Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Надежность систем автоматизации. Учебное пособие
.pdf
элементов. Таким образом, получаем цепочку из двух по-
—
следовательно соединенных элементов, зарезервированную с помощью общего резервирования:
qq
1(1q) 4q 4q q;
Э.
q
обрыв
обрыв обрыв группы
2
2234
q1
234 23
4q 4q q 4q 4q q
2
Структурные схемы для расчета надежности для рассматриваемой схемы показаны на рис. 7.6.
1
2
а)
Рис. 7.6. Структурные схемы для расчета надежности системы защиты
«И — И — ИЛИ»: а — по отказам «короткое замыкание»;
3
4
по отказам «обрыв»
б
1 2
3 4
б)
В случае своей эффективной работы схема дает эффек-
тивность
по снижению вероятности отказа «короткое замыкание» примерно в два раза больше, чем для отказа
«обрыв». Схема эффективна в отношении отказов «короткое замыкание» при q < 0,618, а в отношении отказов «обрыв» — при q < 0,38.
7.3. Расчет показателей надежности системы защиты
Для
примера рассмотрим одну из систем защиты бара-
банного котла, закрывающую задвижку на линии подачи
2
51
основной питательной воды в барабан при повышении
уровня в нем на 150 мм выше номинального (рис. 7.7). Отбор перепада давления по импульсным линиям (ИЛ) поступает на датчик уровня (ДУ) «Сапфир 22-ДГ». Унифицированный токовый сигнал по электрическим кабельным
линиям (КЛ1) поступает на модуль ввода аналоговых сигналов (МВвА), откуда в цифровом виде передается в контроллер ТЕКОН МФК-1500 (К-р). Контроллер (применительно к рассматриваемой задаче) будет выполнять функции «релейного элемента»: при недопустимом повышении
уровня он сформирует соответствующий логический сигнал, который через модуль вывода импульсных сигналов
(МВывИ) по кабельной линии (КЛ2) поступит на пускатель (П), заставляющий вращаться исполнительный механизм (ИМ), закрывающий задвижку (З).
барабан
З
~
ИМ
КЛ2
П
Рис. 7.7. Схема системы защиты по превышению уровня
сигналы от других датчиков
в барабане котла
ДУ
МВывИ
КЛ1 ИЛ
МВвА
К-р
Рассмотрим два варианта схемы: для первого защи-
та будет организована по принципу «один из одного»,
252
второго — «два из трех» (в этом случае схема будет содержать три цепочки ИЛ — ДУ — КЛ1 — МВвА, выходы
которых поступают в контроллер, который и формирует
алгоритм «два из трех»).
Первый вариант: схема «один из одного»
Информационную группу образуют следующие элементы: импульсные линии, датчик уровня, кабельные линии КЛ1 и модуль ввода МВвА. Безотказная работа информационной группы требует работоспособности всех
перечисленных элементов. Поэтому в надежностной схеме
они будут соединены последовательно, и ВБР по внезапным отказам для информационной группы равна произведению ВБР ее элементов:
в ввв
p (2000) p (2000) p (2000) p (2000)
инф ИЛ ДУ КЛ1
в
p (2000) 0,97 0,97 0,96 0,98 0,885.
МВвА
исполнительную группу входят кабельные линии
В
КЛ2, пускатель, исполнительный механизм и задвижка.
Для нормальной работы исполнительной группы также
необходима безотказная работа всех ее элементов, поэтому
в
p (2000)
исп
вввв
p (2000) p (2000) p (2000) p (2000)
КЛ2 П ИМ З
0,96 0,99 0,94 0,8 0,715.
К управляющей группе отнесем контроллер и модуль
вывода
импульсного сигнала. ВБР этой группы по внезап-
ным отказам
ввв
p (2000) p (2000) p (2000)
упр К р МВывИ
0,96 0,98 0,941.
Рассчитаем вероятность безотказной работы системы
защиты относительно отказов «ложное срабатывание».
