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

классов САК: системы периодического и системы непрерывного автоматического контроля. Системы периодического автоматиче­ ского контроля в некотором роде аналогичны САЗ; у тех и у дру­ гих в процессе функционирования возможны четыре исхода, ко­ торые являются несовместимыми событиями и иллюстрируются данными табл. 11.

Таблица 11

Вероятности Рi и Р2 характеризуют правильную оценку си­ стемой автоматического контроля состояния объекта. Вероятно­ сти Рл и Ри характеризуют неправильную оценку состояния объекта и являются соответственно вероятностями ложного и не обнаруженного системой автоматического контроля отказа конт­ ролируемого объекта. Иными словами, для оценки безотказно­ сти систем периодического автоматического контроля, помимо общих показателей безотказности, можно применять показате­ ли типа (j)oi и сою, являющиеся специальными показателями без­ отказности САЗ.

Системы непрерывного автоматического контроля аналогич­ ны в некотором роде САР (по крайней мере, стабилизирующим САР): те и другие прежде всего следят за изменениями текущих значений контролируемой величины (контролируемого пара­ метра). Следовательно, для оценки надежности систем непре­ рывного автоматического контроля, помимо общих показателей безотказности, целесообразно применять показатели типа (Один и состат, являющиеся исходными специальными показателями безотказности САР.

п о к а за т е л и н а д е ж н о с т и п р и б о р о в и с р е д с т в

АВТОМАТИЗАЦИИ

В соответствии с имеющейся нормативно-технической документацией в качестве основных показателей надежности приборов и средств автоматизации применяются наработка на отказ Т или параметр потока отказов со и среднее время восста­ новления Тв.

Для выбора показателей надежности необходимо сформули­ ровать понятия (критерии) отказа для данного изделия. Для этого из числа выходных характеристик прибора выбираются

60

определяющие параметры, воздействующие на определяющие параметры системы автоматизации, в составе которой разраба­ тываемый прибор предполагается эксплуатировать. Для опреде­ ляющих параметров устанавливается диапазон номинальных значений и допускаемые отклонения.

Отказом прибора (средства автоматизации) считается выход за допуск определяющего параметра. Если прибор используется в системе регулирования, желательно установить связь между отказами прибора и соответствующими видами отказов САР.

В ряде организаций проводились специальные испытания не­ которых наиболее распространенных приборов и средств авто­ матизации. В результате испытаний было установлено [25, 33] „ что 90—95% всех отказов составляют отказы, условно назы­ ваемые «выход из класса», «постепенные» или «метрологиче­ ские». Условность названия заключается в том, что только для измерительных приборов и некоторых типов датчиков в техниче­ ской документации указываются метрологические характеристи­ ки, в частности класс. Для остальных приборов и средств авто­ матизации имеются в виду другие определяющие параметры (коэффициент усиления, коэффициент возврата, линейность, и т. п.). Соответственно 5—10% составили внезапные отказы или поломки, после которых прибор вообще не работает.

Втех случаях, когда это возможно, должны приводиться значения показателей безотказности по каждому из видов, отказов.

Внастоящее время имеющиеся практические методы полу­ чения оценок показателей безотказности приборов и средств автоматизации основаны в основном на учете только внезапных отказов или отказов, относимых к классу внезапных. Это осо­ бенно касается априорных методов. Поэтому дальнейшее изло­ жение, кроме особо оговоренных случаев, проводится в предположении справедливости указанного обстоятельства.

ГЛАВА 3

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОЦЕНОК ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ПРИБОРОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

Показатели надежности изделий в отличие от других техни­ ческих показателей не могут быть непосредственно измерены каким-либо измерительным прибором либо комплексом прибо­ ров. Оценки показателей надежности получают либо чисто рас­ четным путем с использованием справочных данных (априор­ ные методы), либо путем соответствующей расчетной обработки

определенным образом собранных экспериментальных (эксплуа­ тационных) данных.

Априорные методы получения оценок применяются в основ­ ном на начальных стадиях разработки изделий, до создания опытных образцов. Основой априорной оценки показателей надежности являются, как правило, обобщенные статистические справочные данные. Вследствие этого априорная оценка являет­ ся весьма приближенной и нуждается в последующем уточнении по результатам различного рода испытаний и эксплуатации. Несмотря на невысокую точность результатов априорных оце­ нок, разработке методов получения таких оценок уделяется большое внимание, так как в большинстве случаев на стадии разработки технической документации априорная оценка яв­ ляется единственно возможной.

