Автоматизация технологических процессов и производств (2)

метки: Система, Отказ, Понятие, Автоматизация, Безотказность, Функция, Нагрузка, Надежность

Вопросам надёжности систем управления (САУ), особенно на стадии проектирования АСУ ТП с каждым годом уделяется всё большее внимание. Важность проблемы надежности САУ обусловлена их повсеместным распространением фактически во всех отраслях промышленности.

Основы теории надежности, применительно к описанию технических систем управления, разработаны Б.Г. Гнеденко, Ю.К. Беляевым, А.Д. Соловьевым и др. В нашей стране теория надежности начала интенсивно развиваться с 50-х годов, и к настоящему времени сформировалась в самостоятельную дисциплину, основными задачами которой являются:

• Установление видов показателей надежности технических систем;

• Выработка аналитических методов оценки надежности;

• Упрощение оценки надежности САУ;

• Оптимизация надежности на стадии эксплуатации системы.

Несмотря на то, что по теории надежности издано множество фундаментальных монографий, прослеживается недостаток специальной литературы для студентов.

Подготовка конспекта лекций по курсу теории надежности продиктована важностью данной дисциплины для студентов, специализирующихся в области автоматизации и управления.

В конспекте рассмотрены теоретические основы теории надёжности, методы расчета надежности технических систем, виды отказов САУ и ТСА, методы повышения надежности, а также причины, вызывающие отказы САУ.

Основной целью конспекта является формирование у студента представления о надежности системы управления как совокупности надежности комплекса технических средств, управляющей вычислительной машины, программного обеспечения и оперативного персонала.

Представленный конспект лекции является результатом многолетнего изучения и преподавания теории надежности на кафедре «Автоматизация производственных процессов».

Конспект лекции предназначен для целенаправленного изучения студентами специальности «Автоматизация технологических процессов и производств» теории надежности САУ, но не исключает самостоятельной работы студентов с дополнительными литературными источниками.

Конспект лекций «Надежность технических систем» предназначен для студентов очной и заочной форм обучения специальности 210200 «Автоматизация технологических процессов и производств», а также может быть использован студентами соответствующих специальностей.

СОДЕРЖАНИЕ

Теория спиральной динамики в управлении экономики

... работы изучить и проанализировать теорию спиральной динамики в управлении экономики. Глава 1 Теоретико-методологических основ теория спиральной динамики в управлении экономики 1.1 Понятие и сущность спиральной динамики в экономике Основываясь на теории спиральной динамики Грейвза, Ф. Лалу ...

Лекция 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАДЕЖНОСТИ, АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Для оценки поведения автоматической системы в эксплуата­ционных условиях используется понятие надежности системы. При эксплуатации автоматическая система может подвергаться воз­действию: механических нагрузок (вибраций, ударов, постоянного ускорения); электрических нагрузок (напряжения, электриче­ского тока, мощности); окружающих усло­вий (температура, влажность, давление).

Влияние указанных факторов проявляется в виде отклонений параметров системы от номинальных (расчетных) значений. Эти отклонения могут быть настолько значительными, что система становится непригодной к использованию, так как возникновение больших отклонений па­раметров от расчетных значений при эксплуатации системы при­водит к аварии или к появлению брака в выпускаемой продук­ции.

Когда система перестает удовлетворять предъявляемым к ней требованиям, систему считают отказавшей. Сле­довательно, надежность является одной из характеристик каче­ства системы, поэтому она, как и другие характеристики системы (точность, быстродействие), должна оцениваться количественно на основе анализа технических параметров системы в экс­плуатационных условиях.

Так как на отдельные технические параметры системы ока­зывают влияние различные факторы (схемные, конструктивные, производственные и эксплуатационные) и учесть их аналити­чески при детерминированном подходе к анализу системы невоз­можно, то количественная оценка надежности системы возможна только на основе теории вероят­ностей или ее специальных разделов (теории случайных процессов и математической статистики).

Надежность – свойство системы сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность системы выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации.

Функции системы определяются целевым ее назначением. Автоматизированная система управления – это многофункциональная система. Вследствие воздействия возмущающих воздействий система может находиться в разных состояниях, обеспечивающих выполнение заданных ей функций. Однако, в каждом таком состоянии качество выполнения системой функций не будет одинаковым. Например, чем больше отклонение выходных параметров, характеризующих выполняемую функцию от заданных, тем менее качественно работает система, т.е. система менее эффективна. Под эффективностью системы понимают вероятность выполнения системой заданных функций при определенном значении параметра.

Таким образом, надежность автоматической системы с учетом возможных ее состояний должна определяться по формуле полной вероятности.

Если система может находиться в счетном множестве состоя­ний, то надежность определяется формулой:

; (1.1)

Hi( tf )—

E(H _i )— эффективность i-го состояния;

• t — требуемый интервал времени выполнения задачи;
• K — число состояний.

В некоторых работах оценка качества автоматической системы разделяется на две задачи — исследование точности и надежности. Ту или иную за­дачу можно решить соответ­ствующим выбором функции эффективности состояния системы.

Надежность, в сущности, является характеристикой эффек­тивности системы. Если для оценки качества автоматической си­стемы достаточно характеризовать ее надежностью выполнения системой функций в различных состояниях, то на­дежность совпадает с эффективностью системы.

Надёжность систем автоматизации

... Надежность - свойство системы сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность системы выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации. Функции системы определяются целевым ее назначением. Автоматизированная система ...

Обобщенное количественное значение надежности системы в большинстве случаев трудно непосредственно получить из пер­вичной информации, кроме того, она не позволяет оценить влия­ние различных этапов разработки и эксплуатации системы, поэтому надежность целесообразно рассматривать по трем главным составляющим, которые являются свойствами системы и могут характе­ризоваться как качественно, так и количественно:

• безотказность;
• восстанавливаемость (ремонтопригодность);
• готовность;

Безотказность – свойство системы сохранять работоспособность в течение требуемого интервала времени непрерывно без вынужденных перерывов .

Безотказность системы является одной из главных и определяю­щих составных частей надежности автоматической системы.

Для фиксированного интервала времени безотказной работы и заданных условий эксплуатации автоматическая система может находиться в одном из двух состояний: работоспособном (состояние, при котором значения параметров, характеризующих способность системы выполнять заданные функции, находятся в пределах, установленных нормативно-технической документацией) и неработоспособном (состояние системы, при котором значение хотя бы одного параметра не находится в указанных пределах).

Эти состояния системы представляют противоположные события, поэтому для них спра­ведливо равенство, которое будем в дальнейшем называть основ­ным статическим уравнением безотказности системы:

P+Q=1 (1.2)

где: Р — безотказность (надежность) системы;

• Q — вероятность возникновения отказа системы.

Как известно, автоматическая система представляет собой комплекс отдельных приборов, не связанных между собой на заводе-изгото­вителе сборочными и монтажными операциями, но имеющих общее эксплуатационное назначение. Систему в целом можно представить рядом более простых подсистем.

Безотказность автоматической системы может служить лишь общей характеристикой системы, не позволяющей проследить влия­ние безотказности отдельных ее частей на безотказность автоматиче­ской системы в целом. Для того чтобы иметь возможность прово­дить такой анализ, введем понятия элемента и системы.

Эле­мент — составная часть системы, имеющая определенное назначение и выполняю­щая требуемые функции и которая рассматривается без дальнейшего разделения как единое целое.

• совокупность элементов, взаимодействующих между собой в процессе выполнения заданных функций.

Понятия «система» и «элемент» выражены одно через другое и условны: то, что является системой для одних задач, для других принимается элементом в зависимости от целей изучения, требуемой точности, уровня знаний о надежности и т.д. Даже такая сложная система, как АСУ ТП, может рассматриваться как элемент более сложной системы управления предприятием.

Разделение автоматической системы на элементы зависит от решения конкретной задачи при оценке ее надежности. После того как система или прибор разделены на элементы, в качестве основной характеристики элемента, при анализе надежности, можно считать его безотказность. Это позволяет в большинстве случаев при оценке безотказности прибора практически непосредственно не интересоваться функциональными характеристиками элемен­тов, их конструктивным оформлением и т. д.

