Учебно-методическое пособие по курсу Диагностика и надежность автоматизированных систем

План УМД на 2015/16 уч.г.

Учебно-методическое пособие по курсу

ДИАГНОСТИКА И НАДЕЖНОСТЬ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

Составитель В.П.Соколов, профессор

Издание утверждено на заседании кафедры.

Рецензент Г.А.Птицын, профессор

2

1. Основные термины и определения технической диагностики. Методы поиска неисправностей

Техническая диагностика (ТД) – это область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов.

Цель ТД – обеспечение надежности объекта. Объекты ТД – любые технические системы (ТС).

Задача диагностирования ТС решается получением различными способами диагностической информации о составных частях системы.

Термин «проверка» включает в себя все возможные способы получения информации о техническом состояния ТС, начиная с внешнего осмотра, оценки качества работы отдельных ее элементов при помощи средств измерений или органо-лептическими методами.

Измерением называют процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств – средств измерений.

Основные способы проведения диагностических проверок: способ

внешнего осмотра, способ измерений и способ характерного признака.

Основные методы поиска неисправностей: метод поэлементных проверок, метод последовательных групповых проверок, комбинированный метод.

Метод последовательных поэлементных проверок. При использовании этого метода элементы проверяют последовательно, по одному и анализируют состояние рассматриваемой ТС после каждой проверки. Программа поиска в зависимости от числа отыскиваемых неисправностей может быть как жесткой, при которой последовательность проверок устанавливается заранее и не изменяется в процессе поиска, так и гибкой, когда очередная проверка является следствием анализа состояния ТС с учетом результатов ранее выполненных проверок.

Метод последовательных групповых проверок. При использовании этого метода проверяют группы элементов с анализом состояния ТС после каждой проверки и гибкой программой поиска.

Комбинационный метод. При использовании этого метода выполняют проверки групп элементов и анализируют состояние рассматриваемой ТС после проведения полной группы проверок, обеспечивающей однозначное определение неисправного элемента. Последовательность проверок может быть произвольной.

Наиболее распространенным критерием поиска неисправностей является критерий половинного разбиения.

Суть критерия половинного разбиения по вероятностям отказа

заключается в том, что элементы системы разбивают на две группы, состоящие из приблизительно равного количества элементов. Определив группу, содержащую неисправный элемент, ее вновь разбивают на две равные части и опять выделяют ту подгруппу, в которой находится неисправный элемент и т.д. Поиск

3

продолжается до установления отказа. Этот критерий позволяет минимизировать только одну характеристику проверки — число проверяемых элементов. Такая схема поиска предпочтительна в том случае, когда остальные характеристики не оказывают на данную проверку влияния, т.е. когда qi = q; θi = θ (вероятностью qi того, что неисправный элемент находится в проверяемой группе; длительностью выполнения проверки θi·). В иных случаях этот критерий минимизирует максимальное число проверок, необходимое для обнаружения неисправностей любого элемента.

Технический контроль — это проверка соответствия объекта (продукции, процессов ее создания, применения, транспортировки, хранения и технического обслуживания, ремонта, а также технической документации) установленным техническим требованиям.

Контроль технического состояния — это проверка соответствия значений параметров объекта требованиям технической документации и определение на этой основе одного из заданных видов технического состояния в данный момент времени.

Результат контроля ТС всегда является качественным решением о состоянии объекта типа «норма-ненорма» или «исправно-неисправно». Для получения этого результата могут использоваться количественные значения параметров, измеряемых в процессе контроля технического состояния системы.

Задача контроля — получить результат, являющийся основанием для принятия решения о способах выполнения целевых задач, о ремонте или об обслуживании ТС. Контроль не изменяет техническое состояние ТС и не повышает значений показателей ее надежности или других эксплуатационнотехнических характеристик.

Виды контроля классифицируют по следующим признакам:

1.По стадии жизненного цикла объекта, на которой осуществляется контроль: производственный — на стадии производства; эксплуатационный — на стадии эксплуатации.

