Основные термины и определения

Конспект лекций по дисциплине

«Диагностика и надежность автоматизированных систем»

Содержание

Раздел 1. общие сведения по теории надежности.. 3

1.1. Основные термины и определения. 3

1.2. Показатели надежности объектов. 9

1.3. Показатели надежности невосстанавливаемых объектов. 13

1.4.Основные законы распределения случайных величин в теории надежности 17

1.4.1. Экспоненциальный закон распределения. 18

1.4.2. Закон распределения Релея. 19

1.4.3. Нормальное распределение. 19

1.4.4. Логарифмически нормальное распределение. 21

1.4.5. Распределение Вейбулла. 22

1.4.6. Гамма-распределение. 23

1.5. Показатели надежности восстанавливаемых объектов. 24

Раздел 2. Принципы описания надежности автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) 27

2.1. Надежность АСУ ТП как совокупности комплекса технических средств, программного обеспечения и оперативного персонала. 28

2.2. Надежность АСУ ТП как совокупности функций. Надежность АСУТП с учетом взаимосвязи с внешней средой. 34

2.3. Взаимосвязь надежности и других свойств АСУ ТП.. 43

Раздел 3. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ БЕЗ УЧЕТА ВОССТАНОВЛЕНИЯ 52

3.1. Основные этапы расчета надежности и методы расчета надежности без учета восстановления. 52

3.2. Расчет характеристик надежности резервированных объектов без учета восстановления. 72

3.3. Расчет надежности каналов технологического контроля, систем защиты технологического оборудования и систем регулирования. 81

3.4. Расчет надежности систем с учетом восстановления. 99

3.5. Расчет надежности функций АСУТП.. 122

Раздел 4. МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ.. 132

4.1. Методологические основы технического диагностирования. 132

4.2. Организация поиска дефектов. 138

4.3. Влияние периодичности диагностических циклов на показатели надежности восстанавливаемых систем. 148

Библиографический список.. 154

Раздел 1. общие сведения по теории надежности

Основные термины и определения

Надежность является фундаментальным понятием теории надежности, с помощью которого определяются многие понятия.

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функций в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Объект – это предмет определенного целевого назначения, надежность которого рассматривается в каждом конкретном случае на этапах разработки требований, проектировании, производства, применения, ремонта, исследований и испытаний на надежность.

По характеру проведения обслуживания объекты делятся на обслуживаемые и необслуживаемые, восстанавливаемые и невосстанавливаемые, ремонтируемые и неремонтируемые.

Обслуживаемый объект – объект, для которого проведение технических обслуживаний предусмотрено в нормативно-технической и (или) в конструкторской документации.

Необслуживаемый объект – объект, для которого проведение технических обслуживаний не предусмотрено в нормативно-технической и (или) в конструкторской документации.

Восстанавливаемый объект – объект, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния предусмотрено в нормативно-технической и (или) в конструкторской документации.

Невосстанавливаемый объект – объект, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния не предусмотрено в нормативно-технической и (или) в конструкторской документации.

Ремонтируемый объект – объект, для которого проведение ремонтов предусмотрено в нормативно-технической и (или) в конструкторской документации.

Неремонтируемый объект – объект, для которого проведение ремонтов не предусмотрено в нормативно-технической и (или) в конструкторской документации.

Различают пять состояний объекта: исправное состояние, неисправное состояние, работоспособное состояние, неработоспособное состояние и предельное состояние.

Исправное состояние – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Неисправное состояние – состояние объекта, при котором он не соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Неработоспособное состояние – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, не соответствуют всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо восстановление его исправного или работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Для характеристики переходов объекта из одного состояния в другое состояние введены следующие термины: дефект, повреждение, отказ, техническое обслуживание, восстановление работоспособного состояния, ремонт (рис.1).

Р и с. 1. Схема основных состояний объекта и его переходов

1 – повреждение, 2 – отказ, 3 – переход в предельное состояние,

4 – восстановление, 5- ремонт

Дефект – каждое отдельное несоответствие объекта установленным требованиям.

Повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Техническое обслуживание – комплекс операций или операция по поддержанию работоспособного или исправного состояния объекта при использовании по назначению, ожиданию, хранении и транспортировке.

Восстановление работоспособного состояния – операция по определению места и характера отказа, замены, регулирования и контроля технического состояния элементов объекта и заключительных операций контроля по работоспособности объекта в целом.

Ремонт – комплекс операции по восстановлению исправного или работоспособного состояния объекта и восстановлению ресурсов объектов или их составных частей.

Переход объекта из одного состояния в другое обычно происходит вследствие повреждения или отказа.

