НИРС Андреев / 140600.68_СДМ.В.1.1_Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации. ч1

большое значение имеет выбор оптимального значения частоты модуляции, дли которого суммарные потери в электроприводе будут минимальными.

Задачу обеспечения электромеханической совместимости двигателей с преобразователями нельзя решать в отрыве от решения задачи обеспечения высокого коэффициента полезного действия привода. Для современных преобразователей частоту модуляции выбирают в диапазоне 4...20 кГц.

Лекция №19. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ И СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

1.Основные понятия и задачи обеспечения надежности

2.Оценочный расчет надежности элементов электрооборудования

3.Расчет надежности изделий с учетом надежности программных средств

Литература: Учебное пособие, глава 2.7.1-2.7.3, стр.98-104

1. Основные понятия и задачи обеспечения надежности

Вопросы обеспечения надежной работы оборудования являются основополагающими при его проектировании и создании. В полной мере это относится к электроприводам и системам автоматизации. По общей теории надежности имеется множество учебников и учебных пособий. Особенностью таких объектов, как электроприводы и системы автоматизации является требование обеспечения их определенного ресурса и возможности (и необходимости) проведений регламентных и ремонтных работ, т.е. это оборудование, как правило, относится к восстанавливаемому. Вопросы теории и методов обеспечения надежности невосстанавливаемого или восстанавливаемого радиоэлектронного оборудования рассматриваются в [16], а специфические вопросы по надежности тиристорных преобразователей электроэнергетических систем - в [37, 52, 56].

Согласно ГОСТ 27.002 —83 надежность — комплексное свойство, которое включает в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. В электроэнергетике и электромеханике к этим свойствам добавляют еще готовность, живучесть и безопасность.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Работоспособное состояние (работоспособность) — состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативов. Наработка — продолжительность или объем работы объекта.

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Предельным называется состояние, при котором дальнейшее применение объекта по назначению недопустимо или нецелесообразно либо восстановление его невозможно или невыгодно.

Ремонтопригодность — свойство объекта, связанное с приспособленностью к предупреждению и обнаружению причин появления отказов и повреждений, поддержанию и восстановлению работоспособности путем технического обслуживания и ремонтов.

Переход объекта с одного уровня работоспособности на другой, более низкий, называется отказом. Отказ, произошедший во время выполнения заданных функций, называется отказом в работе (отказом функционирования). Отказы бывают полные и частичные.

Сохраняемость — свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и (или) транспортировки.

Готовность — свойство объекта приступать к выполнению некоторых функций в любой момент времени по требованию, изменяя режим работы без нежелательных переходных процессов. В это понятие включается и управляемость, и устойчивость, и относительная длительность (вероятность) нахождения в работоспособном состоянии.

Живучесть — свойство объекта противостоять внешним и внутренним возмущениям (нарушениям, воздействиям, отказам), не допуская их цепочечного развития и сокращения функционирования ниже жизненно необходимого уровня. В это понятие включается и неуязвимость объекта (в отношении утра-1ы некоторые элементов), и стойкость объекта (в отношении к общим для всех элементов воздействиям).

Безопасность — свойство объекта не создавать опасности для людей и окружающей среды во всех возможных режимах работы и аварийных ситуациях. Учитывая безусловную важность этой составляющей, часто ее выделяют из понятия надежности, говори о надежности и безопасности объектов. Вероятностные показатели надежности следующие: вероятность отказа Q(tp) и вероятность безотказной работы P(tР) за заданное время tp; вероятность восстановления Р(t3) за заданное время t3; вероятность нахождения объекта в любой момент времени определенного периода в состоянии работоспособности (характеризуется коэффициентом готовности КГ) или состоянии неработоспособности (характеризуется коэффициентом простоя qab); условная вероятность Q(s/i) отказа объекта s при возникновении события i{например, отказа устройства защиты при повреждении оборудования). Вероятностные показатели надежности могут быть определены экспериментально-статистическим путем или аналитически на основе вероятностных моделей и других методов расчета. С помощью статистических и расчетных опенок вероятностных показателей надежности формируются критерии для приемки или браковки, критерии выбора наиболее надежных вариантов и критерии оптимальности решений так же, как для рассмотренных ранее показателей свойств объекта во времени. Например, P(tp) < P(tp)ном, — условие браковки, а max — условие выбора. Надежность как свойство конкретного объекта выполнять заданные функции можно охарактеризовать последовательностью наработок на отказ ti. Усредняя оценку наработки на отказ по множеству реализаций и получив оценку среднего значения и рассеяния этой величины, можно уверенно говорить о выполнении

