Надежность систем автоматизации

 

 

 

 

    Введение 

    Наука о надёжности - молодая наука. Её формирование относится к середине текущего столетия. Но это не означает, что люди не интересовались и не занимались вопросами надёжности создаваемой  ими техники до тех пор, пока не возникла наука о надёжности. С  первых шагов развития техники стояла задача сделать техническое устройство таким, чтобы оно работало надёжно. Середина текущего столетия ознаменовалась новым качественным скачком в  развитии техники - широким распространением больших и малых автоматизированных систем управления (АСУ) различного назначения. Создание и использование такой  техники без специальных мер  по обеспечению её надёжности не имеет  смысла. Опасность заключается не только в том, что новая сложная  техника не будет работать (будут  возникать простои), но главным образом  в том, что отказ в её работе, в том числе и неправильная работа, может привести к катастрофическим последствиям.

    Одной из проблем, подлежащих решению при  разработке АСУ, является проблема обеспечения  надежного функционирования системы. Как известно, любая система автоматизации предназначается для выполнения определенных функций, направленных на достижение установленных целей. Исходя из этого, под надежностью систем автоматизации в целом можно понимать вероятность полного выполнения автоматизированной системой определенных для нее функций в заданные сроки. Однако, учитывая, что выполняемые АСУ функции неравноценны по своему значению и допустимо невыполнение некоторых из них в течение длительного времени, представляется нецелесообразным рассматривать надежность системы в целом, а лишь надежность отдельных функциональных подсистем АСУ.

    Очевидно, что новая автоматизированная техника, выполняющая ответственные функции, имеет право на существование  только тогда, когда она надёжна.

    С развитием и усложнением техники  усложнялась и развивалась проблема её надёжности. Для решения её потребовалась  разработка научных основ нового научного направления - наука о надёжности. Предмет её исследований - изучение причин, вызывающих отказы объектов, определение  закономерностей, которым отказы подчиняются, разработка способов количественного  измерения надёжности, методов расчёта  и испытаний, разработка путей и  средств повышения надёжности. 

    Глава 1. Понятие надежности систем автоматизации

 

    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).

    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.

    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.

    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).

      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.

    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.

    Система – 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.

      Событие, заключающееся в нарушении работоспособности  системы, т. е. в переходе ее из работоспособного в неработоспособное состояние, называется отказом.

    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.

    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 называется событие, заключающееся в переходе системы из неработоспособного состояния в работоспособное, вследствие не только корректировки, настройки, ремонта, но и вследствие замены отказавшего оборудования или элемента на работоспособный. Соответственно, к невосстанавливаемым относят системы, восстановление которых непосредственно после отказа считается нецелесообразным или невозможным, а к восстанавливаемым – системы в которых производится 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.

    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.

    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 системы определяется двумя группами основных факторов.

    Первую  группу составляют факторы, относящиеся к схеме и конструкции системы (сложность системы, взаимозаменяемость отдельных узлов и блоков, конструктивное оформление системы для удобства обслуживания, доступность к отдельным элементам и некоторые другие). Анализ каждого из этих факторов представляет сложную задачу.

    Вторую  группу составляют эксплуатационные факторы (опыт, подготовка и мастерство обслуживающего персонала, а также степень совершенства руководства обслуживающим персоналом, методика проверочных испытаний системы, совершенство снабжения запасными частями и др).