книги из ГПНТБ / Судовые системы автоматического контроля (системный подход к проектированию)

Систем, построенных йз Электромеханических и электронных эле­ ментов.

Для I уровня с невосстанавливаемыми элементами и большой приспособленностью к унификации характерными являются:

а) интенсивность отказов как функция условий эксплуатации —

Т= -5 —!— .

э(онО

Определение надежности таких элементов несложно и полностью укладывается в известные методы, рекомендуемые общей теорией

надежности (например [10, 27, 32, 43, 80, 101]). Поэтому вопросы

определения надежности на I уровне «первичных» элементов не рас­

сматриваются.

Для 11 уровня характерным является то, что блоки, узлы и устройства, в него входящие, построены из элементов I уровня, т. е.

простейших первичных элементов. (К таким устройствам можно от­

нести обегающие устройства, аналого-цифровые преобразователи,

измерительные преобразователи и т. д.) Эта группа элементов си­

стемы уже относится к восстанавливаемым элементам, и для них

характерны:

а) интенсивность потока отказов в течение заданного времени,

равная сумме интенсивностей отказов первичных элементов I уровня,

г) коэффициент готовности как функция от количества запасных

Так же, как и в случае I уровня, определение надежности таких устройств и узлов хорошо известно из общей теории надежности и описано многими авторами, например, в приведенной литературе при

рассмотрении I уровня и в [16, 17, 18, 19]. Однако, учитывая,

что САК является системой измерительной, с большим числом

измерительных преобразователей, каналов и устройств, полностью

удовлетвориться оценкой надежности известными методами нельзя,

так как методы из приведенной литературы определяют только один вид надежности, характеризующийся внезапными отказами.

Весь комплекс проводящихся в этОм направлении работ, посвя^ щенных вопросам надежности и измерительных средств, в общем плане можно свести к следующему:

1) разработка методов расчета надежности на разных этапах проектирования по Яс. и (0 ;

2) разработка методов экспериментальной проверки надежности

впроцессе испытаний, в том числе и методов ускоренных испытаний;

3)разработка методов оценки поддержания и повышения экс­

плуатационной надежности.

По этой причине все известные исследования, как правило, ба­ зируются на зависимости между вероятностью безотказной ра­ боты Р (t) и временем работы t, которая в общем виде может быть

записана как

Все вышеизложенные методы совершенно не затрагивают метро­

логических (точностных) характеристик измерительных средств,

каналов и устройств. Это легко установить, если учесть, что реко­

мендованные в указанной выше литературе методы расчета надеж­

ности по ^с. и (/) сводятся в основном к следующей схеме:

выбирается величина кс. и (/) элементов; 4) определяются реальные величины нагрузок элементов и вы­

казов этих элементов в зависимости от условий работы; 6) по известным статистическим формулам, рекомендованным об­

щей теорией надежности, при допущении о независимости отказов элементов, определяется суммарная интенсивность отказов средств измерений по формуле (6.1.6). Это и дает оценку надежности по веро­ ятности безотказной работы в течение времени t.

Из анализа ряда работ и приведенной обобщенной схемы метода расчета надежности можно сделать следующие выводы:

а) в большинстве работ и во всех статистических справочниках и таблицах Яс. и (t) характеризует как внезапные, так и постепенные отказы и поэтому они рассматриваются совместно;

б) при нормированных расчетах учитывается лишь количество

отказов;

в) достоверность расчетов надежности зависит от точности и до­ стоверности статистических данных, используемых в расчете;

г) не представляется возможным связать Хс. и (£) отдельных эле­ ментов средств измерений с изменением суммарной погрешности этих средств;

212

Д) статистические данные всегда относятся к конкретным устрой­ ствам и элементам только при определенных условиях их исполь­ зования, а это значит, что данные не могут быть произвольно интер­

полированы или экстраполированы на другие типы и условия, от­ личные от первых.

