Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Надежность технологического оборудования. Анализ видов и последствий отказов. Учебник
.pdf
8.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
При исследовании отказов технологических машин и
оборудования наибольшее применение нашли диаграммы
влияния с ветвящейся структурой, называемые деревьями
(отказов, происшествий, неисправностей, событий). В качестве примера на рис. 8.1 показана структура дерева отказов.
Уровень
Отказ системы в целом
1.
Отказ подсистем
2.
Отказ отдельных элементов
3.
События, вызывающие отказ
4.
Виды воздействий
5.
Рис. 8.1. Структура дерева отказов
Основные достоинства этих моделей: сравнительная простота построения, дальнейшей формализации и алгоритмизации; дедуктивный характер выявления причинно-следственных связей исследуемых явлений и направленность
на изучение их существенных факторов; удобство преобразования таких моделей; наглядность реакции изучаемой системы на изменение структуры; разделение объекта и процесса
его изучения на части; возможность качественного анализа
исследуемых процессов; приспособленность к компьютерной
обработке; доступность для статистического моделирования
и количественной оценки изучаемых явлений, процессов и
их свойств.
Создание дерева заключается в определении его структуры, т.е. выборе элементов (головного события и ему предшествующих предпосылок) и связей между ними (логических
181
8. Анализ и диагностика отказов с помощью информационных графов
условий, соблюдение которых необходимо и достаточно для
возникновения анализируемого события). Для выявления
условий возникновения конкретных происшествий или
аварийности используют обратную (от головного события
дедуктивно к отдельным предпосылкам) или прямую последовательность (от отдельных предпосылок индуктивно
к головному событию).
Из анализа структуры диаграммы влияния следует, что
основными ее компонентами служат узлы (вершины) и связи
(отношения) между ними. В качестве узлов обычно подразумеваются простейшие элементы моделируемых категорий
(переменные или константы) – события, состояния, свойства, а в качестве связей – активности, работы, ресурсы и
другие взаимодействия. Отношения или связи между переменными или константами в узлах диаграммы графически
представляются в виде линий, называемых дугами или ребрами.
Каждые два соединенных между собой узла образуют
ветвь диаграммы. В тех случаях, когда узлы связаны направленными дугами таким образом, что каждый из них является общим ровно для двух ветвей, возникают циклы или
петли.
Переменные в узлах характеризуются фреймами данных – множеством выходов (значений, принимаемых переменными, неизменных во времени и между собой не пересекающихся) и условными распределениями вероятностей
появления каждого из них.
Информационные графы позволяют учесть функциональные взаимосвязи элементов системы в виде логических
схем, учитывающих взаимозависимость отказов элементов
или групп элементов. В общем случае логические графы (такие как деревья отказов и деревья событий) являются лишь
наглядной иллюстрацией к простейшим вероятностным моделям. Однако они представляют значительный интерес для
182
8.2. АНАЛИЗ ДЕРЕВА НЕИСПРАВНОСТЕЙ – АДН (FTA)
специалистов, связанных с эксплуатацией, обслуживанием
технических объектов и надзором за ними. Имея такую схему, специалист, даже не обладая основательными знаниями
по теории вероятностей, может не только найти наиболее
критический вариант развития событий, но и оценить ожидаемый риск, если соответствующее дерево событий или отказов дополнено статистическими данными. Кроме того,
на рынке коммерческих программ (не говоря уже о специализированных) давно имеются программные комплексы для
автоматизированного построения деревьев отказов и деревьев событий сложных систем.
8.2. Анализ дерева неисправностей –
АДН (FTA)
8.2.1. Общие положения
Дерево неисправностей – систематизированное графическое представление условий и факторов, вызывающих или
способствующих появлению ожидаемого итога – завершающего события. Представление приводят в форме, которая может быть понята, проанализирована и по мере необходимости
перестроена таким образом, чтобы облегчить идентификацию
факторов, воздействующих на надежность и характеристики
эффективности технической системы (например, режимов неисправностей компонентов, ошибок оператора, условий окружающей среды, ошибок программного обеспечения), противоречивых требований, которые могут влиять на надежность и
эффективность системы, и общих событий, воздействующих
более чем на один функциональный компонент, который может уменьшить преимущества резервирования.
Анализ дерева неисправностей (АДН) заключается
в определении и анализе условий и факторов, которые приводят или могут привести к возникновению негативных завер-
183
8. Анализ и диагностика отказов с помощью информационных графов
шающих событий – полной или частичной утрате функций,
деградации рабочих характеристик изделия, ухудшению безопасности или других важных рабочих свойств. В зарубежной
практике используют аббревиатуру FTA (Fault Tree Analysis).
