информации о состоянии процесса и именуемые в по­ вседневной практике датчиками, являются обязательной частью всех автоматических и полуавтоматических систем контроля, за­ щиты и регулирования.

На данном этапе автоматизации САУ пищевой промышлен­ ности контролируют (регулируют) более двух десятков парамет­ ров различных видов сырья, технологических сред, промежу­ точных и готовых продуктов [2, 3]. Наиболее часто контролируе­ мыми величинами на предприятиях пищевой промышленности являются температура, давление, расход и уровень, а также па­ раметры, характеризующие состав, состояние и свойства либо качество вещества: активную кислотность и щелочность, плот­ ность, содержание сухих веществ, концентрацию, влажность, вязкость, мутность, цветность, содержание посторонних приме­

сей и др.

Удельный вес устройств, контролирующих эти величины в САУ некоторых отраслей промышленности, приведен в табл. 4.

Устройства для преобразования, хранения и обработки ин­ формации составляют обязательную часть САР, а также неко­ торых классов систем контроля и защиты.

В управляющих устройствах приборного оформления назван­ ные функции выполняют изделия, входящие в первую группу:

10

вторичные приборы, различные преобразователи, регулирующие и другие устройства. В различного рода программных управля­ ющих устройствах автоматического регулирования, защиты и контроля эти функции выполняют изделия второй группы, т. е. электроаппараты. Наконец, разработан и находится в эксплуа­ тации ряд систем, в которых эти функции выполняют изделия как первой, так и второй групп. К таким системам можно от­ нести автоматический многоточечный контроль, многоканальные устройства защиты, многосвязные (многоконтурные) системы автоматического регулирования.

В схемах приборного оформления широко представлены вто­ ричные приборы: логометры, электронные автоматические са­ мопишущие мосты, потенциометры и вторичные приборы с вход­ ным сигналом переменного напряжения. Удельный вес различ­ ных видов вторичных приборов, применяемых в управляющих устройствах автоматического контроля и регулирования, приве­ ден в табл. 5.

И

В табл. 6 приводятся данные о применении вторичных при­ боров в схемах контроля (регулирования) основных групп конт­ ролируемых параметров сырья, промежуточных и готовых про­ дуктов.

Т а б л и ц а 6

Номенклатура применяемых в САУ регулирующих устройств позволяет реализовать в схемах все основные законы регулиро­ вания. В САУ широкое применение находят регулирующие уст­ ройства как с электрическим, так и с пневматическим выходным сигналом (табл. 7).

Логическая часть управляющих устройств включает большое количество (45—55%) реле постоянного тока различной мощ­

чи, кнопки, путевые выключатели, тумблеры и др.), а также ре­ зисторов, конденсаторов и других деталей и узлов (10—25%).

В последние годы наряду с контактными элементами в логи­ ческой части управляющих устройств находят широкое примене­ ние транзисторные, магнитные и другие бесконтактные элементы (например, в-масло-жировой, хлебопекарной, консервной, сахар­

12

ной, табачной отраслях и др.). В ряде САУ функционирует не­ сколько тысяч бесконтактных элементов.

Устройства для воздействия на процессы и связи с операто­ ром, именуемые выходными, так же как и датчики, являются обязательной частью всех автоматических и полуавтоматических систем. Вместе с тем целесообразно отдельно рассмотреть вы­ ходные устройства, представленные изделиями всех трех групп

вразличных классах САУ.

Всистемах контроля и в некоторых системах защиты функ­ ции связи с оператором выполняют изделия первой группы, а также некоторые виды изделий второй группы.

Вбольшинстве классов систем защиты, а также во всех си­ стемах регулирования функции использования информации в целях воздействия на процесс выполняют изделия третьей груп­ пы. В этих классах систем защиты и регулирования в качестве выходных устройств находят широкое применение также изде­ лия первой и второй групп. Однако функции, выполняемые вы­

ходными устройствами этих групп, носят в основном вспомога­ тельный характер.

По виду энергии носителя сигналов, применяемых для ис­ пользования информации в целях воздействия на процесс, вы­ ходные устройства подразделяют на электрические, пневматиче­ ские и гидравлические (табл. 8).

Т а б л и ц а 8

Приведенное выше деление схемы управляющего устройства на входную, логическую и выходную части является условным и чаще всего только функциональным, а не конструктивным. Вместе с тем при исследовании надежности часто требуется рас­ полагать оценками надежности каждого компонента как конст­ руктивно самостоятельного изделия. Так, например, вторичные приборы и регулирующие устройства, относимые по функцио­ нальному делению к логической части схемы, могут не только преобразовывать и хранить информацию, но и выдавать ее (на­ пример, оператору) с целью воздействия на процесс.

