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

лом для получения оценок показателей безотказности и ремон­ топригодности.

Предварительная обработка первичной информации прово­ дится с целью уточнения всех записей в формах 1, 2, 3 первич­ ной документации.

Уточнение информации заключается в проведении тщатель­ ного анализа каждого случая отказа и ремонта. В частности, зависимые отказы объединяются таким образом, что учитывает­ ся лишь один из случаев отказа, имевших место в данное время и в данном изделии. В качестве времени ремонта такого объ­ единенного отказа, рассматриваемого как независимый, прини­ мается сумма времени, затраченного на все случаи восстановле­ ния работоспособного состояния.

При анализе отказы приборов и средств автоматизации раз­ деляются на внезапные и постепенные. При этом отказ класси­ фицируется как внезапный, если восстановление, отказавшего устройства возможно только путем замены или ремонта отка­ завшего элемента, узла. К постепенным отказам относят отка­ зы, устраняемые корректировкой с помощью специально пред­ назначенных для этого средств, например подстроечных и регу­ лировочных потенциометров, катушек и т. п. К постепенным отказам следует также отнести отказы, устраняемые специаль­ ной очисткой и мойкой чувствительных элементов, регулирую­ щих органов и т. п.

Полученная в период подконтрольной эксплуатации стати­ стическая информация проверяется на однородность и достовер­ ность. Информация считается однородной, если полученные в период подконтрольной эксплуатации данные об отказах не противоречат второму условию (см. стр. 57) о простейшем пото­ ке отказов. Информация считается достоверной, если зафикси­ рованное в период подконтрольной эксплуатации число отказов можно считать объективным.

Проверка однородности информации осуществляется путем прозерки фактического выполнения неравенства (57), если оно было принято в качестве исходной предпосылки о простейшем потоке отказов. Если суммировались отказы 5—6 однотипных изделий на одном предприятии, то проверка однородности сво­ дится к оценке разности

i = 1

60

Если указанная разность не превышает 0,2 (н-ср и N ^ 5, то. информация считается однородной. Если проверка однородно­ сти не удовлетворяет указанным требованиям, то полученные данные можно использовать для вычисления оценок показате­ лей безотказности, применяющихся в основном для сравнитель­ ных расчетов.

Проверка достоверности информации на данном предприя­ тии заключается в проверке выполнения неравенства ■

для каждой группы однотипных устройств автоматизации: Дис­ персия числа отказов однотипных устройств определяется по выражению

N

Если а2 ^ тср, то информацию об отказах можно считать достоверной.

Проверка достоверности информации по отрасли в целом заключается в проверке выполнения условия (61) для однотип­ ных устройств автоматизации на всех предприятиях — объектах подконтрольной эксплуатации. В тех случаях, когда а2> тсР на одном из подконтрольных предприятий (причем всего таких объектов в отрасли более шести), можно ограничиться вычисле­ нием количественных характеристик надежности по данным об отказах, зафиксированных на предприятиях, где неравенство (61) выполнено.

Если же в отрасли количество объектов равно 6 и

то вычисленные количественные характеристики надежности необходимо сопроводить специальным примечанием о низкой достоверности полученной информации.

61

Методика определения количественных показателей эксплуа­ тационной надежности охватывает вопросы вычисления точеч­ ных и интервальных оценок показателей безотказности и ремон­ топригодности подконтрольных устройств автоматизации на конкретном предприятии и в отрасли в целом. Вычисление количественных характеристик надежности производится по предварительно обработанной и проверенной информации.

Оценка количественных характеристик безотказности выпол­ няется в следующем порядке:

производится расчет суммарной наработки и суммарного числа отказов всех однотипных либо приравненных к ним устройств автоматизации за весь или за часть периода подконт­ рольной эксплуатации на конкретном предприятии;

определяются точечные оценки показателей безотказности подконтрольных устройств автоматизации конкретного пред­ приятия;

вычисляются интервальные оценки показателей безотказно­ сти устройств автоматизации конкретного предприятия;

определяются оценки показателей безотказности устройств автоматизации в целом по отрасли.

Оценка количественных характеристик ремонтопригодности проводится в аналогичной последовательности, за исключением того, что вместо суммарной наработки вычисляется суммарное время ремонта.

Точечные оценки наработки на отказ приборов и средств автоматизации определяются по уравнению

Показатели эксплуатационной безотказности устройств авто­ матизации данного типа в отрасли промышленности и довери­ тельные интервалы величины наработки на отказ определяются по известной методике [13, стр. 260 и 451].

