Размещено на http://allbest.ru

1. Обеспечение надежности АСУ ТП при эксплуатации

Основные задачи эксплуатации. Увеличение количества технических средств в АСУ ТП, широкое применение вычислительной техники* с развитым программным обеспечением, расширение числа и ответственности функций, выполняемых АСУ ТП, - все это приводит к тому, что (проведение технической эксплуатации этих систем становится сложной и многосторонней проблемой, требующей для своего решения усилий значительного числа людей.

Совокупность работ по эксплуатации действующих АСУ ТП включает в себя: контроль за состоянием комплекса технических средств; восстановленное отказавших технических средств; техническое обслуживание в соответствии с правилами (регламентами) и требованиями; поверки средств измерений сводящиеся к периодическому определению погрешностей этих средств и установлению их пригодности к применению; обеспечение запасными частями, материалами и приборами.

Для выполнения этих работ (а также для участия в разработке и внедрении АСУ ТП на стадиях, предшествующих эксплуатации) на предприятии, эксплуатирующем эти системы, необходимо создать специализированное подразделение. Это подразделение в зависимости от специфики и структуры предприятия может быть реализовано в виде отдельного цеха, участка или лаборатории.

В состав таких подразделений обычно входят эксплуатационный (дежурный) и ремонтный персонал. Разделение работ между эксплуатационным и ремонтным персоналом зависит от числа, состава и особенностей АСУ ТП. Как правило, эксплуатационный персонал осуществляет контроль за состоянием технических средств, участвует в техническом обслуживании и восстановлении путем замены отказавших технических средств на месте их установки.

Остальные работы проводит ремонтный персонал; при этом к поверкам часто привлекают сотрудников метрологических органов Госстандарта, капитальным ремонтам - представителей наладочных или ремонтных предприятий.

В настоящее время при возникновении организаций, проводящих централизованное сервисное обслуживание средств вычислительной техники, ряд работ по техническому обслуживанию и восстановлению этих средств выполняют сервисные организации.

Эксплуатационный персонал АСУ ТП в своей текущей деятельности подчиняется начальнику смены технологического цеха; работа этого персонала организуется так же, как и дежурного технологического персонала, с тем же количеством и продолжительностью смен.

Ремонтный персонал организуется в отдельные участки (лаборатории) по видам технических средств, например датчиков, средств вычислительной техники, средств регулирования, электроприводов и др.

Организационная структура подразделения, занимающегося эксплуатацией АСУ ТП, показана на рис. 1 на примере цеха тепловой автоматики и измерений электростанций.

Структура существенно зависит от количества и типов технических средств, имеющихся на электростанции, от предполагаемого расширения станции. Подразделение, связанное с ремонтом и обслуживанием средств вычислительной техники, обычно подчиняется отдельному заместителю начальника цеха.

Работы по эксплуатации АСУ ТП обычно планируют на стадии разработки рабочей документации на систему. В дальнейшем параметры технической эксплуатации-номенклатура и количество запасных элементов, периодичность и объем технического обслуживания, численность персонала - уточняются в процессе опытной эксплуатации.



Рис. 1 Организационная структура цеха тепловой автоматики и измерений электростанции

ремонтный безотказность вероятность

Определению этих параметров, существенно влияющих на надежность АСУ ТП в условиях эксплуатации, посвящена настоящая глава.

Из работ, направленных на обеспечение надежности АСУ ТП при эксплуатации, отметим работу по исследованию эксплуатационной надежности.

При проведении опытной и промышленной эксплуатации собирают и обрабатывают данные о надежности АСУ ТП в целом, ее функциях, технических и программных средствах. В результате обработки полученных данных вырабатывают и реализуют мероприятия по повышению надежности как этой АСУ ТП, так и ее последующих образцов и по разработке типовых проектных решений.



Рис. 2 Схема организации восстановления отказавших технических средств: 1, 2, 3 - неработоспособные вторичные приборы, средства регулирования и вычислительной техники; 4, 5, 6 - работоспособные вторичные приборы, средства регулирования и вычислительной техники после восстановления

Определение численности эксплуатационного персонала. Восстанавливают отказавшие технические средства обычно следующим образом (рис. 2). Часть отказов (особенно при восстановлений путем замены, настройки или регулировки) эксплуатационный персонал устраняет непосредственно на месте установки отказавшего устройства.

В иных случаях после установления эксплуатационным персоналом факта и места отказа (а иногда и попытки восстановления) дальнейшую работу по устранению отказа проводит ремонтный персонал соответствующего участка либо на месте установки, либо в мастерской этого участка.

