Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Надежность систем автоматизации. Учебное пособие
.pdf
или модуль ввода позволяет подключить соответствующий
неунифицированный сигнал. Значение сигнала в соответствии с параметрами, прописанными в базе данных
SCADA-системы, переводится в технологические единицы
и отображается на мнемосхеме (МСх) операторской станции (ОСт).
Контроллер выполняет функцию регулятора, к нему
также может поступать сигнал от внешнего задатчика (Зд),
устанавливающего требуемый уровень регулируемого параметра. Отметим, что в настоящее время задатчик чаще
всего является программным, а не аппаратным элементом.
Алгоритмический блок регулятора (Р-р) вычисляет отклонение параметра от заданного уровня и подает его на вход
своего алгоритма управления. В соответствии с этим алгоритмом вычисляется необходимое управляющее воздействие, поступающее на блок ручного управления (БРУ).
Так же как и задатчик, БРУ в настоящее время выполняется не аппаратным, а программным элементом (например,
алгоблок «Управление клапаном» в SCADA-системе
«Квинт»). В режиме автоматического управления БРУ
просто передает сигнал к исполнительным цепям. Но при
отказе алгоблока регулятора он дает возможность оператору осуществлять ручное управление, ориентируясь на информацию мнемосхемы (точность и качество подобного
управления, как правило, намного ниже, чем в случае автоматического регулирования).
Сигнал с блока ручного управления через модуль вывода импульсных или аналоговых сигналов (МВывА/И)
поступает на пускатель или усилитель (П/У), заставляющий вращаться исполнительный механизм (ИМ), который
управляет регулирующим органом (РО). Дополнительно в
систему через модуль ввода дискретных сигналов (МВвД)
поступают сигналы от путевых и концевых выключателей
исполнительного механизма, предназначенные для работы
261
сигнализации и блокировок. Также в контроллер через
МВвА подается информация о положении исполнительного механизма.
С точки зрения назначения элементов в системе регулирования можно выделить три основные группы: информационную, управляющую и исполнительную.
Информационная группа состоит из датчиков, указателей положения, нормирующих преобразователей и модулей ввода аналоговых и дискретных сигналов. Ее задача —
собрать информацию о параметрах технологического процесса и состоянии арматуры.
Основной элемент управляющей группы — регулирующий блок контроллера. В соответствии с алгоритмом
управления он преобразует сигнал, полученный от информационной группы, в управляющие сигналы.
Эти сигналы подаются к элементам исполнительной
группы, в которую входят пускатели, усилители мощности, исполнительные механизмы и регулирующие органы.
Исполнительная группа осуществляет изменение регулирующего воздействия.
8.1.1. Определение отказов
В зависимости от характеристик процесса изменения
параметров систем регулирования их отказы разделяют на
внезапные и постепенные, то есть параметрические. Поток
отказов АСР можно представить в виде суммы потоков
внезапных и параметрических отказов. Тогда параметр потока отказов определится как (t) =
(t) + П(t), где
ВН
ВН(t) и П(t) — параметры потоков внезапных и парамет-
рических отказов АСР. Если эти потоки являются независимыми, то вероятность безотказной работы системы регулирования
262
p(t) p (t) p (t),
где
p(t)иp(t) — вероятности безотказной работы АСР
вн п
вн п
соответственно по внезапным и параметрическим отказам.
Внезапные отказы АСР являются явными, время их
обнаружения достаточно мало. Внезапные отказы систем
регулирования в основном относятся к трем типам:
1. Несрабатывание АСР, то есть отсутствие изменения
регулирующего воздействия при отклонении регулируемого параметра. К такому отказу системы может привести
отказ любого ее элемента.
2. Ложное срабатывание АСР, то есть изменение регулирующего воздействия при отсутствии отклонения регулируемого параметра. К такому отказу могут привести отказы датчика, задатчика, нормирующего преобразователя, регулятора,
пускателя (усилителя мощности) и регулирующего органа.
3. Сохранение включенного состояния при снятии командного сигнала, то есть после устранения отклонения
регулируемого параметра. К этому отказу системы приводят отказы регулятора, пускателя (усилителя мощности)
и регулирующего органа.
У значительной части АСР резервирование осуществляется только с помощью оперативного персонала (и, в случае
их наличия, независимых каналов измерения регулируемой
величины, входящих в систему теплового контроля).
Отказ любого элемента системы приводит к прекращению автоматического регулирования, то есть к отказу всей
АСР. Поэтому структурная схема для расчета надежности
функции автоматического регулирования будет образована
с помощью последовательного соединения элементов, а
поток внезапных отказов АСР будет являться суммой потоков внезапных отказов ее элементов.
При неизменных условиях эксплуатации поток отказов
каждого элемента АСР близок к процессу восстановления.
