книги из ГПНТБ / Штейнберг, Ш. Е. Промышленные автоматические регуляторы

Глава семнадцатая

Н А Д Е Ж Н О С Т Ь О Б Щ Е П Р О М Ы Ш Л Е Н Н Ы Х

Р Е Г У Л Я Т О Р О В

17-1. П Р О Б Л Е М А Н А Д Е Ж Н О С Т И РЕГУЛЯТОРОВ

Проблема надежности промышленных автоматических регуляторов стала в последнее время особенно важной. Это вызвано использованием регуляторов для осуществ­ ления ответственных функций по обеспечению техноло­ гического режима, ранее выполнявшихся оператором вручную, увеличением производственной мощности, при­ ходящейся на один агрегат, интенсификацией технологи­ ческих процессов. Выход регуляторов из строя может привести к значительному ущербу, связанному со сниже­ нием производительности, выпуском бракованной про­ дукции, потерям сырья и энергии, а иногда и авариям агрегатов. В то же время улучшение статических и дина­ мических характеристик регуляторов (например, повы­ шение точности датчиков, расширение диапазона изме­ нения параметров динамической настройки регулирую­ щих блоков) приводит к усложнению аппаратуры и без принятия специальных мер может понизить ее надеж­ ность.

Увеличение числа регуляторов, использующихся на автоматизируемых объектах (например, на одном бло­ ке «котел—турбина» мощностью 300 Мет устанавливает­ ся более 100 регуляторов), вызывает рост затрат на их эксплуатацию, причем эти затраты резко повышаются при использовании ненадежной аппаратуры.

Решение проблемы надежности регуляторов требует проведения ряда мероприятий на этапах разработки, из­ готовления и эксплуатации регуляторов и проектирова­ ния САР.

К мероприятиям, проводимым при разработке ре­ гуляторов, относится выбор оптимальных (из условий надежности) элементной базы, электрических, механиче­ ских, тепловых и других режимов работы элементов, спо­ собов и кратности резервирования, а также применение встроенного контроля исправности, использование стан­ дартных и унифицированных элементов и узлов.

522

К мероприятиям по повышению надежности, проводи­ мым на этапе изготовления регуляторов, относятся орга­ низация входного контроля материалов и комплектую­ щих изделий, совершенствование технологии производст­ ва, введение технологической тренировки, контроль качества производства.

При проектировании САР необходимы выбор регуля­ торов и входящих в них устройств с учетом надежности, применение тех или иных способов резервирования ре­ гуляторов в цело^і и устройств.

Наконец, к мероприятиям, проводимым на этапе экс­ плуатации регуляторов, относятся проведение плановопрофилактических работ с установленными периодично­ стью и объемом, обеспечение регуляторов необходимым количеством запасных частей, определение численности обслуживающего персонала и структуры организации об­ служивания.

Надежность любых технических изделий, в том числе автоматических регуляторов, определяется четырьмя со­

пример, коэффициент пропорциональности, зона нечувст­ вительности) находятся в заданных пределах. Тогда от­ казом регулятора назовем событие, заключающееся в выходе какой-либо из этих характеристик за заданные пределы. Аналогичным образом отказом входящего в ре­ гулятор устройства назовем событие, заключающееся в выходе какой-либо из основных характеристик устрой­ ства за заданные пределы.

Определение последних производится согласно ГОСТ или техническим условиям на устройства. Например, от­ казом датчика является увеличение его погрешности сверх допустимой.

Свойство автоматического регулятора (устройства) сохранять работоспособность в течение требуемого про­ межутка времени без вынужденных перерывов носит на­ звание безотказности. Безотказность устройств зависит от режима их работы, внешних воздействий. Так, безот­ казность пневматических релейных элементов снижается с увеличением давления питания и частоты включений, повышением температуры и вибрации. Безотказность

регулятора зависит от безотказности и количества вхо­ дящих в его состав устройств и повышается при их ре­ зервировании.

