Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Надёжность систем автоматического управления технологическими процессами. Учебно-методическое пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
К а ф е д р а «Механизация, автоматизация и энергоснабжение строительства»
А.С. ФАДЕЕВ, О.В. САМОХВАЛОВ
НАДЁЖНОСТЬ СИСТЕМ
АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
Учебно-методическое пособие
Самара
Самарский государственный технический университет
2022
1
Печатается по решению учебно-методической комиссии Академии стро-
ительства и архитектуры СамГТУ (протокол № 14 от 23.08.2021 г.).
УДК 681.51(075.8)
ББК 32.966я73
Ф 152
Фадеев А.С.
Надёжность систем автоматического управления технологическими
процессами: учебно-методическое пособие / А.С. Фадеев, О.В. Самохвалов. –
Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2022. – 75 с.
Приводятся основные определения и понятия теории надёжности объектов
и систем, показатели надёжности, определяющие их безотказность, ремонтопригодность и восстанавливаемость. Рассмотрены основные методы расчёта
надёжности систем при внезапных и постепенных отказах. Приведены методики и вопросы для практических занятий, вариативные задачи для индивидуального решения студентами, примеры расчёта надёжности систем управления,
а также способы повышения их характеристик.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки:
08.03.01 «Строительство», профилю «Механизация и автоматизация строительства» при освоении дисциплины «Основы надёжности машин и средств
автоматизации», 08.04.01 «Строительство», профилю «Комплексная механизация строительства» при освоении дисциплины «Надёжность строительных
машин и технологического оборудования», – а также может быть полезно как
дополнительный источник по дисциплинам: «Автоматизация промышленных
установок и технологических комплексов» и «Автоматизация технологических
процессов при производстве строительных материалов, изделий и конструкций» указанных профилей.
Ре ц е н з е н т ы : канд. техн. наук, доцент А.А. Ионов,
канд. техн. наук, доцент И.В. Дуданов
УДК 681.51(075.8)
ББК 32.966я73
© А.С. Фадеев, О.В. Самохвалов, 2022
© Самарский государственный
технический университет, 2022
Ф 152
ВВЕДЕНИЕ
Изучение надёжности систем автоматического управления технологическими процессами имеет своей целью подготовку квалифицированных специалистов, обладающих знаниями и практическими
навыками в области обеспечения надёжности машин и средств автоматизации на всём протяжении жизненного цикла технических систем. Студенты по окончании изучения дисциплины будут способны
самостоятельно ставить и решать сложные технические задачи в этой
области. Изучение учебного курса по надёжности систем автоматического управления способствует расширению научного кругозора и повышению квалификации в профессиональной сфере будущего бакалавра профиля «Механизация и автоматизация строительства» и магистра
профиля «Комплексная механизация строительства» по направлению
«Строительство».
Настоящее учебное пособие посвящено рассмотрению методик к
практическому решению задач по наиболее значимым темам курса.
Кроме того, рассмотрена методика и пример расчёта надёжности системы управления, способы повышения её характеристик. Также
пособие содержит вопросы по практическим занятиям и основные
определения теории надёжности.
3
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ТЕОРИИ НАДЁЖНОСТИ
На сегодняшний день строительная отрасль развивается бурными
темпами, что требует роста производительности труда. Этого возможно добиться путем механизации и автоматизации строительного
производства. Вопросы механизации решаются двумя путями: вопервых, совмещением нескольких операций в одной технологической
установке, во-вторых, повышением точности выполняемых работ. И в
том, и в другом случае конструкция машин становится все более
сложной, что ведет к тому, что для этого оборудования нужно разрабатывать системы автоматического управления. В результате получается современное, сложное, автоматизированное или автоматическое технологическое оборудование, состоящее из большого количества узлов и систем, для которого нужно обеспечить надёжную
работу в течение длительного времени. Здесь на помощь приходит
такая дисциплина, как теория надёжности.
Теория надёжности – наука, изучающая общие закономерности,
которых следует придерживаться при проектировании, испытаниях, изготовлении, приёмке и эксплуатации технических систем или их элементов для получения максимальной эффективности их использования.
Исходя из определения, становится понятным, что теория
надежности должна решать практические вопросы на всех стадиях
жизненного цикла технологического оборудования, таких как проектирование, изготовление, эксплуатация.