После создания действующих макетов, экспериментальных и опытных образцов появляется возможность уточнения априор­ ных оценок по результатам испытаний. Однако при этом встре­ чается целый ряд принципиальных трудностей, основными из которых являются малое количество образцов (часто один) и малое время испытаний. Для преодоления этих и других труд­ ностей разработаны приемы планирования и обработки резуль­ татов экспериментов. Приемы эти, как правило, специфичны для различных типов приборов и средств автоматизации и здесь излагаться не будут.

После испытаний опытных образцов изготовляются опытные партии и серии, устанавливаемые для длительной промышлен­ ной эксплуатации, в процессе которой и собираются данные для окончательного уточнения оценок показателей надежности. Часто для сбора данных применяется так называемая подконт­ рольная эксплуатация, которая представляет собой нормальную эксплуатацию изделия, над Которым установлено дополнитель­ ное наблюдение с целью увеличения объема и достоверности информации об эксплуатационных свойствах изделия, главным образом о его надежности в данных условиях.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АПРИОРНЫХ ОЦЕНОК

Основным методом получения априорных оценок по­ казателей надежности приборов и средств автоматизации является элементный метод, широко освещенный в литературе [7, 8, 36]. Приведем лишь основы элементного метода.

Элементом расчета надежности будем называть изделие, имеющее количественную характеристику надежности, само­ стоятельно учитываемую при расчете надежности соединения.

Дело в том, что расчет надежности более или менее слож­ ного изделия, например электронного моста, вычислительной машины, ведется по известным количественным характеристи­ кам надежности изделий — составляющих: деталей, узлов, бло-

52

ков, приборов. Причем расчет ведется поэтапно: если, например,, рассчитывается надежность электронного моста, то вначале определяются количественные характеристики надежности от­ дельных узлов (усилителей, согласующих устройств и т. п.) по известным количественным характеристикам надежности их деталей: резисторов, конденсаторов, диодов, триодов. Затем по характеристикам узлов определяется надежность электронного моста. На первом этапе элементами расчета будут резисторы, конденсаторы и т. д., на втором — усилители и другие узлы. Для вычислительной машины таких этапов может быть значи­ тельно больше. Таким образом, элемент расчета — это условное понятие, присваиваемое тому или иному изделию в зависимо­ сти от стадии и целей расчета, а также от наличия тех или иных исходных данных.

Различают три вида соединения элементов расчета при про­ ведении расчета надежности: основное, или последовательное, резервное, или параллельное, и смешанное.

Основным соединением элементов расчета называется такое, при котором отказ хотя бы одного элемента ведет к отказу всего соединения. Резервным соединением элементов расчета назы­ вается такое, при котором отказ соединения наступает только в том случае, если отказали основной и все резервные элементы. Смешанное соединение — сочетание основного и резервного соединений.

При этом нельзя путать способ соединения элементов расче­ та со способом соединения изделий. Например, в электронных усилителях мощности часто используют так называемую двух­ тактную схему, когда две лампы соединяются параллельно. Однако при отказе одной из ламп происходит такое изменение характеристик усилителя (мощность, коэффициент искажений и т. д.), что при этом считают, что произошел отказ усилителя.

единению, т. е. последовательно. Следует отметить, что названия способов соединения — основное и резервное — были введены вместо первоначально существовавших и очень широко распро­ страненных названий — последовательное и параллельное — во избежание путаницы понятий.

Как видно из определений, резервные, или параллельные, соединения элементов расчета обеспечивают более надежную работу изделия в целом. Наиболее часто встречающийся способ соединения сложных изделий — смешанный.

Разберем правила определения характеристик безотказности при основном (последовательном) и резервном (параллельном) соединениях элементов расчета надежности.

Дан узел (система), состоящий из элементов, которые в смысле надежности соединены последовательно (основное сое­ динение) (рис. 6). Для каждого г'-го элемента расчета известны

53

интенсивность отказов Xi и( или) вероятность отсутствия отказа за время t —P i ( t ) . Требуется определить параметр потока от­ казов (интенсивность отказов) и вероятность отсутствия отказов всего узла.

Рис. 6. Схема основного (последовательного) соеди­ нения элементов изделия.

При основном соединении элементов расчета отказ любого из элементов вызывает отказ всего узла. В этом случае вероят­ ность отсутствия отказа узла представляет собой вероятность сложного события, заключающегося в одновременном отсут­ ствии отказов любого из элементов. Поэтому мы должны вос­ пользоваться правилом умножения вероятностей:

Для вероятности отказа системы получим

ПП

где cfi(t) — вероятность отказа г'-го элемента.