Надежность систем автоматизации (2)

... к появлению новых отказов. Готовность – Готовность системы определяется ее безотказностью и восстанавливаемостью, которые в свою очередь, как было показано выше, являются вероятностными характеристиками системы. Таким образом, готовность системы также является вероятностной характеристикой. ...

Для определения безотказности элементов справед­ливо равенство (2.1).

При получении расчетных формул можно пользоваться как характеристикой безотказности, так и ее противоположной вели­чиной — вероятностью отказа. В зависимости от конкретной задачи та или другая характеристика является более удобной. Иногда при получении расчетных формул, а также при оценке степени улучшения системы, приборов или элементов наиболее удобной характеристикой является величина, противоположная безотказности — вероятность отказа.

Например. Пусть безотказность усилительного тракта системы Р, Степень увеличения безотказности будем оценивать коэффи­циентом

Тогда в первом случае если воспользоваться коэффициентом Sp, то безотказность прибора увеличивается в 1,01 раза или на 1%, что, на первый взгляд, может показаться не очень существенным, хотя в действи­тельности безотказность прибора повышается значительно.

Если же воспользоваться коэффициентом S (S=Q/Q

Такая оценка степени улучше­ния системы является более удобной и наглядной, несмотря на то, что она отражает одну и ту же объективную сущность изменения качества системы.

Наряду с методами оценки безотказности автоматических си­стем по выходным параметрам системы, можно также применять методы оценки безотказности системы по ее входным воздейст­виям, которыми в частном случае являются возмущения или на­грузки, характеризующие условия эксплуатации.

Восстанавливаемость – свойство системы, заключающееся в ее приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению причин возникновения отказов, а также поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов .

Восстановлением

Одна и та же система в различных условиях применения может быть отнесена к невосстанавливаемым (например, если она расположена в необслуживаемом помещении, куда запрещен доступ персонала во время работы технологического агрегата) и к восстанавливаемым, если персонал сразу же после отказа может начать восстановление.

Восстанавливаемость автоматиче­ской системы является характеристикой ее качества, поэтому восстанавливаемость можно определить как свойство системы, позволяющее обслуживающему персоналу определенной квалификации восстановить систему при заданных окружающих условиях.

Под количественным значением восстанавливаемости системы понимается вероятность того, что параметры ее будут восста­новлены до требуемых значений за данный интервал времени обслуживающим персоналом определенной квалификации при за­данных окружающих условиях.

Низкая восстанавливаемость автоматиче­ских систем даже при сравнительно приемлемых характеристиках безотказности приводит к значительным расходам на эксплуата­цию систем.

Восстанавливаемость систем в значитель­ной степени влияет на готовность системы к выполнению заданных ей функций, что имеет важное значение при подготовке системы к началу рабочего цикла или смены, в системах автоматической блокировки и др.

Восстановление системы может быть двух типов:

• профилакти­ческое,

• корректирующее.

Профилактическое, или плановое вос­становление, предупреждает отказы или неправильное функциони­рование системы настройкой, регулировкой, а также чисткой, смаз­кой системы и т. п. Профилактическое восстановление с целью предупреждения отказов системы при работе включает также за­мену узлов или деталей системы, которые имеют критические зна­чения параметров.

Курсовая работа автоматические системы

... облуживания. Восстанавливаемость – свойство системы или элемента, заключающееся в проведении восстановительных работ после появления отказа с целью восстановления работоспособности. Надежность – свойство системы ... параметров системы или элемента). Отказ одного из элементов системы может привести к нарушению устойчивости, что представляет собой отказ системы. Для систем автоматического регулирования ...

Корректирующее, или неплановое восстановление, требуется при отказах системы. При этом регулируют параметры системы или заменяют детали вследствие их отказа, или в результате недо­пустимого изменения параметров системы в рабочий период.

Восстанавливаемость и не восстанавливаемость представляют противоположные события, поэтому, как и в случае безотказности системы, основное уравнение восстанавливаемости имеет вид

Рв + Qb =1 (1.3)

где Рв — восстанавливаемость;

• Qb — не восстанавливаемость системы.

Восстанавливаемость системы определяется двумя группами основных факторов.

Первую группу, Вторую группу

Большинство факторов, определяющих восстанавливаемость системы, трудно оценить количественно и тем более определить экспериментально, поэтому систему надо проектировать таким образом, чтобы исключить влияние факторов, не поддающихся количественной оценке.

Восстанавливаемость можно существенно увеличить, при­меняя современные методы обнаружения и устранения неисправ­ностей в системе. Эти методы развиваются в трех направлениях:

1) создание встроенных в систему диагностирующих устройств или применение специальных автоматических тестеров;

2) разработка методов и оборудования для граничных испыта­ний позволяющих профилактически заменять элементы, параметры которых в значительной степени изменились вследствие износа или старения;

3) перераспределение функций, выполняемых элементами при появлении отказов, и самонастройка параметров системы, При этом структура системы выбирается таким образом, чтобы элементы, принявшие на себя функции отказавших элементов, в условиях повышенных на них нагрузок были бы в состоянии обес­печить эффективную работоспособность системы до окончания выполнения стоящих перед системой задач. Отказавшие элементы можно восстановить в период проведения профи­лактических мероприятий.

Квалификация и подготовка обслуживающего персонала оказы­вает в большинстве случаев решающее влияние на восстанавли­ваемость системы. Неопытность обслуживающего персонала при­водит не только к увеличению времени восстановления системы, но и к появлению новых отказов.

Готовность – свойство системы выполнять возложенные на нее функции в любой произвольно выбранный момент времени в установившемся процессе эксплуатации. Готовность определяется как безотказностью, так и восстанавли­ваемостью системы.

Готовность системы определяется ее безотказностью и восстанавливаемостью, которые в свою оче­редь, как было показано выше, являются вероятностными характе­ристиками системы. Таким образом, готовность системы также является вероятностной характеристикой.

Под готовностью будем понимать вероятность того, что система в рассматриваемый момент времени готова для выполнения предназначенных ей функций, т.е. система должна быть готова к выполнению предназначенных ей функций к началу рабочего интервала времени. Для ряда автоматических систем связи, защиты, блокировки обычно тре­буется постоянная готовность.

Проектирование автоматизированных информационных систем

... и технических автоматизированных систем (замер температуры). Цели проектирования – показатели системы, которые характеризуют состояние системы: Функциональная ... надежность. Функциональная надежность Где рi – вероятная надежность безотказной работы i-го элемента, i - элементы системы, k -число элементов системы. Адаптивная надежность. Ка=То/(То+Тв), Где То – среднее время между отказами системы, ...

В статистическом смысле общим показателем готовности может служить доля систем, готовых для использования в течение требуе­мого рабочего интервала времени.

В общем виде готовность системы определяется через вероят­ность отказа Q и невосстанавливаемость Qв

Рг = 1 – Qв Q (1.4)

Уравнение (1.4) показывает, что готовность системы при фик­сированной одной характеристике безотказности или восстанавли­ваемости может быть повышена за счет увеличения другой. В част­ности, при низкой безотказности системы готовность может быть увеличена соответствующим увеличением восстанавливаемости. Если восстановление систем не производится, то, как следует из уравнения (1.4), готовность определяется безотказностью системы.

Рекомендуемая литература для дополнительного чтения:

1. Балакирев В.С., Бадеников В.Я. Надежность технических и программных средств автоматизации. Учеб. пособие для ВУЗов. – Ангарск.: Ангарский технологический институт, 1994, — 64 с.

2. Ястребенецкий М.А., Иванова Г.М. Надежность АСУТП. Учеб. пособие для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 264 с.

3. Олссон Г. Цифровые системы автоматизации и управления. – М.:

4. Курочкин Ю.А. Надежность и диагностирование цифровых устройств и систем. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 230 с.

Лекция 2

ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ

Анализ надежности автоматических систем и ее состав­ляющих может быть разделен на две задачи: статическую и дина­мическую. Надежность системы (при заданной схеме и конструкции) в основном зависит от двух параметров:

• требуемого времени безотказной работы,
• условий эксплуатации системы.

Когда эти параметры фиксируются, то рассматривается стати­ческая задача, которая базируется на основных положениях теории вероятностей.