В процессе проектирования технологического оборудования и
систем управления им необходимо определить требуемые показатели
надежности путём применения соответствующих элементов, изделий,
материалов и т. д. При изготовлении оборудования и его узлов необходимо реализовать уровень надежности, заложенный в проекте. В
процессе эксплуатации необходимо поддерживать заданный уровень
надёжности путём правильно спланированных и проводимых технических осмотров, обслуживания и ремонта соответствующих деталей и узлов оборудования.
4
Также вопрос обеспечения надежности встает при модернизации
оборудования, так как после модернизации оборудования показатели
надежности не должны ухудшаться.
Для понимания теории надежности необходимо ознакомиться с
понятийным аппаратом этой дисциплины. Основные термины и
определения приведены в ГОСТ 27.002-2015 [1]. Далее приведём эти
термины применительно к технологическому оборудованию строительной индустрии и системам управления ими.
Техническая система (ТС) – это технический объект, состоящий
из взаимосвязанных элементов, предназначенный для выполнения
определенных функций. Под ТС будем понимать технологическое
оборудование, системы автоматического управления или технологическое оборудование, оснащённое системами управления.
Элемент – это объект, который в конкретной задаче рассматривается как единое целое.
Например, если рассмотреть подшипник, то он может быть как
элементом, так и системой. Он является системой, состоящей из
внутреннего и внешнего колец, тел качения, сепаратора и др. элементов в том случае, если предметом рассмотрения является сам подшипник. Если же рассматривать его в составе, к примеру, экскаватора, то он будет являться элементом, обладающим некоторыми параметрами надёжности. И действительно, если рассматривать каждое тело качения в нескольких сотнях подшипников экскаватора,
то расчёт надёжности будет невообразимо громоздкий, сложный и
неоправданно трудоёмкий.
ГОСТ 27.002-2015 [1] определяет надёжность как свойство ТС
сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в
заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.
Надёжность является комплексным свойством ТС [9], в которое
входят такие характеристики, как безотказность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность. Связь терминов, составляющих
надёжность объектов и систем, показана на рис. 1.1. Из него видно,
что надёжность является одной из характеристик ТС, наряду с техническим состоянием и приспособленностью к восстановлению.
5
Рис. 1.1. Взаимосвязь характеристик технических систем,
определяющих надежность как комплексное свойство
Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или наработки в заданных режимах и условиях применения.
Свойство объекта сохранять работоспособность до наступления
предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов называется долговечностью.
Сохраняемость – это свойство ТС непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после хранения,
транспортирования. Это свойство важно для любой ТС, так как в
процессе транспортирования или при хранении чаще всего происходит снижение характеристик надёжности. Особенно интенсивно это
происходит, если транспортирование или хранение длятся долго, а
ТС к этим режимам не подготовлена должным образом. В составе систем могут быть элементы с ограниченным сроком службы, которые обязательно с течением времени будут снижать характеристики
надёжности, например, резиновые уплотнители, сальники и др.
6
Ремонтоспособностью называется свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и устранению их последствий путём проведения ремонта и технического обслуживания. То
есть ТС, обладающую высокими показателями ремонтоспособности,
удобно и просто осматривать, обслуживать и ремонтировать, но стоит
помнить также о том, что её нужно ещё безопасно и эффективно
эксплуатировать.
Техническое состояние – состояние ТС, характеризуемое совокупностью установленных в документации параметров, описывающих её способность выполнять требуемые функции в рассматриваемых условиях.
Исправным состоянием (исправностью) ТС называется такое её
состояние, при котором она соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией (НТД). Если ТС
не соответствует хотя бы одному из этих требований, то она находится в неисправном состоянии.
Если ТС находится в состоянии, при котором она способна выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров
в пределах, установленных НТД, то она находится в работоспособ-
ном состоянии. Если же хотя бы один параметр, характеризующий
способность ТС выполнять заданные функции, не соответствует
установленным требованием НТД, то такая система находится в не-
работоспособным состоянии.
Понятие исправности шире понятия работоспособности. Для того
чтобы понять разницу, рассмотрим пример. При работе автомобиля
нарушилась работа коробки перемены передач. При этом нельзя
включить высокие передачи, но на низких передачах машина способна выполнять свои функции. Так как рассматриваемая ТС выполняет
свои функции, но не в полном объеме, оговоренном в НТД (машина
не может двигаться с максимальной скоростью, указанной в НТД),
она находится в неисправном и работоспособном состоянии.
7
Если в том же автомобиле коробка перемены передач заклинила
полностью и невозможно включить никакую передачу, значит, машина не может двигаться вообще. Из этого делаем вывод, что она
не выполняет свои функции и не соответствует требованиям НТД, а
значит, находится в неисправном и неработоспособном состоянии.