2
53
Кроме безотказной работы информационной, управляющей и исполнительной групп по внезапным отказам, нам
необходимо учесть, что должны отсутствовать:
–
метрологический отказ датчика, приводящий к не-
допустимому завышению его выходного сигнала;
–
короткое замыкание в кабельных линиях КЛ1
и КЛ2;
–
программный сбой в контроллере (при анализе это-
го пункта будем использовать понятие R, введенное
в разд. 7.1).
Тогда ВБР системы защиты по отказам «ложное срабатывание»
p (2000) p (2000) p (2000) p (2000)
л.ср инф исп упр
мкз кз
p (2000) p (2000) p (2000) R.
ДУ КЛ1 КЛ2
ввв
Определим вероятность правильного срабатывания
программной релейной части на одно срабатывание системы защиты (под одним срабатыванием здесь понимается
один цикл решения всего комплекса задач в контроллере).
При m = 10
5
R 1 1 1 0,99999.
Тогда при
p (2000) 0,885 0,715 0,941 0,93 0,94 0,94 0,99999
л.ср
р
м
p (2000) 0,93 и
ДУ
11
m
0,489.
5
10
кз
p (2000) 0,94
КЛ
Теперь оценим ВБР по отказам «несрабатывание защиты». В данном случае необходимо учесть требование отсутствия:
–
метрологического отказа датчика, приводящего к
недопустимому занижению его выходного сигнала;
254
– обрыва в кабельных линиях КЛ1 и КЛ2;
– программн
ого сбоя в контроллере, приводящего
к несрабатыванию системы.
Тогда
p (2000) p (2000) p (2000) p (2000)
н инф исп упр
мобр обр
p (2000) p (2000) p (2000) p (2000).
ДУ КЛ1 КЛ2 пр.сбой
Для того
знать интенсивность потока аварийных режимов
Принимая
p (2000) e e 0,999998
пр.сбой
При
p (2000) 0,885 0,715 0,941 0,93 0,92 0,92 0,999998
н
обр
p (2000)
ввв
чтобы рассчитать
41
10 ч
ав
.
КЛ1
, получим
2000
рав
=0,92 имеем
p (2000) , необходимо
пр.сбой
1
10
4
10 2000
5
0,469.
.
ав
Общая ВБР системы защиты
p(2000) p (2000) p (2000) 0,489 0,469 0,23.
л.ср н
В предположении экспоненциальности закона распределения наработки до отказа рассчитаем среднюю наработку до отказа «ложное срабатывание защиты». Заметим,
что для отказа «несрабатывание защиты» такой показатель
считать бессмысленно, так как он может получиться
намного меньше, чем средняя наработка на одну аварийную ситуацию, и в результате будет неинформативен.
л.ср
2000
ln p (2000)
л.ср
255
796 ч.
2
Второй вариант: схема «два из трех»
Информационная группа в данном случае будет соответствовать схеме общего пассивного резервирования
с дробной кратностью k = 1/2.
Найдем показатели надежности для одного измерительного канала. Применительно к отказам «ложное срабатывание»
л.ср в м кз
p (2000) p (2000) p (2000) p (2000)
ик инф ДУ КЛ1
0,885 0,93 0,94 0,774.
По отказам «несрабатывание»
нвмобр
p (2000) p (2000) p (2000) p (2000)
ик инф ДУ КЛ1
0,885 0,93 0,92 0,757.
Перейдем от ВБР к вероятности отказа:
л.ср л.ср
q (2000) 1 p (2000) 1 0,774 0,226;
ик ик
нн
q (2000) 1 p (2000) 1 0, 757 0,243.
ик ик
Тогда для системы «два из трех»
л.ср
p (2000)
ик 2из 3
л.ср л.ср
1 3 q (2000) 2 q (2000) 0,87;
1 3 q (2000) 2 q (2000) 0,852.
ик ик
нн
ик ик
23
н
p (2000)
ик 2из 3
23
ВБР исполнительной и управляющей групп не изменится и останется той же, что и в предыдущем расчете.
256
Для алгоритма управления системой защиты
23
11
320,310ч
р
mm
91
и R≈1.
