книги / Надежность и диагностика технологических систем

соблюдении логического условия «И». При этом включение данного участка произойдет, если сработают все элементы одно­ временно.

Отказы любых элементов или систем могут быть двух видов: отказ по функциональному срабатыванию и ложное срабатыва­ ние. Такой характер отказов присущ СУ и исполнительным эле­ ментам с гибкой связью. Причем любой отказ, как правило, можно продиагностировать, т.е. или предсказать его заранее, или свое­ временно обнаружить и быстро принять меры воздействия на си­ стему, чтобы не допустить катастрофических последствий. Можно также с высокой долей вероятности исключить отказы первого и второго вида за счет резервирования элементов.

При использовании систем диагностики (рис. 3.10) состояние элементов (Э) контролируется специальными датчиками (Д), измерительная информация с которых обрабатывается блоками обработки сигналов (БОС) и отображается на специальных уст­ ройствах отображения (УО). Кроме того, при необходимости можно включать устройства аварийного оповещения (УАО) в виде специальных ламп, табло или генераторов звука. Подобная ин­ формация может быть выведена на центральные пульты (ЦП) или передана в компьютер (К).

Рис. 3.10. Обеспечение надежности машин с использованием систем диагностики

В условиях ГПС информация о состоянии элементов может быть передана в АСУ, управляемую центральным компьютером. АСУ может вырабатывать управляющие воздействия на элемен­ ты системы, чтобы исключить последствия отказов. Например,

ритарное построение структур высокой надежности. При этом в каждую параллельную ветвь дополнительно включают последо­ вательно соединенные элементы. На рис. 3.12 приведена мажори­ тарная структура «два из трех» на примере релейной схемы. Три соединенных параллельно реле (рис. 3.12, б) имеют по две пары управляемых контактов (рис. 3.12, а). Данная схема представ­ ляет один функциональный элемент (систему), которая форми­ рует сигнал U на «выходе» только при одновременном срабаты­ вании двух реле из трех. При этом обеспечивается защита от появления отказов как первого, так и второго вида. Подобное резервирование может применяться для повышения надежности электрических устройств, работающих в условиях помех и вибра­ ций. На практике могут использоваться и более сложные схемы резервирования, когда у системы часть элементов не резервиру­ ется, а другая часть резервируется по параллельной схеме.

Рис. 3.12. Схема мажоритарного резервирования по типу «два из трех»:

а— схема подключения контактов;

б— схема соединения электромагнитов реле

Резервные элементы могут находиться в состоянии «горячего» и «холодного» резерва. При «горячем» резервировании дубли­ рующие элементы включены в функционирование одновременно с включением системы в работу. При «холодном» резервировании дублирующий элемент включается только после выхода из строя основного элемента. «Горячее» резервирование имеет более про­ стое схемное решение, однако дублирующие элементы непрерыв­ но расходуют свой ресурс. При «холодном» резервирование в си­ стеме должны быть установлены датчики или другие устройства, позволяющие вести непрерывный контроль и диагностику состоя­ ния параллельно включенных элементов. При выходе из строя

работающего элемента СУ должна отключить его и подключить элемент из «холодного» резерва. Для этого используют алгорит­ мы управления по обеспечению в случае отказов максимально достижимой ^выживаемости*.

ССИ и СВФИ относятся к категории сложных систем, расчеты надежности, обслуживания и восстановления которых весьма сложны и имеют свою специфику. К классу СВФИ относятся большинство ТС. Для создания временной и функциональной избыточности используют системы резервирования:

•с увеличенной (по сравнению с номинальной) производи­ тельностью;

•внутренними промежуточными складами, содержащими за­ делы не полностью изготовленной продукции;

•дополнительными локальными элементами для увеличения производительности в «узких» местах ТП;

•на основе использования функциональной инерционности;

•с усовершенствованными алгоритмами управления для взаи­ модействия со смежными системами;

•комбинированные, использующие развитые алгоритмы управления для своевременного обнаружения и локализации

Рис. 3.13. Типовая структура обеспечения надежности технологической системы с использование АСУ (БОС — блок обратной связи)

режимах резания. К регулярным потокам можно отнести также процессы планово-предупредительного ремонта ТО. При этом после определенного календарного срока эксплуатации или нара­ ботки каждый станок выводится из эксплуатации и направляется на ремонт. Можно считать каждый акт планово-предупредитель­ ного ремонта за условный отказ. При моделировании надежности его можно считать отказом с последующей процедурой восста­ новления работоспособности изделия (ремонта). В то же время даже если действительные периоды стойкости установлены и практически подтверждены, то в силу случайных обстоя ­ тельств отказ инструмента может наступить гораздо раньше или позже.

Рис. 3.14. П оток отказов во времени

Внезапные отказы носят случайный характер. Они образуют простейший поток событий, называемый стационарным пуассонов­ ским потоком отказов, который может быть описан достаточно простыми математическими формулами. Простейший поток от­ казов имеет следующие свойства:

•стационарность, когда вероятность появления i-ro отказа на участке времени длиной т не зависит от того, где данный уча­ сток расположен на временной оси, а зависит только от длины участка т;

•время появления i-ro отказа не зависит от появления пре­ дыдущих отказов (свойство отсутствия последействия);

•вероятность появления двух и более отказов на достаточно небольшом отрезке времени Дт чрезвычайно мала по сравнению

споявлением единичного отказа (свойство ординарности). Действительно, у технологических машин, имеющих сложную

и надежную конструкцию со.множеством элементов, вероятность появления двух отказов одновременно маловероятна, а отказ од­ ного элемента практически не зависит от отказов других.

Согласно теории вероятности, разнородные и достаточно ред­ ко возникающие отказы образуют простейший поток отказов. При а = Xt (где X— плотность потока отказов) вероятность появ-

А+1

Дк = Х А = ( * + а д . i=i

Поскольку для простейшего потока mt= 1Д и Dt= 1/Л,2, полу­ чим

mk = (Л + 1)Д ;

= (ft + 1)Л 2;

a = # T !)/A ..

Плотность потока Эрланга, поскольку он получается исключе­ нием событий, в k + 1 раз меньше плотности простейшего потока А*=•&/(& + 1). Если ввести нормирование промежутка времени Т для потока Эрланга Л-го порядка Тп= T/(k + 1), то можно пока­ зать, что математическое ожидание mn= mt = 1Д , а величина дисперсии равна:

При k -> oo дисперсия £>„ -> 0, т.е. свойства потока Эрланга неограниченно приближаются к свойствам регулярного потока с постоянными интервалами, равными mt - 1Д , что очень удобно для описания потока с любым последействием. При k = 0 получается простейший поток, а при k->°o — поток со строго регулярными отказами (например, плановая смена инструмента или плано­ во-предупредительный ремонт).

Пример 3.6. По экспериментально найденным характеристикам от­ казов (математическому ожиданию и дисперсии) найти плотность по­ тока отказов и величину порядка потока Эрланга k (при тпк= 5 и Dnk= 1).

Р е ш е н и е .

Используя зависимость mnk = 1Д , получим А. = 1/тпк = 1/5 = 0,2. Дисперсия определяется выражением D nk = 1/[А2 (1 + А)], откуда

k = l/(D nkX2) - 1 = 1/(1 •0,22) - 1 = 25 - 1 = 24.

Экспоненциальное распределение, распределения Пуассона и Эрланга широко используются в теории надежности. Однако если рассмотреть конечный отрезок времени Т (например, время рабочей смены), то поток отказов инструмента не является стацио­ нарным по ряду причин. Например, наладка инструмента в авто­ матизированном производстве делается перед началом смены,