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

Такой подход к оценке показателей надежности САР техноло­ гических процессов, для которых справедливы принятые допуще­ ния (линейность, стационарность), позволяет оценить надеж­ ность САР в целом, учесть функциональные связи и динамиче­ ские характеристики системы. Относительно легко могут быть оценены показатели безотказности САР во время эксплуатации. Всесоюзный проектно-конструкторский и научно-исследователь­ ский институт «Пищепромавтоматика» руководствуется методи­ кой, базирующейся на данном подходе.

Для САР второй группы основной трудностью является на­ хождение функции распределения параметра на выходе системы, так как до сих пор не найдено приемлемого решения.

Для систем, работающих в стационарном автоколебательном режиме, решение задачи удается получить за счет перехода от рассмотрения регулируемого параметра к рассмотрению значе­ ний амплитуд колебаний, изменения которых приближенно мо­ гут быть описаны нормальной стационарной случайной функ­ цией. Проводя дополнительную обработку экспериментальных данных и некоторые промежуточные вычисления, для получения при этом оценок Рдин(/) и Рстат(0 можно использовать приве­ денные выше соотношения.

При проектировании САР целесообразно рассчитывать от­ дельно ДтптП) и РСтат(t) I так как требуемые значения этих по­ казателей в большинстве случаев должны быть различными из-за различных технико-экономических последствий (ущербов) от отказов соответствующего типа. В частности, если в схеме САР предусмотрена защита от аварийных ситуаций, то следует предполагать, что в большинстве случаев последствия динамиче­ ского отказа существенно меньше статического, что и нужно учи­ тывать при проектировании.

Таким образом, для оценки САР технологическими процесса­ ми следует использовать две группы показателей надежности: общие показатели надежности (ОПН), характеризующие аппа­ ратную надежность САР, и специальные показатели безотказ­ ности САР (СПБ), характеризующие функциональную надеж­ ность САР. В качестве ОПН используются наработка на отказ. Т или параметр потока отказов со и среднее время восстановле­ ния Тв. В качестве СПБ САР используется параметр потока соответствующего типа отказов (статического — соСТат или ди­ намического — Юдин) или вероятность отсутствия указанных ти­ пов отказов.

ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ (САЗ)

Программа правильной работы устройства автомати­ ческой защиты в САУ пищевой промышленностью практически не отличается от программы нормального функционирования устройства релейной защиты энергетических систем, (см. [85]):

40

текущее значение контролируемого защищаемого параметра сравнивается с наперед заданной величиной, называемой устав­ кой. Когда отклонение контролируемого параметра достигает значения уставки, устройство автоматической защиты выдает команду на отключение энергоснабжения защищаемого объекта либо на закрытие регулирующего или запорного органа. В ряде случаев действие устройств автоматической защиты сводится лишь к подаче предупредительного сигнала (звукового либо све­ тового) о приближении текущего значения контролируемого па­ раметра к своему граничному или аварийному значению [30— 32].

Нарушения программы правильной работы устройств автома­ тической защиты аналогичны нарушениям нормального функцио­ нирования устройств релейной защиты: отказы тех и других про­ являются в виде излишних (ложных) срабатываний либо в не­ срабатываниях. Другими словами, параметр потока отказов со устройств автоматической защиты может быть представлен в виде

где cooi — параметр потока ложных срабатываний;

сою — параметр потока отказов (или несрабатываний), обнаруживаемых лишь при возникновении аварийной ситуации.

Общность в назначении, алгоритмах правильного функциони­ рования и в видах отказов устройств автоматической и релейной защиты дает формальное основание при исследовании надежно­ сти устройств автоматической защиты применять показатели и методы, используемые при исследовании надежности устройств релейной защиты (см. [86]). Однако существует ряд специфиче­ ских моментов, которые необходимо учитывать при оценке на­ дежности устройств автоматической защиты с помощью показа­ телей надежности устройств релейной защиты. Качество функ­ ционирования устройства автоматической защиты прежде всего целесообразно рассматривать применительно к каждому отдель­ ному каналу автоматической защиты. Целесообразность ограни­ чения оценки устройств автоматической защиты уровнем отдель­ ного канала может быть обоснована следующими соображе­

ниями:

1. Подавляющее большинство устройств автоматической за­ щиты, входящих в состав САУ пищевой промышленности, пред­ ставляет собой многоканальные устройства. При этом в много­ канальных устройствах автоматической защиты принципиально и практически можно выделить параметр, который раньше дру­ гих защищаемых параметров достигает уровня недопустимых от­ клонений. В случае отказа канала защиты такого параметра эф­ фективность остальных каналов устройств автоматической защи­

ты может оказаться ничтожной.