При статическом подходе надежность характеризуется числом подобно тому, как динамические звенья автоматической системы в установившемся режиме характеризуются коэффициентом пере­дачи. Указанная аналогия позволит пользоваться при анализе надежности системы ее структурными представлениями, что на­ряду с наглядностью упрощает также составление уравнений надежности и их анализ.

Когда требуемое значение интервала времени безотказной работы или условия эксплуатации системы не фик­сируются при анализе надежности, возникает динамическая за­дача. Основным математическим аппаратом при решении дина­мической задачи наряду с классической теорией вероятностей является теория случайных процессов. Основные зависимости и уравнения динамической задачи становятся более сложными, чем в статической задаче, поэтому решать ее удобно с помощью преобразований Лапласа, Меллина, z-преобразования.

Применение для решения динамических задач теории надеж­ности указанных преобразований позволяет, так же как и в стати­ческой задаче, пользоваться структурными методами. Обычно с решением динамической зада­чи связывается надежность восстанавливаемых систем.

Динамическая задача дает возможность также разработать критерии надежности систем или ее отдельных составляющих. Учитывая, что надежность системы является вероятностной харак­теристикой, для разработки критериев можно использовать функ­ции распределения вероятностей в зависимости от рассматривае­мого динамического параметра или моменты функций распределе­ния вероятностей.

Курсовая работа релейная защита

... этом неповрежденная часть электроустановки остается в работе. Надежность работы релейной защиты заключается в ее правильном и безотказном ... системы и сигнализации о тех нарушениях нормального режима, которые не требуют немедленного отключения. Релейная защита должна обеспечить быстроту действия, избирательность действия, надежность работы и чувствительность. Кроме того, стоимость релейной защиты ...

Функции распределения вероятностей представляют наиболее полную информацию о надежности системы. При этом в зависи­мости от целей исследования, особенностей рассматриваемой системы могут применяться интегральные, дифференциальные или условные функции распределения вероятностей.

Показателями надежности

Для невосстанавливаемых систем, как правило, ограничиваются показателями безотказности. Эти же показатели описывают системы, в принципе подлежащие восстановлению после отказов, но поведение которых целесообразно рассматривать до момента первого отказа. К их числу, например, можно отнести системы, чьи отказы чрезвычайно редки и вызывают особо тяжелые последствия.

К показателям надежности невосстанавливаемых систем относятся:

1. Интегральный закон распределения времени безотказной работы;

2. Интегральный закон распределения времени до отказа;

3. Дифференциальный закон распределения времени исправной работы устройства до первого отказа;

4. Среднее время безотказной работы (средняя наработка до отказа);

5. Интенсивность отказов.

Прежде чем перейти к показателям надежности, необходимо ввести понятие наработки до отказа.

Наработка до отказа

вероятность безотказной работы P(t)

P _i *=n _i / N. (2.1)

При значительном увеличении числа элементов N статистиче­ская вероятность P_i * сходится к вероятности

Р (t)=P{T.>t}

где T— наработка до отказа.

Так как исправная работа и отказ — события противоположные, то они связаны очевидным соотношением:

Q(t)=l — P(t)

где Q(t) —вероятность отказа, или интегральный закон распреде­ления случайной величины — времени работы до отказа.

Статистическое значение вероятности отказа равно отношению числа отказавших элементов к начальному числу испытываемых элементов:

Q _i *=1-n _i /N= (N-n _i )/N (2.4)

f(t)=dQ(t)/dt=

Среднее время безотказной работы

(2.5)

Статистическая формула для расчета Т _ср :

(2.6)

где T _i — время безотказной работы I-го – общее число элементов.

Интенсивностью отказов (t)

(t)=f(t)/P(t)=-dP/d(t!/P(t).

Статистическая формула:

(t)*=2(N ₁ -N ₂ )/t(N ₁ +N ₂ ) (2.8)

где N ₁ — начальное количество исправных элементов; N₂ — количество исправных устройств через время t.

Генератор курсовой работы

... учета нагрузки) составляет , (1) где – эквивалентное (с учетом делителя смещения) сопротивление генератора; – суммарное (с учетом дифференциального сопротивления ) сопротивление в цепи эмиттера. Применительно к ... высоком напряжении. С учетом отмеченных закономерностей применяют так называемые компенсированные опорные элементы в виде последовательного соединения стабилитрона с напряжением 5,6 В и ...

Интенсивность отказов является наиболее удобной характеристикой безотказности систем и эле­ментов. Как показывает опыт обработки статистических данных по эксплуатации различного оборудования, интенсивность отказов автоматических систем, а также отдельных элементов не может быть аппроксимирована аналитической зависимостью, соответ­ствующей только одному теоретическому закону безотказности.

Обработка большого количества информации об отказах автоматических систем позволила получить общую качественную форму зависимости интенсивности отказов от времени (рис. 2.1).

На кривой, приведенной на рис.2.1 можно выделить три ха­рактерные области:

П (область приработки);

В области П интенсивность отказов сначала возрастает, дости­гает максимального значения и затем уменьшается.

Рис. 2.1 Зависимость интенсивности отказов от времени.

Верхняя граница области определяется переходом интенсивности отказов зону постоянных значений. Начальные отказы могут быть обусловлены дефектами материалов, а также главным образом производственными дефектами и некоторыми другими факторами. Причины начальных отказов можно устранить опытной эксплуатацией системы, тренировкой в специальных условиях и режимах работы в течение периода времени, называемого периодом приработки. Продолжительность периода приработки, как показывает опыт, зависит от числа дефектов в системе.

В области случайных отказов интенсивность отказов остается величиной постоянной и определяется сложностью системы, качеством применяемых элементов и режимам их работы, условиями эксплуатации и некоторыми другими факторами. Интервал времени, в течение которого интенсивность отказов постоянна, представляет основной рабочий период систем. В некоторых случаях онсовпадает с минимальным значением производственного ресурса системы. Начало роста интенсивности отказов определяет верхнюю границу области случайных отказов и нижнюю границу отказов из-за изношенности. С некоторым допуском возникновение таких отказов может служить критерием долговечности. Следует иметь в виду, что для некоторых систем долговечность может быть меньше, чем сред­нее время безотказной работы системы, рассчитанное как величина, обратная интенсивности отказов. Это обстоятельство следует учи­тывать при назначении гарантийного срока работы системы.

В области И интенсивность отказов сильно возрастает вслед­ствие износа отдельных элементов. В восстанавливаемых системах в области И интенсив­ность отказов имеет колебательный характер, причем амплитуда и частота колебаний зависят от долговечности отдельных элемен­тов и организации профилактических мероприятий при эксплуата­ции системы.

биномиальный закон

закон Пуассона

Экспоненциальный закон

(2.9)

Для экспоненциального закона Т _ср =0=1/ и удовлетворяются начальные условия Р(0)=1; Q(0)=0, т. е. отчет времени t начинается с момента выяснения исправности изделия.

Графики изменения показателей надежности при экспоненциальном распределении представлены на рис. 2.2.

Разработка программы для автоматизации работы кафе

... пользователей программы нужной им информацией в удобной форме. Целью данного курсового проекта является разработка программы для автоматизации работы кафе. Задачами курсового ... отрез чека. Как правило, они обладают повышенной надежностью. В отличие от кассового аппарата, на ... так и др. важнейших аспектов системы (способность переработки информации). Разработка состава основных подразделений и связей ...

Рис. 2.2. Показатели надежности при экспоненциальном (А) и нормальном (Б) законе распределения времени безотказной работы.

Основным характерным свойством экспоненциального распределения является то, что вероятность безотказной работы системы на любом интервале времени не зависит от длины этого интервала и не зависит от времени, предшествующей работы системы, т.е. от ее «возраста».

Так как для экспоненциального распределения характерно постоянство интенсивности отказов во времени, то область применения этого закона – системы и элементы, где можно не учитывать ни период приработки, и участок старения и износа (например, многие средства вычислительной техники и регулирования).

Нормальный закон

; (2.10)

где — среднеквадратичное отклонение времени безотказной работы системы.

Графики изменения показателей надежности при нормальном распределении представлены на рис. 2.2.

Нормальное распределение, в принципе, описывает поведение случайных величин в диапазоне от (- ; +), но так как наработка до отказа является неотрицательной величиной, то используют усеченное нормальное распределение.

