книги из ГПНТБ / Варжапетян, А. Г. Готовность судовых систем управления

ИЗДАТЕЛЬСТВО «СУДОСТРОЕНИЕ» ЛЕНИНГРАД 1 9 7 3

В18

УДК 629.12.014.0026

£ 3

Книга посвящена исследованию вопросов готовности с учетом судовой специфики. В ней рассмотрен ряд новых направлений в ис­ следовании функции готовности, к числу которых можно отмести анализ «провала» функции готовности, использование электронных вычислительных машин для анализа функции готовности судовых систем управления при их эксплуатации, ремонте и хранении, а также применение для исследования функции готовности математических методов, ранее не использовавшихся для этой цели.

Книга в основном содержит оригинальный материал, полученный авторами в ходе их практической деятельности, а также обобщает данные, содержащиеся в статьях последних лет.

Материал иллюстрируется рядом примеров; в приложениях к книге приведено большое количество процедур и программ, запи­ санных на языке АЛГОЛ, которые позволяют решать чисто аналити­ ческие задачи и задачи моделирования процесса функционирования сложных судовых систем управления с учетом восстановления и огра­ ничений, обусловленных судовой спецификой.

Набор алгоритмов и программ позволит специалистам судострои­ тельных предприятий оценивать вопросы готовности систем еще на стадии проектирования, а также с помощью рассмотренных в книге методов решать оптимальные задачи, способствующие повышению готовности.

Табл. 46. Илл. 116. Литерат. 49 назв.

Рецензент

В. А. ШРАНТАСЬЕВ

Научный редактор д-р техн. наук

О. В. Щ ЕРБАКОВ

© Издательство «Судостроение», 1973 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Исторический XXIV съезд Коммунистической партии Советского Союза наметил грандиозную программу коммунистического строительства. Важную роль в реше­ нии поставленных задач играют морской и речной флоты страны, которые получат еще большее развитие за годы 9-й пятилетки.

Однако уже в настоящее время суда представляют собой сложные инженерные сооружения, оснащенные большим количеством автоматизированных систем и уст­ ройств. Высокая степень автоматизации судов, а также важность решаемых автома­ тизированными системами задач привели к необходимости решения проблемы надеж­ ности их работы. Этому важному вопросу посвящен ряд монографий, выпущенных издательством «Судостроение» [10, 29, 38 и др. ].

По определению ГОСТ 13377—66 и ОСТ 5.0016—70 надежность изделия обуслов­ ливается его безотказностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью, а также долго­ вечностью его частей. Если первая компонента достаточно хорошо изучена, то послед­ ние три, особенно применительно к судовым системам управления, рассмотрены недо­ статочно, хотя они играют большую роль в обеспечении высокой надежности и эф­ фективности флота СССР, так как влияют на снижение скорости судна, на время задержки его в портах, на стоимость ремонта и т. д.

Целью настоящей книги является изучение некоторых вопросов ремонтопригод­ ности и сохраняемости судовых систем управления и, в частности, подробное рассмо­ трение такой важной характеристики, как функция готовности, тем более что суще­ ствующая литература по вопросам надежности уделяет весьма малое внимание ее изучению. В теории восстановления, развитой рядом ученых [18, 24, 35], основное внимание уделяется мгновенному восстановлению. Однако в условиях реальной эксплуатации мгновенное восстановление практически отсутствует. Даже резерви­ рование замещением при наличии идеального переключателя — автомата надежности не обеспечивает в полной мере мгновенного восстановления. Кроме того, проведение плановых профилактических и аварийных контрольных проверок требует значи­ тельного времени и приводит к простоям системы.

В силу сказанного внимательное изучение особенностей поведения систем при конечном времени восстановления имеет большое практическое значение.

В предлагаемой монографии авторы большое внимание уделяют методам опреде­ ления функции готовности, изучению специфики ее поведения, исследованию особен­ ностей функционирования судовых систем управления и изысканию путей повыше­ ния готовности этих систем, что приводит в конечном счете к увеличению эффектив­ ности использования судов в целом.