Попытка обосновать возможность использования для расчетов

надежности измерительных средств изменения погрешности (и в част­

плуатации различных средств из­ мерения. Так, например, известно массовое использование судовых

электроизмерительных приборов и преобразователей или недистанци­

онных механических приборов для измерения давления, скорости вра­ щения, температуры и т. д. Известно также по материалам государ­ ственных поверяющих органов и инспекций измерительных прибо­ ров, что при эксплуатации указанных выше приборов выход за класс точности происходит значительно раньше по времени, чем выход из строя из-за поломки механизма, обрыва цепей, перегорания элементов и т. д. Это положение в свое время послужило основанием для введения в обязательном порядке периодических метрологиче­ ских поверок средств измерений, находящихся в эксплуатации на судах. Обобщение статистического материала поверок показало, что

из общего числа забракованных и снятых с судов приборов более 70% требуют только небольшой регулировки для введения в требуе­

мый класс точности. Таким образом, наибольшую опасность пред­ ставляют именно скрытые отказы по точности (увеличение погреш­

ности), так как при этом фактически неисправные средства измере­

ния (приборы) используются как исправные, что порой служит при­

чиной материальных потерь и может привести к тяжелым послед­ ствиям и невыполнению задачи.

213

Отсюда вытекает актуальность и важность рассмотрения вопро­

сов надежности средств измерения, связанной с их метрологическими характеристиками. Данные вопросы до сих пор применительно к су­ довым средствам измерений и САК не рассматривались.

Таким образом, инструментальная погрешность, как ее обычно принято называть, является важнейшей характеристикой любого

средства измерения. Оценка инструментальной погрешности в боль­ шинстве случаев должна проводиться в двух аспектах:

—оценка границ, за которые погрешность средства измерения

не выйдет с заданной вероятностью в определенные моменты времени;

—оценка границ, за которые погрешность средства измерения

не выйдет с заданной вероятностью за определенный интервал вре­

мени.

В первом случае определяется метрологическая характеристика

средств измерений, являющаяся важной для оценки погрешности

всей системы, в которой действует данное средство измерения. Обычно эта характеристика фиксируется в технических условиях.

Во втором случае по существу оценивается специфичная надежность

средств измерений. Такая оценка особенно необходима, если преду­

сматривается эксплуатация в течение длительного промежутка вре­

мени, что имеет место на судах. Это подтверждается установившейся

тенденцией роста времени непрерывной работы 2 и технического ре­

сурса 1 технических средств судов, в том числе и средств измерения (рис. 6.2). Если рассмотрение инструментальной погрешности в пер­

вом случае проводится для каждого средства измерения, используе­ мого на судах самостоятельно или в какой-либо системе, то во вто­ ром — до сих пор не проводилось. Этот пробел должен быть ликви­ дирован, особенно в связи с внедрением на судах систем автомати­

ческого централизованного контроля и управления, вызвавших рез­ кий рост устанавливаемых средств измерений. Для того, чтобы ис­ следовать метрологические свойства средств измерения в указанных

аспектах, погрешность этих средств необходимо представить в виде

той или иной математической вероятностной модели.

Исходя из общих положений теории надежности, выход средства измерения за пределы установленного класса точности или допусти­ мые пределы изменения погрешности (согласно техническим усло­ виям) есть отказ. По своему характеру это постепенный скрытый

отказ, обусловленный старением и износом элементов и деталей

средств измерения. Учитывая его сущность и принадлежность к ме­

трологическим характеристикам средства измерения, назовем такой

отказ метрологическим. Принимая во внимание, что для средств

измерений определяющей является надежность, обусловливаемая

метрологическими отказами, назовем такую надежность метроло­

гической.

базирующийся на Хс и (t) не учитывает именно метрологические от­

казы. Кроме того, в данном случае учет только количества отказов недостаточен, так как для оценки метрологической надежности не­

214

обходимо еще учитывать значение уровня, глубину этих отказов. Следовательно, важен не только факт ухода погрешности за допуск, но и величина этого ухода.

