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

тических факторов, квалификация обслуживающего персонала л т. п.), случайным образом взаимодействующих. Поэтому вре­ мя отказа и восстановления средств и систем автоматизации носит случайный характер, а процесс эксплуатации этих изде­ лий можно рассматривать как случайный процесс. Вследствие 'такого рассмотрения показатели надежности имеют статистиче­ ский или вероятностный характер. Причем вероятностный под­ ход оказывается необходим, как правило, при теоретическом анализе надежности, при априорном определении показателей, а статистический — при определении из опыта, эксперименталь­ но оценок (подходящих значений) показателей надежности. В дальнейшем при изложении указанных вопросов будут исполь­ зоваться понятия, термины и методы, включая математический аппарат, теории вероятностей и математической статистики, из­ ложенные в общедоступных источниках [10—14].

ОБЩИЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

Показатели надежности, которые согласно ГОСТ 13377—67 рассматриваются применительно к определенным ре­ жимам и условиям эксплуатации, обычно определяются отдель­ но для ремонтируемых и неремонтируемых изделий. Перемон­ тируемые изделия подлежат замене после первого отказа. У них первый отказ является одновременно и последним. Ремонтируе­ мые изделия могут иметь и более чем один отказ. Примерами неремонтируемых изделий являются радио- и электролампы, резисторы, герметизированные модули логических элементов и т. п. К неремонтируемым часто относят изделия, конструкция которых допускает проведение ремонта, но в данных условиях эксплуатации это либо технически невозможно, либо экономиче­ ски невыгодно, например: обмотка реле или трансформатора, электродвигатель, элемент УСЭППА. Большинство приборов и средств автоматизации, а также их узлов является ремонтируе­ мыми изделиями.

Наиболее часто используемыми показателями безотказности неремонтируемых изделий являются средняя наработка на от­ каз, вероятность безотказной работы, интенсивность отказов.

Такие технические характеристики изделий, как коэффици­ ент усиления, к.п.д., мощность на выходе, для конкретных эк­ земпляров изделий по сути также являются случайными вели­ чинами и в технической документации обычно приводятся либо средние, либо предельно допустимые для данного типономинала их значения.

Однако в повседневной практике при проведении расчетов эти характеристики, как правило, используются в качестве де­ терминированных (неслучайных) величин. Переход от исполь­ зования детерминированных технических характеристик изде-

20

лий к вероятностным или статистическим представляет извест­ ную психологическую трудность. Поэтому на простом примере попытаемся пояснить сущность показателей безотказности. Ис­ ходя из существа формулировки безотказности, наиболее подхо­ дящим показателем было бы время, в течение которого данное изделие (например, радиолампа) будет выполнять свои функ­ ции без отказов. Но для этого нужно знать точное время воз­ никновения отказа. А мы установили, что время возникновения отказа есть случайная величина, т. е. его значение заранее не­ известно. Как же быть? Статистика, да и наш практический опыт, показывают, что длительность безотказной работы, на­ пример, радиолампы одного и того же типа в одних и тех же схемах разная, но если взять большое количество таких ламп и определить среднюю длительность их работы, то будет видно, что большинство случайных значений сроков службы отдельных ламп группируется вокруг среднего значения. Таким образом, зная среднее значение длительности безотказной работы радио­ ламп данного типа и характеристику разброса остальных зна­ чений вокруг среднего, можно с определенной погрешностью (точностью) предсказать область значений сроков службы, в которой с определенной достоверностью находится срок службы конкретной радиолампы.

Средняя наработка до отказа неремонтируемого изделия как раз и есть среднее значение наработки изделий в партии до' отказа и обозначается Гср. Для опытного определения Гер про­ водится наблюдение за испытаниями или эксплуатацией п из­ делий в заданных условиях. При этом определяются наработки изделий до отказа:

Приближенная формула (оценка величины Гср)

(2>

г = 1

Точная формула

со

О

где /(т) — плотность вероятности распределения случайной величины т.

Для экспоненциального распределения времени между от­ казами, наиболее часто используемого в практических расчетах надежности,

где а — постоянная величина (параметр распределения).

2t

и т. п.) или другим показателем наработки (числом циклов ра­ боты, километров и т. п.).