10

Многие из типов компонентов, условно относимых к входной части схемы, т. е. к датчикам, фактически выполняют функции не только получения, но и преобразования и хранения информа­ ции. Подобных примеров очень много. Вместе с тем существует ряд изделий, в которых функции различных частей системы вы­ полняются с помощью единого конструктивно оформленного уст­ ройства. Типичными представителями таких изделий, относимых авторами различных учебных и справочных пособий к первой либо к третьей группам, являются регуляторы прямого действия. Они находят применение в ряде ранее разработанных схем уп­ равляющих устройств, применяемых в сахарной, спиртовой, кон­ сервной, масло-жировой и других отраслях промышленности.

УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ

Под условиями эксплуатации принято подразумевать совокупность таких факторов, как временные режимы функцио­ нирования САУ, условия окружающей среды, способы техниче­ ского обслуживания и ремонта.

Режим использования САУ во времени, или временной ре­ жим функционирования, всецело определяется принятой в дан­ ном производстве или в данной отрасли технологией изготовле­ ния продукции. В соответствии с классификацией пищевых от­ раслей и производств [6] по времени работы в течение года раз­ личают предприятия сезонного и круглогодичного действия.. Предприятия сезонного действия заняты переработкой сезонно­ го сырья, т. е. работают лишь часть года. К ним относятся са­ харо-песочные, консервные и спиртовые заводы, а также овоще­ сушильные, крахмало-паточные предприятия, заводы первичного виноделия и др.

К предприятиям круглогодичного действия относятся хлебо­ заводы, макаронные, кондитерские и табачные фабрики, масложиркомбинаты и др.

В зависимости от характера работы в течение суток произ­ водства сезонного и круглогодичного действия могут быть от­ несены к непрерывным либо прерывным. На производствах не­ прерывного действия в течение суток любой, даже небольшой, перерыв в работе влечет за собой брак, увеличение потерь и ухудшение качества вырабатываемой продукции. К таким произ­ водствам относятся сахаро-песочное, хлебопекарное, масло-жи­ ровое, пивоваренное, крахмало-паточное, спиртовое, а также производство коньяков и шампанского в непрерывном потоке.

К производствам прерывного действия относятся такие, пе­ рерыв в работе которых не вызывает брака, увеличения потерь ■и ухудшения качества продукции. К таким производствам отно­ сятся кондитерское (кроме бисквитного), макаронное, пищеконцентратное, табачное, вторичное виноделие и др.

Таким образом, в наиболее легком режиме использования по

14

времени находятся САУ, функционирующие на производствах сезонного прерывного действия. В более напряженных условиях работают системы на предприятиях сезонного непрерывного действия. И, наконец, на предприятиях круглогодичного непре­ рывного действия САУ должны нормально функционировать практически в течение всего года (за исключением дней, отво­ димых на плановые ремонты).

Условия окружающей среды, воздействующей на САУ и ее элементы, так же как и режим использования во времени, опре­ деляются спецификой производства, на котором эксплуатируют САУ. Так, наряду с производствами, в помещениях которых ус­ ловия окружающей среды близки к так называемым нормаль­ ным \ существуют производства, в которых условия окружаю­ щей среды тяжелее нормальных. Тяжелые с точки зрения дей­ ствия окружающей среды условия эксплуатации имеются как на предприятиях сезонного, так и круглогодичного действия.

В табл. 9 знаком плюс показано наличие тех или иных ус­ ловий окружающей среды в помещениях некоторых отраслей и производств пищевой промышленности. Каждый из перечислен­ ных факторов оказывает отрицательное воздействие на надеж­ ность элементов САУ, т. е. приводит к снижению показателей надежности приборов и управляющих устройств, либо накла­ дывает ограничения на применение тех или иных элементов.

Т а б л и ц а 9

Условия окружающей среды в помещениях

Моральный и физический срок службы управляющих уст­ ройств САУ, как правило, значительно превышает продолжи­ тельность среднего времени нормального функционирования, т. е. продолжительность среднего времени между отказами управля­ ющего устройства. Следовательно, чтобы предприятие, эксплуа-

1 Под нормальными обычно подразумевают условия, при которых тем­ пература окружающей среды лежит в диапазоне 20±5° С, относительная влажность составляет 80±15% и барометрическое давление находится в пределах 760±25 мм рт. ст. (101,31 кПа).