2. Согласно ГОСТ 13216—67 показатели надежности многока­ нальных устройств должны приводиться раздельно по каждому

41

каналу. Кроме того, при оперировании оценками параметра по­ тока отказов и оценками его слагаемых предполагается, что пра­ вильное срабатывание устройств релейной защиты происходит при отклонениях контролируемого параметра, достигающих ве­ личины уставки. Практически в силу действия большого числа дестабилизирующих факторов правильное срабатывание защиты происходит в определенной зоне, внутри которой должно нахо­ диться расчетное значение уставки. Допустимая зона срабатыва­ ния защиты должна назначаться при разработке канала защи­ ты. Точность срабатывания защиты (относительно требуемой ве­ личины уставки) может быть оценена, например, дисперсией ли­ бо средним квадратическим отклонением срабатывания о.

Несмотря на важность выполняемых функций и большую распространенность устройств автоматической защиты в САУ пищевыми производствами (более 40% типов САУ имеют в своем составе устройства автоматической защиты) практиче­ ски отсутствует единый подход не только к обоснованию допу­ стимых отклонений срабатывания защиты, но и к обоснованию уставок. В результате изучения технической документации устройств автоматической защиты, разработанных для САУ пи­ щевыми производствами было выяснено, что при выборе устав­ ки исходят из следующего:

из информации о недопустимом отклонении контролируемого параметра, содержащейся в стандарте либо в технологической инструкции;

из сведений, которые разработчик получает из различных ли­ тературных источников либо в результате специально организо­ ванных на объекте исследований;

из опыта и интуиции разработчика. Например, известны уст­ ройства автоматической защиты, в Технической документации которых дается лишь ссылка на то, что уставка подбирается при наладке устройств автоматической защиты в эксплуатационных условиях.

Практика работ по автоматизации пищевых производств сви­ детельствует о том, что последний подход к выбору уставки яв­ ляется наиболее распространенным при назначении уставки ка­ нала автоматической защиты в САУ пищевой промышленностью.

Если выбор уставки данного канала автоматической защиты может быть обоснован одним из перечисленных подходов, то до­ пустимые отклонения срабатывания защиты не только не обос­ новываются, но во многих случаях даже не указываются. Такой подход может быть принят в случаях, когда аварийная ситуация чревата катастрофическими последствиями (гибелью или трав­

столько мал (по сравнению с ущербом от отказов типа «несраба­ тывание»— #ю), что им можно пренебречь. При автоматизации технологических процессов различных производств пищевой про-

42

мышленности весьма часто Я01 да Я )0 (особенно при отказах ка­ налов защиты различных транспортных систем, сушилок и др.).

С учетом изложенного была предпринята попытка формали­ зовать выбор уставки и допустимых отклонений срабатывания канала защиты. С этой целью был подробно рассмотрен «меха­ низм» возникновения ложных срабатываний защиты [30, 32].

Исходными предпосылками при этом были следующие:

1. Действительный процесс изменения контролируемого пара­ метра во времени является случайным, близким к стационарно­ му. В литературе указано, что для большинства промышленных объектов при небольших отклонениях от установившихся режи­ мов случайный процесс на выходе системы управления имеет за­ кон распределения, близкий к нормальному [22, 23]. Это позво­ ляет считать, что в условиях нормальной эксплуатации отклоне­ ния контролируемой величины с вероятностью оц = 0,9973 могут быть ограничены диапазоном 6сгр (где ар — среднее квадратиче­ ское отклонение контролируемого параметра от номинального значения N).

2.Наступление аварийной ситуации по данному параметру наиболее вероятно в том случае, когда отклонения этого пара­ метра от заданного (номинального) значения N превышают уро­ вень «трехсигмовых» границ.