В начале книги рассматриваются общие вопросы готовности. В частности, уста­ навливается связь характеристик безотказности и готовности и изучаются предель­ ные свойства функции готовности.

Математические методы, применяемые в гл. 2 для анализа функции готовности, хорошо известны, поэтому исследование функции готовности с помощью пред­ лагаемых методов не вызовет затруднений у читателя, желающего применить их на практике. В более сложных случаях в работе приводятся методы, реализуемые с помощью АВМ.

Большое внимание в настоящее время уделяется стоимостным критериям. Поэтому алгоритмы оптимизации по критерию стоимости, рассмотренные в гл. 4, должны привлечь внимание специалистов, занимающихся решением оптимальных задач в области судостроения.

Глава 1

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ГОТОВНОСТИ СУДОВЫХ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Способность восстанавливаемой системы максимальное время нахо­ диться в состоянии работоспособности носит название готовности. На наш взгляд, это свойство систем имеет такое большое значение, что требует углубленного и самостоятельного исследования. В самом деле, многие судовые автоматизированные системы должны работать в течение всего времени плавания и могут характеризоваться показа­ телями готовности. Системы, работающие в режиме дежурства, харак­ теризуются произведением коэффициента готовности и показателя безотказности, если последний обладает свойством стационарности.

Значительная часть судовых систем и устройств восстанавли­ вается в процессе работы, поэтому готовность является одной из их основных технических характеристик. Зачастую разработчики и проектировщики, задавая требования в технических заданиях на разработку, не осознают, что они задают именно характеристики готовности. Например, такие формулировки, как «система не должна находиться в нерабочем состоянии более 100 ч за автономное плава­ ние длительностью полгода» либо «вероятность нахождения в нера­ бочем состоянии за время рабочего цикла (8 ч) должна быть 2%», прямо или косвенно формулируют требования к готовности или вре­ мени использования системы.

Высокая готовность систем зависит от большого числа факторов, среди которых можно назвать длительность циклов работы систем, степень избыточности, параметры потоков отказов и восстановлений, режим и характер профилактики и т. д. Большинство из этих фак­ торов будет рассмотрено в дальнейшем.

Если полагать (как это сделано в большинстве работ по теории восстановления), что восстановление системы происходит мгновенно, то коэффициент готовности будет равен единице. Однако, как пра­ вило, реальные системы обладают конечным (зачастую достаточно большим) временем восстановления. Сокращение времени восста­ новления является одной из важных задач проектирования новых судовых систем автоматического управления.

Ремонтопригодность систем должна обеспечиваться на первых этапах проектирования совместно с обеспечением требований к тех­ ническим характеристикам системы и к ее безотказности.

К числу факторов, влияющих на ремонтопригодность, относятся: сложность агрегатов и узлов системы, компоновка элементов и

5

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ГОТОВНОСТИ

устройств, вес минимального сменного узла, свобода доступа к узлу, степень стандартизации и унификации, невозможность быстрой ло­ кализации отказавшего узла, наличие узла в ЗИПе, возможность ремонта узла и т. д.

При эксплуатации на ремонтопригодность могут также оказы­ вать влияние окружающие условия, документация на систему, квалификация обслуживающего персонала, характер обслуживания и т. д.

Время восстановления прямо зависит от указанных факторов и в общем случае включает в себя ряд составляющих:

а) время обнаружения отказа, особенно в случае резервирован­ ных систем, когда нет индикации первого происшедшего от­ каза;

б) время отыскания отказа, включающее в себя время подго­ товки контрольных приборов и стендов, логических операций по локализации и т. д.;

в) время на подготовку и доставку отказавших узлов из ЗИПа, склада или базы;

г) время на восстановление отказавшего узла (при отсутствии ЗИПа) и его замену;

д) время на проверку системы после ремонта; е) время на незапланированные потери.

Общий учет разнообразных составляющих времени восстановле­ ния в ряде случаев приводит к необходимости рассматривать раз­ личные законы распределения времени восстановления.