заданных функций данным объектом в ближайшем будущем. Мерой уверенности может служить вероятность безотказной работы или отказа в предстоящем интервале времени. Однако вероятности эти будут условными мерами уверенности, так как предполагается, что существенно не изменятся ни условия функционирования, ни само состояние объекта [18], Условность мер надежности является причиной неопределенности оценок показателей элементов электротехнических установок и систем. Интервал, в который попадают возможные значения частот отказов, составляет от одного до двух-треx порядков. Рассматривая надежность такого класса объектов, как система, можно говорить об условиях ее функционирования при отказах отдельных элементов и изменении внешних воздействий и требований, т.е. о логической мере уверенности в выполнении или невыполнении всех или части ее функций. Переход от логической меры к вероятностной или частотной возможен при условии выполнения оценки показателей надежности элементов. Но эти показатели условны, следовательно, условна и оценка показателей надежности системы. Можно выделить электротехнические объекты высокой, средней и низкой надежности. Объекты высокой надежности за счет хорошо развитого резервирования обеспечивают высокий уровень безотказности. Вероятность их отказа за весь срок службы меньше 10 -6 .Подтвердить этот уровень с большой степенью уверенности не удается ни расчетом, ни экспериментально.

Объекты средней надежности имеют невысокую кратность резервирования, полому не исключены их отказы в процессе работы. В течение расчетного периода эксплуатации отказы могут возникать, но могут и не возникать. Безотказность и восстанавливаемость их обеспечивается средствами зашиты, управления и автоматики, а также профилактикой и ремонтами. Оценки показателей надежности таких объектов получаются довольно точными. Причем точность оценок тем выше, чем больше число элементов, учитываемых в модели. Объекты низкой надежности не имеют избыточных элементов. Их отказы — массовые явления, вероятность возникновения которых в течение года близка к единице. Неопределенность наблюдается только в отношении числа отказов и момента их наступления.

Показатели надежности элементов установок оцениваются средними значениями

исреднеквадратическими погрешностями. Погрешности оценок показателей надежности установок, включая ущерб, вычисляются по формулам теории точности при известных погрешностях исходных данных. Следует отметить, что относительная погрешность полученных при этом результатов, как правило, не превышает относительной погрешности исходных данных.

Задача обеспечения надежности любого оборудования решается на стадиях разработки проекта, производства, доставки к месту установки, хранения, монтажа, испытания и эксплуатации (использования, технического обслуживания

иремонта). Практически обеспечение безотказной и долговечной работы любого электротехнического устройства (оборудования и установок) основывается на обязательном соблюдении требований ПУЭ, ПТЭ, ПТБ и инструкций по его применению, а также проверке технического состояния оборудования, находящегося на складе, в резерве, на техническом обслуживании (включающем в

себя осмотр, измерения, диагностирование, отбраковку).

Контроль функционирования устройств должен осуществляться непрерывно или периодически с помощью информационно-измерительной системы и средств технической диагностики, а также путем непосредственного наблюдения и осмотра, Прогнозирование изменения технического состояния объекта и нагрузок на основе знания процессов деградации и текущей информации о контролируемых параметрах позволяет избежать возникновения отказов по причине его старения и износа.

Избыточность структурная, временная, запаса прочности и ресурса обеспечивает существенную отсрочку момента отказа объекта и дает возможность его предотвращения. Предупреждение отказов возможно при своевременном проведении технического обслуживания (проверки, контроля, испытаний, замены, ремонта) и полноценного восстановления работоспособности оборудования, которые также позволяют продлить срок службы оборудования до запланированного или необходимого уровня.

Все время работы электротехнических установок можно разделить на три периода. В первом периоде выходят из строя (вскоре после начала эксплуатации) всегда имеющиеся изделия со скрытыми дефектами. По этой причине первый период называют периодом приработки, или «выжигания», дефектных изделий. Второй период, когда отказы изделия довольно редки и вызываются чисто случайными обстоятельствами, называют периодом нормальной работы. Третий период — это период старения, когда необратимые физико-химические явлении приводят к ухудшению качества материалов и деталей объекта и износ становится неустранимым. В этот период интенсивность отказов возрастает и удержать ее на заданном низком уровне путем профилактических ремонтов уже не удается. Управление эксплуатацией электрооборудованием связано с оцениванием его текущего состояния, прогнозированием надежности и обоснованием управляющих решений. Для выполнения этой работы создаются экспертные компьютерные системы и разрабатываются математические модели, учитывающие условия практической работы персонала и его профессиональный опыт.