Работоспособный объект в отличие от исправного должен удовлетворять лишь тем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации, выполнение которых обеспечивает нормальное применение объекта по назначению.

Очевидно, что работоспособный объект может быть неисправным, например, не удовлетворять эстетическим требованиям, если ухудшение внешнего вида объекта не препятствует его применению по назначению (например, не работают лампочки сигнализации и т.д.).

Переход объекта из исправного состояния в неисправное происходит вследствие дефектов.

Если объект переходит в неисправное, но работоспособное состояние, то это событие называют повреждением; если объект переходит в неработоспособное состояние, то это событие называют отказом.

Переход объекта в предельное состояние влечет за собой временное или окончательное прекращение применения объекта по назначению.

Отказы можно классифицировать по следующим признакам:

- по скорости изменения параметров до возникновения отказа различают внезапные и постепенные отказы. Внезапный отказ – это отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта. Посте­пенный отказ – это отказ, возникающий в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров объекта. Такое деление весьма условно, так как большинство параметров изменяется с конечной скоростью, поэтому четкой границы между этими классами не существует. К постепенным, отказы относят в тех случаях, когда изменения параметров легко прослежива­ются, позволяя своевременно предпринять меры по предупреждению перехода объекта в неработоспособное состояние.

- по характеру устранения различают устойчивый, самоустраняющийся и переме­жающийся отказы. Устойчивый отказ всегда требует проведения мероприятий по восстановлению работоспособности объекта. Самоустраняющийся отказ, или сбой, устраняется в результате естественного возвращения объекта в работоспособ­ное состояние без участия или при незначительном вмешательстве оператора, причем время устранения отказа мало или близко к нулю. Перемежающийся от­каз — это многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера. Как правило, для его устранения требуется вмешательство оператора.

- по характеру проявления различают явные и скрытые (латентные) отказы. Явный отказ обнаруживается визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования при подготовке объекта к применению или в про­цессе его применения по назначению. Скрытый отказ выявляется при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностирования. Задержка в обнаружении скрытого отказа может привести к неправильному сра­батыванию алгоритмов, некорректной обработке информации, выработке оши­бочных управляющих воздействий и другим неблагоприятным последствиям.

- по степени влияния на работоспособность различают полный и час­тичные отказы. Переход на уровень частичной работоспособности называют час­тичным отказом. Полная потеря работоспособности возникает при полном отказе. В многофункциональной системе полный отказ при выполнении одной из функ­ционально самостоятельных операций может означать только частичный отказ для системы в целом, если потеряна одна или часть функций, а остальные могут выполняться.

- по физическому характеру проявления отказа различают катастрофический и параметрический отказы. Катастрофический отказ приводит к полному нарушению работоспособности. К нему относятся обрывы и короткие замыкания, изломы, деформации и заедания механических частей, расплавление или сгорание деталей конструкции или компонентов схем. Параметрические отказы компонентов являются частичными отказами сложных объектов, в которые они входят, и выражаются в ухудшении качества функционирования изделия. Это ухудшение может быть устойчивым или временным.

- по первопричине возникновения различают конструктивный, производственный и эксплуатационный отказы. Конструктивный отказ возникает по причине, свя­занной с несовершенством или нарушением установленных правил и/или норм проектирования и конструирования. Производственный отказ связан с несовер­шенством или нарушением технологического процесса изготовления или ремон­та (на ремонтном предприятии), а эксплуатационный отказ — с нарушением правил и/или условий эксплуатации, при возникновении непредусмотренных внешних воздействий или воздействий высокой интенсивности.

- по связи с другими отказами различают независимый и зависимый отказы. Если отказ какого-либо объекта не является причиной отказа других объектов, то такой отказ называется независимым. Если же отказ одного объекта появился или вероятность его появления изменилась при отказе других объектов, то отказ будет зависимым.

Надежность является сложным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетания свойств, безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Наработка – это про­должительность или объем работы объекта. Наработка может измеряться в еди­ницах времени или объема выполненной работы (длины, площади, массы, числа срабатываний). Безотказность является наиболее важной компо­нентой надежности, так как она отражает способность дли­тельное время функционировать без отказов.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Ре­монтопригодность зависит от того, выполнены ли объекты 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 са­мого объекта, но и от квалификации обслуживающего персо­нала и от организации эксплуатации.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособлении к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказа, повреждений и поддержанию, и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонта. Долговечность объекта зависит от долговечности технических средств и от подверженности системы моральному старению.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и (или) транспортирования. Данное свойство применяется в основном для оценки работоспособности объектов, используемых в качестве запасных частей.