Вопросы метрологической надежности средств измерения в ли­ тературе пока освещены недостаточно.

Для III уровня характерна оценка системы в целом. Для такой

системы, как САК, не представляется возможным точно определить,

что является отказом, а также то, что выход из строя отдельных

узлов и блоков, и тем более первичных элементов, не выводит си­

стему из строя, а только понижает эффективность ее действия. Для

например, количество информации, перерабатываемое системой САК

за определенный промежуток времени (например за время непре­

рывной работы 2000 или 3000 ч) при абсолютной надежности всех

уровней (Р — 1), тогда Эр будет представлять собой разность коли­ чества информации, переработанной при Р = 1, и потерь инфор­

Принятая методология рассмотрения надежности САК путем раз­ бивки структуры на уровни с теми критериями, которые были пред­

ложены выше, позволяет достаточно полно и всесторонне оценить

надежность системы САК, т. е. выявить ненадежные элементы на всех уровнях сложности, а также наметить пути повышения надеж­ ности как элементов, так и системы в целом.

§ 6.2

МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ НАДЕЖНОСТЬ

В связи с тем, что рассматриваемые в данном параграфе вопросы являются новыми, еще недостаточно разработанными и, тем более, не опирающимися на установившуюся терминологию и понятия,

приведем терминологию, которой и будем в дальнейшем пользоваться.

Метрологическая надежность — свойство средств измерений со­

хранять заданную достоверность информации (или номинальную

точность в определенных пределах) при эксплуатации в течение за­

данного промежутка времени. Метрологическую надежность будем характеризовать вероятностью отсутствия скрытого (постепенного) отказа в течение заданного промежутка времени и обозначим через

215

Рм (t). Таким образом, Рм (t) представляет собой меру достовер­ ности измерительной информации, выдаваемой средством измерения в функции времени.

Количественно метрологическая надежность может быть выра­ жена вероятностью нахождения основной погрешности средства из­ мерения — б (t) в некотором интервале от бх до 62, заданном техни­

ческими заданиями или условиями на это средство, т. е.

Уменьшение (убывание) Рм (t) с течением времени обусловлено

воздействием на средство измерения как внешних, так и внутрен­ них факторов. Если это учесть, то с каждым периодом процесса

обслуживания, в котором участвует данное средство измерения, воз­

растает вероятность неправильных действий оператора и надеж­

ность обслуживаемого объекта в целом (от цикла к циклу) из-за

понижения метрологической надежности средства измерения.

Метрологический отказ (отказ скрытый, постепенный) — по­ теря средством измерения точности, обусловленной определенными

допусками, установленными технической документацией.

Метрологические отказы являются результатом необратимых фи­

зико-химических процессов, а также механического износа и старе­

ния материалов и деталей.

Характерным для скрытого (метрологического) отказа является

то, что он не может быть обнаружен при эксплуатации средства

измерения, а обнаруживается только при специальной инструмен­

тальной поверке или по результатам неправильных действий на

основании информации, полученной от неисправного средства. Этот

вид отказов, как показывает опыт и статистические материалы, ока­ зывает на «общую» надежность средств измерения значительно боль­

шее влияние, чем отказы явные (катастрофические). Такое положе­ ние приводит к выводу о необходимости проведения периодических проверок и поверок всех судовых средств измерения, в то время как обычно такой поверкой охватывается не более 10% средств измере­ ния по номенклатуре. Проверка же таких средств в лучшем случае сводится к установлению их работоспособности, например по ре­ перной точке, без увязки этой проверки с метрологическими харак­ теристиками. Для реализации сделанного вывода необходима раз­ работка и паспортизация специальных поверочных средств на все

средства измерения, используемые на судах и особенно в ответствен­

ных системах обслуживания и управления.

Исходя из принятого определения метрологического отказа и

метрологической надежности, а также из общепринятой термино­

логии по надежности, для специфичных судовых средств измерений ниже формулируются понятия, определяющие метрологическую на­ дежность [29].