2. Оценочный расчет надежности элементов электрооборудования

Paсчет надежности заключается в определении показателей надежности устройства по известным характеристикам надежности составляющих функциональных узлов, аппаратов, элементов и условиям эксплуатации [50]. Для расчета надежности составляют логическую модель безотказной работы устройства. Система считается работоспособной, если все элементы исправны, отказы случайны, независимы и несовместимы. При таких условиях выход из строя одного ил элементов означает отказ всей системы, т.е. логическая модель надежности устройства состоит из последовательно включенных элементов N, каждый из которых имеет вероятность безотказной работы Р(t).

Цель проведения оценочного расчета надежности электрооборудования — определение элементов, аппаратов, функционально законченных узлов, подверженных отказам или имеющих наибольшие значения интенсивности отказов, и разработка предложений по повышению надежности устройства известными

методами и способами.

Приведем последовательность оценки уровня надежности устройства.

1. Определить интенсивности отказов элементов с учетом условий эксплуатации устройства: i oik1k2k3k4 i (T , kH ) где λoi— номинальная интенсивность отказов

элементов; k1 и k2 — поправочные коэффициенты, зависящие от воздействия механических факторов; k3 — поправочный коэффициент, зависящий от воздействия влажности и температуры; k4 — поправочный коэффициент, зависящий от давления воздуха; i (T , kH ) — поправочные коэффициенты,

зависящие oт температуры поверхности элементов (Т) и коэффициента нагрузки

(kН).

Коэффициенты для различных типов элементов приведены в [16,50,57] 2. Разбить все элементы устройства на группы с примерно одинаковыми значениями интенсивности отказав.

3, Найти произведение числа элементов Ni каждой 1руппы на интенсивность отказов λi.

n

4. Рассчитать интенсивность отказов устройства по формуле Ni i , где п

i 1

— число групп.

5. Определить среднее время наработки устройств до первого отказа Tср = 1/ . 6, Рассчитать вероятность безотказной работы в течение заданной наработки

Требования надежности считаются выполненными, если среднее время наработки устройстна на отказ соответствует заданному вТ3 В противном случае предлагаются меры повышения надежности устройства, например замена элементов с большими значениями наработки на отказ, изменение коэффициентов нагрузки, изменение условий эксплуатации, введение резервирования и т. д, В рассмотренном методе расчета надежности, являющемся универсальным и упрощенным, использован экспоненциальный закон распределения отказов элементов. Для типовых случаев, которые часто встречаются в инженерной практике [16],расчет надежности выполняется для следующих изделий: без резервирования и восстановления работоспособности элементов; без резервирования, с восстановлением работоспособности элементов; с восста-

новлением и постоянным нагруженным резервированием основного элемента; с учетом глубины контроляч а также планирования и расчета запасных изделий. К этому классу можно отнести большую часть промышленных систем ЭП и СА

Основным показателем, надежности для них является коэффициент готовности, а основным методом обеспечения надежности — снижение времени восстановления за счет новых конструктивных решений и развитой диагностики.

3. Расчет надежности изделий с учетом надежности программных средств

Основная направленность и последовательность расчетов надежности изделий с учетом влияния программных средств [16]| ДОЛЖНА сохраняться такой же. как и при расчете аппаратурной надежности. На этапе разработки и отладки

программного обеспечении производится проверка соответствия программ заданным требованиям. По результатам ЭТОЙ проверки выдается характеристика надежности и степени отработанности программы. Характеристика должна отражать интенсивность отказов программы обнаруженную и прогнозируемую, а также среднее время восстановления работоспособности программноуправляемого изделия (прогнозируемое).

Обнаруженные при проверке программы показатели надежности используются для оценки степени ее отработанности. Прогнозируемые показатели надежности используются при расчете надежности программно-управляемого изделия. Возможны два варианта такого расчета.

Первый вариант является грубо ориентировочным. В схему расчета надежности изделия включается фиктивный блок — «программное изделие» с характеристиками надежности, полученными либо из его паспортных характеристик, либо из результатов проверки и испытаний. Грубо ориентировочным этот расчет является потому, что обнаруженные при проверках и испытаниях ошибки программы, как правило, устраняются, а прогнозировать ожидаемые отказы можно лишь весьма ориентировочно. Однако даже грубо ориентировочный расчет полезен, так как позволяет определить сравнительную характеристику влияния аппаратуры и программ на надежность изделия и получить представление об ожидаемой надежности программного обеспечения на различных этапах создания программно-управляемого изделия.

