Диагностика и надёжность автоматизированных систем. Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ для студентов по направлению подготов

имеют общепромышленное назначение, то требования задаются безотноси-

тельно к тем системам, в которых эти ТСА функционируют. Критерии отказов

ТСА при этом не зависят от характеристик управляемого объекта и требований

к качеству управления.

Рассмотрим классификацию отказов комплекса технических средств си-

стемы.

Отказ – случайное событие, заключающееся в нарушении работоспособ-

ности системы. Кроме того, отказ автоматической системы определяется как

выход параметра за границы установленного допуска.

Рисунок 3.1 - Случайные процессы изменения выходного параметра: a – верхняя граница допуска; b – нижняя граница допуска;

1 – первая реализация случайного процесса k(t);

2 – вторая реализация случайного процесса k(t);

t , t , t – моменты времени пересечения границ допуска

В эксплуатационных условиях изменение выходного параметра системы

представляет случайную функцию. Если выход параметра k за границу допуска

является опасным, то графически переход из исправного состояния прибора в

неисправное, можно изобразить как пересечение случайной функцией одной из

границ допуска а и или b (рис. 4.1).

При этом выход параметра за границу допуска может происходить либо

скачком (график 1), либо в результате постепенного непрерывного изменения

параметра прибора (график 2).

Поэтому, если исходить из характера изменения параметра, целесообразно

31

разделить отказы приборов и элементов на внезапные и постепенные. Такое де-

ление удобно при расчете безотказности системы (приборов), поскольку внезап-

ный отказ ее вызывается как отказом элементов принципиальной схемы, так и отказом конструктивных и вспомогательных элементов. Для большинства си-

стем и приборов постепенный отказ определяется лишь изменением параметров принципиальной и кинематической схем.

При появлении внезапных отказов не резервированная система не может выполнять предназначаемые функции, в то время как при постепенных отказах небольшие отклонения параметра за границу допусков обычно приводят не к от-

казу системы, а лишь к изменению ее эффективности (в зависимости от вели-

чины отклонения параметра прибора за границу допуска).

При оценке безотказности системы, в случае постепенных отказов, влия-

ние величины отклонения параметра системы за границу допуска можно харак-

теризовать эффективностью параметра системы.

При таком делении отказов элементов на внезапные и постепенные можно считать, что:

отсутствие внезапного отказа свидетельствует о прочности элемента,

постепенное изменение параметра свидетельствует о его точности.

Следовательно, отсутствие обоих отказов может быть интерпретировано как условная прочность.

Для фиксированного интервала времени работы системы безотказность представляет вероятность совместного осуществления двух событий, у которых отсутствуют внезапные и постепенные отказы.

Если внезапные и постепенные отказы независимы, то в соответствии с правилом умножения вероятностей безотказность определяется формулой:

Р = Рвн * Р пост

где Рвн - безотказность системы при возникновении внезапных отказах;

Pпост - безотказность системы, при возникновении постепенных отказах.

32

Характер внезапных отказов определяется в свою очередь типом элемента или прибора, его схемой и конструкцией. Для простейших элементов (детали и несложные узлы) внезапные отказы делятся на два вида:

-обрыв,

-короткое замыкание.

Так как все возможные состояния элементов должны составлять полную группу событий, запишем основное уравнение безотказности для этой группы элементов

Р + q0 +qЗ =1

где qо и qЗ — вероятности отказа элемента вследствие обрыва и короткого замыкания соответственно.

Приборы, содержащие источники энергии, а также элементы, коммутиру-

ющие энергию, характеризуются такими видами внезапных отказов, как обрыв и ложный сигнал на выходе устройства. Т.е., для приборов этой группы вид отказа определяется наличием или отсутствием сигнала на входе прибора.

Кроме внезапных и постепенных отказов, весьма полезно выделить при ис-

следовании надежности автоматических систем прерывистые отказы, часто называемые сбоями (самовосстанавливающимися отказами). Прерывистые от-

казы в основном определяются помехами, воздействующими на систему, а для контактных элементов также и окружающими условиями, например вибрациями для контактов электромеханических реле. Характерную особенность прерыви-

стых отказов составляют определенные трудности обнаружения и их устране-

ния. Эффективным средством предупреждения последствий прерывистых отка-

зов может служить применение коды в дискретных системах.