Специализация эксплуатационного персонала, как правило, менее дифференцированная, чем у ремонтного: эксплуатационный персонал может быть разделен на несколько групп по виду технических средств и месту их расположения (например, обслуживающий датчики и входные устройства, средства вычислительной техники, прочие средства автоматизации).

Выделим совокупность технических средств, обслуживаемых одной группой эксплуатационного персонала, и поставим задачу определения численности, этой группы. Решение этой задачи может быть проведено с помощью методов теории массового обслуживания. Заявками здесь являются отказавшие устройства, обслуживающими «аппаратами» -- дежурные в группе (число обслуживающих аппаратов l равно числу дежурных). Заявки, не обслуженные из-за занятости дежурных, становятся в очередь, причем на размер этой очереди не накладывают ограничений. Поскольку определение численности персонала носит приближенный характер, то для упрощения решения этой задачи примем ряд допущении:

а) эксплуатационный персонал работает круглосуточно;

б) потоки отказов всех технических средств простейшие, и эти потоки не зависят друг от друга. Последнее означает, что отказ одного из устройств не приводит к прекращению функционирования иных систем. Отказами, вызвавшими останов технологического процесса, в этом расчете пренебрегаем, так как число этих отказов составляет 0,001 - 0,1% общего числа отказов, устраненных эксплуатационных персоналом;

в) квалификацию всех дежурных в группе полагаем одинаковой; закон, распределения длительности занятости эксплуатационного персонала работами по устранению отказа полагаем экспоненциальным и одним и тем же для различных технических средств, различных их отказов и различных дежурных. Среднее время занятости персонала работами по устранению одного отказа обозначим ф₃ (если эксплуатационный персонал на месте восстановил работоспособность технического средства, то время ф₃ можно считать равным среднему общему времени восстановления Т_в.общ);

г) каждую заявку может обслуживать любой дежурный, причем наличие свободного дежурного не уменьшает времени устранения одного отказа;

д) эксплуатационный персонал не только занимается восстановлением отказавших средств, но и проводит некоторые операции по их техническому обслуживанию. Приоритет проведения технического обслуживания ниже, чем восстановления: техническим обслуживанием персонал занимается во время, свободное от восстановления, и расчет численности персонала далее будем проводить, исходя только из необходимости своевременного проведения восстановления после отказов.

В качестве показателя, характеризующего функционирование эксплуатационного персонала, принимаем вероятность р того что восстановление некоторого отказавшего устройства будет начато без задержки (что равносильно вероятности отсутствия очереди заявок в некоторый момент времени, достаточно далеко отстоящий от момента начала функционирования). В принятых предпосылках эта вероятность

(1)

где с = Щ_?ф_з;

Щ_? =, (2)

- параметр суммарного потока отказов всех технических средств, обслуживаемых рассматриваемым персоналом; r - число типов средств; k_j - количество средств j-го типа в рассматриваемой совокупности; щ_j - параметр потока отказов одного технического средства j-го типа.

Если число одновременно работающих в группе дежурных l=1, то

p=1- с². (3)

Задаваясь тем или иным значением р* в зависимости от назначения рассматриваемой совокупности средств и АСУ ТП в целом, находим по указанным соотношениям минимальное значение l_min, при котором, с>р*. Заметим, что общая численность эксплуатационного персонала при круглосуточной работе обычно равна 5l_min (в принятых допущениях вероятность р существует, если с<l).

2. Обеспечение запасными частями

Одним из компонентов внешней среды АСУ ТП и АТК, существенно влияющим на надежность, являются запасные части. Их наличие непосредственно влияет на ремонтопригодность: основной показатель - среднее время восстановления - существенно зависит от номенклатуры и количества запасных частей, их месторасположения и т. д. Поскольку в резервированных системах время восстановления существенно влияет на безотказность, то очевидно влияние на безотказность и количества запасных частей.

В последние годы получил широкое распространение термин «комплект ЗИП», расшифровываемый согласно ГОСТ «Система технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения» как запасные части, инструменты, принадлежности и материалы, необходимые для технического обслуживания и ремонта и скомплектованные в зависимости от назначениями особенностей использования. Запасные части входят в комплект ЗИП, и обеспечение запасными частями является основным содержанием задачи обеспечения ЗИП, так как обеспечение остальными составляющими ЗИП обычно вызывает существенно меньше трудностей.

Запасные части можно классифицировать следующим образом:

1. В зависимости от заменяемого изделия в соответствии с иерархией технических средств и их элементов в АСУ ТП можно различать запасные устройства (например, регулирующие приборы, оперативные запоминающие устройства), запасные блоки (блоки памяти, усилители), запасные ячейки (субблоки, кассеты, платы) и элементы (интегральные схемы, резисторы).