Есть основания предполагать, что программные ошибки подчиняются экспоненциальному распределению. Вероятность того, что эти ошибки не проявятся

t

z (t )dt

в интервале времени 0...t, определяется по формуле P(t) e0 , где z(t) —

интенсивность отказов изделия, вызванных дефектами программы.

Для ориентировочных расчетов надежности программно-управляемых изделий, аналогичных промышленным компьютерам средней производительности, рекомендуется использовать ориентировочные данные о показателях надежности программ, приведенные в табл. 2.5.

Второй вариант — это расчет надежности изделия с учетом влияния отказа программ, выявленного на этапе совместных испытаний аппаратуры и программ. Такой расчет проводится также по обычным правилам, т.е. с использованием либо логических функций работоспособности, либо структурных схем,

либо графа состояний. В качестве показателей надежности частей сложного изделия (объекта, системы) используются программно-аппаратурные показатели надежности, т.е. показатели надежности частей этого изделия, управляемых реальной программой.

Естественно, что при этом получают различные результаты, т.e. различные показатели надежности изделия для различных функций, выполняемых этим изделием. Такой расчет приобретает характер расчета функциональной надежности, так как показатели в этом случае определяются для каждой из выполняемых функций.

Лекция №20. КОНСТРУКТОРСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ ПРОЕКТОВ

1 Выполнение, оформление и комплектование проектов

Литература: Учебное пособие, глава 2.8, стр.104-109

1 Выполнение, оформление и комплектование проектов

Всю техническую документацию, которую используют и составляют при разработке, изготовлении и эксплуатации изделий, можно разделить на три основные группы: нормативно-техническую, конструкторскую и технологи-

ческую. Нормативно-техническая и технологическая документация была рассмотрена в гл. 1. Остановимся на конструкторской документации.

К конструкторским относятся графические (чертежи и схемы) и текстовые (пояснительные записки, спецификации, расчеты и т.п.) документы, которые в отдельности или в совокупности определяют состав и устройство изделия и содержат необходимые данные для ЕГО разработки или изготовления, контроля, приемки, эксплуатации и ремонта. При этом вся документация должна соответствовать стандартам ЕСКД.

Документы, разработанные на этапах техническою предложения, эскизного и технические проектов, называют проектными, а документы, созданные на этапе выпуска рабочей документации, — рабочими.

На этапе технического предложения конструкторской документации присваивается литера П. на этапе эскизного проектирования — Э, а на этапе технического проекта — Т. Корректировка конструкторских документов на стадии рабочего проекта по результатам изготовления и испытания опытного образца (партии) производится с присвоением документации литеры О. При последующих (повторных) изготовлениях и испытаниях опытного образца и соответствующей корректировке конструкторских документов им присваивают соответственно литеры О1, О2и т.д. При корректировке конструкторских документов по результатам изготовления, испытания и оснащения технологического процесса основных сборочных единиц изделия установочной серии конструкторским документам присваивается литера А. При подготовке серийного или массового производства по результатам изготовления и испытания головной серии изделий конструкторским документам присваивается литера Б. Конструкторским документам для индивидуального производства (разового изготовления одного или нескольких изделий) присваивается литера И.

При разработке электроизделий конструкторская документация выполняется, как правило, в две стадии: эскизный или технический проект и рабочая конструкторская документация. При наличии предварительной проработки и модернизации электроизделий разрабатывают только рабочую документацию.

В зависимости от способа выполнения и характера использовании конструкторские документы подразделяются следующим образом: оригиналы — документы, выполняемые на любом материале и предназначенные для изготовления по ним подлинников; подлинники — документы, оформленные подлинными установленными подписями и выполненные на любом материале, допускающем многократное воспроизведение с них копий; дубликаты — копии подлинников, обеспечивающие идентичность воспроизведения подлинников, выполненные на любом материале, допускающем снятие с них копий; копии — документы, выполненные способом, обеспечивающим их идентичность с подлинником (дубликатом), и предназначенные для непосредственного использования при разработке, изготовлении, эксплуатации и ремонте изделий.

При определении комплектности документов на изделия различают основной документ изделия, основной комплект документов, полный комплект документов.

Основной конструкторский документ (для деталей — чертеж детали, для сборочных единиц, комплексов и комплектов — спецификация) полностью и

однозначно определяет данное изделие и его состав. Основной комплект конструкторских документов объединяет все документы, относящиеся ко всему изделию (сборочный чертеж, схемы, технические условия, эксплуатационные документы и т.д.). Полный комплект конструкторских документов состоит из основного комплекта документов на данное изделие и основных комплектов документов на все его составные части. Обозначение основного конструкторского документа является одновременно обозначением изделия.

