Основные этапы расчета надежности

Задачей расчета надежности локальных систем регулирования, контроля, защиты и дистанционного управления является определение показателей, характеризующих их безотказность и ремонтопригодность. Расчет складывается из следующих этапов: а) определение критериев и видов отказа системы и состава рассчитываемых показателей надежности; б) составление структурной (логической) схемы, основанной на анализе функционирования системы, учете резервирования, восстановления, контроля исправности элементов и др.; в) выбор метода расчета надежности с учетом принятых моделей описания процессов функционирования и восстановления; г) получение в общем виде математической модели, связывающей определяемые показатели надежности с характеристиками элементов; д) подбор данных по показателям надежности элементов; е) выполнение расчета и анализ полученных результатов.

Содержание перечисленных этапов в значительной мере зависит от выбранных критериев отказа и рассчитываемых показателей надежности, рассмотренных ранее. К наиболее характерным показателям надежности локальных систем относятся средняя наработка до отказа системы, вероятность ее безотказной работы за заданное время, коэффициент готовности, коэффициент оперативной готовности, параметр потока отказов.

Близкие по характеру показатели распространяются и на элементы системы – технические средства, с помощью которых реализуются локальные системы. Количество рассматриваемых показателей расширяется, если анализируется вероятность работы систем с ухудшенными показателями качества функционирования, т. е. при учете постепенных (метрологических) отказов элементов.

Рассмотренные показатели применяются как при создании систем, так и при их эксплуатации.

Составление структурной схемы, являющейся логической схемой для расчета надежности как системы, так и отдельного технического средства, включает некоторые моменты, на которых необходимо остановиться более подробно. Структурная схема для расчета надежности в общем случае существенно отличается от функциональной схемы. Структурной схемой для расчета надежности называется графическое отображение элементов системы, позволяющее однозначно определить состояние системы (работоспособное или неработоспособное) по состоянию (работоспособное или неработоспособное) ее элементов.

Для многофункциональных систем, например АСУ ТП, такие структурные схемы составляют по каждой функции; их обычно называют надежностными схемами функции или надежностно-функциональными схемами.

При составлении схемы элементы системы могут соединяться последовательно (рис. 3.1, а) или параллельно (рис. 3.1, б) в зависимости от их влияния на работоспособное состояние системы. Если отказ элемента независимо от его назначения вызывает отказ системы, то элемент соединяют последовательно. Если отказ системы возникает при отказе всех или части однотипных элементов, то такие элементы соединяют параллельно. Последовательное соединение элементов называют также основным, а параллельное - резервным. Для иллюстрации принципов составления структурной схемы на рис. 3.2 представлены упрощенная функциональная и структурные схемы трехимпульсного регулятора уровня в барабане котла. Расходомеры питательной воды F_В, пара F_Л, уровнемер уровня в барабане котла L и задатчик уровня 3д на структурной схеме включены последовательно, поскольку отказ любого из устройств, как и отказ регулирующего прибора Р, приводит к отказу регулятора уровня. Регулирующие органы РО с исполнительными механизмами ИМ могут находиться в основ ном (рис. 3.2, б) или резервном (рис. 3.2, в) соединении в зависимости от того, способна ли функционировать система с одним регулирующим органом или нет. Если для поддержания постоянства уровня в барабане котла достаточно регулирования подачи питательной воды только по одной нитке, что обычно имеет место, то исполнительные механизмы с регулирующими органами соединяются на структурной схеме параллельно, как показано на рис. 3.2, в, в противном случае их включают последовательно (рис. 3.2, б).