В соответствии с ГОСТ 13377—67 вероятность безотказной работы P(t) означает вероятность того, что в заданном интер­ вале времени или в пределах заданной наработки не возникнет отказ изделий. Если, например, для определенного типа радио­ лампы Р(ЮОО) =0,9, это приближенно означает, что если взять большое количество радиоламп, работающих, в одинаковых ус­ ловиях, то примерно 90% из них проработает без отказа не менее 1000 ч. Причем, чем большее количество радиоламп мы возьмем, тем эта величина ближе к 90% (или 0,9).

t

В случае экспоненциального распределения

( 8)

График зависимости P(t) часто называют кривой убыли. Величиной, дополнительной к P(t), является вероятность от­ каза Q(t) — вероятность того, что в пределах заданного време­ ни или наработки отказ возникает.

Интенсивность отказов — вероятность отказа перемонтируе­ мого изделия в единицу времени после данного момента време­ ни при условии, что отказ до этого момента не возник, обозна­ чается X(t), размерность — 1/ч или 1/цикл.

Приближенная формула для опытного определения оценки

X(t):

где М: — некоторый достаточно малый промежуток времени.

Интенсивность отказов можно физически интерпретировать как мгновенную частоту отказов в момент времени t.

22

плуатации изображена на рис. 1. Такая зависимость характерна

распределения величины наработки до момента отказа спра­

Рис. 2. Характер (последовательность) работы ремонтируемых изде­ лий. Обозначения:

to— момент включения изделия в работу; бот> Чаг< Ifto-r — моменты отказов изделия; бв> Ов’ tЛ’в— моменты восстановления изделия после отказа; —

момент выключения изделия на профилактику; Цкл- - момент включения из­ делия после профилактики.

Показателями безотказности ремонтируемых изделий явля­ ются в основном наработка на отказ, параметр потока отказов, вероятность безотказной работы.

Наработка на отказ Т представляет собой среднее значение наработки ремонтируемого изделия между отказами и имеет размерность наработки (часы, циклы и г. п.).

Параметр потока отказов ш(() — среднее количество отказов ремонтируемого изделия в единицу времени, взятое для рас-

23

сматриваемого момента времени, имеет размерность, обратную размерности наработки.

Для опытного определения показателей надежности ремон­ тируемых изделий проводят наблюдения за испытаниями или эксплуатацией изделий в заданных условиях. При этом опре­ деляют количество rrii(t) отказов каждого /-го из этих изделий до требуемой наработки t.

Среднее число отказов до наработки t

Если для изделия соблюдается зависимость типа изображен­ ной на рис. 1, то после наработки Д, т. е. после окончания пе­ риода приработки, функция Н (t) становится линейной и до наработки tu приобретает такой вид:

где a (t) = м = const.

Статистически для периода от наработки t\ до наработки /г Т определяется следующим образом:

При определении величины t=t%—1\ в единицах времени не учитывается время простоя изделия (плановые выключения, ремонт после отказа и т. п.).

Точная формула

Точная ф орм ула

Как указывалось, при справедливости выражения (15)

Вероятность безотказной работы ремонтируемых изделий определяется так же, как и для перемонтируемых.

Точное выражение для определения P(t)

При справедливости выражения (15)

В технической документации на средства и системы автома­ тизации технологических процессов пищевой промышленности наиболее часто используемым показателем ремонтопригодности является среднее время восстановления. Этот показатель обо­ значает среднее время вынужденного нерегламентированного простоя, вызванного восстановлением работоспособности изде­ лия после отказа; обозначается Тв, имеет размерность — время (обычно часы).

Если на восстановление работоспособности после каждого из отказов было затрачено время t\, t2, ..., tm, то среднее время восстановления

(25>

i=i

Определения и некоторые пояснения к другим показателям ремонтопригодности приведены в ГОСТ 16503—70.

Кроме показателей, характеризующих каждую из составля­ ющих надежности в отдельности, получили распространение комплексные показатели, которые характеризуют изделия не­ сколько шире. Рассмотрим два таких показателя, применяемых в технической документации по автоматизации пищевой про­ мышленности.

25

Коэффициент готовности Кг (безразмерная величина), обозна­ чающий вероятность того, что изделие будет работоспособно в произвольно выбранный момент времени в промежутках между выполнением планового технического обслуживания.