Распределение Вейбулла-Гнеденко

; (2.11)

Рекомендуемая литература для дополнительного чтения:

1. Балакирев В.С., Бадеников В.Я. Надежность технических и программных средств автоматизации. Учеб. пособие для ВУЗов. – Ангарск.: Ангарский технологический институт, 1994, — 64 с.

2. Ястребенецкий М.А., Иванова Г.М. Надежность АСУТП. Учеб. пособие для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 264 с.

3. Олссон Г. Цифровые системы автоматизации и управления. – М.:

4. Курсовое и дипломное проектирование по автоматизации производственных процессов. Учеб. пособие для ВУЗов. / под ред. И.К. Петрова. – М.: Высшая школа, 1986. – 350 с.

Лекция 3

ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ ВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ СИСТЕМ

После каждого отказа восстанавливаемой системы следует ее восстановление, проводимое заменой отказавшего элемента на идентичный работоспособный или проведением ремонтных операций. Так же, как и наработка до первого отказа у невосстанавливаемых системы, моменты наступления отказов восстанавливаемой системы являются случайными. Также случайной является и продолжительность работ по проведению восстановления, но время восстановления, как правило, значительно меньше времени между отказами, поэтому им пренебрегают. На рис. 3.1 представлен график функционирования восстанавливаемой системы (элемента).

Рис. 3.1 К определению понятия потока отказов.

t ₁ ; t₂ ; t_n – моменты времени, в течение которых происходит отказ и восстановление.

k ₁ ; k₂ ; k_n – наработки между отказами.

потока отказов

Простейший поток обладает свойствами стационарности, ординарности и отсутствия последствий.

Выполнение требования стационарности означает, что вероятностные характеристики потока не зависят от времени. Поток отказов называют потоком без последствий, если для любого набора непересекающихся промежутков времени число отказов на этих промежутках представляют собой взаимно независимые случайные величины. Ординарность означает практическую невозможность возникновения двух или более отказов одновременно, т.е. на одном промежутке времени.

распределением Пуассона

; (3.1)

Вероятность отсутствия отказов на интервале времени длиной t равна вероятности события, заключающегося в том, что время Т между отказами больше, чем t:

• P{T>t}=e

где — параметр потока отказов;

Параметр потока отказов (t) —

Статистическая формула: (3.3)

где N-общее количество элементов; n _i (t)- число отказов i – ого элемента на интервале времени (0; t).

Для потока, удовлетворяющего требованию стационарности, параметр потока отказов является постоянной величиной и не зависит от времени.

Одновременные отказы нескольких элементов могут возникать из-за изменения условий эксплуатации сверх допустимых пределов. Но вследствие того, что надежность системы рассчитывают по установившемся условиям эксплуатации, то потоки отказов модно принимать ординарными. Нестационарность может иметь место из-за наличия периода приработки после пуска системы. Эта же причина может привести к несоблюдению свойства последствия. Последствие может иметь место из-за недостаточного качества восстановления, когда свойства системы не полностью регенерируются после отказа, а также в ситуации, когда отказ одного элемента вызывает ухудшение условий работы других.

В соответствии с двумя способами задания потока отказов для восстанавливаемых систем модно применять различные показатели надежности и безотказности.

При задании потока отказов как дискретного случайного процесса – числа отказов на интервале времени (0,t) показателем безотказности является параметр потока отказов, определяемый соотношением (3.3).

При задании потока отказов как последовательности случайных величин (наработок) между отказами задаются показателями безотказности, ремонтопригодности, долговечности и комплексными показателями надежности. Показателем безотказности является средняя наработка на отказ.

Наработка на отказ

; (3.4)

где п — число отказов устройства за время наблюдения; t _i — время исправной работы устройства между (i— 1)-м и i-м отказами. При простейшем потоке отказов параметр потока отказов является обратной величиной наработке до отказа.

наработка

вероятность восстановления работоспособного состояния за заданное время

Вероятность восстановления работоспособного состояния

Q _В (t₁ )= Вер{T_В 1}; (3.5)

среднее время восстановления

; (3.6)

Показателем долговечности системы является срок службы системы. Срок службы системы – это случайная величина, характеризующая календарную продолжительность от начала эксплуатации системы до перехода ее в предельное состояние. Для некоторых систем показателем долговечности является установленный срок службы, который должна достигнуть данная система. В качестве случайной величины при рассмотрении долговечности может быть принят не только календарный срок службы системы, но и ее ресурс – наработка от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние.

Комплексные показатели надежности отражают совместно безотказность и ремонтопригодность системы. К комплексным показателям относятся: коэффициент готовности, коэффициент оперативной готовности и коэффициент технического использования.

Коэффициент готовности k

k _г =t_ср */( t_ср *+ t_В *) (3.7)

Коэффициент готовности численно равен средней доле времени, в течение которого система пребывает в работоспособном состоянии.

Коэффициент оперативной готовности

k _ОГ *=k _Г P(t) (3.8)

коэффициентом технического использования:

k _ти =t_ср */( t_ср *+ t_В * + t_проф *) (3.9)

где t _проф *— среднее время профилактики, приходящееся на один отказ за рассматриваемый промежуток времени.

Рекомендуемая литература для дополнительного чтения:

1. Балакирев В.С., Бадеников В.Я. Надежность технических и программных средств автоматизации. Учеб. пособие для ВУЗов. – Ангарск.: Ангарский технологический институт, 1994, — 64 с.

2. Ястребенецкий М.А., Иванова Г.М. Надежность АСУТП. Учеб. пособие для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 264 с.

3. Олссон Г. Цифровые системы автоматизации и управления. – М.:

4. Курсовое и дипломное проектирование по автоматизации производственных процессов. Учеб. пособие для ВУЗов. / под ред. И.К. Петрова. – М.: Высшая школа, 1986. – 350 с.

Лекция 4

ПРИНЦИПЫ ОПИСАНИЯ НАДЕЖНОСТИ АСУ ТП., ОТКАЗЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Автоматизированную систему управления, как и любую сложную систему, целесообразно рассматривать как совокупность элементов с определенной взаимосвязью между собой. Выбор элементов в зависимости от способа декомпозиции АСУ ТП может быть различен. При декомпозиции по составу в качестве элементов могут быть приняты комплекс технических средств, информационное обеспечение (включающее в себя нормативно-справочную информацию, системы классификации и кодирования информации и др.) и организационное обеспечение (документы, регламентирующие действия персонала).

Свойства информационного и организационного обеспечения влияют на надежности АСУ ТП косвенно, через функционирование технических средств, программного обеспечения и действия персонала, поэтому отдельно не учитываются. При функциональной декомпозиции АСУ ТП как многофункциональной системы в качестве элементов системы рассматриваются ее функции, в этом случае говорят об функциональной эффективности АСУ ТП. В общем случае АСУ ТП принято рассматривать как совокупность ТСА (технические средства автоматизации), ПО (программное обеспечение) и ОП (оперативный персонал).

Надежность комплекса технических средств оказывает наиболее существенное влияние на надежность АСУ ТП, поэтому приближенно надежность АСУ ТП зачастую оценивают с учетом только комплекса технических средств.

Критерии отказов технических средств (ТСА) устанавливаются в соответствии с требованиями, указанными в стандартах, технических условиях или другой технической документации на эти ТСА. Поскольку большинство ТСА имеют общепромышленное назначение, то требования задаются безотносительно к тем системам, в которых эти ТСА функционируют. Критерии отказов ТСА при этом не зависят от характеристик управляемого объекта и требований к качеству управления.

Рассмотрим классификацию отказов комплекса технических средств системы.

случайное событие, заключающееся в нарушении работоспособности системы.

Рис. 4.1. К случайному процессу изменения пара­метра.

В эксплуатационных условиях изменение выходного параметра системы представляет случайную функцию. Если вы­ход параметра k за границу допуска является опасным, то графи­чески переход из исправного состояния прибора в неисправное, можно изобразить как пересечение случайной функцией одной из границ допуска а и или b (рис. 4.1).

При этом выход параметра за границу допуска может происходить либо скачком (график 1), либо в результате постепенного непрерывного изменения параметра прибора (график 2) .