Рис. 3.1 Соединение элементов системы:

а – последовательное (основное); б – параллельное (резервное);

в – смешанное

Для одних и тех же локальных систем могут быть составлены различные структурные схемы в зависимости от анализируемой функции системы, если она является многофункциональной, и вида отказа. Так, для улучшения качества регулирования во многих локальных системах вводятся сигналы по производной от регулируемой величины или динамические связи между параметрами. Естественно, что отказ элементов, участвующих в формировании этих сигналов, приведет к ухудшению качества регулирования, но, как правило, не вызовет отключения системы регулирования. В связи с этим структурные схемы систем, составленные по внезапным и параметрическим отказам, могут существенно отличаться. Аналогичные структурные схемы составляют при расчете надежности технических средств, входящих в состав системы. В качестве их элементов выступают блоки: измерительные, усиления, питания, регистрации, индикации и др. с входящими в их состав механическими (редукторы, рычажные передачи), электромеханическими (реле, двигатели, трансформаторы), радиоэлектронными (резисторы, интегральные схемы, конденсаторы) и другими элементами, имеющими индивидуальные показатели надежности. На рис. 3.3, а и б представлены функциональная и структурная схемы нормирующего преобразователя температуры, включающего блоки: измерительный ИБ, усилительный УБ, отрицательной обратной связи БОС и питания БП.

Рис. 3.2 Функциональная (а) и структурные схемы (б, в) трехимпульсного регулятора уровня в барабане котла

Рис. 3.3 Функциональная (а) и структурная (б) схемы нормирующего преобразователя

В настоящее время существует ряд руководящих технических материалов, регламентирующих аналитические методы расчета надежности комплекса технических средств АСУ ТП на этапе проектирования. Но при всем многообразии существующих методов расчета надежности систем последние можно разбить на три группы, относящихся к системам:

- с простой структурой, сводящейся к последовательно-параллельному соединению элементов без учета их восстановления (оценка показателей безотказности);

- со сложной структурой, не сводящейся к последовательно-параллельному соединению элементов, элементы системы не восстанавливаются (оценка показателей безотказности);

- с восстанавливаемыми элементами как при нулевом, так и при конечном времени замены (восстановления) отказавшего элемента исправным (оценка показателей безотказности, ремонтопригодности и комплексных показателей).

Разновидности методов первых двух групп оперируют с количественными показателями безотказности при любых законах распределения наработки до отказа элементов. К числу этих методов относятся классический метод, базирующийся на основных понятиях и теоремах теории вероятности, и логико-вероятностный. Разновидности методов третьей группы определяются видом законов распределения наработки до отказа и восстановления, сложностью системы. К основным из них относятся методы переходных вероятностей и интенсивностей, использующие аппарат марковских процессов с дискретным и непрерывным временем, и метод, использующий аппарат полумарковских процессов. При анализе надежности локальных систем и функций АСУ ТП будут рассмотрены перечисленные выше методы расчета надежности.

Спомощью выбранного метода, исходя из структурной схемы системы, определяют аналитические модели, связывающие ее показатели надежности с характеристиками элементов и процессов их обслуживания. Аналитические модели в виде формульных зависимостей, связывающих перечисленные величины и являющихся удобными для выполнения анализа надежности, удается получить для сравнительно простых систем при введении целого ряда упрощающих допущений в математическом описании характеристик систем и процессов. Для сложных восстанавливаемых систем, к числу которых относятся подсистемы АСУ ТП, показатели надежности часто определяются с использованием статистического (имитационного) моделирования.

Подбор характеристик надежности элементов структурной схемы систем сопряжен с трудностями, определяемыми рядом факторов. К их числу относится зависимость показателей надежности от условий эксплуатации, которые могут существенно различаться на разнородных видах производств, поэтому паспортные данные по надежности могут не соответствовать их фактическим значениям. По некоторым элементам, входящим в состав системы, эти показатели могут отсутствовать, например, по запорной арматуре, проводным и трубным линиям связи и др. По показателям ремонтопригодности устройств данные зачастую отсутствуют. В связи с этим при подборе показателей надежности элементов систем приходится пользоваться данными по надежности других устройств, близких к ним по конструкции.

Используя показатели надежности элементов, по полученным математическим моделям производят расчет показателей надежности систем, который может быть выполнен вручную или на ЭВМ с использованием соответствующих пакетов прикладных программ.

ЛЕКЦИЯ 8