Точечные оценки среднего времени восстановления устройств определяются по уравнению

62

ЧИСЛЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ (ОЦЕНКИ) ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ

По описанной выше методике институтом «Пищепромавтоматика» совместно с рядом организаций и предприятий, в течение нескольких лет проводились работы по сбору и обра­ ботке информации об отказах и ремонтах устройств автоматиза­ ции на предприятиях сахарной, спиртовой, холодильной и ряда других отраслей пищевой промышленности. Были получены оценки показателей надежности 56 типов приборов и устройств автоматизации (под наблюдением находилось более 1200 при­ боров при общем объеме наблюдения более 20 млн. приборочасов) и 30 типов систем автоматического контроля, защиты и регулирования (под наблюдением находилось более 50 систем,, отработавших более 200 тыс. системо-часов). Подавляющее большинство данных получено в условиях подконтрольной эксплуатации [5, 38—48, 55].

Полученные данные охватывают лишь некоторую часть но­ менклатуры приборов, электроаппаратуры, трубопроводной, арматуры и других средств и элементов, применяемых при авто­ матизации предприятий пищевой промышленности. Поэтому были проведены работы по обработке различного рода литера­ турных данных, содержащих оценки или нормативы показате­ лей надежности приборов и средств автоматизации, применяю­ щихся в других отраслях промышленности: химической, уголь­ ной, горнорудной, нефтехимической, металлургической и т. п. Кроме того, были получены ответы на запросы в организации и предприятия, разрабатывающие и выпускающие приборы и средства автоматизации, используемые при автоматизации предприятий пищевой промышленности.

Анализ полученных данных позволил сделать следующие выводы:

сведения об оценках показателей надежности (безотказно­ сти) отсутствуют для 40% видов используемых приборов и средств автоматизации, 15% видов изделий электроаппаратуры и 45% видов трубопроводной арматуры;

для многих изделий имеющаяся информация о безотказно­ сти и ремонтопригодности является несопоставимой, так как разброс оценок для одного типа изделий доходит до трех порядков;

многие из полученных оценок показателей надежности не снабжены критериями отказов и комментариями об условиях, при которых получены эти оценки. В то же время известно, что условия и режимы эксплуатации весьма существенно изменяют показатели безотказности.

В связи с этим была проведена работа по устранению ука­ занных недостатков с целью составления справочника по надеж­ ности приборов, средств и элементов, применяемых при автома-

63

гизации технологических процессов в пищевой промышлен­

ности.

Следует отметить, что в отечественных и зарубежных ведом­ ственных справочных материалах, содержащих количественные показатели надежности различных изделий, приводятся, как правило, точечные оценки показателя безотказности, ремонто­ пригодности данного изделия. С учетом этого, а также опыта определения надежности в процессе разработки приборов и си­ стем для пищевой промышленности было принято целесообраз­ ным сопровождать позиции номенклатуры справочника одной точечной оценкой показателя безотказности, ремонтопригодно­ сти и по возможности долговечности.

Из числа известных методов определения точечной оценки показателя надежности предпочтение было отдано методу полу­ чения средневзвешенной оценки. При этом методе известные источники информации были отнесены к одной из следующих шести rovnn:

1)ГОСТ, ТУ;

2)информация о надежности изделий в эксплуатационных условиях пищевой промышленности;

3)информация о надежности изделий в эксплуатационных условиях химической промышленности;

4)информация о надежности изделий в эксплуатационных условиях теплоэнергетических объектов;

5)информация о надежности изделий в эксплуатационных условиях нефтегазовой промышленности;

6)информация о надежности изделий в эксплуатационных условиях других (не перечисленных выше) отраслей.

При распределении источников информации по группам 'счи­ тывалось следующее:

ГОСТ и ТУ закрепляют достигнутые среднепромышленпые оценки показателей надежности и устанавливают экономически целесообразную надежность изделий;

оценки показателей надежности изделий, полученные в усло­ виях эксплуатации в пищевой промышленности, обладают при­ оритетом перед таковыми в других отраслях народного хо­ зяйства;

условия эксплуатации многих приборов и средств автомати­ зации и трубопроводной арматуры химической промышленности наиболее близки к условиям эксплуатации в пищевой промыш­ ленности и т. д.

Для ряда электроаппаратов известны более обширные ком­ ментарии, включающие графики поправочных коэффициентов к значениям интенсивностей отказов. Такого рода графики по­ зволяют количественно учесть влияние температуры, электриче­ ской нагрузки и других факторов на показатель безотказности. Поэтому для электроаппаратов, для которых известны'оценки безотказности, соответствующие номинальным режимам рабо-

64

ты, приводятся в справочнике не средневзвешенные, а оценки показателей надежности в номинальном режиме и графики по­ правочных коэффициентов.