3.Уставка защиты характеризуется выбранным номинальным значением U и погрешностью Д3. Действительный диапазон сра­ батывания защиты с вероятностью аг = 0,9973 занимает полосу 6а3 (где (73 — среднее квадратическое отклонение срабатывания

.защиты от заданного значения LJ).

Рис. 4. Взаимное расположение нормальных кривых распределения зна­ чений контролируемого параметра q>i, уставки фг и уровней аварийной ситуации ф3 и ф'3.

43

Учитывая принятые допущения, рассмотрим следующую си­ туацию. Допустим, что параметр п согласно техническому зада­ нию на разработку устройств автоматической защиты должен поддерживаться на уровне N с допустимыми отклонениями до значений NB и Ун (где NB и NH— соответственно верхняя и ниж­ няя допустимые границы отклонений регулируемой величины). Обозначим Др(- >= N — Nn и Др<+) = NB—N.

Рассмотрим вариант автоматической защиты в случае, когда аварийная ситуация А (рис. 4) возникает при отклонениях, пре­ вышающих уровень NB. При этом допуск на управление парамет-

U — (—Зсг3) может оказаться наложенной на диапазон допусти­ мых отклонений Ар(+).

Следовательно, если ложные срабатывания защиты нежела­ тельны или опасны (с точки зрения потерь от отказов), как и от­

С другой стороны, независимо от того, допустимы или недо­ пустимы ложные срабатывания, уставка устройства автоматиче­ ской защиты должна выбираться такой, чтобы имело место неравенство

Итак, наиболее общий случай взаимного расположения уставки, уровня аварийной ситуации и номинального значения, контролируемой величины может быть описан выражением -

В левой части рис. 4 изображены нормальные кривые распре­ деления значений контролируемого параметра cpi, уставки ф2- и уровней аварийной ситуации ф3 и q/3. Анализируя взаимное расположение кривых <р2, фз и ф'3, можно сделать практический вывод: для повышения эффективности функционирования устройства автоматической защиты необходимо в качестве уров­ ня аварийной ситуации принимать значение, соответствующее нижней трехсигмовой границе возможных проявлений аварийной ситуации. С учетом этого величина А в выражениях (39) и (40) представляет собой значение

* Если аварийная ситуация возникает при отклонениях параметра, ле­ жащих по абсолютной величине ниже уровня NB, то выражение (38) при;- нимает вид U ^ . N — 3(ар + о3).

44

Формально выражения (38) и (40) рассмотрены для случая защиты объекта по управляемому (регулируемому) параметру. В практике автоматизации процессов и аппаратов пищевых про­ изводств применяются устройства автоматической защиты и не­ регулируемых параметров, т. е. при ситуациях, когда формально не заданы значения N, iVH и NBзащищаемого параметра. Для указанных случаев аналитическая форма записи условия выбора уставки (40) принимает несколько иной вид:

где Rв — наибольшая случайная величина контролируемого параметра в диа­ пазоне правильного (нормального) функционирования объекта за­ щиты.

По существу, выше рассмотрен «механизм» возникновения отказов (ложное срабатывание), вызванных лишь наложением поля допустимого отклонения срабатывания защиты на поле до­ пустимого отклонения регулируемой величины. Формально тако­ го рода ложные срабатывания следует относить к отказам. Фак­ тически устройство автоматической защиты в таком случае нор­ мально функционирует, так как если контролируемый параметр находится в зоне допустимых отклонений срабатывания защиты, то защита должна сработать.

Однако, помимо такого рода ложных срабатываний, вполне естественно возникновение ложных срабатываний вследствие от­ казов элементов канала автоматической защиты. Параметр по­ тока ложных срабатываний woi может быть представлен в сле­

При выборе взаимного расположения уставки, аварийного и допустимых значений контролируемого параметра целесообразно учитывать класс, к которому принадлежит данный канал автома­ тической защиты. Классификация, разработанная для целей нор­ мирования показателей надежности канала автоматической за­ щиты [32, 56], учитывает целевое назначение канала автомати-

45

ческой защиты, характер контролируемого (защищаемого) пара­ метра, вид выходного воздействия защиты.

При выборе уставки канала автоматической защиты целесо­ образно рассматривать еще один фактор — группу допусков контролируемого параметра [31].