АДН является в основном дедуктивным (нисходящим)
методом анализа, нацеленным на точное определение причины или комбинации причин, приводящих к вершине
событий. Анализ главным образом качественный, но в зависимости от некоторых условий он может также быть количественным.
АДН часто используют для анализа эксплуатационной
безопасности транспортных систем, электростанций или
других систем, для которых необходима оценка безопасности. Анализ дерева неисправностей может также использоваться для исследования свойств готовности и ремонтопригодности изделий различных видов.
Основными целями АДН, который проводят независимо
или совместно с другими методами анализа видов и последствий отказов, являются:
– установление причин (или их сочетания), приводящих
к завершающему событию;
– определение соответствия уровня надежности системы
заданным требованиям;
– определение видов возможных отказов или факторов,
вносящих наибольший вклад в вероятность отказа системы,
для оценки возможности улучшения безотказности системы;
– сравнение различных вариантов конструкции для
улучшения безотказности системы и др.
Главное преимущество дерева отказов (по сравнению
с другими методами) заключается в том, что анализ ограничивается выявлением только тех элементов системы и событий, которые приводят к данному конкретному отказу системы или аварии. Достоинства АДН:
– помогает дедуктивно выявлять отказы;
184
8.2. АНАЛИЗ ДЕРЕВА НЕИСПРАВНОСТЕЙ – АДН (FTA)
– позволяет показать в явном виде ненадежные места;
– предоставляет наглядный материал для общения специалистов, в том числе для работников, которые принимают
участие в обслуживании системы;
– дает возможность качественного или количественного
анализа надежности системы;
– обеспечивает глубокое представление о поведении системы и проникновение в процесс ее работы;
– дает конструкторам и пользователям возможность наглядного обоснования конструктивных изменений или установления степени соответствия конструкции системы заданным требованиям надежности и анализа компромиссных
решений;
– облегчает анализ надежности сложных систем.
Недостатки АДН состоят в следующем:
– реализация метода требует значительных затрат
средств и времени;
– дерево отказов представляет собой схему булевой логики, на которой показывают только два состояния: рабочее и
отказавшее;
– трудно учесть состояние частичного отказа элементов,
поскольку при использовании метода обычно считают, что
система находится в исправном состоянии или в состоянии
отказа;
– сложности аналитического решения для деревьев, содержащих резервные узлы и восстанавливаемые узлы с приоритетами, и значительные усилия, которые требуются для
охвата всех видов множественных отказов;
– требует от специалистов по надежности глубокого понимания системы и конкретного рассмотрения каждый раз
только одного определенного отказа;
– дерево отказов описывает систему в определенный момент времени (обычно в установившемся режиме), и последовательности событий могут быть показаны с большим трудом, иногда это оказывается невозможным.
185
8. Анализ и диагностика отказов с помощью информационных графов
8.2.2. Методология анализа дерева
неисправностей
АДН представляет собой дедуктивный (сверху вниз) метод анализа. Анализ может быть качественным или количественным в зависимости от целей и возможностей анализа.
Для конкретной части технического устройства, которая
подлежит проверке с помощью дерева неисправностей, необходимо выполнить следующие этапы (рис. 8.2).
Представление системы
Определение
события в вершине
Сбор информации
о системе
Качественный
анализ дерева
186
Построение дерева
неисправностей
Утверждение
дерева неисправностей
Количественный
анализ дерева
Разработка рекомендаций
для принятия решений
Корректировка
Рис. 8.2. Методология АДН
Определение
целей системы
8.2. АНАЛИЗ ДЕРЕВА НЕИСПРАВНОСТЕЙ – АДН (FTA)
1) Определить событие в вершине.
Необходимо выделить событие, которое желательно достигнуть или, напротив, наступление которого надо предотвратить. Если дерево неисправностей используется для
анализа безопасности системы, главным нежелательным событием является предельно опасная ситуация; при анализе
надежности системы событие в вершине – отказ системы.
2) Собрать сведения о работе системы, подлежащей ана-
лизу.
Вся информация, которая может помочь при исследовании системы, должна быть собрана, внимательно изучена
и систематизирована. Такие материалы обычно включают
принципиальные схемы, карты технологического процесса,
схемы трубопроводов, различные инструкции и т.д.
3) Построить дерево неисправностей.
При построении аналитического дерева надо использовать подходящие логические функции, стандартизованные
символы событий и знаки переносов. При этом следует придерживаться определенной логики рассуждений, чтобы выделить такие события, которые минимально необходимы и
достаточны для обоснованного выбора итогового события.
Другими словами, каждое событие должно быть существенно для логики дерева (необходимость) и не требовать никакой иной информации (достаточность) для достижения соответствующего выхода.
4) Убедиться в справедливости построенного дерева неис-
правностей.