2
63
Закон распределения времени между внезапными отказами
элементов обычно незначительно отличается от экспоненциального. Вследствие этого при неизменных условиях эксплуатации поток внезапных отказов АСР близок к простейшему.
Параметрические отказы АСР проявляются как
ухудшение качества ее работы. Качество работы АСР связано с набором показателей состояния регулируемой величины и набором допустимых отклонений по этим параметрам. При выходе параметра за допустимые пределы наступает параметрический отказ. В качестве примеров причин
параметрического отказа приведем следующие:
– метрологический отказ датчика регулируемого па-
раметра;
– неправильный выбор и установка параметров
настроек регулирующего блока;
– люфт исполнительного механизма;
– изменения режима работы технологического обору-
дования. При этом настройки АСР, как правило,
рассчитаны для некоторого диапазона изменения
параметров, и при переходе к другому режиму бу-
дет необходима их коррекция. Заметим, что для
адаптивных систем регулирования это будет проис-
ходить автоматически, а в обычных АСР это необ-
ходимо делать вручную.
В качестве наиболее распространенных критериев
параметрических отказов применяют следующие:
(динамическая ошибка превышает до-
–
дин дин
доп
пустимую);
–
(статическая ошибка превышает допу-
ст ст
доп
стимую);
–
(степень затухания меньше допустимой).
доп
264
На практике параметрические отказы обнаруживаются
по значительным отклонениям регулируемой величины от
заданного значения и устраняются за счет изменения параметров настройки регулирующих блоков.
8.2. Расчет надежности регулятора,
резервированного оперативным персоналом
Различные примеры расчета надежности функции ре-
гулирования рассмотрим на базе АСР температуры перегретого пара за котлом. Схема функциональной структуры
системы показана на рис. 8.2. Структурно схема представляет собой типовую двухконтурную АСР с исчезающим
сигналом из промежуточной точки.
Температура пара за котлом измеряется с помощью
термоэлектрического преобразователя (поз. 1а). Регулирующий алгоблок контроллера (поз. 1в) формирует сигнал
рассогласования и в соответствии с заданным законом регулирования вырабатывает управляющее воздействие, которое в автоматическом режиме через алгоблок, имитирующий БРУ (поз. 1г), передается на пускатель, усиливается
им (поз. 1д) и подается на исполнительный механизм (поз.
1ж) с датчиком положения (1е). Исполнительный механизм воздействует на положение регулирующего органа
(поз. 1з), тем самым изменяя расход воды на впрыск, подаваемой в пароохладитель.
Для улучшения качества регулирования на алгоблок
регулятора также подается сигнал о скорости изменения
температуры за пароохладителем, формируемый с помощью термопары (поз. 2а) и алгоблока дифференциатора
(поз. 2в).
2
65
Рис. 8.2. Схема функциональной структуры АСР температуры
перегретого пара
Типы приборов и их ВБР по внезапным отказам приве-
дены в табл. 8.1.
Т а б л и ц а 8.1
Данные о надежности элементов АСР
экономичности процесса горения
Номер
по схеме
1а, 2а Термопара ТХК
1в, 2в Контроллер ТЕКОН МФК-1500 0,92
Пускатель бесконтактный ревер-
1д
сивный
Электрический однооборотный
1ж + 1е
исполнительный механизм с
датчиком указателя положения
1з Регулирующий орган
1б, 2б, 1г
Мнемосхема операторской станции
Кабельные линии КЛ
*
– точечная оценка (см. гл. 9);
**
– значение дано с учетом надежности модулей ввода/вывода.
Наименование Тип
ПБР-2М 0,99
МЭО 0,94
ПК 0,99
2000 часов
ВБР на
*
0,98
**
*
0,8
*
0,96
266
Рассмотрим несколько вариантов расчета показателей
надежности.
8.2.1. Определение показателей безотказности АСР
температуры пара без учета действия оперативного
персонала
Рассмотрим
функцию регулирования. При составлении
структурной схемы необходимо учесть, что отказы элементов 2а и 2в не приведут к внезапному отказу всей системы. Это связано с тем, что при отсутствии корректирующего сигнала по скорости изменения температуры за пароохладителем АСР будет продолжать выполнять функцию регулирования (тогда схема системы регулирования
сведется к простой одноконтурной АСР). Естественно, что
качество регулирования при этом ухудшится.
Таким образом, отказы элементов внутреннего контура
приведут лишь к параметрическому отказу всей системы, а в
образовании внезапного отказа системы участвовать не будут.
Отметим и тот факт, что элементы 1б и 2б в вырабатывании управляющего воздействия непосредственно не
участвуют и, следовательно, не войдут в структурные схемы надежности функции регулирования (рис. 8.3). Это же
касается и элемента 1г, в режиме автоматического управления не выполняющего никаких отдельных функций.