Выше указывалось, что виды задания допустимых отклонений контролируемых параметров могут быть разбиты для объектов пищевой промышленности на пять наиболее типичных групп. В таком случае классификация каналов автоматической защиты имеет вид, приведенный на рис. 5. На рисунке показана также схема образования шифра канала автоматической защиты*. Первая (слева) цифра шифра содержит информацию о целевом назначении канала автоматической защиты; вторая — о контро­ лируемой величине; третья — о группе допустимых отклонений контролируемого параметра и четвертая — о виде воздействия защиты.

Выход контролируемого параметра, отнесенного к любой из перечисленных на рис. 5 групп, за допустимые пределы означает отказ управления. Если отказ чреват аварийными последствия­ ми, уставка канала должна совпадать с допустимым значе­ нием контролируемого параметра. Однако в большинстве слу­ чаев выход контролируемого параметра за допуск еще не озна­ чает наступление аварийной ситуации. В таких случаях аналити­ ческие выражения условия выбора уставки канала автоматиче­ ской защиты различных классов можно принимать, руковод­ ствуясь табл. 10.

Приведенные в табл. 10 правила выбора уставок канала ав­ томатической защиты конкретных классов обоснованы сле­ дующим.

Потери Я, вызываемые отказами канала автоматической за­ щиты, могут быть представлены в виде суммы двух состав­ ляющих:

П = Ящ -f Яс1.

Целесообразно различать случаи:

я) Я10 » Я01;

б) Я10~ Пп.

Случай «а» может возникнуть, когда канал автоматической защиты призван обеспечить защиту персонала и оборудования в аварийных ситуациях.

Случай «б» может возникнуть при защите процессов (аппара­ тов) от недопустимых режимов функционирования.

Следовательно, эффективность канала автоматической защи-

1 На рис. 5 классификационные признаки (первый, второй и четвертый), учитываемые при нормировании надежности канала_ автоматической защиты, обведены двойной рамкой.

47'

полнительной энергии, сырья и т. п.) на возобновление нормаль­ ного хода процесса и др.

Пример оценки величины RB, входящей в уравнение (42), приведен в литературе [29]. Оценка среднего квадратического отклонения уровня аварийной ситуации аА в первом приближе­ нии может быть получена в результате анализа разброса дина­ мических характеристик защищаемого объекта.

Выше был рассмотрен один из единичных показателей на­ дежности устройств автоматической защиты — параметр потока отказов и его слагаемые. В число единичных входит также и та­ кой показатель, как вероятность безотказной работы устройств автоматической защиты P{t). Среди комплексных показателей надежности для оценки качества функционирования устройств автоматической защиты чаще всего применяют коэффициент опе­ ративной готовности Ко. г. характеризующий безотказность и ре­ монтопригодность канала защиты,

К о. г = Я (О К г ,

где /Сг — коэффициент готовности канала защиты.

п о к а з а т е л и н а д е ж н о с т и систем ав т о м а т и ч е с к о го

КОНТРОЛЯ И СИГНАЛИЗАЦИИ (САК)

Оценку качества функционирования САК обычно про­ изводят с помощью общих показателей надежности. Наряду с рядом преимуществ такой подход обладает и существенным не­ достатком: при этом не учитываются именно те свойства, кото­ рые являются наиболее специфичными для данного класса си­ стем. Примером этого могут служить рассмотренные выше обос­ нования специальных показателей безотказности САР и САЗ. Можно привести еще один довод в пользу целесообразности оценки надежности САК не только с помощью общих, но и спе­ циальных показателей безотказности. Как известно, автоматиче­ ский контроль является логически первой ступенью, «фундамен­ том» автоматизации любого процесса. Вместе с тем качество оценки надежности этого фундамента является более низким (при оценке надежности САК с помощью только общих показа­ телей безотказности), нежели качество оценки надежности САР либо САЗ с помощью общих и специальных показателей без­ отказности.

При выборе специальных показателей для оценки безотказно­ сти САК можно руководствоваться соображениями, аналогичны­ ми тем, которые учитывались при выборе специальных показате­ лей безотказности САЗ и САР.

Для ответа на вопрос, какие же специальные показатели без­ отказности применить для оценки надежности той или иной САК, обратимся к ее классификации. Анализ известных классифика­ ций СА1\ независимо от числа учитываемых классификационных факторов и признаков дает основание рассматривать две группы