15

тирующее данное управляющее устройство, и народное хозяйст­ во в целом получали прогнозируемый при разработке управляю­ щего устройства эффект в течение всегозаданного срока служ­ бы, должны быть обеспечены условия разумного расходования предусмотренной в управляющем устройстве надежности и ус­ ловия своевременного и качественного восстановления работо­ способного состояния отказавшего управляющего устройства.

Задачи текущего (повседневного) технического обслужива­ ния и восстановления работоспособного состояния отказавших управляющих устройств, как правило, возложены на службы КИПиА предприятий.

Г Л А В А 2

П О К А ЗА Т Е Л И Н А Д Е Ж Н О С Т И СИСТЕМ И С Р Е Д С Т В А В Т О М А Т И ЗА Ц И И

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

К основным, фундаментальным, понятиям теории на­ дежности относятся отказ и надежность. От того, как формули­ руются эти понятия, зависит изложение многих вопросов тео­ рии и практики надежности. К настоящему времени приведен­ ные понятия изложены как в ГОСТ 13377 — 67, так и в обшир­ ной литературе [7, 8 и др.]. Рассмотрим эти понятия, а также их составляющие применительно к задаче надежности средств и систем автоматизации технологических процессов пищевой промышленности.

В соответствии с ГОСТ 13377—67 о т к а з определяется как событие, заключающееся в нарушении работоспособности. При­ знаки (критерии) отказов рекомендуется оговаривать в техни­ ческой документации на изделия данного типа. Как видим, по­ нятие отказа полностью может быть раскрыто с использованием другого понятия — работоспособность. Работоспособность —это состояние изделия, при котором оно способно выполнять задан­ ные функции с параметрами, установленными требованиями тех­ нической документации. Под технической документацией пони­ маются стандарты, технические условия и другая нормативно­ техническая документация, а также технические задания на раз­ работку.

Любое изделие, в том числе средства и системы автоматиза­ ции, характеризуется рядом потребительских свойств. Совокуп-

16

ность свойств, обусловливающих способность изделия удовлет­ ворять определенные потребности в соответствии с назначени­ ем, определяет качество изделия. Показатели качества изделия, представляющие собой количественные характеристики свойств, входящих в состав качества и рассматриваемых применительно к определенным условиям создания и эксплуатации изделия, приводятся в технической документации на данное изделие. Применительно к средствам и системам автоматизации показа­ телями качества, или выходными параметрами изделий, являют­ ся, например, погрешность, выходная мощность, устойчивость к дестабилизирующим факторам (температура, влажность, вибра­ ции и т. п.), масса, габариты и т. п. Из всех выходных парамет­ ров обычно выделяют главные или определяющие, которые соб­ ственно и характеризуют эффективность (техническую или эко­ номическую) применения данного изделия. Для измерительных приборов, например, определяющим параметром является, как правило, погрешность измерения. По значению или изменению значений определяющих параметров определяется работоспособ­ ность изделия. В качестве критериев отказа обычно назначают выход определяющих параметров за установленные для них в технической документации допустимые отклонения (допуски) при определенных, также оговоренных, режимах и условиях экс­ плуатации.

Указанные условия, связанные с назначением критериев отказа, весьма существенны, так как изменение поля до­ пусков либо условий эксплуатации (например, допустимого диа­ пазона температурных воздействий) существенно изменяют чис­ ловые значения показателей надежности. Отсюда ясно, что чет­ кость определения в технической документации критериев отка­ за имеет первостепенное значение.

В соответствии с ГОСТами н а д е ж н о с т ь определяется как свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Если сопоставить определение надежности с приведенными ранее определениями качества, то будет видно, что надежность —это одно из свойств качества из­ делия, определяющее степень сохранения во времени остальных или основных свойств качества. Если учесть, что при оценке на­ дежности рассматриваются все этапы существования изделия, начиная с момента времени tf=0, то ясно, что надежность явля­ ется основной составляющей качества.

Понятие надежности изделий в том виде, в каком оно опре­ деляется ГОСТ 13377—67, является качественным объективно существующим свойством изделий. Количественно надежность как качественное понятие непосредственно не может быть оце­ нена. Количественно оцениваются характеристики, составляю­ щие надежность.

В этом ГОСТе указано, что надежно

2—308

ется его безотказностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью^

а также долговечностью его частей.

Долговечность определяет время наступления технического износа с учетом того, что будут выполняться все необходимые работы по обслуживанию. Если приборы и средства автомати­ зации технологических процессов применены и обслуживаются в соответствии с инструкциями, то, как правило, моральный из­ нос этих изделий наступает раньше, чем технический [9]. Поэто­ му показатели долговечности средств автоматизации, за исклю­ чением отдельных случаев, в дальнейшем рассматриваться не будут. Необходимые сведения по показателям долговечности приведены в литературе [37].