В современных радиоэлектронных устройствах в микросхемном исполнении часто вводится понятие «типовой элемент замены» (ТЭЗ) различных уровней сложности (ТЭ31 - самый мелкий; ТЭ32 - более крупный, состоящий из ТЭ31; ТЭЗЗ - еще более крупный, состоящий из ТЭ32). При разработке ТЭЗ стремятся обеспечить максимальную степень унификации с тем, чтобы одинаковые ТЭЗ могли быть использованы для различных устройств.

2. Все указанные выше запасные части можно разделить на восстанавливаемые и невосстанавливаемые (как и системы - см. п. 1.1). Невосстанавливаемыми являются те, которые в силу своих конструктивных особенностей не могут быть использованы после отказа (например, интегральные схемы, конденсаторы, мембраны датчиков). Кроме того, к невосстанавливаемым относят изделия, которые в принципе могут быть восстановлены, но это экономически невыгодно. Из типовых элементов замены к невосстанавливаемым обычно относят ТЭ31. К восстанавливаемым запасным частям принадлежат, как правило, устройства, а также некоторые блоки; из типовых элементов замены подлежат восстановлению ТЭ32 (с помощью ТЭ31) и ТЭЗЗ (с помощью ТЭ31 и ТЭ32).

З. В зависимости от числа изделий, охватываемых запасом, комплекты ЗИП разделены на одиночные (индивидуальные) и групповые. Одиночный комплект (ЗИП-0) предназначен для обеспечения эксплуатации одного изделия (рис. 3,а), групповой (ЗИП-Г) - для двух и более изделий (рис. 3,б, где на к эксплуатируемых однотипных изделий приходится т запасных).

4. Различается ЗИП постоянного и переменного состава. Комплект ЗИП постоянного состава может поставляться эксплуатационникам вместе с устройством и для каждого типа устройств имеет фиксированный состав по номенклатуре и числу запасных элементов. Чаще всего этот ЗИП является одиночным, но может быть и групповым (при поставке группы однотипных устройств на одно предприятие). Состав этого ЗИП обычно определяет разработчик устройств.

Комплект ЗИП переменного состава заказывается с той или иной периодичностью в зависимости от расхода ЗИП постоянного состава или иных обстоятельств. Величина заказа может отличаться от одного заказа к другому. Этот ЗИП чаще бывает групповым (заказ производится для всех однотипных устройств, имеющихся на эксплуатационном предприятии). Его состав определяется в процессе эксплуатации систем.

Рассмотрим связь между применением комплекта ЗИП и резервированием.

1) Комплект ЗИП считается одним из способов структурного резервирования. Особенность ЗИП по сравнению с рассмотренными выше методами резервирования заключается том, что резервные изделия составляют с основными единую систему (или конструкцию), они «встроены» в систему, обозначаются на ее схеме, спецификации. Комплект ЗИП не составляет с основными изделиями единой конструкции, он не «встроен» в систему, не обозначается на схеме и приведен в отдельной спецификации. Комплект ЗИП влияет и на временное резервирование - наличиё ЗИП в полном объеме (не только запасных частей, но и материалов, инструментов, принадлежностей) позволяя уменьшить время восстановления, способствует повышению безотказности.



Рис. 3 Схемы одиночного (а) и группового (б) запаса

2) ЗИП рассматривается как резервирование замещением (так как ЗИП не работает совместно с рабочим изделием).

3) ЗИП, как правило, считается ненагруженным резервом.

4) ЗИП считается скользящим резервом (если в изделий несколько однотипных элементов, тогда запасная часть может заменять любое из них).

5) ЗИП соответствует как резервированию без восстановления, так и с восстановлением.

6) ЗИП может быть и общим, и поэлементным резервом для технических средств и только поэлементным резервом для систем, так как запас систем в целом не применяется.

Организация пополнения запаса. В зависимости от того, относятся ли запасные части к невосстанавливаемым или восстанавливаемым применяют различные способы пополнения запаса.

При поставке технических средств заводом-изготовителем на предприятие, эксплуатирующее АСУ ТП, каждое из этих технических средств обычно комплектуют одиночным ЗИП-О, а при групповой поставке - иногда и групповым ЗИП-Г. Для невосстанавливаемых запасных частей необходимо их пополнение, так как отказавшие изделия далее не используются. Одна из возможных схем пополнения запаса показана на рис. 4,а. Пополнение запаса на складе эксплуатационного предприятия осуществляется периодически (обычно 1 раз в год). В некоторый неслучайный момент времени t₁, (рис. 4,б) составляется заявка на следующий плановый период (обычно один год), начинающийся в момент t₂ и заканчивающийся в момент t₅ (1-й период).

