Основные термины и определения. ДИАГНОСТИКА И НАДЕЖНОСТЬ

ДИАГНОСТИКА И НАДЕЖНОСТЬ

СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

Методическое пособие

для студентов специальностей:

6.05020201 – Автоматизация технологических процессов,

6.05020203 – Автоматика и автоматизация на транспорте

(очная, заочная формы обучения)

Харьков

Методическое пособие по курсу «Диагностика и надежность систем автоматизации» для студентов специальностей: 6.05020201 – Автоматизация технологических процессов, 6.05020203 – Автоматика и автоматизация на транспорте , очной, заочной форм обучения содержит курс лекций.

Содержание

Предисловие. 4

Тема 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ.. 6

ЛЕКЦИЯ 1. 6

ЛЕКЦИЯ 2. 11

ЛЕКЦИЯ 3. 21

ЛЕКЦИЯ 4. 28

Тема 2. ПРИНЦИПЫ ОПИСАНИЯ НАДЕЖНОСТИ АСУТП.. 26

ЛЕКЦИЯ 5. 36

ЛЕКЦИЯ 6. 45

ЛЕКЦИЯ 7. 52

ЛЕКЦИЯ 8. 62

ЛЕКЦИЯ 9. 70

Тема 3. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ЛОКАЛЬНЫХ СИСТЕМ БЕЗ УЧЕТА ВОССТАНОВЛЕНИЯ.. 57

ЛЕКЦИЯ 10. 77

ЛЕКЦИЯ 11. 85

ЛЕКЦИЯ 12. 93

ЛЕКЦИЯ 13. 100

ЛЕКЦИЯ 14. 107

Тема 4. ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ АСУ ТП И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИСПЫТАНИЙ.. 79

Тема 5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ АСУ ТП ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ 95

ЛЕКЦИЯ 15. 113

ЛЕКЦИЯ 16. 121

ЛЕКЦИЯ 17. 121

Тема 6. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ.. 119

ЛЕКЦИЯ 18. 121

Список литературы.. 129

Предисловие

Современная наука рассматривает надежность как одно из самых важных комплексных свойств систем и объектов общепромышленного назначения, от которого зависят их качество, экономичность, ресурсосбережение, конкурентоспособность и безопасность. Проблеме надежности, как основному фактору, обеспечивающему ускорение технического процесса, уделяется в последнее время все большее внимание. Международная организация по стандартизации (ISO) совместно с Международной электротехнической комиссией (МЭК) проводит работы по стандартизации в области надежности сложных систем. К этим работам подключились более 90 развитых стран мира.

Научной базой работ по обеспечению надежности как систем, так и их элементов является теория надежности. Ее развитие было стимулировано ростом требований к современной технике, резким увеличением сложности систем [1]. Теория надежности сформировалась в результате разностороннего теоретического и экспериментального изучения закономерностей, связанных с обеспечением безотказной работы современных технических устройств.

Основные задачи теории надежности [1]:

- установление видов количественных показателей надежности;

- выработка методов аналитической оценки надежности;

- разработка методов оценки надежности по результатам испытаний;

- оптимизация надежности на стадиях разработки и эксплуатации и др.

Теория надежности нашла широкое применение при разработке, проектировании и промышленной эксплуатации разнообразных сложных систем.

Надежность современных автоматизированных систем управления является важной составляющей их качества и необходимым условием обеспечения безопасности различных объектов управления. Научно обоснованный анализ надежности АСУ предусмотрен требованиями государственных и международных стандартов [2-4]. Готовность организаций и предприятий, разрабатывающих и эксплуатирующих АСУ, выполнять научно обоснованный анализ их надежности является обязательным условием государственной и международной сертификации. Главной конечной целью анализа является своевременное получение достоверной информации, необходимой для выработки и реализации обоснованных решений в области обеспечения требуемой надежности АСУ.

В основе научного анализа надежности современных сложных и высокоразмерных АСУ лежат математические модели и компьютерные технологии. С их помощью должны осуществляться расчеты значений необходимых показателей, решаться задачи оптимизации, синтеза, выработки и обоснования управленческих решений. От обеспечения возможности достаточно точно и оперативно решать указанные задачи непосредственно зависит экономичность, ресурсосбережение и конкурентоспособность современного производства.

ЛЕКЦИЯ 1

Тема 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

Основные термины и определения

Система и элементы.Под системой понимают совокупность элементов, взаимодействующих между собой в процессе выполнения заданных функций. Система предназначена для самостоятельного выполнения определенной практической задачи.

По степени сложности системы можно подразделять на простые и сложные. Отличительные особенности сложной системы таковы:

- большое количество элементов;

- сложный характер связей между элементами;

- многообразие функций выполняемых системой;

- наличие элементов самоорганизации;

- сложность поведения при изменяющихся внешних воздействиях, обусловленная наличием обратных связей, участием оперативного персонала в функционировании системы.

В зависимости от факторов, учитываемых при классификации, различают:

а) структурно сложные системы;

б) функционально сложные системы.