2.По этапу контроля продукции на стадии производства: входной — контроль продукции поставщика, поступившей к потребителю или заказчику и предназначаемой для использования при изготовлении, ремонте или эксплуатации продукции; операционный — контроль продукции или процесса во время выполнения или после завершения технологической операции; приемочный — контроль продукции, по результатам которого принимается решение о ее пригодности к поставкам и/или использованию; инспекционный — контроль, осуществляемый специально уполномоченными лицами с целью проверки эффективности ранее выполненного контроля.

3.По охвату объема или количества продукции: сплошной — контроль каждой единицы продукции в партии; выборочный — контроль выбираемых по определенной методике единиц продукции.

4.По частоте проведения: летучий, проводимый в случайное время; непрерывный, при котором поступление информации о контролируемых

параметрах происходит непрерывно; периодический, при котором

4

поступление информации о контролируемых параметрах происходит через установленные интервалы времени.

5.По сохранности объектов контроля: разрушающий; неразрушающий.

6.По используемым средствам контроля: измерительный, проводимый средствами измерений; регистрационный, осуществляемый регистрацией значений контролируемых параметров продукции или процессов; органолептический, при котором первичная информация воспринимается органами чувств; визуальный, осуществляемый органами зрения; технический осмотр, осуществляемый в основном при помощи органов чувств и, в случае необходимости, средствами контроля, номенклатура которых установлена соответствующей документацией.

2. Основные термины и определения теории надежности

чем дать определение этим характерным признакам, необходимо пояснить два основных понятия теории надежности: работоспособность и отказ (см. ГОСТ

13377-74, ГОСТ 14460-74, ГОСТ 7023774)).

Работоспособность - состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической документации.

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. Укажем основные виды отказов.

Внезапный отказ характеризуется скачкообразным изменением значений одного или нескольких заданных параметров объекта (например, заклинивание вала привода, пробой транзистора, обрыв тяговой цепи конвейера, короткое замыкания витков обмотки электромагнита и т.п.).

Постепенный отказ характеризуется постепенным изменением одного или нескольких заданных параметров объекта (например, подгорание контактов пускателей, стирание трущихся поверхностей вкладышей подшипников и т.п.).

Сбой - самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременному нарушению работоспособности. Причиной сбоев, как правило, являются внешние воздействия (ударно-вибрационные нагрузки, колебания напряжения сети, воздействия внешних магнитных полей и т.п.).

Перемежающийся отказ - многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера.

Конструктивный отказ возникает вследствие несовершенства или нарушения установленного процесса изготовления объекта или его ремонта.

Эксплуатационный отказ возникает вследствие нарушения установленных правил эксплуатации объекта.

На основании приведенных выше двух понятий теории надежности сформулированы характерные признаки надежности.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторой длительности эксплуатации или некоторой наработки.

5

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность — свойство объекта, определяемое его потребностью в операциях технического обслуживания (ремонта) и приспособленностью к выполнению этих операций.

Сохраняемость — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Показатели безотказности . Пр и о пр е д е лен ии количественных показателей безотказности объекты делятся на два класса: невосстанавливаемые и восстанавливаемые.

Невосстанавливаемыми являются объекты, которые в случае возникновения отказа не подлежат либо не поддаются восстановлению.

Восстанавливаемым является объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению.

К показателям безотказности невосстанавливаемых объектов относятся следующие.

Надежностью называется свойство технического объекта сохранять свои характеристики (параметры) в определенных пределах при данных условиях эксплуатации.

Из этого определения следует, что надежность — понятие объективное, не зависимое от нашего сознания.

В природе все, что имеет начало, имеет и конец. В течение жизни объект расходует свои ресурсы и, наконец, погибает. Так же происходит и с надежностью. Создается техническое средство с определенным ресурсом. В процессе эксплуатации оно приносит человеку пользу за счет потери этого ресурса. Оно отказывает (болеет), его ремонтируют (лечат). Этот процесс длится до тех пор, пока эксплуатация технического средства целесообразна.