Показатели надежности ТСА с учетом влияния отказа задаются из числа рассмотренных в лекциях 2, 3. Как правило, эти показатели устанавливаются при следующих условиях: температура окружающего воздуха (20 10) 0С; относитель-

ная влажность30-80%; давление 630-680 мм. рт. столба; отклонение напряжения

33

питания сети +10-15%. Время на котором задается вероятность безотказной ра-

боты, обычно принимается равным 2000 ч. Задание показателей безотказности и долговечности для ТСА, входящих в состав ГСП, является обязательным.

Все рассмотренные выше виды отказов относятся к отказам комплекса тех-

нических средств АСУ ТП. Для описания надежности АСУ ТП в целом необхо-

димо учитывать взаимосвязь системы и технологического объекта управления.

Надежность АСУ ТП, прежде всего, связана со способностью системы выпол-

нять требуемые функции. Тем самым становится естественным использование декомпозиции АСУ ТП как многофункциональной системы по выполняемым функциям. При таком подходе следует ввести понятие отказа функции. В общем случае отказом функции является событие, заключающееся в нарушении хотя бы одного из основных установленных требований к качеству ее выполнения,

возникающее при заданных условиях эксплуатации АСУ ТП и функционирую-

щем при заданных режимах технологическом объекте управления.

Установление критериев отказов функций проводится с учетом классифи-

кации функций в зависимости от требования к качеству их выполнения. Функции АСУ ТП условно подразделяются на простые и составные; непрерывные и дис-

кретные. Рассмотрим требования к выполнению функций АСУ ТП в соответ-

ствии с приведенной классификацией.

требования своевременного и безошибочного выполнения функций,

отсутствия задержек при их реализации задаются для дискретных функций;

требования отсутствия вынужденных перерывов в выполнении функ-

ции и поддержания значений показателей качества их выполнения в заданных пределах задаются для непрерывных функций;

отказ составной функции формулируется как нарушение требований к выполнению некоторого сочетания простых функций, при этом если последствия отказов каждой из простых функций одинаковы, может быть задано требование по ограничению числа одновременно не выполняемых простых функций.

Отказы функций можно классифицировать по следующим признакам:

34

по влиянию на работу объекта управления (вызвавшие аварию с повре-

ждением оборудования, останов технологического процесса, ухудшение каче-

ства протекания технологического процесса);

по причинам возникновения (из-за отказов технических средств, оши-

бок программного обеспечения, неправильных действий персонала);

по степени нарушения работоспособности (например, полные и частичные);

по наличию внешних проявлений (например, явные и неявные);

по виду нарушения для дискретных функций (несрабатывание, заклю-

чающееся в отсутствии сигналов или команд на управление исполнительными механизмами при наличии условий, требующих их функционирования, и ложное срабатывание, заключающееся в выработке сигналов или команд при отсутствии условий, требующих их функционирования).

Показатели надежности функции АСУ ТП выбираются в соответствии с классификацией функции по временному режиму выполнения с учетом класси-

фикации и критериев отказов. Основным показателем безотказности различных непрерывных функции является средняя наработка на отказ. Вместо нее допус-

кается использовать параметр потока отказов, если поток отказов функции явля-

ется стационарным. При рассмотрении поведения функции до первого отказа по-

казателем безотказности является средняя наработка до отказа.

В тех случаях, когда в работе АСУ ТП можно выделить характерные вре-

менные интервалы t1 (например, периодичность капитальных ремонтов техноло-

гического оборудования, периодичность остановов из-за изменений производ-

ственной программы), в качестве показателя безотказности может быть принята вероятность безотказного выполнения функции P(t1).

Основным показателем безотказности и ремонтопригодности дискретных функций по отказам типа «несрабатывание» является вероятность R успешного выполнения заданной процедуры при возникновении запроса.

35

Практической задание

На основании изложенных в практической работе №3 теоретических сведений, а также путем самостоятельного изучения литературных источников, ответить на вопросы.

5 Классификация отказов по причине воз-1. Закономерные и случайные. никновения. 2. Независимые и зависимые.

3. Внезапные и постепенные.

4.Конструктивные, технологические и эксплуатационные.

36

7На каком этапе жизненного цикла системы1. Проектирование. отказы возникают по схемным и конструк-2. Производство.

37

Лабораторная работа № 4

Общие сведения по технической диагностики

Цель практического занятия: изучение методов диагностирования автома-

тизированных систем

Теоретические сведения

Одним из важнейших средств обеспечения и поддержания надежности АСУ является техническая диагностика.

Под технической диагностикой понимается область знаний, разрабатываю-

щая методы и средства поиска отклонений в режимах работы (или состоя-

ниях) АС, обнаружения и устранения дефектов в системах (или ее элементах) и

средства их локализации.