Наиболее полная классификация изделий номенклатуры приборов и средств автоматизации приведена в «Общесоюзном классификаторе промышленной и сельскохозяйственной продук­ ции». Согласно классификатору каждый класс подразделяется на подклассы, группы, подгруппы и виды. Вид представляет собой классификационную единицу, определяющую основные технико-экономические признаки классифицируемых однород­ ных изделий, которые далее конкретизируются лишь показате­ лями типоразмеров, модификаций, не изменяющими самого определения вида.

В процессе составления справочника предполагалось, что оценки показателей надежности изделий одного и того же вида не должны значительно (например, более чем на порядок) раз­ личаться. С учетом этого методика установления оценок пока­ зателей надежности приборов и средств автоматизации, для которых количественные характеристики безотказности, ремон­ топригодности неизвестны, заключается в следующем:

исходя из наличия изделия и его основных технико-экономи­ ческих характеристик, устанавливается принадлежность изделия к определенному виду согласно названному выше классифи­ катору;

на изделие, количественные характеристики надежности ко­ торого неизвестны, временно распространяются худшие оценки показателей безотказности и ремонтопригодности изделий, отно­ сящихся к данному виду.

Методика установления оценок показателей надежности из­ делий номенклатуры электроаппаратов и трубопроводной арма­ туры, для которых отсутствует информация о надежности, ана­ логична изложенной. В качестве классификации электроаппара­ тов принята действующая классификация. Изделия трубопро­ водной арматуры классифицируются в соответствии с катало­ гом-справочником [49].

Выявленная в ходе составления справочника номенклатура представляет собой перечень изделий, которыми разработчик наиболее часто комплектует приборы, системы и проекты авто­ матизации. Однако не исключена вероятность того, что ряд при­ боров и средств автоматизации, электроаппаратов и трубопро­ водной арматуры не вошел в выявленную номенклатуру. Кроме того, номенклатура этих изделий систематически пополняется новыми образцами. Рекомендации по установлению оценок показателей надежности новых изделий (не снабженных инфор­ мацией о надежности) принципиально не отличаются от выше­ изложенных. В процессе разработки САУ в институте «Пищепромавтоматика» руководствуются этим справочником. Сокра­ щенный вариант справочника приведен в приложениях.

ГЛ А В А 4

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОЦЕНОК ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ

Для систем, так же как и для средств автоматизации, суще­ ствуют априорные и апостериорные (экспериментальные) мето­ ды получения оценок показателей надежности.

Как указывалось в главе 2, для оценки систем автоматиче­ ского регулирования следует использовать две группы показа­ телей надежности. Первая группа— общие показатели надеж­ ности. Они учитывают внезапные отказы типа «поломок», при­ водящие к остановке, выключению САР либо к переводу систе­ мы в режим ручного (дистанционного) управления впредь довосстановления работоспособности системы. Вторая группа— специальные показатели безотказности САР. Они учитывают самовосстанавливающиеся отказы типа «сбоев», приводящие- к снижению эффективности продолжающей функционировать системы.

Для оценки систем автоматической защиты принят один по­

стью безотказной работы канала автоматической защиты P(t). Поскольку однозначно принимается Кг ^3= 0,99 (см. главу 5),. оценке подлежит величина показателя P(t), относящегося так­ же к группе общих показателей надежности.

Для оценки систем автоматического контроля и сигнализа­ ции необходимо в основном использовать показатели, относя­ щиеся к группе общих, — наработка на отказ Т и среднее вре­ мя восстановления Тв.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АПРИОРНЫХ ОЦЕНОК

При априорных методах получения оценок общих по­ казателей надежности САУ используется изложенный в главе 3 элементный метод расчета. В качестве элементов расчета в нем выступают изделия, составляющие систему (приборы, средства автоматизации), показатели надежности которых могут быть взяты из приложений.

Если оцениваются показатели надежности автоматического управляющего устройства системы, то показатели надежности объекта автоматизации не учитываются. Если рассчитываются технические характеристики системы в целом, то объект авто­ матизации (каким обычно является технологическое оборудова­ ние) рассматривается как изделие, входящее в систему. Методы

66

получения оценок показателей надежности технологического оборудования здесь не рассматриваются [50, 69].