Тогда
л.ср в в
p (2000) p (2000) p (2000) p (2000)
л.ср ик 2из 3 исп упр
кз
p (2000) R
КЛ2
0,87 0,715 0,941 0,94 1 0,55;
p (2000)
н
нвв
p (2000) p (2000) p (2000)
ик 2из 3 исп упр
обр
p (2000) e
КЛ2
0,852 0,715 0,941 0,92 e 0,527;
p(2000) p (2000) p (2000) 0,55 0,527 0,29;
л.ср н
л.ср
2000
ln p (2000)
л.ср
0,3 10 10 2000
рав
94
2000
3345 ч.
Следовательно, по повышению ВБР схема «два из
трех» будет эффективнее схемы «один из одного»
в 0,29/0,23 = 1,26 раза, а средняя наработка до отказа
«ложное срабатывание» системы защиты повысится
в 3345/2796 = 1,2 раза.
Контрольные вопросы к главе 7
1. Чем объясняются повышенные требования к надежности систем технологических защит?
2. На какие группы можно разделить систему технологических защит с точки зрения анализа ее надежности?
Каковы особенности этих групп?
2
57
3. На какие виды можно разделить отказы системы за-
щиты?
4. Предложите вариант системы защиты, улучшающий
ситуацию по ее ложным срабатываниям, с учетом минимизации числа элементов схемы.
5. Докажите, что схема, приведенная на рис. 7.4, одинаково улучшает ситуацию по обоим видам отказов системы технологической защиты.
6. Система защиты построена
по схеме, приведенной на
рис. 7.5. Определите показатели надежности для этой
системы при условии, что ВБР по обоим видам отказов
для элементов 1 и 2 составляет 0,97, а для элементов
3 и 4 — 0,95.
7. Для примера, приведенного в разд. 7.3, рассчитайте, как
изменятся показатели надежности, если не организовывать систему защиты на основе схемы «два из трех
»,
а воспользоваться схемой «три из пяти».
258
ГЛАВА 8. НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ
АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
8.1. Общие сведения о системах регулирования.
Определение отказов.
Внезапные и параметрические отказы
Основу системы автоматического управления сложным
технологическим объектом составляет набор систем автоматического регулирования (АСР), предназначенных для
поддержания технологических параметров на заданном
уровне (может изменяться или оставаться постоянным —
в последнем случае системы регулирования также называют
стабилизирующими системами). Качество работы АСР в
значительной мере определяет эффективность работы технологических объектов управления (ТОУ). Как правило,
ТОУ представляет собой достаточно сложную взаимосвязанную систему, когда любой из технологических параметров оказывает влияние на другие параметры объекта. Поэтому любой из технологических параметров можно рассматривать как случайную величину, для которой эффект от
применения средств автоматического регулирования проявляется в приближении ее математического ожидания к заданному уровню и снижении дисперсии ее колебаний.
Требования к надежности систем регулирования достаточно высоки: нормально вести технологический процесс
без средств управления невозможно. Отказы АСР приводят как минимум к ухудшению технологических и экономических показателей работы ТОУ, а в некоторых случаях
могут привести и к его вынужденному останову.
По структуре системы регулирования можно разделить
на одноконтурные и многоконтурные (каскадные) АСР, в которых для повышения качества регулирования применяются
2
59
дополнительные информационные или управляющие сигна-
~
лы. Особенности расчета надежности для таких систем уже
были нами кратко рассмотрены при изучении принципов построения структурных схем (см. разд. 4.2): мы определили,
что отказ «дополнительных» элементов, как правило, приводит не к внезапному, а к параметрическому отказу.
Рассмотрим техническую структуру простейшей одноконтурной системы более подробно (рис. 8.1).
РО
Регулирующий
параметр
Регулируемый
параметр
ТОУ
ИМ
Д
МВвД
П / У
НП
К-р
МВывА/И
БРУ
Р-р
Зд
МВвА
МСх
ОСт
Рис. 8.1. Техническая структура одноконтурной АСР
Значение регулируемого параметра измеряется с помощью датчика (Д) и через нормирующий преобразователь
(НП) поступает в модуль ввода аналоговых сигналов
(МВвА), подключенный к контроллеру (К-р). Заметим, что
нормирующий преобразователь может отсутствовать, если
датчик выдает сигнал, относящийся к унифицированным,
260
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]