Этот процесс и все, что с ним связано (применительно к техническим средствам), и изучает теория надежности.

Отказом называется событие, после возникновения которого характеристики технического объекта (параметры) выходят за допустимые пределы.

Это понятие субъективно, т.к. допуск на параметры объекта устанавливает пользователь. Отказ — фундаментальное понятие теории надежности.

В теории надежности под элементом понимают элемент, узел, блок, имеющий показатель надежности, самостоятельно учитываемый при расчете показателей надежности системы. Понятия элемента и системы трансформируются в зависимости от решаемой задачи. Например, станок при оценке его надежности рассматривается как система, состоящая из элементов — деталей, механизмов, узлов и т.п. При оценке надежности технологической линии станок является элементом системы.

Система — совокупность связанных между собой элементов, обладающая свойством (назначением, функцией), отличным от свойств отдельных ее элементов.

6

Практически любой объект с определенной точки зрения может рассматриваться как система. Системой с точки зрения механики являются, например, собранная из стержней стрела крана или труба газопровода. Элементами последней будут ее участки между сварными швами или опорами. Связи в данном случае имеют силовой (энергетический) характер — каждый элемент действует на соседний.

Структура системы — взаимосвязи и взаиморасположение составных частей системы, ее устройство. Расчленение системы на группы элементов может иметь материальную (вещественную), функциональную, алгоритмическую и другую основу. Структура сборного моста состоит из его отдельных, собираемых на месте секций. Грубая структурная схема укажет только эти секции и порядок их соединения. Последнее и есть связи, которые здесь носят силовой характер. Пример функциональной структуры — это деление двигателя внутреннего сгорания на подсистемы питания, смазки, охлаждения, передачи силового момента.

Обычно понятие структура связывают с ее графическим отображением. В зависимости от связей между элементами различают следующие виды структур: последовательные, параллельные, с обратной связью, сетевые и иерархические.

Процесс — это набор состояний системы, соответствующий упорядоченному (непрерывному или дискретному) изменению некоторого параметра, определяющего характеристики (свойства) системы.

Процесс изменения системы во времени называется динамикой системы. Параметрами процесса могут также выступать температура, давление, линейные и угловые координаты и другие физические величины, которые, однако, сами зависят от времени.

Технический объект в процессе функционирования может находиться в различных состояниях, оцениваемых численными показателями. Приведем термины состояния объекта и их оценки.

Исправность — состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией (НТД).

Работоспособность — состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров, установленных НТД.

Основные параметры характеризуют функционирование объекта при выполнении поставленных задач.

Понятие исправности шире, чем понятие работоспособности. Работоспособный объект обязан удовлетворять лишь тем требованиям НТД, выполнение которых обеспечивает нормальное применение по назначению. Для невосстанавливаемых объектов понятия технического ресурса и наработки до отказа совпадают.

7

Назначенный ресурс — суммарная наработка объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния.

Срок службы — календарная продолжительность эксплуатации (в том числе хранение, ремонт и т.п.) от ее начала до наступления предельного состояния.

Для большинства объектов электромеханики в качестве критерия долговечности чаще всего используется технический ресурс.

В теории надежности важную роль играют такие понятия, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. Часто ошибочно считают эти понятия — составляющие надежности и определяют их как физические свойства. Уточним эти понятия.

Безотказность — это способность объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Часто безотказность отождествляют с понятием "надежность" и характеризуют теми же показателями: вероятностью безотказной работы, средней наработкой

до отказа, средней наработкой на отказ, интенсивностью отказов, параметром потока отказов.

Долговечность — способность объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Долговечность определяется следующими показателями:

-средний ресурс — математическое ожидание технического ресурса;

-гамма-процентный ресурс — наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью γ, выраженной в процентах;

-средний срок службы — математическое ожидание срока службы;

-гамма-процентный срок службы — календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта, в течение, которой он не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью γ, выраженной в процентах.