Если нам известны только Xi, то интенсивность отказов (па­ раметр потока отказов) системы определяется по следующему выражению:

i=l

Для экспоненциального закона

54

Вероятность отказа системы

Для часто встречающегося в практике случая, когда все эле­ менты при резервном соединении имеют одинаковые характери­ стики надежности, получим

Иногда при резервном соединении первый элемент Называют основным, а остальные т элементов — резервными. Тогда т

55

называют кратностью резервирования. При отсутствии резерви­ рования т —0. Тогда выражение (55) приобретает следую­ щий вид:

Q (f) = (1 — e~xt)m+u, Р (i')= 1 — (1 —

Наработка на отказ системы

т

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ОЦЕНОК

Методы планирования и обработки результатов ис­ следований, связанных с получением необходимого эксплуата­ ционного статистического материала для расчета оценок пока­ зателей надежности, изложены в литературе [13, 15, 34, 35]. Ниже изложены без обоснования основные положения методики по определению эксплуатационной надежности (безотказности и ремонтопригодности) средств автоматизации в пищевой про­ мышленности.

Различают три основных этапа работ по определению экс­ плуатационной надежности: планирование, куда входит выбор и подготовка объектов, расчет необходимого объема информа­ ции, разработка необходимой рабочей документации; сбор дан­ ных; обработка собранных данных, включающая в себя пред­ варительную обработку и проверку информации, определение оценок показателей надежности.

При выборе объектов подконтрольной эксплуатации, т. е. приборов и средств автоматизации, по которым будет собирать­ ся необходимый статистический материал, необходимо руковод­ ствоваться следующими критериями:

56

распространенность данного изделия в отраслях промыш­ ленности;

перспективность применения изделия; наличие для данного изделия показателей надежности, полу­

ченных в аналогичных условиях эксплуатации в других отрас­ лях промышленности;

величина ущерба вследствие отказа устройства автоматиза­ ции данного типа.

Как показал опыт, первоочередными объектами подконт­ рольной эксплуатации являются датчики, регулирующие органы, а также специальные приборы и средства контроля качества сырья, полуфабрикатов и готовой продукции.

При выборе объема подконтрольной эксплуатации, т. е. ко­ личества образцов изделий данного типа и длительности наблюдений, необходимо руководствоваться следующими у с л о ­

ви я м и (ограничениями):

1)показатели надежности должны характеризовать изделие как вид (тип), а не как образец, т. е. оценки эксплуатационной надежности должны быть представительными для всех однотип­ ных средств автоматизации на однотипных предприятиях дан­ ной отрасли;

2)поток отказов изделия должен быть простейшим, т. е. закон распределения времени безотказной работы — экспонен­ циальным;

3)в период подконтрольной эксплуатации желательно за­ фиксировать не менее 2—3 отказов каждого образца из числа однотипных устройств автоматизации;

4)период подконтрольной эксплуатации не должен быть очень большим, так как необходимо иметь своевременную инфор­ мацию, а не «историческую» справку о надежности устройств,

морально, а иногда и физически устаревших.

Для выполнения первого условия необходимо, чтобы наблю­ дения за однотипными устройствами велись не менее чем на 5—6 предприятиях отрасли.

Для выполнения второго условия необходимо, чтобы для данного устройства автоматизации выполнялось следующее не­ равенство:

57

Как показали расчеты, неравенство (57) справедливо для большинства приборов и средств автоматизации пищевой про­ мышленности. Если оно не выполняется, то необходимо сумми­ ровать отказы 5—6 однотипных устройств автоматизации, экс­ плуатирующихся на одном предприятии.

Для характеристики точности и достоверности статистиче­ ской обработки принимаем следующие исходные данные:

максимальная относительная погрешность определения оцен­

предприятиях с круглогодичным выпуском продукции не более 1,5 лет; на предприятиях с сезонным циклом работы — не более 2—3 сезонов.

При этом равенство (58) разрешается относительно N. При других ограничениях возможны другие варианты. Если факти­ ческий объем испытаний больше запланированного, то следует ожидать получение оценок показателей надежности с большей

в соответствие с фактическим положением, обеспечении пред­ приятия необходимыми формами учета, выделении лиц, ответ­ ственных за выполнение своевременных, полных и достоверных записей о всех случаях отказов и восстановлений устройств автоматизации и их инструктаже.

На период подконтрольной эксплуатации на выбранных предприятиях отрасли временно вводятся следующие докумен­ ты: журнал учета отказов и ремонтов (форма 1— табл. 12); перечень находящихся в эксплуатации систем и средств автома­ тизации, за которыми устанавливается наблюдение (форма 2 —• табл. 13); график работы подконтрольных систем и средств автоматизации (форма 3 — табл. 14).

В процессе подконтрольной эксплуатации заполняются фор­ мы учета, которые затем служат основным исходным материа-

■58