Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Надежность систем автоматизации. Учебное пособие
.pdf
рассматривать также и параметрические, связанные именно со снижением качества работы.
6.2. Отказы систем измерения
Разделим все отказы, происходящие в системах измерения, на явные и неявные. Явные отказы систем измерения обнаруживаются оперативным персоналом практически сразу после их возникновения, время выявления
явного отказа можно принять равным нулю. Проведения
поверок для обнаружения подобных отказов не требуется.
Типичный пример явного отказа — отсутствие показаний
вследствие отключения монитора операторской станции.
Другим примером является отсутствие подачи питания на
термометр сопротивления. В этом случае соответствующие программные средства ПТК обнаружат отсутствие
сигнала от датчика, о чем сразу же будет сообщено оперативному персоналу. Явные отказы являются внезапными и чаще всего связаны с разрушениями элементов приборов.
Неявные отказы в средствах и системах измерения
соответствуют выходу нормированных метрологических
характеристик за пределы допустимых значений. Обнаружить подобный отказ в момент его возникновения практически невозможно. Для установления факта наличия или
отсутствия такого отказа необходимо провести процедуру
поверки.
Выходы метрологических характеристик средств и систем измерения за пределы допустимых значений принято
называть метрологическими отказами. С точки зрения
характера изменения параметров метрологические отказы
являются постепенными.
2
21
6.2.1. Явные отказы
Можно считать, что проведение поверок и выявление
метрологических отказов не влияют на появление явных
отказов. Обычно средство измерения после явного отказа
сразу отключается, а его свойства после отказа полностью
восстанавливаются.
При определении показателей надежности систем измерения важно понимать, что часть из средств измерения
следует относить к невосстанавливаемым элементам. Для
примера рассмотрим канал измерения температуры
(рис. 6.1).
КП КЛ
КХС
ТП
Рис. 6.1. Канал измерения температуры
Ш – 78
ПТК
Сигнал с термоэлектрического преобразователя (ТП)
по термоэлектродным компенсационным проводам (КП)
через коробку холодных спаев (КХС), предназначенную
для введения поправки на температуру холодных спаев,
поступает на нормирующий преобразователь Ш-78. Затем
по кабельным линиям (КЛ) преобразованный токовый сигнал поступает на модуль аналогового ввода, входящий
в состав ПТК.
Определимся с возможностью восстановления элементов схемы. К заведомо восстанавливаемым элементам следует отнести:
коробку холодных спаев;
нормирующий преобразователь;
222
кабельные линии;
ПТК.
Восстановление этих элементов не представляет трудностей, так как не связано с протеканием основного технологического процесса. В отношении термопары и термоэлектродных проводов все будет зависеть от места и способа установки датчика. Часто замена датчика не представляется возможной без останова основного технологического процесса. Например, датчик температуры, установленный в активной зоне реактора, будет считаться
невосстанавливаемым, так как его замена возможна только
после останова основного технологического процесса.
С другой стороны, если датчик установлен в трубопроводе
с помощью соответствующей закладной конструкции, позволяющей легко осуществить его замену, то он может считаться восстанавливаемым элементом.
Таким образом, при дальнейших расчетах при отнесении части измерительной системы к невосстанавливаемым
элементам возможны два варианта:
1. Вся система будет отнесена к невосстанавливаемым
элементам, и целью расчета будет определение показателей безотказности. Этот вариант хорош тем, что позволяет
получить пессимистический прогноз показателей надежности.
2. Расчет будет проводиться с помощью методов, характерных для восстанавливаемых систем. Тогда состояния, связанные с отказами невосстанавливаемых элементов, необходимо считать поглощающими.
Если временем восстановления пренебречь, то последовательность явных отказов будет образовывать процесс
восстановления. У систем без резервирования устройства
и узлы, составляющие измерительный канал, включены
по последовательной надежностной схеме (это будет верно
и для рассмотренной системы измерения температуры).
2
23
Поток отказов такой системы является суперпозицией потоков отказов отдельных элементов системы. Тогда моделью потока явных отказов такой системы может являться
простейший поток.
6.2.2. Метрологические отказы
Существенной особенностью метрологических отказов
является то, что попадание в неработоспособное состояние
в результате этих отказов может иметь устойчивый и неустойчивый характер. В зависимости от этого отказы делят
на устойчивые и неустойчивые (перемежающиеся).
Восстановление после устойчивых метрологических
отказов возможно только после их обнаружения в процессе
проведения поверок. Восстановление после неустойчивых
отказов возможно и без проведения поверки. В этом случае
система измерения вследствие самопроизвольных колебаний параметров и проведения профилактических работ сама «возвращает» свои метрологические характеристики
в область допустимых значений.
Рассмотрим произвольный интервал времени (0, t),
на котором система функционирует без проведения поверок. Будем считать, что явных отказов на рассматриваемом
интервале не происходит. Это вполне допустимо, так как
(по сравнению с метрологическими) время выявления явных отказов пренебрежимо мало, а восстановление происходит достаточно быстро.
Выделим три основных состояния системы:
«0»: работоспособное состояние (погрешность
не превышает значение, заданное классом точности);
«1»: неработоспособное состояние (погрешность
выше допустимой), в которое система перешла
вследствие неустойчивого отказа;
224
«2»: неработоспособное состояние после устойчи-
вого отказа.
Еще раз отметим, что в данном случае под «неработоспособным» мы понимаем состояние, в котором система
продолжает свою работу, но с недопустимым ухудшением
показателей качества.