внезапные

При появлении внезапных отка­зов не резервированная система не может выполнять предназначае­мые функции, в то время как при постепенных отказах небольшие отклонения параметра за границу допусков обычно приводят не к отказу системы, а лишь к изменению ее эффективности (в зави­симости от величины отклонения параметра прибора за границу допуска).

При оценке безотказности системы, в слу­чае постепенных отказов, влияние величины отклонения параметра системы за границу допуска можно харак­теризовать эффективностью параметра системы.

При таком делении отказов элементов на внезапные и постепенные можно считать, что:

• отсутствие внезапного отказа свидетельствует о прочности элемента,

• постепенное изме­нение параметра свидетельствует о его точности.

Следовательно, отсутствие обоих отказов может быть интерпретировано как условная проч­ность.

Для фиксированного интервала времени работы системы без­отказность представляет вероятность совместного осуществления двух событий, у которых отсутствуют внезапные и постепенные отказы.

Если внезапные и постепенные отказы независимы, то в со­ответствии с правилом умножения вероятностей безотказность определяется формулой:

Р = Р _вн * Р _пост ( 4.1 )

где Рвн — безотказность системы при возникновении внезапных отказах;

Pпост — безотказность системы, при возникновении постепенных отказах.

Характер внезапных отказов определяется в свою очередь ти­пом элемента или прибора, его схемой и конструкцией. Для простейших элементов (детали и несложные узлы) внезап­ные отказы делятся на два вида:

-обрыв,

• короткое замыкание.

Так как все возможные состояния элементов должны составлять полную группу событий, запишем основное уравнение безотказ­ности для этой группы элементов

Р + q ₀ +q_З =1 (4.2 )

где q _о и q _З — вероятности отказа элемента вследствие обрыва и ко­роткого замыкания соответственно.

Приборы, содержащие источники энергии, а также элементы, коммутирующие энергию, характеризуются такими видами внезапных отказов, как обрыв и ложный сигнал на выходе устройства. Т.е., для приборов этой группы вид отказа определяется наличием или отсутствием сигнала на входе прибора.

преры­вистые

Показатели надежности ТСА с учетом влияния отказа задаются из числа рассмотренных в лекциях 2, 3. Как правило, эти показатели устанавливаются при следующих условиях: температура окружающего воздуха (2010) ⁰ С; относительная влажность30-80%; давление 630-680 мм. рт. столба; отклонение напряжения питания сети +10-15%. Время на котором задается вероятность безотказной работы, обычно принимается равным 2000 ч. Задание показателей безотказности и долговечности для ТСА, входящих в состав ГСП, является обязательным.

Надежность АСУ ТП, прежде всего, связана со способностью системы выполнять требуемые функции

Установление критериев отказов функций проводится с учетом классификации функций в зависимости от требования к качеству их выполнения. Функции АСУ ТП условно подразделяются на простые и составные; непрерывные и дискретные. Рассмотрим требования к выполнению функций АСУ ТП в соответствии с приведенной классификацией.

• требования своевременного и безошибочного выполнения функций, отсутствия задержек при их реализации задаются для дискретных функций;

• требования отсутствия вынужденных перерывов в выполнении функции и поддержания значений показателей качества их выполнения в заданных пределах задаются для непрерывных функций;

• отказ составной функции формулируется как нарушение требований к выполнению некоторого сочетания простых функций, при этом если последствия отказов каждой из простых функций одинаковы, может быть задано требование по ограничению числа одновременно не выполняемых простых функций.

Отказы функций можно классифицировать по

• по влиянию на работу объекта управления (вызвавшие аварию с повреждением оборудования, останов технологического процесса, ухудшение качества протекания технологического процесса);

• по причинам возникновения (из-за отказов технических средств, ошибок программного обеспечения, неправильных действий персонала);

• по степени нарушения работоспособности (например, полные и частичные);

• по наличию внешних проявлений (например, явные и неявные);

• по виду нарушения для дискретных функций (несрабатывание, заключающееся в отсутствии сигналов или команд на управление исполнительными механизмами при наличии условий, требующих их функционирования, и ложное срабатывание, заключающееся в выработке сигналов или команд при отсутствии условий, требующих их функционирования).

Показатели надежности функции АСУ ТП выбираются в соответствии с классификацией функции по временному режиму выполнения с учетом классификации и критериев отказов. Основным показателем безотказности различных непрерывных функции является средняя наработка на отказ. Вместо нее допускается использовать параметр потока отказов, если поток отказов функции является стационарным. При рассмотрении поведения функции до первого отказа показателем безотказности является средняя наработка до отказа.

В тех случаях, когда в работе АСУ ТП можно выделить характерные временные интервалы t ₁ (например, периодичность капитальных ремонтов технологического оборудования, периодичность остановов из-за изменений производственной программы), в качестве показателя безотказности может быть принята вероятность безотказного выполнения функции P(t₁ ).

Основным показателем безотказности и ремонтопригодности дискретных функций по отказам типа «несрабатывание» является вероятность R успешного выполнения заданной процедуры при возникновении запроса.

Рекомендуемая литература для дополнительного чтения:

1. Балакирев В.С., Бадеников В.Я. Надежность технических и программных средств автоматизации. Учеб. пособие для ВУЗов. – Ангарск.: Ангарский технологический институт, 1994, — 64 с.

2. Ястребенецкий М.А., Иванова Г.М. Надежность АСУТП. Учеб. пособие для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 264 с.

3. Надежность АСУ: Учеб. пособие для ВУЗов/ Под ред. Я.А. Хетагурова. – М.: Высшая школа, 1979. – 287 с.

4. Курочкин Ю.А. Надежность и диагностирование цифровых устройств и систем. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 240 с.

Лекция 5

НАДЕЖНОСТЬ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АСУТП

Одной из основных частей АСУ ТП является программное обеспечение (ПО), представляющее собой совокупность взаимосвязанных и автономных программ, описаний, инструкций программиста и пользователя, тестов и т.п.

Основным ядром ПО являются его программы, которые обеспечивают: нормальное функционирование УВМ и значительной части ТСА, переработку информации о состоянии ТОУ, определение регулирующих и управляющих воздействий, взаимодействие АСУ и управленческого персонала и другие функции. Качество работы всей АСУ ТП существенно зависит от качества ПО, под которым условно понимают совокупность таких разнородных свойств как корректность, быстродействие, стоимость, и, особенно, надежность.

Надежность ПО — есть свойство программного обеспечения своевременно выполнять в заранее указанных условиях эксплуатации вперед установленные функции.

В самом общем случае основную функцию ПО АСУТП можно рассматривать как своевременное получение некоторого результата или решения у при переработке входной информации х из множества Х.

Под х понимается контрольная информация от ТОУ, сигналы о состоянии технологического оборудования и ТСА, команды управленческого персонала и вышестоящих АСУ и т.п. Результат у зависит как от случайного х Х, так и от свойств ПО, носящих во многом стохастический характер. Поэтому установление каких-либо диапазонов изменения у и тем более границ допустимых или разумных результатов У оказывается в этом случае невозможным. Вследствие этого становится затруднительной строгая качественная оценка принадлежности данного у множеству «разумных» результатов У.

Решение о выполнении или невыполнении функций ПО вынужден принимать пользователь и, в меньшей степени разработчик программы или программист. Таким образом, надежность — это свойство программ обеспечивать «разумные» по мнению пользователя и программиста решения при переработке входной информации х из условного множества Х и нормальном функционировании УВМ.

Надежность устанавливается по результатам работы ПО, т.е. при динамической проверке всех программ на множестве входной информации. Некорректное ПО заведомо ненадежно, однако и корректное ПО может быть ненадежным.

Рассмотренное определение надежности ПО базируется на понятии отказ программы, под которым понимается событие, заключающееся в появлении «неразумного» результата у Y при х Х и нормальной работе УВМ и ТСА.

Отказы ПО делятся на случайные и неслучайные.

Неслучайные отказы ПО обусловлены действием так называемых компьютерных вирусов.

случайные сбои программ и устойчивые отказы ПО.

Под сбоем ПО понимают случайное событие, заключающееся в появлении «неразумного» результата у Y и исчезающее при последующих прогонах (запусках) программ.

