Основные этапы расчета надежности и методы расчета надежности без учета восстановления

Задачей расчета надежности 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. 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. 9) или параллельно (рис. 10) в зависимости от их влияния на работоспособное состояние системы.

Р и с. 9. Последовательное соединение элементов

Р и с. 10. Параллельное соединение элементов

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. Кроме этого соединение элементов может быть смешанным, например как на рис.10.

Р и с. 11. Смешенное соединение элементов

Для иллюстрации принципов составления структурной схемы на рис. 12 представлены упрощенная функциональная и струк­турные схемы трехимпульсного регулятора уровня в барабане котла. Расходомеры питательной воды , пара , уровнемер уровня в барабане котла и задатчик уровня Зд 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 основном (рис. 12, б) или резервном (рис. 12,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. 12,в, в противном случае их включают последовательно (рис. 12,б).

а)

б)

в)

Р и с. 12. Функциональная (а) и структурная (б,в) схемы трехимпульсного регулятора уровня в барабане котла

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. 13, а и б представлены функциональная и струк­турная схемы нормирующего преобразователя температуры, включающего блоки: измерительный ИБ, усилительный УБ, отрицательной обратной связи БОС и питания БП. Более под­робно структурные схемы локальных систем рассмотрим далее.

а)

б)

Р и с. 13. Функциональная (а) и структурная (б,в) 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.

С помощью 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.