Элементом системы называют составную часть системы, которая рассматривается без дальнейшего разделения как единое целое; внутренняя структура элемента при данном рассмотрении не является предметом исследования.

Понятия “система” и “элементы” 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 — автоматизированного технологического комплекса, включающего, помимо АСУ ТП, технологический объект управления. Еще в большей степени это относится к составным частям АСУ ТП.

Состояния и события.Работоспособным называется такое состояние системы (элемента), при котором значения параметров, характеризующих способность системы выполнять заданные функции, находятся в пределах, установленных нормативно-технической или конструкторской документацией. Соответственно неработоспособным называется состояние системы, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не находится в пределах, установленных указанной документацией. Например, система измерения температуры является неработоспособной, если основной параметр, характеризующий качество ее функционирования — погрешность измерения, превышает заданную величину.

Состояния системы могут быть также разделены на исправное (при котором система соответствует всем требованиям нормативно-технической и конструкторской документации) и неисправное (при котором имеется хотя бы одно несоответствие этим требованиям).

Отличие между исправным и работоспособным состояниями заключается в следующем. Работоспособная система удовлетворяет только тем требованиям, которые существенны для функционирования, и может не удовлетворять прочим требованиям (например, по сохранности внешнего вида элементов), Система, находящаяся в исправном состоянии, заведомо работоспособна.

Событие, заключающееся в нарушении работоспособности системы, т. е. в переходе ее из работоспособного в неработоспособное состояние, называется отказом. Понятие «отказ» является важнейшим в теории надежности. Отказы можно различать по нескольким признакам:

1. По характеру устранения различают: окончательные (устойчивые) отказы, являющиеся следствием необратимых процессов и перемежающиеся (то возникающие, то исчезающие отказы), которые в большинстве случаев являются следствием обратимых случайных изменений режимов работы и параметров объекта. Перемежающиеся отказы существенно отличаются от окончательных причиной возникновения, внешними проявлениями и последствиями появления.

2. По связи с другими отказами различают первичные отказы, не являющиеся следствием ранее возникших отказов, и вторичные отказы, являющиеся следствием ранее возникших отказов. Например, значительная часть отказов электрических исполнительных механизмов являются вторичными, возникшими вследствие перегрузки по току в силовых цепях электродвигателя при одновременном несрабатывании защиты, что приводит к сгоранию обмотки электродвигателей.

3. По характеру возникновения можно различать отказы внезапные, состоящие в резком, практически мгновенном изменении характеристик системы, и отказы постепенные, наступающие в результате длительного, постепенного изменения параметров.. Разграничение отказов на внезапные и постепенные является в некоторой степени условным и зависит от возможности контроля процессов изменения параметров. Внезапные отказы обычно имеют характер обрывов, поломок, замыканий и часто проявляются в нарушении цепи прохождения сигнала (например, сгорание термопары, залипание контактов магнитного пускателя). Постепенные отказы часто имеют характер разрегулировок (например, дрейф нуля усилителя).

4. По степени нарушения работоспособности отказы разделяют на полные (после которых функционирование системы полностью прекращается) и частичные (после которых может продолжаться функционирование, но с ухудшенными показателями). Такое деление отказов часто проводится для систем, участвующих в выполнении нескольких функций и (или) по нескольким каналам. Полным отказом при этом является прекращение выполнения всех функций по всем каналам, частичным - прекращение выполнения части функций и (или) по части каналов.

5. Отказы в АСУ целесообразно подразделять на:

а) аппаратурные, при которых утрачивается работоспособность и для ее восстановления требуется проведение ремонта или замена отказавшего элемента на идентичный работоспособный;

б) программные, при которых утрачивается работоспособность по причине несовершенства программы, отсутствия программной защиты от сбоев, несовершенства алгоритма решения задачи и т. д.

Событие, заключающееся в переходе системы из исправного в неисправное (но работоспособное) состояние, называется повреждением. Предметом дальнейшего изучения будут, как правило, отказы. Отличительный признак или совокупность признаков, по которым устанавливается факт возникновения отказа, называют критериями отказа.

Восстановлением называется событие, заключающееся в переходе системы из неработоспособного в работоспособное состояние. Соответственно к невосстанавливаемым относят системы, восстановление которых непосредственно после отказа считается нецелесообразным или невозможным, а к восстанавливаемым - в которых проводится восстановление непосредственно после отказа.

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. Само понятие “восстановление” следует понимать не только как корректировку, настройку, пайку или иные ремонтные операции по отношению к тем или иным техническим средствам, но и как замену этих средств.

В принципе подавляющее большинство систем, применяемых для автоматизации технологических процессов, подлежит восстановлению после отказа, после чего они вновь продолжают работу. То же относится к большей части технических средств; к числу невосстанавливаемых можно отнести только такие их элементы, как интегральные схемы, резисторы, конденсаторы и т. п.