В приложениях приведены оценки показателей надежности (наработка на отказ и среднее время восстановления) систем автоматического контроля и одноконтурных систем автоматиче­ ского регулирования, используемых в ряде отраслей пищевой промышленности. Оценки получены расчетным путем по мето­ дике, изложенной в главе 3. Исходные данные для расчета взя­ ты из приложений.

Априорные методы получения оценок специальных показате­ лей безотказности САР могут быть в настоящее время рассмот­ рены только для автоматических систем стабилизации (непози­ ционных) [51].

Из выражений (35) и (36) видно, что для получения априор­

ной оценки (Од,га необходимо получить значения ау, ту и N0■дин.

Величина ау может быть получена по известным характеристи­ кам возмущающих воздействий и элементов системы [52, 53]. В качестве ту следует, очевидно, брать номинальное значение регулируемого параметра. Значением Л/0.дИн можно задаться. Обычно оно колеблется в пределах 1—3 1/ч.

Для_ априорной оценки соСТа т вместо оу следует брать

где п определяется путем деления значений необхо-

уу п

димой наработки t на время усреднения. Величину N0. мож­ но принять равной 0,1 N0.mm.

Таким образом, априорные методы получения показателей безотказности автоматических систем стабилизации весьма при­ ближенные, нуждаются в обязательном экспериментальном уточ­ нении и могут быть использованы только для сравнительных расчетов на ранних стадиях разработки систем.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОЦЕНОК

Экспериментальные методы (организация, планиро­ вание и обработка данных) определения общих показателей надежности для систем автоматизации не отличаются от мето­ дов, применяемых для средств и приборов автоматизации.

Для экспериментального определения специальных показа­ телей безотказности САР (стабилизации) технологических про­ цессов в условиях нормальной эксплуатации в лаборатории на­ дежности института «Пищепромавтоматика» была разработана методика, которая используется с 1970 г. Методика содержит общие правила обработки исходной информации о динамиче­ ских и статических отказах в период испытаний и правила вы­ числения количественных характеристик специальных показа­ телей безотказности САР (параметров потоков соответствую­ щих видов отказов).

Исходная информация содержит запись процессов изменения во времени определяющего параметра в автоматическом режи­ ме функционирования; запись комментариев к указанному про­ цессу. Комментарии к записи процесса должны содержать дату и время начала и конца записи реализации, время появления и исчезновения возмущений, не предусмотренных техническим заданием на образец; дату, время смены уставок (заданий) '.определяющего параметра, величины уставок и другие сведе­ ния, позволяющие судить о работоспособности опытного образ­ ца. Обработка исходной информации заключается в проверке однородности ее для каждой реализации в отдельности, упоря­ дочении информации, проверенной на однородность, формиро­ вании выборок однородной информации и представлении инфор­ мации в табличной форме (для каждой выборки в отдельности).

Проверка однородности исходной информации сводится к исключению из записи случайного процесса изменений регули­ руемого параметра части информации, соответствующей работе в режимах, не предусмотренных в техническом задании. Опера­ ция упорядочения заключается в объединении оставшихся после проверки однородности «кусков» информации отдельных реали­ заций. Упорядоченная однородная информация разбивается на выборки, каждая из которых должна содержать информацию, отражающую функционирование системы в одном из допусти­ мых по техническому заданию режимов (на одной' из уставок, на одном из возможных видов сырья и т. п.). Операция пред­ ставления информации в табличной форме заключается в со­ ставлении для каждой выборки в отдельности таблицы значений регулируемого параметра в хронологическом порядке их полу­ чения.

Количественные характеристики специальных показателей безотказности САР вычисляются раздельно для каждой выбор­

ту регулируемого параметра, 1/ч. Оценка величины М0-дин выполняется путем подсчета числа переходов значений регу­ лируемого параметра через линию среднего. Полученное чис­ ло переходов делится на длительность выборки в часах.

АдИН.Н= т у УдОП. н"> Асии. В= Удои. В СЯу,

68

*/доп.н<в) — нижнее (верхнее) допустимое значение регулируемого параметра; Ддин.н(в) — нижняя (верхняя) часть поля динамического допуска относитель­

но величины ту\

оу — оценка среднего квадратического отклонения регулируемого пара­ метра (в единицах регулируемого параметра).

tfiy — среднее значение регулируемого параметра (для рассматриваемой вы­ борки).

2 *

Рассмотрим последовательность вычисления количественных характеристик специальных показателей безотказности САР для случая допусков группы 16.

здесь Ф(и) — интегральная функция Лапласа.

(59