При диагностировании необходимо определить прежде всего, техническое состояние системы в данный момент времени. Это означает, что нужно прове-

рить исправность, работоспособность и (или) правильность функционирования системы (определить, находятся ли значения параметров системы в требуемых пределах, т.е. Система не отказала и правильно выполняет заданную функцию)

или обнаружить дефекты, нарушающие исправность, работоспособность и пра-

вильное функционирование системы. Тогда основную цель диагностирования АСУ можно сформулировать следующим образом: необходимо оценить выход-

ные параметры системы и выявить причины их отклонения от заданных значе-

ний. При этом необходимо учитывать весь диапазон режимов работы системы и условий ее эксплуатации, а так же возможность изменения выходных парамет-

ров во времени (так называемая параметрическая надежность).

Различают тестовое и функциональное диагностирование.

Тестовое диагностирование позволяет проверить техническое состояние системы по тестовому воздействию не нее. По тесту проверяются параметры си-

стемы и ее элементов и причины их отклонения от заданных значений.

38

Функциональное диагностирование позволяет определить техническое со-

стояние системы (или ее элементов) по рабочему воздействию не нее.

Рабочее воздействие контролирует исполнение системой заданных функций при заданных параметрах и выявить причины нарушения ее функционирования.

Тестовое и функциональное диагностирование выполняется по так назы-

ваемому алгоритму диагностирования.

Алгоритм диагностированиясовокупность элементарных проверок в кон-

трольных точках системы и правил, устанавливающих последовательность их про-

ведения, а так же анализ результатов этих проверок, по которым можно определить исправное, работоспособное или состояние правильного функционирования от не-

исправного состояния и уметь отличать дефекты от неисправного состояния.

В алгоритмах тестового диагностирования контрольные точки определены предварительно и они одинаковы для всех проверок и подбираются и подбира-

ются только тестовые воздействия.

В алгоритмах функционального диагностирования предварительно опре-

делены входные воздействия, а выбору подлежат контрольные точки.

При проведении различных элементарных проверок могут требоваться различные затраты на их реализацию. Эти проверки могут давать разную инфор-

мацию о техническом состоянии системы. Одни и те же элементарные проверки могут быть реализованы в различной последовательности. Т.е. Для решения даже одной задачи диагностирования, можно построить несколько алгоритмов.

Таким образом, встает задача разработки оптимальных алгоритмов диагностиро-

вания, при которых затраты на их реализацию будут уменьшены (задача ми-

нимизации в некоторых случаях может быть сильно затруднена, например, труд-

ностями вычисления).

Эффективность диагностирования оценивается качеством алгоритмов ди-

агностирования и качеством средств диагностирования. Средства диагностиро-

вания разделяют, прежде всего, на программные и аппаратные, а так же внешние

(конструктивно выполненные отдельно от системы) и встроенные (являющиеся

39

составной частью системы); ручными, автоматизированными и автоматиче-

скими; специализированными и универсальными.

Методы диагностирования АСУ определяются различными факторами:

выбором объекта диагностирования (узла, блока, элемента и т. п.).

Используемыми диагностическими параметрами (временные, силовые,

электрические, виброакустические и др.) в зависимости от используемых средств диагностирования.

Широко применяется при диагностировании метод контрольных осцилло-

грамм. Метод основан на использовании графиков функции различных парамет-

ров во времени, по которым оцениваются техническое состояние и работоспо-

собность отдельных узлов, блоков и системы в целом.

Суть метода заключается в следующем. Составляют диагностическую мо-

дель, определяют диагностическую ценность разных параметров, оценивают трудоемкость использования параметров для диагностирования, предварительно определяют диагностические параметры, экспериментально проверяют чувстви-

тельность к дефектам и диагностическую ценность параметров, выбирают основ-

ные диагностические параметры для контрольной осциллограммы, определяют внешний вид и характерные особенности кривых выбранных параметров, ампли-

тудные значения и допустимые пределы для кривых основных параметров, со-

ставляют и экспериментально проверяют контрольные осциллограммы, выяв-

ляют взаимосвязь между характерными признаками кривых и состоянием обсле-

дуемых объектов, накапливают и расшифровывают дефекты, составляют диа-

гностические карты и инструкции для выполнения диагностирования.

Метод контрольных осциллограмм может быть реализован как средствами приборной диагностики, так и с помощью ЭВМ в автоматическом режиме. Ис-

пользовать метод целесообразно также на специализированных испытательных стендах для контроля качества изготовления механизмов и узлов станков и в условиях эксплуатации.

Эффективность процессов диагностирования во многом определяется про-

граммными средствами системы.

40