После каждого отказа (в пределах определенного срока службы устройств) следует восстановление, по окончании которого регулятор вновь продолжает функ­ ционирование. Свойство регулятора, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, обнаруже­ нию и устранению отказов путем проведения техническо- ' го обслуживания и ремонтов, называется ремонтопри­ годностью. Ремонтопригодность регулятора повышается при выполнении устройств в виде отдельных, легко за­ меняемых блоков. Следует отметить, что характери­ стики ремонтопригодности существенно зависят не толь­

Долговечность регулятора — свойство сохранять ра­ ботоспособность до предельного состояния с необходи­ мыми перерывами для технического обслуживания и ре­ монта — играет менее существенную роль, чем два пре­ дыдущих свойства. В течение 5—10 лет эксплуатации ре­ гуляторов при капитальных ремонтах или вследствие отказов заменяется значительная часть узлов и элемен­ тов. Кроме того, моральное старение регуляторов насту­ пает зачастую ранее, чем физическое. Вследствие этого вопросы долговечности ниже затрагиваться не будут. Не будут рассматриваться и вопросы сохраняемости (свой­ ства сохранять эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортирования), посколь­ ку устройства, входящие в регулятор, обычно не подвер­ гаются длительному хранению.

Таким образом, важнейшими составляющими надеж­ ности, рассматриваемыми ниже, являются безотказность и ремонтопригодность, характеристики которых необхо­ димо учитывать при решении проблемы надежности ре­ гуляторов.

Проблема надежности промышленных автоматиче­ ских регуляторов имеет некоторые специфические оа> бенности, которые нужно учитывать при определении и использовании их количественных характеристик на­ дежности.

1. Регулятор является частью замкнутой САР. По­ этому выбор допустимых пределов изменения характе-

\524

ристик регулятора, при которых еще сохраняется его ра­ ботоспособность, определяется требованиями к показа­ телям качества регулирования (например, к статической или динамической ошибке) конкретной САР, в которой установлен регулятор. Для расчета допустимых измене­ ний характеристик регулятора по заданным показателям качества САР должны быть известны свойства объекта и возмущающих воздействий. Очевидно, что одинаковые регуляторы в различных САР могут иметь разные допу­ стимые пределы изменения характеристик вследствие от­ личающихся требований к показателям качества и свойств объекта и возмущений.

Возможен и иной способ выбора допустимых преде­ лов изменения характеристик регуляторов, когда эти пре­ делы непосредственно задаются ГОСТ, ТУ или же опре­ деляются через указанные выше пределы изменения характеристик устройств. Однако выход какой-либо ха­ рактеристики устройства за выбранные таким образом пределы может не привести к прекращению функциони­ рования регулятора в замкнутой САР. Поэтому этот спо­ соб выбора пределов изменения характеристик регуля­ тора затрудняет использование найденных характеристик надежности для дальнейшего анализа надежности САР.

Первый способ выбора пределов изменения характе­ ристик обычно используется при анализе надежности ре­ гулятора в замкнутой САР (например, при сборе сведе­ ний об эксплуатационной надежности), второй — при проверке работоспособности регулятора, не входящего в замкнутую САР (например, при испытаниях в лабо­ раторных условиях).

2. В значительной части промышленных систем пре­ дусматривается возможность использования оператора и аппаратуры дистанционного (ручного) управления для замены регулятора на время прекращения его функцио­ нирования. Чаще всего оператор и аппаратура дистан­ ционного управления резервируют регулирующее устрой­ ство; при отказах исполнительного механизма оператор может осуществлять управление технологическим про­ цессом, перемещая регулирующий орган вручную. Иног­ да даже при отказе датчика оператор может управлять

525

часто может осуществлять управление даже более чем одним регулирующим органом.

Наличие резервирования с помощью оператора не­ сколько снижает требования к надежности регуляторов (но повышает при этом требования к надежности аппа­ ратуры дистанционного и ручного управления).