Рис. 1.1 Схема основных состояний и событий

восстанавливаемой системы

Схема основных состояний и событий, характерных для восстанавливаемых систем, приведена на рис. 1.1. На этой схеме выделено также предельное состояние, при котором дальнейшее применение системы по назначению недопустимо или нецелесообразно. Предельное состояние может иметь место, если дальнейшее восстановление работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. После попадания в предельное состояние может следовать ремонт (капитальный или средний), в результате чего восстанавливается исправное состояние, или же система окончательно прекращает использоваться по назначению.

Понятие «наработка до отказа». Рассмотрим систему, начинающую функционировать в момент времени t=0, причем в этот момент система находится в работоспособном состоянии. Предположим сначала, что такая система отключается только вследствие отказа. Обозначим через Т время, прошедшее от момента начала функционирования до момента отказа. Величина Т зависит от случайных отклонений технологических условий изготовления отдельных элементов от номинальных, различия условий транспортировки, монтажа, наладки и не будет одинаковой у различных систем даже при абсолютно одинаковых условиях эксплуатации. К тому же сами условия эксплуатации (температура, вибрация, качество технического обслуживания, частота включения и т. д.) в определенной степени отличны друг от друга, поэтому величина Т случайна.

Отключения системы могут происходить не только из-за ее отказов, но и для проведения технического обслуживания, вследствие отказов автоматизируемого технологического агрегата, из-за циклического графика работы системы, когда она включается на некоторые промежутки времени, определяемые технологическим режимом (например, в АСУ непрерывно-дискретными технологическими процессами).

Продолжительность работы системы в этой ситуации носит название наработки, а случайная величина — длительность работы до отказа называется наработкой до отказа, которую также будем обозначать Т. Наработка до отказа в отличие от времени безотказной работы не всегда измеряется единицами времени; наработка до отказа может измеряться и числом включений (срабатываний, циклов). Однако для большей части систем наработка до отказа измеряется единицами времени. На рис. 1.2 приведен график эксплуатации системы, где наработка до отказа

T = t1+ (t3 - t2) + (t5 - t4),

где t1 – момент отключения системы из-за останова технологического агрегата; t2, t4 – моменты включения системы в работу; t3– момент отключения системы на профилактику; t5 – момент отказа системы.

Очевидно, что для систем, работающих без отключений (кроме отказов), наработка до отказа совпадает с временем безотказной работы.

Рис. 1.2 К определению понятия «наработка до отказа»

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

Надежность является комплексным свойством, включающим в себя четыре составляющие: безотказность, ремонтопригодность, долговечность и сохраняемость.

Под безотказностью понимается свойство системы сохранять работоспособность (выполнять свои функции с эксплуатационными показателями не хуже заданных) в течение требуемого интервала времени непрерывно без вынужденных перерывов. Безотказность является наиболее важной компонентой надежности, так как она отражает способность длительное время функционировать без отказов. Безотказность систем в решающей степени влияет на эффективность их использования и определяется количеством и безотказностью элементов, режимом их работы, наличием резервирования, параметрами окружающей среды (температурой, запыленностью) и др.

Ремонтопригодность является свойством системы, заключающимся в ее приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению причин возникновения отказов, а также поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Ремонтопригодность зависит от того, выполнены ли элементы в виде отдельных, легко заменяемых блоков, а также от использования средств встроенного контроля работоспособности и диагностики. Следует отметить, что характеристики ремонтопригодности существенно зависят не только от свойств самой системы, но и от квалификации обслуживающего персонала и от организации эксплуатации.

Долговечность – свойство системы сохранять работоспособность до наступления предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Долговечность системы зависит от долговечности технических средств и от подверженности системы моральному старению.

Сохраняемость характеризует свойство системы сохранять значения показателей безотказности и ремонтопригодности в течение и после срока хранения и транспортировки. Поскольку системы в целом не хранятся, а могут сохраняться только отдельные технические средства и их элементы, то свойство сохраняемости для систем несущественно. Для технических средств и элементов это свойство имеет определенное значение, но менее важное, чем предыдущие свойства, так как эти средства обычно транспортируются только один раз – от завода-изготовителя к месту установки и длительность их хранения от момента поступления до монтажа и наладки (кроме технических средств и элементов, используемых в качестве запасных частей) относительно невелика. Вследствие этого вопросы сохраняемости ниже рассматриваться не будут.

Виды надежности.При исследовании надежности часто ставится задача определить причины, приводящие к формированию той или другой стороны надежности. Без этого невозможно наметить правильную программу работ по повышению надежности. Это приводит к делению надежности на:

- аппаратную надежность, обусловленную состоянием аппаратуры, которая может при необходимости расчленяться на более мелкие разновидности надежности: на надежность конструктивно-схемную и производственно-технологическую;

- программную надежность, обусловленную состоянием программ;

- надежность объекта, обусловленную качеством обслуживания;

- надежность функциональную – это надежность выполнения отдельных функций, возлагаемых на систему. Примером функциональной надежности в АСУ может быть надежность передачи определенной информации в системе передачи данных.

ЛЕКЦИЯ 2