1а
ТХК
КЛ
(от 1а)
1в
К-р
КЛ
(от 1в)
1д
ПБР
Рис. 8.3. Структурная схема для расчета надежности функции
автоматического регулирования по внезапным отказам
1ж
МЭО
2
1з
РО
67
Вероятность безотказного выполнения функции автоматического регулирования на 2 000 часов по внезапным
отказам
авт рег ТХК КЛ ТЕКОН
(2000) p (2000) p (2000) p (2000)
p (2000) p (2000) p (2000) p (2000)
КЛ ПБР МЭО РО
0,98 0,96 0,92 0,96 0,99 0,94 0,8 0,619.
Средняя наработка до внезапного отказа функции автоматического регулирования (в предположении экспоненциальности закона распределения наработки до отказа)
авт рег
2000 2000
ln p (2000) ln 0,619
рег
4170ч.
Для сравнения найдем вероятность отсутствия внезапных отказов на 2 000 часов для всего комплекса приборов
(при этом не будем учитывать отказ операторской станции,
поскольку, как правило, она является резервированной
с высокой кратностью резервирования):
p (2000) p (2000) p (2000) p (2000)
общ авт рег 2а КЛ от 2а
0,619 0,98 0,96 0,582.
Средняя наработка до первого внезапного отказа одно-
го из элементов системы регулирования
общ
2000 2000
ln p (2000) ln 0,582
общ
3695ч.
Таким образом, средняя наработка до первого отказа в
системе регулирования в 1,13 раза меньше, чем средняя
наработка до первого отказа функции автоматического регулирования.
268
8.2.2. Определение показателей безотказности АСР
температуры пара с учетом действий оперативного
персонала
В
АСР, выполненных на базе аналоговой регулирующей техники, предусматривалось наличие блоков ручного
управления и вторичных показывающих приборов как отдельных аппаратных элементов системы. Это позволяло
(в случае отказа задатчиков и регулирующих блоков) вести
управление в ручном режиме с помощью БРУ, ориентируясь на показания вторичных приборов. Таким образом,
с точки зрения надежности при расчете показателей по
функциональным отказам оператор совместно с БРУ и показывающими приборами как бы «резервировал» задатчики и регуляторы, что повышало общую надежность АСР.
В современных условиях применение SCADA-систем
и микропроцессорных контроллеров привело к практически полному исчезновению БРУ как отдельного аппаратного элемента: оператор по-прежнему имеет возможность
вести ручное управление, но для этого (так же, как и в случае автоматического регулирования) требуется работоспособность контроллера. Поэтому учет наличия оперативного персонала при анализе надежности работы АСР имеет
смысл вести только с позиций параметрических отказов.
Ограничимся практически важным случаем, когда регулирование производится в условиях значительных изменений нагрузки на котел. При этом объект регулирования является нестационарным, и его постоянные времени на малых
нагрузках возрастают по сравнению с работой при большой
паропроизводительности [19]. При этом достаточно трудно
настроить регулятор и дифференциатор таким образом,
чтобы они с требуемым качеством справлялись с отработкой
возмущений во всем диапазоне нагрузок, что и может привести к появлению параметрического отказа.
2
69
Рассмотрим ситуацию, когда источником параметрического отказа является параметрический отказ алгоблоков
регулятора и дифференциатора в контроллере. Допустим,
что ВБР на 2 000 часов такого алгоблока по параметрическим отказам составляет p
(2000) = 0,9. Тогда (с уче-
алг пар
том наличия двух алгоблоков, а также необходимости отсутствия внезапного отказа контроллера и дополнительных
элементов, связанных с измерением температуры пара за
пароохладителем), ВБР системы по параметрическим отказам без учета действий персонала будет равна
p (2000) p (2000) p (2000) p (2000)
пар общ алг пар алг пар
0,582 0,9 0,9 0,471.
В этом случае средняя наработка до отказа
пар
2000 2000
ln p (2000) ln 0, 471
пар
2656ч.
Теперь учтем действия оперативного персонала, при
необходимости вмешивающегося в процесс управления и
осуществляющего регулирование в ручном режиме. В этом
случае он является частью «резервной» цепочки (рис. 8.4).
При расчетах будем считать, что ВБР оператора по параметрическим отказам равна ВБР регулирующего алгоблока: p
(2000) = 0,9.
оп-р
Вероятность безотказного выполнения функции регулирования в системе с учетом действий оперативного
персонала (по параметрическим отказам)
p (2000) p (2000)
парс учетомоператора общ
1 1 p (2000) 1 p (2000) p (2000)
алг пар оп р Оп.ст
0,582 1 1 0,9 1 0,9 0,99 0,57.
2
2
270
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]