17-2. ХАРАКТЕРИСТИКИ Н А Д Е Ж Н О С Т И

а) КЛАССИФИКАЦИЯ ОТКАЗОВ

В зависимости от характера изменения параметров до момента возникновения отказа отказы можно разделить на внезапные и постепенные. Отказы, которые наступа­ ют в результате резкого, скачкообразного изменения одного из параметров регулятора, называются внезапны­ ми, а наступающие в результате длительного, по­ степенного изменения параметров, — постепенными. Раз­ граничение отказов на внезапные и постепенные является в некоторой степени условным и зависит от возможно­ сти контроля процессов изменения параметров. Внезап­ ные отказы регулятора обычно имеют характер обрывов, поломок, замыканий и часто проявляются в нарушении цепи прохождения сигнала (например, сгорание термо­ пары, залипание контактов магнитного пускателя). По­ степенные отказы часто имеют характер разрегулировок (например, дрейф нуля усилителя, изменение зоны воз­ врата релейных элементов). Восстановление регулятора после внезапных отказов, как правило, производится пу­ тем замены или ремонта отказавшего устройства (эле­ мента). Восстановление регулятора после постепенных отказов, имевших характер разрегулировки, производит­ ся путем изменения задания или параметров настройки с помощью специально предназначенных для этого при­ способлений (например, переменных резисторов в элек­ трических регуляторах или переменных дросселей в гид­ равлических и пневматических регуляторах).

В зависимости от последствий отказы 'можно разде­ лить на полные и частичные. Отказы, при которых регу­ лятор полностью прекращает функционирование, назы­ ваются полными. К ним, например, относятся отказы, при которых прерывается цепь прохождения сигнала. От­ казы, которые приводят только к ухудшению качества

526

процесса регулирования сверх допустимых пределов, на­ зываются частичными.

Отказы регуляторов можно также разделить на пер­ вичные и вторичные. Первичными называются такие, ко­ торые не являются следствием других, ранее возникших отказов; вторичными — отказы, являющиеся следствием ранее возникших. Например, первичным отказом регу­ лятора может быть разрегулировка концевых выключа­ телей, вторичным — сгорание электродвигателя исполни­ тельного механизма.

Классификация отказов устройств, входящих в регу­ лятор, аналогична приведенной.

6) ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕЗОТКАЗНОСТИ

Рассмотрим график функционирования регулятора (рис. 17-1, а) . Отключения регулятора могут иметь ме­ сто как из-за отказов, так и из-за планово-профилакти-

Рис. 17-1. График функционирования регулятора с учетом всех про­ стоев (а) и с учетом простоев только из-за отказов (б).

ческих работ, отключений технологического агрегата, на котором установлен регулятор, из-за циклического графи­ ка работы, когда регулятор выключается на определен-

527

ные промежутки времени, определяемые режимом рабо­ ты агрегата.

Продолжительность работы регулятора определяет его наработку. Наработка регулятора измеряется едини­ цами времени (часами, сутками).

Исключим из графика функционирования регулятора периоды простоя по всем причинам, кроме отказов (рис. 17-1,6), и рассмотрим полученную при этом после­

надежности промышленных регуляторов показал, что

для анализа безотказности можно рассматривать только случайную последовательность моментов отказов, прене­ брегая продолжительностью восстановления. Эта случай­ ная последовательность носит название потока отказов. Длительности восстановления, характеризующие ремон­ топригодность, при этом изучаются отдельно от момен­ тов отказов и интервалов времени между ними.

Основными характеристиками безотказности регуля­ торов и входящих в них устройств являются интенсив­ ность потока отказов u(t), наработка на отказ tcp и ве­ роятность безотказной работы Р(х, т - И) на некотором отрезке времени (т, x-\-t).

Интенсивностью потока отказов называется функция

Определение интенсивности потока можно упростить, приняв предположение о наличии у потока определен­ ного свойства — стационарности.

Поток отказов называется стационарным, если его вероятностная структура не зависит от сдвига во време­ ни. В частности, в стационарном потоке закон распреде-

528

ления числа отказов на любом отрезке времени (т, т + / ) зависит только от величины промежутка t и не зависит от момента т его начала. Причинами нестационарности потока отказов регуляторов являются наличие периодов приработки после пуска в эксплуатацию, изменение ус­ ловий эксплуатации (например, температуры) по опре­ деленному, неслучайному закону.