Вероятность безотказной работы средства измерения по точ­ ности рт — вероятность того, что при определенных условиях

эксплуатации и в пределах заданного времени в средстве измерения

2 1 6

не возникает метрологический отказ (иначе говоря, погрешность его не выйдет за пределы установленного допуска).

Частота отказов средства измерения по точности (сот) пред­ ставляет собой количество метрологических отказов средства

измерения в единицу времени.

Интенсивность метрологических отказов (А,т) — вероятность отка­ зов в единицу времени по точности средств измерения.

Статистически это отношение количества средств измерений от­

казавших (метрологически) в течение рассматриваемого промежутка

времени к произведению количества средств измерения, не отказав­

ших к началу этого промежутка времени, на его продолжитель­

ность, г. е.

Среднее время безотказной по. точности работы (Гт) — матема­ тическое ожидание случайной наработки до первого (метрологи­ ческого) отказа.

Кроме того, для средств измерений характерными параметрами,

являются:

(T J может быть приравнен в ряде

случаев к межремонтному периоду и представляет собой интервал времени между двумя очередными поверками средств измерений. Этот показатель наиболее удобен в эксплуатации, так как хорошо вписывается в общую систему эксплуатации. Оценка же его до­

вольно просто может проводиться по проценту забракованных при­

боров при очередной поверке. В более общей формулировке меж­

поверочный интервал можно представить как интервал времени,

в течение которого метрологические характеристики средств из­ мерений удовлетворяют требованиям, зафиксированным в техниче­

ской документации (технических условиях) на эти средства с вероят­ ностью не менее заданной Рзад.

Представим это математически, имея в виду, что точностные параметры, как известно, характеризуются погрешностями измере­ ний и нормируются в виде допусков на эти параметры средств из­ мерений.

Если средство измерения характеризуется Q переменными Х х,

Х2, ■ ■ ., X q , то требования к точностным характеристикам можно

выразить системой переменных:

а требования к надежности средств измерений по метрологическим

характеристикам могут быть выражены как

217

ством (6.2.2), называется допуском на эти параметры. Отсюда сле­ дует, что под допуском понимаются такие границы (установленные

опытом или расчетом) для значений параметров, при которых сред­

ство измерения способно выполнять заданные ему функции, со­

храняя при этом эксплуатационные показатели в течение требуе­

мого времени в определенных условиях.

Метрологический запас (Дм) — запас по точности, характери­

зуемый разностью между нормированным допуском по погрешности

(в соответствии с техническими условиями) и фактическим (паспорт­ ным), а также сужением допустимых пределов для погрешности при

повторных испытаниях средств измерений по сравнению с нормиро­

ванными допусками. Эта характеристика важна потому, что она

определяет такое характерное только для средств измерений поня­

тие, как надежность результата измерения, что отличается от поня­

тия метрологической надежности. От надежности результатов из­

мерений, как легко установить, зависит периодичность метроло­

гических поверок, ремонтов и регулировка средств измерений, а сле­ довательно, и частота простоев обслуживаемого объекта контроля

иуправления, а также стоимость эксплуатации всей системы кон­ троля. Метрологическая надежность определяет, кроме того, такую

важную для средств измерения характеристику, о которой говори­

лось выше, как достоверность измерения (информации). В свою оче­

редь, имеет место и обратное, т. е. надежность и достоверность ре­ зультатов измерений находятся в существенной зависимости от меж­

поверочного интервала, зависящего, кроме приведенного выше, еще

иот условий эксплуатации, целевого назначения средства измерения, его надежности, определенной по внезапным отказам, структуры по­ верок, и т. п. Математически это выражается

Увеличение межповерочных интервалов средств измерений имеет

особое и чрезвычайно важное значение для судовых условий экс­

плуатации, так как постоянная готовность этих средств повышает работоспособность отдельных устройств, установок и судов, учиты­ вая массовость использования средств измерения как в виде отдель­ ных приборов, так и в виде сложных, разветвленных систем авто­ матического контроля, участвующих в управлении. Этот вопрос,

в связи с использованием большого числа разнообразных средств

измерения, стал для судов проблемой и может быть решен, исходя

из предпосылок, изложенных выше, т. е. путем повышения метро­

логической надежности средств измерений, особенно используемых

для контроля главных (важных) параметров. Повышение метроло­ гической надежности одновременно способствует увеличению тех­ нического ресурса средств измерений и их срока службы.