Таким образом, если ТС находится в исправном состоянии, то она
работоспособна. Если в неисправном, то она может быть как работоспособной, так и неработоспособной. При этом ТС не может быть неработоспособной и исправной одновременно. Эти соотношения показаны в разделе технического состояния на рис. 1.1.
При длительной эксплуатации ТС [9] может достигнуть предельно-
го состояния, при котором ее дальнейшая эксплуатация должна быть
прекращена. Прекращение работы может быть связано со значительным снижением безопасности эксплуатации, эффективности применения, отклонением заданных в НТД параметров за допустимые пределы. Если в технической системе провести ремонт, то она вернется в
исправное или работоспособное состояние. Но это не всегда возможно.
Если стоимость ремонта очень высокая или поменялись требования
безопасности, которые нельзя выполнить на этом оборудовании, то такую ТС возможно только списать.
Ремонтопригодность – свойство ТС, заключающееся в приспособленности к выполнению его ремонта и техобслуживания.
Ремонтируемой ТС называется система, исправность или работо-
способность которой в случае возникновения отказа или повреждения подлежат восстановлению. В противном случае объект называется неремонтируемым.
Восстанавливаемой называется такая ТС, работоспособность ко-
торой в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в
рассматриваемой ситуации, если же в рассматриваемой ситуации
восстановление работоспособности данной ТС признается нецелесообразным или неосуществимым, то система называется невосстанав-
ливаемой.
Для того чтобы разобраться в этих взаимосвязанных параметрах,
рассмотрим восстановление ТС на примере подшипника качения. Для
того чтобы понять, является ли эта система ремонтируемой, нужно
8
ответить на вопрос: «Можно ли восстановить исправное или работоспособное состояние рассматриваемой системы или элемента в принципе?» Отвечая на этот вопрос для подшипника, понимаем, что он
является изделием ремонтируемым. Чтобы понять, является ли он
восстанавливаемым или нет, нужно оценить, можно ли его восстановить в конкретных условиях. Если восстановление требуется в условиях производства подшипников, то он, несомненно, восстанавливаемый. Если же при отказе машины требуется восстановить подшипник на автомобильной дороге (при неблагоприятных погодных условиях, в пыльной или грязной среде, при отсутствии специализированного инструмента), то он будет невосстанавливаемым элементом.
При рассмотрении решения вопроса ремонтопригодности лампы
накаливания отвечаем на те же вопросы. Ее работоспособность нельзя восстановить, значит, она является неремонтируемой системой.
При этом совершенно не важно, в каких условиях происходит ремонт, а значит, она еще и невосстанавливаемая.
Следовательно, неремонтируемая ТС всегда является невосстанавливаемой. Ремонтируемая ТС может быть как восстанавливаемой,
так и невосстанавливаемой – в зависимости от условий ремонта. Эти
соотношения показаны в разделе приспособленности ТС к восстановлению на рис. 1.1.
Контрольные вопросы
1. Перечислить основные показатели надёжности.
2. Дать определение вероятности безотказной работы.
3. Перечислить показатели безотказности.
4. Дайте определения ремонтируемого и неремонтируемого изделий. При-
вести их примеры.
5. В чем разница исправного и работоспособного состояний технических
систем? Приведите их примеры.
6. Что такое элемент и система?
9
2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ НАДЁЖНОСТИ
СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
2.1. ЗАВИСИМОСТЬ ИНТЕНСИВНОСТИ ОТКАЗОВ ОТ ВРЕМЕНИ
Для большинства технических систем (и, в частности, систем
управления) характерны три вида зависимостей интенсивности отказов от времени, которые соответствуют трём «периодам жизни»
этих устройств (рис. 2.1) [2].
Рис. 2.1. Зависимость интенсивности отказов от времени
Первый вид характеристики. Здесь интенсивность отказов мо-
нотонно уменьшается. Это соответствует периоду приработки, в котором проявляются дефекты технологии и изготовления, и которые
не свойственны конструкции.
Второй вид характеристики. Здесь интенсивность отказов оста-
ётся приблизительно постоянной. Это соответствует так называемому
периоду нормальной эксплуатации. В этот период, как правило, возникают внезапные отказы, свойственные самой конструкции.
Третий вид характеристики. Здесь интенсивность отказов по-
стоянно возрастает. Это соответствует периоду износа, вызванного
процессами старения. В этот период возникают главным образом постепенные отказы [2].
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]