Случайный процесс перехода из состояния в состояние
будет относиться к марковским. При отсутствии поверок
состояние «2» является поглощающим, так как переход из
него в другие состояния невозможен.
н
0 1
н
Граф состояний для рассматриваемого случая показан на
рис. 6.2. Допустим, что интенсивность перехода в состояние
неустойчивого метрологического
у
отказа равна н, интенсивность
самопроизвольного восстановле-
2
Рис. 6.2. Граф состояний
системы измерения
ния из этого состояния — н,
а интенсивность перехода в состояние устойчивого метрологи-
ческого отказа — у.
Для описания надежности системы применим метод переходных интенсивностей. Система дифференциальных уравнений будет выглядеть следующим образом:
dP (t)
0
dt
dP (t)
1
dt
dP (t)
2
dt
P (t) P (t) P (t) 1.
012
()P(t)P(t);
ну0 н1
P(t) P(t);
н0 н1
P(t);
у0
2
25
Предполагая, что в начальный момент времени систе-
ма находилась в работоспособном состоянии, запишем
преобразование Лапласа для первых трех уравнений системы:
(s ) P (s) P (s) 1;
ну0 н1
(s ) P (s) P (s) 0;
н1 н0
s P (s) P (s) 0.
2у0
Решение системы примет вид
s
P(s) ;
0
P(s) ;
1
P(s) .
2
2
s( )s
нун ун
2
s( )s
нун ун
2
ss ( )s
нун ун
н
н
s
ун
Проводя разложение найденных изображений Pi(s) на
сумму простейших дробей и применяя обратное преобразование Лапласа, получаем следующие формулы вероятностей пребывания в состояниях:
P(t) ( )e ( )e
0н1н2
P(t) e e
2у
1
21
н
P(t) e e
1
нн1 н2
12 11 2 22 1
12
() ()
tt
12
tt
21
tt
12
;
226
;
,
где
11
()()4;
1нун нун ун
22
11
()()4.
2нун нун ун
22
2
2
Исходя из полученных выражений вероятностей, нахо-
дим средние длительности пребывания системы на интервале времени (0, t) в соответствующих состояниях
и
как
2
t
P(t)dt
ii
0
а
также среднюю долю времени неисправного функциони-
,
, 1
0
рования, то есть среднюю долю времени, в течение которого в системе измерения погрешность превышает допустимое значение:
(t) 1
12
012 012
0
.
Для нашей системы
tt
(t) 1
()e ( )e ()2
2н 1 1н 2 н1 2 12
12
tt
12
ze z e ( )t z
12 ун123
,
где
z;
12н ун1
z;
21 н ун2
z( )( )2 ( )
312ну 12н12 ун
ун
1
ун
2
2
27
21
.
В отличие от других подсистем АСУ надежность систем измерения по параметрическим отказам принято характеризовать не ВБР, коэффициентом готовности или
средней наработкой, а именно средней долей времени неисправного функционирования. Важность этой характеристики связана с тем, что в большинстве систем автоматического управления последствия метрологических отказов
зависят не столько от факта отказа, сколько от длительности функционирования системы после отказа в неисправном состоянии. Именно в ограничении этой длительности
и заключается эффект проведения поверок.
Для примера рассчитаем среднюю долю времени
неисправного функционирования системы измерения,
для которой
= 0,001 ч–1, у = 0,0005 ч–1 и н = 0,004 ч–1
н
(рис. 6.3).
(t)
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
Рис. 6.3. Средняя доля времени неисправного функционирования
системы измерения
= 0,001 ч
н
= 0,0005 ч
у
= 0,004 ч–1
н
228
–1
–1
t, ч
По графику (t) видно, что при достаточно большом
времени система практически постоянно будет давать неверные показания.
Естественно, что чем чаще будут производиться поверки и (в случае необходимости) ремонты, тем больше
будет эффект от снижения (t). Например, при проведении
поверок через каждые 1 000 ч график изменит свой вид
так, как показано на рис. 6.4 (считаем, что после проведения поверки свойства средства измерения восстанавливаются полностью и начинается отсчет нового временнóго
интервала).
Естественно, что величины интенсивностей перехода
из состояния в состояние также будут оказывать влияние
на поведение (t). Это влияние наиболее сильно проявляется на начальном этапе функционирования, что и показано на графиках на рис. 6.5.
(t)
0,4
0,2
0
0 500 1000 1500 2000
Рис. 6.4. С
системы измерения при периодическом проведении поверок
редняя доля времени неисправного функционирования
= 0,001 ч
н
= 0,0005 ч
у
= 0,004 ч–1
н
2
29
–1
–1
t, ч
(t)
0,8
0,6
0,4
= 0,001 ч
н
у = 0,0005 ч
н = 0,004 ч–1
–1
–1
; у; 0,5н
н
0,2н; у; н
0,2
н; у;
0
0 2000 4000 6000 8000
Рис. 6.5. Средняя доля времени неисправного функционирования
системы измерения при разных значениях интенсивностей отказов
н; 0,4у; н
н
и восстановления
t, ч
6.3. Безотказность средств и систем измерения.
Надежность одноканальных однофункциональных
средств и систем измерения
Основной составляющей надежности для средств и систем измерения является безотказность, поэтому, не оценивая техническую возможность или невозможность восстановления, для средств и систем измерения обычно оценивают именно показатели безотказности. В качестве основных выступают следующие показатели:
ВБР;
средняя наработка до отказа;
интенсивность отказов.
Расчет показателей надежности средств и систем измерения может быть проведен по каждому из видов отказов
230
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]