218

Коэффициент скрытых (метрологических) отказов (х). Этим коэффициентом также можно характеризовать метрологическую на­ дежность, приняв равным

интенсивность внезапных отказов.

По аналогии с общей теорией надежности среднее время между метрологическими отказами Тт (при допущении экспоненциального

Из приведенного выше следует еще один важный вывод о необ­ ходимости создания и снабжения судов специальной, встроенной

в основное средство или же переносной проверочной аппаратурой

для своевременного обнаружения скрытых (метрологических) отка­

зов в условиях эксплуатации на судах силами личного состава в меж­

поверочный период эксплуатации.

С другой стороны, следует всемерно повышать уровень метро­

логической надежности средств измерения с целью увеличения сро­

ков периодических поверок (межповерочных сроков), а также их

технического ресурса и общего срока службы.

§ 6.3

КРИТЕРИИ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ

Прежде, чем перейти к вопросу о критериях метрологической надежности, необходимо рассмотреть погрешность средств измере­ ния, начиная с представления погрешности в виде вероятностной модели.

Целесообразно остановиться на двух основных группах моделей

погрешностей средств измерений, наиболее часто встречающихся

в судовой практике, которые могут быть представлены обобщенными кривыми, приведенными на рис. 6.3. На графике показаны две раз­

личные по характеру, но типичные реализации погрешности средств

измерений и границы допустимых значений погрешности 6 — dt и d.2. Погрешность 6 (t) в силу причин, указанных в § 6.1, рассматри­ вается как случайная функция времени (стационарного или неста­ ционарного процесса). Погрешность 6 2 может быть принята как мо­

нотонная функция времени. За рассматриваемый промежуток вре­

мени эта функция может быть случайной величиной для совокуп­

ности однотипных средств измерений или при воздействии на дан­

ный экземпляр прибора совокупности внешних факторов случай­

ного характера.

Наибольший интерес представляет общий случай, характери­ зуемый погрешностью 6Х(t).

219

Из анализа условий работы средств измерения на судах различ­

нием редких аварийных ситуаций, а следовательно, они не подвер­ жены повышенному износу и старению.

2. Время существенного старения, которое принято называть при­

работкой, не входит в период эксплуатации, так как такая прира­

ботка осуществляется на заводе-изготовителе средств измерения еще

до предъявления его на приемку.

3. Внешние дестабилизирующие факторы, действующие на сред­ ства измерения на судах, не изменяются монотонно с течением вре­ мени, а их параметры колеблются в каких-то пределах.

Учитывая приведенные результаты анализа, можно предпола­ гать, что погрешность средства измерения бх (t) является стацио­ нарной случайной функцией времени. В этом случае, если рассматри­ ваемая случайная функция дифференцируема, то для определения

вероятности отсутствия выхода погрешности за допустимое значе­

ние (dlt d2) за интервал времени (0, t), может быть использована тео­ рия выбросов случайной функции [8, 53, 86].

Так, система считается работоспособной, если ее основной пара­ метр (для САК погрешность средства измерения SK0)» находится, как уже указывалось, в заданных пределах, т. е. выполняется нера­ венство

d1 б1 (t) d2.

Система находится в состоянии отказа, если имеет место любое

из неравенств: (/) <С или бх (t) > d2.

Если рассмотреть с этих позиций график, представленный на рис. 6.4, то можно отметить, что момент наступления отказа совпа­ дает с пересечением случайной функцией б х (() прямой d = d1 или

220