Сбой ПО — это самоустраняющийся (перемежающийся) отказ программы, возникающий при некоторых, возможно случайных, состояниях УВМ и информации х Х, наблюдаемый пользователем в случайные моменты времени и исчезающий без вмешательства программиста.

Устойчивый отказ ПО наблюдается в случайный момент процессорного времени в форме «неразумного» результата у Y при х Х в нормальном функционировании УВМ.

Причиной отказа ПО служит некоторая систематическая ошибка программы, после устранения которой программистом данный отказ исчезает, т.е. имеет место восстановление ПО.

Различают ошибки первичного и вторичного типа.

Ошибки первичного типа связаны с неточностями в текстах программ и возникают при подготовке носителей и документации ПО, при записях кодов на алгоритмических языках и трансляции программ на машинный язык. А также из-за неточностей алгоритмов и при неверных или некорректных постановках решаемых на УВМ вычислительных задач.

Ошибки вторичного типа во многом являются следствием первичных ошибок программ. К ним относят ошибки:

• вычислительные (неверная индексация и подсчет временных параметров, расхождение результата ручного и машинного счета, появление неустойчивых операций и т.п.);

• логические (пропуск логических условий, неверные краевые условия и др.)

• сопряжения интерфейсов (межмодульных, программно-технических, информационных).

Ошибки первичного и вторичного типов порождаются на этапах разработки спецификаций на ПО; проектирования ПО; реализации программ.

ошибок или восстановление программ осуществляется программистом на этапе отладки ПО, который заканчивается сдачей готовых программ в эксплуатацию. Однако, как показывает опыт исследования надежности сложных ПО, около половины ошибок программ не выявляется на стадии отладки и сдачи ПО в эксплуатацию. Эти ошибки (преимущественно вторичные) проявляют себя в процессе эксплуатации ПО в случайные моменты времени t и приводят к отказам программ.

Отказы ПО при его эксплуатации имеют ряд отличий от отказов технических элементов:

• Отказ ПО не приводит к разрушению или поломке программного элемента. Отказы ПО не связаны с физическим износом элемента (в частности носителя программ) .

• Отказ ПО не коррелирован с процессорным и, тем более, астрономическим временем (с процессорным временем или числом прогонов ПО программ пользователем).

• При длительной эксплуатации ПО все его ошибки могут быть устранены и программы становятся абсолютно надежными. Если обозначить через N(t) число не выявленных ошибок ПО в произвольный момент процессорного времени t, то формально имеет место соотношение lim N(t) = 0, справедливое при условии, что в процессе восстановления программ в них не вносятся новые ошибки.

Опыт создания и эксплуатации ПО реального времени показывает, что при устранении одних ошибок вносятся другие. Поэтому, при длительной эксплуатации ПО, общее число ошибок может оставаться постоянным или даже возрастать.

Для описания надежности ПО используют такие же функциональные и числовые характеристики, как и при исследовании надежности технических элементов.

Основные показатели надежности ПО:

1. функция ненадежности или отказа ПО Q(t) = Вер {того, что отказ ПО появится до момента времени t};

2. функция надежности ПО P(t) = Вер {того, что отказ ПО появится после момента времени t);

3. интенсивность отказов ПО (t) = dQ/dt:

4. средняя наработка на отказ ПО: t = t f(t)dt = P(t)dt

Программное обеспечение АСУТП состоит из большого числа программ, подпрограмм и модулей, находящихся под управлением операционной системы реального времени или программы-диспетчера. Выполнение каждой из этих программ осуществляется последовательно во времени на одном и том же процессоре. Если эти программы имеют взаимные информационные связи или предназначены для получения одного результата y (вычисление одной функции), то в надежностном отношении такой программный комплекс представляет собой простую систему без избыточности и вероятность его безотказной работы равна произведению вероятностей безотказной работы каждой i-ой программы:

где m – общее число программ.

Надежность такого ПО определяется надежностью отказов самой «ненадежной» программы, имеющей наибольшее значение , i=1,m.

Для повышения надежности нерезервиированного ПО следует в первую очередь улучшить характеристики самых «ненадежных» программ (более жесткое динамическое тестирование «ненадежных» программ, расширяя при этом набор тестовых задач).

Если тестирование не уменьшает интенсивность проявления ошибок, то переписывают «ненадежную» программу, стремясь усилить ее структурированность путем увеличения числа готовых и хорошо изученных программных модулей и стандартных подпрограмм и применения апробированных межмодульных интерфейсов. Понижению интенсивности способствует и переход на другой более высокий язык программирования.

Другой путь повышения надежности ПО связано с резервированием и введением в программную систему некоторой избыточности.

Применительно к ПО АСУТП различают три вида резервирования:

1. временное;

2. информационное;

3. программное.

Временное резервирование ПО заключается в многократном прогоне одних и тех же «ненадежных» программ и сравнении результатов расчета. Такое нагруженное резервирование позволяет устранять влияние случайных сбоев и выявлять случайные ошибки, требующие восстановления программ.

Информационное резервирование ПО основано на дублированных исходных и промежуточных данных. Эти данные могут проходить дополни тельную обработку, например, усреднение, до ввода в ПО, где они обрабатываются один раз; или обрабатываться одной и той же программой дважды, т.е. информационное резервирование подкрепляется временным.

Программное резервирование предусматривает наличие в ПО двух или больше разных программ для получения одного и того же результата у или реализации одной функции. Здесь возможно нагруженное и ненагруженное резервирование.

Резервирование программного обеспечения распределенных АСУТП часто сопровождается аппаратурным резервированием. При отказе ПО какой-либо локальной технологической станции или при выходе из строя технических средств этой станции, операционная система РАСУ передает выполнение ответственных функций отказавшей ЛТС другой станции.

Рекомендуемая литература для дополнительного чтения:

1. Балакирев В.С., Бадеников В.Я. Надежность технических и программных средств автоматизации. Учеб. пособие для ВУЗов. – Ангарск.: Ангарский технологический институт, 1994, — 64 с.

2. Ястребенецкий М.А., Иванова Г.М. Надежность АСУТП. Учеб. пособие для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 264 с.

3. Надежность АСУ: Учеб. пособие для ВУЗов/ Под ред. Я.А. Хетагурова. – М.: Высшая школа, 1979. – 287 с.

4. Курочкин Ю.А. Надежность и диагностирование цифровых устройств и систем. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 240 с.

5. Шураков В.В. Надежность программного обеспечения систем обработки данных. Учебник для ВУЗов. – М.: Финансы и статистика, 1987. – 272 с.

Лекция 6

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСЛОВИЙ РАБОТЫ, АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Автоматические системы, а также их отдельные элементы при эксплуатации находятся под воздействием различных факто­ров, которые будем называть нагрузками. Характерной особен­ностью электронных автоматических систем по сравнению с меха­ническими системами является большое разнообразие нагрузок, воздействующих на систему.

По физической природе нагрузки можно разделить на следующие основные классы:

1) механические нагрузки — вибрации, удар, постоянно дейст­вующие ускорения;

2) климатические нагрузки — температура, влажность и влага, атмосферное давление, солнечная радиация, пыль, песок;

3) электрические нагрузки — ток, напряжение, рассеиваемая мощность;

4) радиоактивные нагрузки — поток нейтронов, гамма-лучей

Механические нагрузки

В результате воздействия механических нагрузок отказы авто­матических систем имеют следующий характер:

1) смещение скользящих и вращающихся деталей и узлов;

2) обрыв элементов;

3) разрушение паек;

4) разрушение нитей накала ламп;

5) стук контактов;

6) короткое замыкание близко расположенных проводников и деталей;

7) размыкание нормально-замкнутых контактов;

8) замыкание нормально-разомкнутых контактов;

9) повреждение обмоток трансформаторов;

10) разрушение элементов конструкции.

Климатические нагрузки,

В результате воздействия климатических нагрузок отказы автоматических систем имеют следующий характер

1) изменение значений электрических констант (R, L, С и т. д.);

2) размягчение изоляции;

3) снижение эластичности изоляции;

4) уменьшение поверхностного и объемного сопротивлений изоляции вплоть до коротких замыканий вследствие образования льда;

5) замерзание движущихся частей;

6) размыкание и замыкание контактов вследствие коробления;

7) изменение прочности конструкционных элементов;

8) потеря смазочных свойств, а следовательно, чрезмерный механический износ подвижных частей вследствие попадания пыли и песка;

9) короткие замыкания вследствие ухудшения изоляционных характеристик воздуха с изменением высоты.