После построения дерева неисправностей необходимо
проверить его справедливость: точность, полнота, наличие
ошибок и упущений. Цель этой проверки состоит в том, чтобы убедиться, что дерево неисправностей отвечает поставленным целям, система и ее действия описываются полно и ясно,
а входные события логических схем необходимы и достаточны для образования объявленных выходных событий.
187
8. Анализ и диагностика отказов с помощью информационных графов
5) Провести качественный и количественный анализ де-
рева неисправностей.
После подтверждения правильности дерева неисправностей оно может быть исследовано в качественном или количественном отношении. Качественный анализ состоит
в определении критических путей, приводящих к событию
в вершине. При необходимости предполагается внесение изменений в систему, и перестройкой дерева неисправностей
проверяют их целесообразность. Вопрос о количественном
анализе дерева неисправностей решается в зависимости
от сложности разработанного дерева и серьезности последствий выявленных рисков.
6) Разработать рекомендации и альтернативные вариан-
ты для принятия решений.
По результатам исследования дерева неисправностей и
различных его видоизменений могут быть предложены рекомендации и предложения, на основе которых могут быть
приняты решения о внесении корректирующих изменений
с соответствующим перестроением и повторным оцениванием дерева неисправностей.
В случае если вероятность развития основных событий
нельзя определить, для исследования причин возможных нежелательных итогов проводят качественный АДН с указанием неколичественной вероятности развития события, например «весьма высокая вероятность», «высокая вероятность»,
«средняя вероятность», «низкая вероятность» и т.п. Первичная цель качественного АДН – определить минимальную
группу событий, которые в случае их совместного появления
приводят к наступлению завершающего события, для того
чтобы установить, как базисные или первичные события
влияют на завершающее событие. При качественном методе
вероятности событий или частоту их возникновения не рассматривают. Это метод заключается в детальном анализе совокупности событий/неисправностей. Его применяют, когда
188
8.2. АНАЛИЗ ДЕРЕВА НЕИСПРАВНОСТЕЙ – АДН (FTA)
необходимо выявить возможные причины неисправностей
безотносительно реальной вероятности их возникновения.
Количественный АДН проводят в том случае, если известны вероятности развития первичных событий. Вероятности развития всех промежуточных событий и завершающего события (итога) могут быть рассчитаны в соответствии
с используемой моделью. При количественном методе в процессе детального анализа дерева неисправностей полностью
моделируют изделие, процесс или систему и оценивают вероятности возникновения базисных событий/неисправностей
или событий, выявленных в ходе анализа. В данном случае
окончательный результат представляет собой вероятность
появления завершающего события, свидетельствующего
о вероятности возникновения неисправности или отказа.
АДН также можно использовать при анализе систем, для
которых характерны сложные взаимоотношения между подсистемами, в том числе взаимодействие программных/аппаратных средств.
8.2.3. Принципы построения дерева
неисправностей
В дереве неисправностей (отказов) используют следую-
щие графические элементы:
а) логические символы дерева неисправностей (вентили);
б) линии, соединяющие входы и выходы вентилей;
в) символы, описывающие промежуточные события;
г) символы входа и выхода из блока;
д) символы основных событий.
Вентили (или клапаны) – символы, показывающие логическую связь входных событий, выходных событий и завершающего события, в том числе статические вентили (выход
не зависит от порядка появления входных данных) и динамические вентили (выход зависит от порядка появления
входных данных).
189
8. Анализ и диагностика отказов с помощью информационных графов
1
А
2
Б
7
Г
21 22
25
10
13
17
26
29 30 31 32
33 34 35 36
14 15 16
18
23 24
27
3
5
8 9
11
28
4
В
6
12
Ж
Д
Е
2019
Рис. 8.3. Термины, используемые в дереве неисправностей
(для электрической цепи): А – завершающее, конечное событие;
Б – промежуточное событие; В – событие, возникающее в другом месте
дерева и представленное вентилем переноса; Г – вентиль ИЛИ;
Д – вентиль И; Е – не развитое событие; Ж – базисное событие
Основные термины и определения АДН приведены
в ГОСТ Р 27.302–2009, некоторые из которых представлены
на рис. 8.3. На рис. 8.3 используются следующие обозначения: 1 – неработающая система; 2 – отказ системы; 3 – отсутствие напряжения; 4 – нет обработки данных; 5 – источник
питания; 6 – микропроцессор; 7 – нет питания от батареи; 8 –
нет фильтрации питания от батареи; 9 – на выходе системы нет
ни одного из двух сигналов; 10 – подача питания от батареи;
11 – фильтрация напряжения; 12 – выходы; 13 – обрыв входного элемента индуктивности; 14 – сглаживающий конден-
190
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]