Структура обозначения изделия и основного конструкторского документа включает в себя четырехзначный код организации-разработчика, шестизначный код классификационной характеристики и трехзначный порядковый регистрационный номер:

Буквенный код организации-разработчика назначается по кодификатору этой организации или организации, ведающей централизованным присвоением обозначений.

Числовой код классификационной характеристики присваивают изделию и конструкторскому документу по классификатору изделий и конструкторских документов машиностроения и приборостроения (по классификатору ЕСКД). Структура кода классификационной характеристики имеет следующий вид:

Например, код 482164 соответствует изделию класса 48 — оборудование подъемно-транспортное и погрузочно-разгрузочное; подкласса 2 — машины транспортирующие непрерывного действия; группы 1 — конвейеры с тяговым элементом ленточные и пластинчатые, эскалаторы; подгруппы 6- эскалаторы и конвейеры пассажирские; вида 4 — конвейеры ленточные. Понятию «класс» соответствует вид продукции, например станки, экскаваторы, конвейеры и т. п. Наряду с приведенными правилами обозначения изделия и ОСНОВНУЮ конструкторского документа могут применяться другие правила, составленные, например на основании стандартов предприятия (см. примеры схем и чертежей, приведенные в гл. 5).

При обозначении неосновных конструкторских документов к обозначению изделия добавляют шифр документа (например, СБ, ТУ, ПЗ и т.д.). На изделия (детали, сборочные единицы, комплексы и комплекты), обладающие общими конструктивными признаками и имеющие некоторые различия, создают

групповые конструкторские документы.

Правила выполнения чертежей определяются стандартами третьей классификационной группы ЕСКД. Для быстрою нахождения на чертеже составной части изделия рекомендуется разбивать поле чертежа на зоны с помощью отметок, наносимых по горизонтали арабскими цифрами слева направо и по вертикали — прописными буквами латинского алфавита сверху вниз. Зоны обозначаются сочетанием букв и цифр, например: Д1, А2, Bl, B2 и т.д. Рабочие чертежи должны разрабатываться и выполняться с соблюдением ряда

общих требований; оптимального применения стандартных и покупных изделий и изделий, освоенных производством и соответствующих современному уровню техники: рационального ограничения номенклатуры конструктивных элементов, их размеров, условий монтажа и т.д.; рационального ограничения номенклатуры марок и сортаментов материалов, применения наиболее дешевых и наименее дефицитных материалов; взаимозаменяемости, наиболее выгодных способов изготовления, ремонта изделий и максимального удобства их обслуживания при эксплуатации.

Количество чертежей на изделие должно быть минимальным, но достаточным для рациональной организации его изготовления. Чертежи необходимо выполнять с соблюдением всех условных изображений и упрощений, предусмотренные стандартами ЕСКД.

Наименование изделия, указываемое в основной надписи чертежа, должно быть кратким и соответствовать принятой терминологии. Наименование записывается в именительном падеже и единственном числе, причем на первое место в многословном наименовании помещают имя существительное.

Виды схем обозначают прописными буквами русского алфавита: электрическая

—Э; гидравлическая — Г; пневматическая — П; кинематическая — К.; оптическая — О; комбинированная — С. При разработке ЭП и СА выпускают электрические схемы.

Тип схем обозначается арабскими цифрами: 1 — структурная; 2 — функциональная; 3 — принципиальная; 4 — соединений; 5 — подключения; 6 — общая; 7

—расположения; 0 — объединенная. В зависимости от вида и типа схемы ей присваивают буквенно-цифровое обозначение. Например, ЭЗ — схема электрическая принципиальная.

Назначение, содержание и оформление схем применительно к системам электроприводов и систем автоматизации см. в гл. 5.

Текстовые конструкторские документы подразделяются на документы, состоящие из сплошного текста (технические условия, пояснительная записка и т.д.), и документы, содержащие текст, разбитый на графы (спецификации, ведомости покупных изделий и т.д.).

Построение текстовых документов определяется их содержанием и объемом. Наивысшая степень деления —часть. Всем частям присваиваются обозначения документа с добавлением порядкового номера начиная со второй части к шифру документа, например: ТО — первая часть технического описания; ТО1 — вторая часть и т.д. После части следуют разделы, подразделы, пункты и подпункты. В начале документов большого объема рекомендуется помещать содержание, а в