В установившемся режиме эксплуатации (стационарный ре­ жим), когда эксплуатация состоит в чередовании периодов ра­ боты и периодов ремонта после отказов (плановые ремонты не учитываются), коэффициент готовности

где Т и Гв находятся по уравнениям (16) и (25).

Коэффициент технического использования Кт — отношение наработки изделия в единицах времени за некоторый период эксплуатации к сумме этой наработки и времени всех простоев, вызванных техническим обслуживанием и ремонтами за этот же период эксплуатации.

Если в течение рассматриваемого промежутка времени сум­ марная наработка составляет tcум, а суммарные простои на ремонт и техническое обслуживание составляют соответственно tpeu и /обсл, то коэффициент технического использования

Кум

Кт характеризует ту долю времени в общем времени экс­ плуатации изделия, в течение которого изделие полезно функ­ ционировало. Ki представляет собой общую характеристику как качества самого изделия, так и качества его эксплуатации.

УЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАНИЙ

Если рассматривать все стадии разработки, изготов­ ления и эксплуатации («жизни») изделия, то первым техниче­ ским документом (или одним из первых) является техническое задание на проектирование. В нем формулируются все основные технические требования к изделию, в том числе и к его надеж­ ности.

Разработка задания в методическом отношении являет­ ся наиболее важным этапом проектирования (разработки). Ха­ рактеристики, изложенные в нем, на всех дальнейших стадиях «жизни» изделия служат основными критериями, позволяющи­ ми оценить качество разработки. Выбор тех или иных показа­ телей надежности конкретных изделий, определение количест­ венных значений этих показателей, формулировка критериев от­ каза тесно связаны с остальными техническими характеристи­

26

нами изделия, с его целевым назначением. Все это должно найти отражение в техническом задании. Задание на разра­ ботку системы (средства) автоматизации является, как правило, результатом значительного объема работ. Поэтому дальнейшее изложение вопросов, связанных с выбором показателей надеж­ ности для отдельных типов (классов) средств и систем автома­ тизации пищевой промышленности, проводится применительно к учету характеристик надежности на этапе разработки техни­ ческого задания.

Как показывает опыт, по вопросам надежности в задании должны быть сформулированы показатели надежности, четко указаны признаки (критерии) отказов, необходимая достовер­ ность подтверждения заданных показателей надежности, все сведения, характеризующие условия работы средств автомати­ зации.

В нем должны быть использованы только такие показатели надежности, относительно которых могут быть указаны инже­ нерные методики их определения, а также качественные требо­ вания (рекомендации) по вопросам надежности. Формулировки такого рода требований должны быть четкими, не допускающи­ ми многозначных толкований.

Поскольку формулировки и методика обоснования требова­ ний по надежности зависят от характера технического устройст­ ва, сначала излагаются вопросы, касающиеся требований по надежности и связанных с ними критериев отказов для различ­ ных типов систем и средств автоматизации, затем — более об­ щие вопросы, связанные с необходимой достоверностью под­ тверждения заданных показателей надежности и условий экс­ плуатации.

Требования по надежности, включенные в задание, должны определяться для каждого конкретного случая после проведения тщательного технического и экономического анализа, путем установления технических и экономических связей надежности проектируемой системы с эффективностью решения конечной задачи, путем анализа возможных условий эксплуатации и тех потерь, (ущербов), которые могут принести ненадежность дайной системе, т. е. потерь (ущербов) от отказов.

На основании обобщения известных литературных данных [16, 17] системы автоматического управления по выполняемым ими функциям можно примерно разделить на три основных класса: системы автоматического регулирования (САР); систе­ мы автоматической защиты (САЗ); системы автоматического контроля и сигнализации (САК).

Наибольший вес имеют системы автоматического регулиро­ вания, которые в свою очередь делятся на системы автомати­ ческой стабилизации, системы программного регулирования и следящие системы.

27

Поскольку требования по надежности зависят от поставлен­ ной задачи, целесообразно рассмотреть методику установления требований по надежности для каждого из основных классов САУ в отдельности.

ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ (САР)

В соответствии с ГОСТ 13377—67 под надежностью САР технологического процесса следует понимать свойство си­ стемы поддерживать регулируемый параметр в пределах допу­ скаемых отклонений. Всякое изменение в работе системы по любой причине, влекущее за собой невыполнение заданных функций с параметрами, установленными требованиями техни­ ческой документации, следует понимать как отказ. При этом надежность САР характеризует сохранение во времени опре­ деленного качества — заданной точности системы [18]. При обосновании допускаемых отклонений (допусков) регулируемых параметров САР основным критерием является ущерб от пре­ вышения этих допусков. Этот же критерий, исходя из понятия отказа САР, должен использоваться при обосновании требова­ ний по надежности.

Обоснованность сформулированных в техническом задании требований по надежности в основном, при прочих равных усло­ виях, определяется обоснованностью допускаемых отклонений (допусков) регулируемых параметров систем автоматического регулирования.

В настоящее время очень редко проводится научное обосно­ вание задаваемых допусков. Вопрос этот обычно решается ин­ туитивно на основании «личного опыта» или других, достаточ­ но субъективных данных, поскольку отсутствуют работы, регла­ ментирующие хотя бы общую научно обоснованную методику решения данного вопроса в пищевой и смежных отраслях про­ мышленности. С целью создания определенной базы для обос­ нования требований по надежности, а также проверки их вы­ полнения в процессе эксплуатации САР была сделана попытка: на основании обобщения имеющегося опыта приблизиться к ре­ шению вопроса об обосновании допускаемых отклонений САР. Ниже излагаются основные результаты этой работы [19, 20].. В дальнейшем под САР имеются в виду в основном системы автоматической стабилизации технологических параметров, со­ ставляющие около 80% от числа систем регулирования, нахо­ дящихся в эксплуатации.

Формы и методы задания допускаемых отклонений регулируемых технологических параметров

В первую очередь необходимо определить форму (вид) за­ дания допусков. Как показывает опыт, виды задания допускае­ мых отклонений САР зависят от технологических и экономиче-

28

ских требований и могут быть разбиты для объектов пищевой промышленности на три наиболее типичные группы.

К первой группе относятся технологические параметры, для которых превышение заданных отклонений недопустимо при лю­ бых режимах работы. Такие требования предъявляются, на­ пример, при автоматической стабилизации уровня томатопродуктов в вакуум-выпарной установке с встроенной поверхно­ стью нагрева. Оптимальные режимы работы установки достига­ ются при небольших значениях уровня. Однако даже кратковре­ менное снижение уровня ниже допустимого может вызвать пригорание продукта.

Аналогичное положение при автоматизации брагоректифи­ кационных аппаратов. Оптимальный режим работы колонн до­ стигается на грани срыва нормального хода процесса («захле­ бывания»). При работе в этом режиме превышение регулируе­ мых параметров может быть очень кратковременным. Для этой группы определяющими будут, очевидно, максимально допусти­ мые кратковременные (не более определенного времени) откло­ нения значений регулируемой величины (назовем ее «динами­ ческий допуск»). Допуски на отклонение среднего значения регулируемого параметра в этом случае могут не определяться.

Ко второй группе относятся технологические параметры, для которых важны суммарные (интегральные) либо средние зна­ чения, а кратковременно допустимы любые значения, не пре­ вышающие аварийных. К таким параметрам можно отнести температуру стерилизации консервов при стерилизации по ме­ тоду стерилизующего эффекта, крепость спирта, отбираемого из аппарата в большие емкости, где происходит усреднение кре­ пости, и т. п. В этом случае должны определяться только допу­ ски на средние значения регулируемых параметров («статиче­ ский допуск»),

К третьей группе следует отнести параметры, для которых должны определяться как динамические, так и статические до­ пуски.

Форма задания допусков тесно связана с видом используе­ мых показателей качества функционирования САР. Для систем, в которых возмущения возникают сравнительно редко или в ко­ торых включения, выключения, переключения — это основной режим их работы (например, системы программного управления с небольшими выдержками времени), качество регулирования может быть определено по переходному процессу, являющему­ ся реакцией системы на типовое воздействие. При этом обычно используются детерминированный подход к анализу качества САР и соответствующие показатели качества САР при единич­ ном ступенчатом возмущении: время переходного процесса, мак­ симальное динамическое отклонение, перерегулирование и т. п. Для таких систем форма задания допусков должна, очевидно, представлять собой ограничения, накладываемые на указанные

29