Рис. 4 Запас с периодическим пополнением:

а - схема пополнения; б - график поступления и расхода запаса при случайном запаздывании моментов поступления заказа; в - график поступления и расхода запаса при отсутствии запаздывании момента поступления заказа

Обозначим m₁ наличное число запаса определенного типа в момент t₁, m_з1 - число заказываемых в момент t₁ изделий. Заказанные изделия поступают один раз за период в количестве m_з1 в некоторый момент t₃. За отрезок времени (t₁, t₃) запас убывает случайным образом.

Запас расходуется на восстановление после отказов и на проведение технического обслуживания (профилактических и капитальных ремонтов). К моменту t₃ запас m₃ может быть не только положительной, но и отрицательной, соответствуя дефициту запаса (при простое каких-либо изделий из-за отсутствия запаса остальные могут продолжать работать).

В момент t₃, запас пополняется, а затем вновь убывает по случайному закону. В момент t₄ составляется заявка на новый период планирования, который начинается в t₅ и заканчивается в t₇ (2-й период). Запас т_з2 по этой заявке поступает в момент t₆ и т. д.

Величина m_з1 должна быть достаточной для эксплуатации изделий на отрезке времени (t₃, t₆) и определяется как разность m_з1 = m - m₁, где т - требуемый уровень, до которого происходит пополнение запаса. Расчет количества запасных изделий для указанного способа пополнения является весьма сложной задачей, поэтому ниже будет рассмотрена упрощенная модель в предположении, что задержка между моментом составления заявки и поступлением заказа отсутствует, т. е. t₁ = t₂ = t₃, t₄ = t₅ = t₆ и т. д. (рис. 4,в).

Рассмотренная стратегия пополнения запаса является не единственно возможной: кроме планируемого пополнения возможно и внеплановое с экстренными доставками запаса с централизованного склада отрасли или с завода-изготовителя. Затраты на экстренную доставку существенно больше, чем на плановую.

Восстанавливаемые изделия в случае отказа либо ремонтируются на месте, либо поступают на ремонт в мастерские цеха автоматики или в специализированное сервисное предприятие. После ремонта изделие возвращается в запас (рис. 5).



Рис. 5 Схема движения восстанавливаемого запаса

Запас должен рассчитываться с учетом времени нахождения изделия на ремонте: если бы ремонт продолжался бесконечно малое время, то никакого запаса не нужно было бы иметь. Приближенно можно принять, что запас для восстанавливаемых изделий может быть создан один раз на время, соответствующее сроку службы технических средств, и в течение этого срока службы запас не пополняется.

Показатели достаточности запаса. Если наступил отказ системы, потребовавший для восстановления некоторой запасной части, а этой части нет в наличии, то такая ситуация приводит к значительному ущербу (например, из-за простоя системы до момента доставки нужной запасной части). С другой стороны, излишнее количество ЗИП приводит к неоправданному замораживанию материальных ценностей, что также экономически не оправдано.

Задача расчета ЗИП и заключается в выборе оптимальной (или рациональной) номенклатуры и числа запасных частей так, чтобы были невелики и убытки от простоев, и замораживание ценностей, вложенных в ЗИП. Вследствие этого число запасных частей в принципе правильнее всего определять из экономических критериев. Однако отсутствие сведений о стоимости простоя изделия из-за отсутствия запасной части вынуждает в большинстве случаев использовать вероятностные критерии.

Так как число запасных изделий ограничено, то ясно, что запас может обеспечить эксплуатацию только с определенной вероятностью, называемой вероятностью достаточности.

Вероятность достаточности - вероятность того, что изделие не будет простаивать из-за отсутствия запаса, - может быть показателем, описывающим запас как восстанавливаемых, так и невосстанавливаемых изделий. Следует учесть, что Q_Д(t) задается на определенное фиксированное время t. Это время для запаса с периодическим пополнением целесообразно принимать равным периоду пополнения, например, одному году. В случае одиночного запаса рассматривается вероятность достаточности для одного изделия, в случае группового запаса - вероятность того, что соответствующая группа изделий обеспечена запасом.

Для запаса восстанавливаемых изделий возможен и иной критерий: коэффициент обеспеченности запасом k_З - вероятность того, что в любой произвольно выбранный момент времени изделие не будет простаивать из-за отсутствия запасных частей.