зателем, не зависящим от времени. В этом случае интен­ сивность потока отказов можно определить как матема­

определение) интенсивности потока отказов одного регу­ лятора, получаемая при испытаниях k одинаковых ре­ гуляторов с наработкой т каждого регулятора, нахо­ дится из равенства

здесь ПІ — число отказов t-ro регулятора.

Величина т 2 носит название суммарной наработки.

Приведенная выше оценка интенсивности потока от­ казов носит название точечной: она характеризует вели­ чину оцениваемого показателя в виде точки на числовой оси, ничего не говоря о точности и достоверности полу­ ченной оценки. Для учета точности и достоверности по­ следней введем верхнюю одностороннюю доверительную границу интенсивности потока ив. Она определяется со­ отношением

« в ] , который с фиксированной вероятностью 1—q «на­ крывает» неизвестное нам истинное значение интенсив­ ности и. Значение верхней доверительной границы ин-

529

тенсивиости потока отказов зависит от числа отказов п, имевших место при испытаниях надежности. Чем боль­ ше число п, т. е. чем больше число испытываемых регу­ ляторов k и длительность испытаний т, тем верхняя гра­ ница ив ближе к истинному значению и.

Точечная оценка интенсивности и не зависит от вида потока, верхняя доверительная граница ив, как будет по­ казано ниже, зависит от вида потока.

Следующей характеристикой безотказности регулято­ ра — наработкой на отказ — называется математическое ожидание времени между отказами; оценка наработки на отказ находится из соотношения

п

или момент включения регулятора после профилактиче­ ского обслуживания в предположении, что это обслужи­ вание полностью восстанавливает свойства регулятора. Тогда т = 0, вероятность безотказной работы на отрезке (О, t) является функцией только времени t и обозначает­ ся P(t). Если фиксировать и время /, то вероятность без­ отказной работы является количественным показателем.

где kt — число регуляторов, отказавших в течение време­ ни t; k — число испытываемых регуляторов.

Доверительные границы наработки на отказ и веро­ ятности безотказной работы определяются по соотноше­ ниям, аналогичным (17-3).

ГОСТ 13216-67 установлены ряды показателей безот­

530

сивности потока отказов при доверительной вероятности 1—# = 0,8 должна выбираться из ряда

(0,8; 1,6; 3,2; 6,3; 12,5; 25; 50; 100; 200; 400; 800; 1 600; 3 200)- 10~6 \/ч.

Нижняя граница вероятности безотказной работы PH(t) за заданное время t при доверительной вероятно­ сти 0,8 должна выбираться из ряда

0,999; 0,99; 0,98; 0,96; 0,94; 0,92; 0,9; 0,85; 0,8; 0,75.

Время t обычно принимается равным 2 000 ч. Эти по­ казатели устанавливаются для условий работы, близких к номинальным, например, температуре окружающего воздуха 20+5 °С.

в) МОДЕЛИ ПОТОКОВ ОТКАЗОВ

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные мо­ дели потоков отказов и характеристики безотказности, получаемые при применении этих моделей. Для этого приведем еще два основных свойства потока, помимо ука­ занного выше свойства стационарности.

Поток отказов называется потоком без последейст­ вия, если числа отказов на любых не пересекающихся друг с другом отрезках времени представляют собой не­ зависимые случайные величины. В частности, выполне­ ние требования отсутствия последействия означает, что закон распределения числа отказов на любом отрезке времени не зависит от числа отказов до и после этого отрезка. Причинами последействия в потоках отказов ре­ гуляторов являются случайное изменение условий экс­ плуатации (температуры, влажности, вибрации), а так­ же изменения квалификации обслуживающего персона­ ла и связанного с этим качества профилактических мероприятий.

Поток отказов считается ординарным, если практи­ чески невозможно одновременное наступление двух или более отказов. Практика исследования потоков отказов регуляторов показала, что неординарность незначитель­ но влияет на свойства потока и поэтому влиянием неор­ динарности можно пренебречь.

Наибольшее распространение для описания безотказ­ ности регуляторов получил так называемый простейший поток, который одновременно обладает свойствами ста­ ционарности, отсутствием последействия и ординарности,

531