Прежде чем переходить к конкретному изложению вопросов, свя­ занных с исследованием функции готовности, рассмотрим, какие виды автоматизированных устройств встречаются на судах и какие функции они выполняют.

Все автоматизированные судовые системы и устройства могут выполнять следующие основные функции:

а) функции автоматизированного управления судами и отдель­ ными системами и устройствами (радиолокационные станции, дви­ жители, энергетические установки, системы управления метеороло­ гическими ракетами и т. д.);

б) функции автоматического управления и регулирования пара­ метров агрегатов или установок (поддержание заданного давления пара, температуры охлаждающей воды, частоты вращения турбины и т. д.);

в) функции автоматической блокировки, защиты и сигнализации для остановки механизмов, дублирования действий оператора, сигна­ лизации и т. п.

Естественно, что наибольший интерес представляет исследова­ ние процессов функционирования систем управления в целом.

При рассмотрении возможных режимов работы судовых систем управления можно выделить три основные фазы использования си­ стем; хранение, эксплуатацию, ремонт,

6

ГЛАВА 1

При хранении в порту все системы как разового, так и много­ кратного действия представляют собой обслуживаемые системы (при наличии профилактики) и характеризуются коэффициентом готов­ ности при хранении. При хранении на судне системы разового дей­ ствия не восстанавливаются и, следовательно, характеризуются уже вероятностью безотказного хранения.

Эксплуатация является основной фазой использования судовых систем управления, которые могут находиться в различных рабо­ чих режимах.

Виды судовых систем управления и режимы их использования при эксплуатации приведены в табл. 1.1. Показатели, характери­ зующие систему в том или ином режиме, выбираются в соответствии с «Методическими указаниями по выбору номенклатуры нормируе­

Понятие готовности как свойства, определяющего надежность, при­ менимо для восстанавливаемых систем с конечным временем восста­ новления и наиболее полно характеризует с вероятностной точки зрения возможность выполнения системой в нужный момент вре­ мени задач, определяемых ее целевым назначением.

7

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ГОТОВНОСТИ

В зависимости от режима работы и условий эксплуатации системы, обусловливающих в конечном счете свойства потока ее отказов, а также в зависимости от особенностей выполняемых системой задач следует использовать различные критерии готовности. Основными критериями являются:

а) функция готовности Г (і) — вероятность того, что система будет работоспособна в любой случайно выбранный момент времени t, принадлежащий ограниченному промежутку [0, /*];

б) функция готовности на промежутке Г (i, s) — вероятность того, что система будет исправна в течение промежутка [/, t + s], t б [0, і*]\

в) коэффициент готовности kr — характеристика, показывающая долю времени, в течение которого система готова к работе, если интервал оценки достаточно велик.

Можно ввести ряд других показателей готовности, отражающих те или иные особенности использования системы. /Мы будем рассмат­ ривать лишь перечисленные выше показатели. При этом будем сле­ довать терминологии, принятой в [30].

Функция готовности. При определении понятия функции готов­ ности, а также некоторых других характеристик надежности будем использовать там, где это удобно, статистический подход, т. е. будем предполагать, что в первоначальный момент времени / = 0 на испы­ тание поставлено N однотипных систем и в дальнейшем испытание проводится по одному из известных планов.

В соответствии с принятым ранее определением функции готов­ ности статистическое ее значение Г* (/) равно отношению числа исправных систем в момент времени t к числу первоначально по­ ставленных на испытание при условии, что отказавшие системы после восстановления вновь вступают в строй. Таким образом,

для любого е > 0. Сходимость по вероятности будет предполагаться и при статистическом определении других критериев надежности.

Так как число исправных систем т (t) в случайный момент вре­ мени t зависит от безотказности системы и ее восстанавливаемости при данных условиях эксплуатации, то Г (I) является функцией этих двух показателей.

Для невосстанавливаемых систем функция готовности совпадает

свероятностью безотказной работы Р ( i f ) :

Г(/) = Р (і).

8