Так же, как и в случае механических нагрузок, климатические нагрузки в отдельных местах системы могут в значительной сте­пени отличаться от их значений в окружающей атмосфере.

Электрические нагрузки

Характерными отказами автоматических систем вследствие воздействия электрических нагрузок являются:

1) обрыв элементов в результате перегорания;

2) короткое замыкание элементов в результате пробоя.

Величина электрических нагрузок в значительной степени за­висит от режима работы системы. В установившемся режиме работы действительное значение нагрузки близко к ее расчетному значе­нию, всегда меньшему, чем номинальное значение, поэтому обычно коэффициент нагрузки меньше единицы. В переходных режимах величина нагрузки может в несколько раз превышать расчетное значение, тогда коэффициент нагрузки становится большим еди­ницы. Это обстоятельство характерно для моментов времени вклю­чения и выключения автоматической системы. В этом случае обычно появляется большее число отказов, чем при работе в установившемся режиме.

Радиоактивное излучение

Краткое рассмотрение условий работы автоматических систем показывает, что они работают под воздействием сложного ком­плекса нагрузок. Кроме того, задача аналитического описания на­грузок усложняется также и тем, что некоторые из них характери­зуются несколькими параметрами. Например, вибрации характери­зуются частотой и амплитудой вибраций. Задачу можно упростить при предположении, что для каждого из элементов можно выделить одну или несколько главных нагрузок. С этой точки зрения целесо­образно классифицировать нагрузки не по их физической природе, а по их влиянию на систему или ее отдельные элементы.

Выделим три класса нагрузок:

1) нагрузки-напряжения;

2) нагрузки-катализаторы;

3) пассивные нагрузки.

Нагрузки-напряжения, Нагрузки-катализаторы, К, пассивным нагрузкам

В большинстве случаев нагрузки являются случайными функ­циями времени, т. е. представляют случайный процесс.

В наиболее простейших случаях можно не учитывать корреля­ционных связей между различными типами нагрузок, т. е. считать нагрузки статистически независимыми. Кроме того, если измене­ние нагрузок во времени является стационарным случайным процес­сом, можно в качестве количественных характеристик нагрузок использовать распределения нагрузок как случайных величин.

Представляет интерес оценка, как возможных значений нагрузок, так и их максимальных значений. Для определения плотности вероятности нагрузок по известным реализациям случайного процесса (в случае стационарного про­цесса достаточно знать одну реализацию в течение длительного времени) необходимо разделить общее время наблюдения на до­статочно малые интервалы и определить нагрузку в каждом интер­вале.

Рис. 6.1. Плотности вероятности нагрузки и плот­ности ее максимальных значений.

Таким образом может быть построена функция плотности ве­роятности нагрузки и плотность вероятности максимальных значений нагрузки в резуль­тате фиксирования в течение продолжительного отрезка времени максимальных нагрузок. Взаимное расположение указанных плот­ностей вероятностей показано на рис. 6.1.

Использование для расчетов надежности автоматических си­стем, плотностей вероятности нагрузок ni(Z) и (Zmax), соответ­ствует условию приложения к системе статических нагрузок.

Рекомендуемая литература для дополнительного чтения:

1. Надежность АСУ. Учеб. пособие для ВУЗов. / под ред. Я.А. Хетагурова. – М.: Высшая школа, 1979. – 287 с.

2. Курочкин Ю.А. Надежность и диагностирование цифровых устройств и систем. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 240 с.

3. Северцев Н.А. Надежность систем в эксплуатации и отработке. Учебник для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 140 с.

Лекция 7

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ, АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ., ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

При создании и эксплуатации автоматических систем необхо­димо стремиться обеспечить заданную, а иногда и максимальную надежность системы при эксплуатации. Однако в практике созда­ния сложных автоматических систем в большинстве случаев не удается, не только получить максимальную надежность, но и обеспечить даже при обычном подходе к проектированию и экс­плуатации минимальную требуемую надежность системы. Поэтому при создании и эксплуатации систем необходимо принимать спе­циальные меры, направленные на повышение надежности систем. Способы повышения надежности автоматических систем весьма многообразны и требуют от лиц, создающих системы, как широких научных и теоретических зна­ний, так и инженерного искусства, большого опыта и т. д.

Есте­ственно, что детально рассмотреть все многообразие мер и спосо­бов повышения надежности весьма трудно и это связано было бы с освещением большого количества узконаправленных задач. Учи­тывая это обстоятельство, в настоящем параграфе будут рассмот­рены общие методы и принципы повышения надежности автомати­ческих систем. Изучение общих методов и принципов повышения надежности автоматических систем имеет также свои положитель­ные стороны, обеспечивающие развитие правильных и перспек­тивных направлений создания высоконадежных систем, без чего могут стать малоэффективными правильные решения более узких практических вопросов.

при проектировании, производстве и эксплу­атации.

Следует отметить, что только объединенными мерами на каж­дой из этих фаз можно добиться высокой надежности создаваемой и эксплуатируемой системы. Тем не менее, решающее влияние на надежность автоматических систем оказывает фаза проектиро­вания.

При проектировании системы выбирается принцип ее ра­боты и структура. Осуществляется конструктивная разработка отдельных узлов и приборов и т. д., Если на стадии проек­тирования не будут учитываться вопросы, связанные с надеж­ностью системы, и тем более, если будут допущены неточности, то обеспечить надежность системы за счет мер, принимаемых на двух последующих фазах (производстве и эксплуатации), весьма трудно. Это потребует больших материальных затрат, а в неко­торых случаях даже практически невозможно. Прежде всего, при проектировании системы необходимо обеспечить требуемый уровень безотказности системы.

Проектирование системы начинается с выбора принципа работы системы. На этой стадии проектирования главное внимание должно быть обращено на выбор наиболее простой системы, имеющей по возможности наименьшее число элементов и связей между ними. Это требование подтверждается тем, что в нерезервированных системах вероятность отказа системы в первом приближении про­порциональна количеству элементов.

Наряду с выбором простой схемы, оцениваемой приближенно по количеству элементов, большое влияние на безотказность си­стемы имеет выбор стабильной схемы. В стабильной по принципу действия схеме обычно наблюдаются минимальные связи между параметрами отдельных элементов, а также обеспечивается мини­мальное влияние отклонений параметров элементов на величину ошибки в выходной величине системы.

Таким образом, выбор про­стой и стабильной по принципу действия схемы является одной из главных мер обеспечения высокой безотказности системы как при внезапных, так и при постепенных отказах.

Иногда выбор простой по количеству элементов и в то же время стабильной схемы связан с преодолением определенных противоречий. В качестве примера можно привести задачу проектирования усилительного устройства системы. Известно, что для обеспечения стабильности коэффициента усиления в автоматических системах применяются отрицательные обратные связи.

Применение отрицательной обратной связи для получения тре­буемого общего заданного коэффициента усиления связано с уве­личением числа каскадов в разомкнутой цепи усиления, т. е. с уве­личением общего количества элементов системы. Таким образом, повышение стабильности коэффициента усиления приводит к уве­личению потенциальной возможности внезапного отказа в схеме.

Вероятность отказа нерезервированной системы в первом при­ближении равна сумме вероятностей отказов элементов. Следова­тельно, безотказность нерезервированных систем зависит не только от количества элементов, но и от качества элементов. Для обеспе­чения высокой безотказности при проектировании системы надо выбирать наиболее качественные и перспективные элементы.

В свою очередь показатели безотказности элементов зависят в сильной сте­пени от режимов работы элементов. Поэтому при проектировании для повышения безотказности системы режимы работы элементов можно выбирать значительно меньшими, чем номинальные, при этом степень уменьшения нагрузок зависит от конкретных задач.

Большое влияние на безотказность системы оказывают условия ее работы, а именно: воздействующие на систему и элементы меха­нические, климатические нагрузки и т. д. При проектировании системы необходимо максимально уменьшить влияние внешних и внутренних нагрузок на систему и ее элементы. Эта задача в основном решается правильным выбором конструкции узлов, приборов и системы в целом.