Ремонтопригодность — способность объекта, заключающаяся в его приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

К показателям ремонтопригодности относятся вероятность восстановления работоспособного состояния в течение заданного времени и среднее время восстановления работоспособного состояния.

Анализ сведений об отказах оборудования при эксплуатации сложных систем показывает, что с течением времени происходит старение элементов и увеличение их отказов, что приводит к значительному росту затрат

8

(материальных, временных, финансовых) ресурсов. Многолетняя практика эксплуатации сложных систем показывает, что важной задачей при поддержании объектов в состоянии работоспособности является организация и проведение технического обслуживания и различных видов ремонтов (восстановлений) элементов систем. Исключительно важна проблема продления ресурса стареющих систем с учетом критериев надежности и уменьшения техногенного риска.

Существуют технические объекты, основным режимом функционирования которых является хранение. К таким объектам относятся системы разового использования, например: системы вооружения, системы с малым коэффициентом использования, запасные элементы, приборы, устройства, хранящиеся на складе, и т.п.

Понятие "надежность", сформулированное ранее, в полной мере относится и к таким объектам. Вводится только новое название "сохраняемость".

Сохраняемостью называется свойство технического объекта сохранять свои характеристики (параметры) в процессе хранения.

Из этого определения следует, что понятия "надежность" и "сохраняемость" тождественны. Их отличие лишь в условиях эксплуатации.

Критериями и показателями сохраняемости могут быть все критерии и показатели, применяемые для оценки надежности техники в процессе ее работы. Однако методы анализа надежности и сохраняемости по этим показателям существенно различны.

В процессе хранения техника не работает. В связи с этим основным видом ее отказа является отказ постепенный, возникающий вследствие старения материалов. Время возникновения такого отказа — величина случайная. Получить экспериментальным путем ее распределения чрезвычайно трудно. В связи с этим прогнозировать показатели сохраняемости в процессе проектирования и создания техники вряд ли возможно.

9

3. Критерии надежности невосстанавливаемых систем

Отказ элемента является событием случайным, а время ξ до его возникновения — случайной величиной. Основной характеристикой надежности элемента является функция распределения продолжительности его безотказной работы F(t) = P(ξ<t), определенная при t > 0. На ее основе могут быть получены следующие показатели надежности невосстанавливаемого элемента:

-P(t) — вероятность его безотказной работы в течение времени t;

-Q(t) = 1 - P(t) — вероятность отказа в течение времени t;

-Tl — среднее время безотказной работы (средняя наработка до отказа);

-f(t) — плотность распределения времени безотказной работы;

-λ(t) — интенсивность отказа в момент времени t;

-Λ(t) — функция ресурса;

-tγ — γ -процентный ресурс — наработка, в течение которой элемент не достигает состояния отказа с вероятностью γ/100.

Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что технический объект не откажет в течение времени t или что время ξ работы до отказа технического объекта больше времени его функционирования t :

Вероятность безотказной работы является убывающей функцией времени,

где Ν0 — общее число образцов, находящихся на испытании, N(t) — число исправно работающих образцов в момент времени t , n(t) — число отказавших образцов в течение времени t . Здесь и далее звездочкой обозначаются величины, полученные по статистическим данным.

Вероятность безотказной работы имеет следующие достоинства:

-характеризует надежность во времени, являясь интервальной оценкой;

-определяет многие важные показатели техники, например эффективность, безопасность, живучесть, риск;

-сравнительно просто вычисляется и определяется по статистическим данным об отказах техники;

-достаточно полно характеризует надежность невосстанавливаемой техники.

Вероятность безотказной работы характеризует надежность невосстанавли-

ваемой техники или восстанавливаемой до первого ее отказа. Плотность распределения времени безотказной работы f(t) — это плотность распределения случайной величины ξ . Она наиболее полно характеризует надежность техники в данный момент (точечная характеристика). По ней можно определить любой показатель надежности невосстанавливаемой сис-

10