Сохраняемость есть свойство изделия сохранять обусловлен­ ные эксплуатационные показатели в течение срока хранения и транспортировки, установленного в технической документации. Длительное время этому свойству изделий не уделялось доста­ точного внимания, кроме разве аппаратуры специального назна­ чения. В последнее время в связи с применением блочных и модульных принципов конструирования, в связи с вниманием, уделяемым наличию запасных частей, сохраняемость становится важной характеристикой изделий.

Известны случаи, когда новые изделия в процессе транспор­ тировки в значительной мере приходили в негодность и возни­ кала необходимость в их капитальном ремонте. ГОСТ 12997—67 предусмотрено проведение специальных испытаний промышлен­ ных приборов и средств автоматизации в упаковке на устойчи­ вость к воздействиям при транспортировке. Однако в настоящее время применительно к средствам промышленной автоматики неизвестны инженерные методики определения показателей со­ храняемости в условиях промышленной эксплуатации. Неизвест­ ны количественные значения показателей сохраняемости прибо­ ров и средств автоматизации, применяемых при автоматизации технологических процессов пищевой промышленности. Поэтому в дальнейшем показатели сохраняемости рассматриваться не будут.

Наиболее важной и распространенной составляющей надеж­ ности является безотказность, представляющая собой свойство изделия сохранять работоспособность в течение некоторого вре­ мени (или наработки). Иными словами, безотказность опреде­ ляет, как часто происходят отказы изделия. Какой бы высокой безотказностью ни обладало изделие, оно все равно когда-то отказывает. Особенно это касается приборов и средств авто­ матизации, состоящих из большого числа электронных, механи­ ческих и других элементов. Кроме того, большинство средств и систем автоматизации требует проведения различного рода про­ филактических мероприятий или так называемых регламентных, работ. Остановка непрерывно работающей системы автомати­ зации вследствие отказа либо в связи с профилактикой означает

18

вынужденный простой либо средств автоматизации (технология переводится на ручное управление), либо также и объекта, т. е. управляемого технологического процесса (оборудования) со всеми вытекающими экономическими последствиями. Насколько изделие приспособлено к тому, чтобы такого рода простои были минимальными, и определяется ремонтопригодностью.

Ремонтопригодность есть свойство изделия, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, обнаружению и уст­ ранению отказов и неисправностей путем проведения техниче­ ского обслуживания и ремонтов. Примером обеспечения высокой ремонтопригодности является блочный или модульный прин­ цип конструирования, когда при отказе элемента в модуле или блоке быстро сменяется на запасной весь блок, а неисправный блок затем ремонтируется и становится запасным.

Ремонтопригодность совместно с безотказностью определяет эффективность действия (работы) изделия. Если изделие обла­ дает высокой безотказностью, т. е. редко отказывает, но требует больших затрат времени на профилактику и восстановление, то оно не всегда может конкурировать с изделием, которое чаще отказывает, но зато время его простоя при отказе в данных условиях эксплуатации очень мало. Причем в ряде случаев бывает проще и дешевле обеспечить высокую ремонтопригод­ ность при более низкой безотказности с тем, чтобы получить необходимую надежность. Это соображение, как правило, не относится к системам автоматизации, отказы которых ведут к тяжелым последствиям (например, системы автоматической за­ щиты), и к системам, работающим при низком уровне обслу­ живания.

Надежность и ее составляющие как свойства изделий про­ являются в процессе эксплуатации и количественно оценива­ ются одним или несколькими показателями. Под показателями мы будем понимать такие эксплуатационные численно измеряе­ мые характеристики изделия, которые применительно к опре­ деленным режимам и условиям эксплуатации количественно характеризуют соответствующие составляющие надежности: без­ отказность и ремонтопригодность.

Для показателей надежности в соответствии с ГОСТ 15467—70 различают: наименование показателя; формулировку показателя, содержащую указания о способе экспериментально­ го’ или расчетного определения его величины; числовые значения показателя.

Теория надежности изучает закономерности возникновения отказов и восстановления изделий после отказов, занимается такими отказами, время возникновения которых заранее точно неизвестно, т. е. случайно возникающими отказами. В большин­ стве случаев время отказа и время восстановления изделий после него является функцией большого числа факторов (изме­ нения характеристик материала и нагрузок, воздействия клима­