В качестве дополнительных конструк­тивных мер, обеспечивающих повышение безотказности, можно указать на методы снижения влияния механических нагрузок пу­тем применения специальных конструктивных форм устройств, амортизаторов и т. д. Влияние климатических “нагрузок” может быть в значительной степени ослаблено при правильном конструк­тивном оформлении узлов и блоков, например, с таким расчетом, чтобы обеспечить повышенную теплоотдачу (искусственное охлаж­дение), защиту от влаги (герметизация).

При разработке схемы и конструкции должны также быть пред­усмотрены меры, позволяющие повысить надежность системы при эксплуатации, а именно: блочная конструкция системы, примене­ние стандартных и унифицированных узлов и блоков, удобство про­верок и обслуживания и др.

Таким образом, на стадии проектирования надежность нерезер­вированной системы обеспечивается следующими основными мето­дами:

1) выбором простых и стабильных схем, учитывающих также возможности повышения надежности системы при эксплуатации;

2) применением качественных и перспективных элементов и вы­бором режимов работы элементов, соответствующих пониженным электрическим нагрузкам;

3) разработкой конструкции системы и приборов, обеспечиваю­щей минимальные нагрузки на систему и элементы, а также удоб­ство обслуживания системы.

Рекомендуемая литература для дополнительного чтения:

1. Надежность АСУ. Учеб. пособие для ВУЗов. / под ред. Я.А. Хетагурова. – М.: Высшая школа, 1979. – 287 с.

2. Курочкин Ю.А. Надежность и диагностирование цифровых устройств и систем. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 240 с.

3. Северцев Н.А. Надежность систем в эксплуатации и отработке. Учебник для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 140 с.

Лекция 8

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

Если в результате проектирования нерезервированной системы не удается обеспечить требуемую безотказность, можно применять следующие методы повышения надежности системы при эксплуатации:

1) обратные связи;

2) резервирование

Применение отрицательных обратных связей позволяет стаби­лизировать параметры отдельных узлов, блоков и приборов си­стемы, т. е. уменьшать вероятность отказа системы вследствие постепенных отказов. В ряде случаев полезно применять положи­тельные обратные связи.

Повышение надежности изделий и систем может быть достигнуто с по­мощью резервирования.

Аппаратурное резервирование

(нагруженный резерв)

Существенным недостатком постоянного резервирования яв­ляется изменение параметров схемы и режимов работы при отказах резервных устройств, что в некоторых случаях недопустимо. Опре­деленные технические трудности встречаются также при резерви­ровании устройств, характеризующихся двумя типами отказов (обрыв и короткое замыкание).

Кроме того, для ряда устройств автоматических систем постоянное резервирование технически трудно осуществить, а в некоторых случаях даже невозможно.

Как и всякому способу повышения безотказности, связанному с приме­нением большего количества элементов, чем это требуется функ­циональной схемой, постоянному резервированию присущи также недостатки, связанные с увеличением веса, объема, стоимости аппа­ратуры и усложнением эксплуатации. Вес системы с постоянным резервированием может быть значительно уменьшен благодаря применению микроминиатюрных и молекулярных элементов.

Рис. 8.1 Схемы резервирования:

а — поэлементного; б — общего; в — поэлементного замещением; г -т

общего замещением; д — мажоритарного; ОЭ — основной элемент;

РЭ — резервный элемент

(ненагруженный резерв)

ненагруженный резерв

«схема голосования из трех по два».

Резервирование осуществляют также с применением логических схем. Такое резервирование называют активным . Применение логиче­ских схем обеспечивает неизменность параметров схемы при отка­зах элементов, повышает безотказность системы при их использова­нии для устройств, характеризующихся отказами двух типов, позволяет сохранять ресурс резервных устройств, находящихся в ре­жиме ожидания в ненагруженном состоянии. Резервирование с ло­гическими схемами неизбежно связано с применением дополни­тельных устройств в виде индикаторов отказа, переключателей и т. д.

Надежность автоматической системы может в значительной степени снизиться также под воздействием внешних помех, пере­межающихся или самовосстанавливающихся отказов и др., приво­дящих к искажению передаваемой информации. В этих случаях эффективным средством повышения надежности систем является применение, особенно в дискретных информационных системах, самокорректирующих кодов и избыточности передаваемой инфор­мации. Применение того или иного метода резервирования зависит от конкретных условий, от назначения и особенностей работы системы.

В общем случае невозможно применением только одного метода резервирования добиться высокой надежности автоматиче­ской системы. Высокая надежность системы может быть обеспечена только в результате комбинированного применения методов резервирова­ния. Одним из направлений создания высоконадежных автомати­ческих систем на основе комбинированных методов резервирова­ния является применение самонастраивающихся и самооргани­зующихся систем. При помощи постоянного резервиро­вания можно обеспечить функционирование системы с вероят­ностью, весьма близкой к единице. Однако при отказах резервных элементов в значительной степени могут измениться выходные параметры, при этом отклонения параметров могут быть такими, что, несмотря на отсутствие отказа системы, она не удовлетворяет предъявляемым требованиям. Комбинированное применение по­стоянного резервирования и метода самонастройки параметров при отказе резервных элементов позволяет избежать недостатков, присущих только постоянному резервированию. Еще большие возможности повышения надежности могут пред­ставиться в результате применения самоорганизующихся систем, в которых при отказах отдельных элементов или изменении внеш­них условий изменяется структура системы, перераспределяются функции между ее отдельными элементами.

Одним из наиболее важных средств обеспечения высокой без­отказности системы на стадии эксплуатации является строгое соблюдение условий технологических процессов. Соблюдение установлен­ных технологических процессов должно начинаться с входного контроля материалов и изделий, применяемых в системе, обеспечении при необходимости качественной замены материалов. В ряде случаев причиной низкой безотказности выпускаемых систем мо­жет быть загрязненное содержание оборудования и рабочих мест. Важным методом повышения безотказности систем является пра­вильная организация производственного контроля и уровень культуры производства.

Особый вред качеству системы наносится скрытыми производ­ственными дефектами в результате нарушения технологического процесса. Обычно скрытые дефекты представляют наибольшие технические трудности при производственном контроле.

Наряду с производственным контро­лем безотказность сложных систем может быть существенно повышена, особенно для начального периода эксплуатации, прове­дением тренировочных испытаний системы (приработки) в произ­водственных условиях. Это позволяет устранить большинство производственных и скрытых отказов, если приработка системы проходит при больших, по сравнению с номи­нальными, нагрузками.

Правильная организация эксплуатации системы является одним из решающих факторов обеспечения высокой надежности. Большое значение имеет и своевременное проведение профилакти­ческих мероприятий, позволяющих предупредить появление отка­зов системы в рабочий период времени. Одним из современных методов профилактики является прогнозирование отказов, позво­ляющее своевременно заменить так называемые кри­тические элементы и тем самым исключить их отказы. Естественно, что полностью исключить отказы в рабочий период не удается, поэтому необходимо проектировать систему и правила ее эксплуа­тации таким образом, чтобы обеспечить минимальное время вос­становления отказавшей системы. В этой связи большое значение имеет разработка схем автоматической проверки и обнаружения отказов (системы диагностирования), а также, если это возможно, и схем самовосстановления отказов.

Из эксплуатационных факторов важная роль в поддер­жании высокой надежности автоматических систем принадлежит обслуживающему персоналу, его технической подготовке, опыту и другим качествам.

Большое значение для повышения надежности системы имеет организация эксплуатации, в частности снабжение систем запас­ными элементами и материалами, техническими описаниями и ин­струкциями по эксплуатации, организация ремонтных органов и др.

Таким образом, высокая надежность автоматических систем может быть обеспечена только комплексом методов, применяемых на всех фазах создания и эксплуатации системы.

Рекомендуемая литература для дополнительного чтения:

1. Надежность АСУ. Учеб. пособие для ВУЗов. / под ред. Я.А. Хетагурова. – М.: Высшая школа, 1979. – 287 с.

2. Курочкин Ю.А. Надежность и диагностирование цифровых устройств и систем. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 240 с.

3. Северцев Н.А. Надежность систем в эксплуатации и отработке. Учебник для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 140 с.