Коэффициент обеспеченности запасом аналогичен коэффициенту готовности. Далее рассмотрим несколько вариантов расчетов числа запасных частей.

Расчет числа невосстанавливаемых запасных частей с периодическим пополнением по вероятности достаточности. Рассмотрим задачу определения числа невосстанавливаемых запасных частей при схеме пополнения запасом, несколько упрощенной по сравнению с рис. 4,а - имеется только одно место хранения запасных частей - склад на эксплуатационном предприятии (т. е. задача распределения запасных частей между рабочими местами внутри предприятия не рассматривается).

Предположим, что запас пополняют через постоянное время t = t₅ - t₂ = t₇ - t₅ =…, причем задержки между моментами составления заявок и поступления заказа отсутствуют (см. рис. 4,а). Зафиксируем некоторый вид невосстанавливаемых изделий и по аналогии с рис. 3 примем, что число этих изделий равно k.

Обозначим m = m₁ + m_з1. Расчет запаса сводится к определению такого минимального значения т, при котором имеет место неравенство

Q_д(t) ? P{з(t) ? m}, (4)

где з(t) - число требований на замену на интервале (t₂, t₅) длиной t.

Примем следующие допущения:

- запасные части при хранении не отказывают;

- поток отказов, потребовавшихся запасных частей для восстановления, стационарный;

- запасные изделия после замены имеют ту же надежность, что и основные.

Рассмотрим сначала соотношения, применяемые в том случае, когда запасные части расходуются только на восстановление после отказов.

При произвольном стационарном потоке отказов неравенство (4) можно переписать в виде

(5)

где - вероятность отказа изделий за время t.

Данная ситуация соответствует резервированию без восстановления ненагруженным резервом с дробной кратностью.

В простейшем потоке

(6)

где щ - параметр потока отказов одного изделия.

С учетом (6) неравенство (5) приобретает вид

, (7)

Для определения числа запасных изделий можно воспользоваться номограммой (рис. 6), заимствованной из [37], где по горизонтальной оси отложена величина кщt, а по вертикальной - .

Отметим, что если принять начальное значение запаса т₁=0, то полученные соотношения могут служить для расчета ЗИП постоянного состава.

Составляющая т₁ учитывает переменный состав ЗИП: число запасных частей, имеющихся на предприятии в момент составления заявки.

Остановимся на выборе величины . Предположим, что одно устройство включает в себя l типов невосстанавливаемых элементов, а величина задана для совокупности устройства в целом.

Определять требования к вероятностям для каждого i-го типа элементов по вероятности можно различными способами (например, с учетом затрат на запасные части).

Наиболее простой способ при условии независимости отказов элементов заключается в равномерном распределении требований вероятности достаточности запаса между составляющими элементами.

Тогда

.

Рис. 6 Номограмма для определения числа невосстанавливаемых запасных частей при периодическом пополнении

Расчет количества невосстанавливаемых запасных частей по экономическим критериям. Рассмотрим ту же схему организации пополнения запаса, что и в предыдущем варианте при расчете количества невосстанавливаемых запасных частей m по вероятности достаточности, приняв те же допущения и обозначения. В отличие от предыдущего варианта число запасных частей будем определять по критерию минимума эксплуатационных расходов G_э на периоде t; пополнения запаса.



В простом случае

G_э(m) = c₁m + c₂R,

где c₁ - стоимость одного запасного элемента; c₂ - убытки от отсутствия одного запасного элемента; R - случайная величина дефицита запаса.

Убытки c₂ слагаются из стоимости экстренной доставки недостающей запасной части (или для некоторых механических деталей - стоимости ее изготовления не на заводе - изготовителе устройства, а на эксплуатационном предприятии) и из ущерба от простоя соответствующего устройства (системы) из-за отсутствия запаса. Величина

или

Перейдем к математическому ожиданию случайных величин G_э и R:

Задача сведена к отысканию т, при котором функция имеет минимум. Для этого нужно найти значение m, при котором разность



Это значение m легко найти графически.

Для этого достаточно построить зависимость

(рис. 7, а).

Рис. 7 График для определения числа запасных элементов поэкономическому критерию

Пересечение этой зависимости с горизонтальной прямой с₁/с₂ дает искомое значение т.

При простейшем потоке отказов значение оптимального запаса можно находить по графикам, приведенным на рис. 7,б.

Задача определения оптимального количества запасных элементов не одного, как рассмотрено выше, а r типов с учетом их стоимости при той же стратегии пополнения запаса и при наличии ограничений часто формулируется в одном из двух следующих вариантов:

1. Задано ограничение с₀ суммарной стоимости ЗИП:



,

где l - число типов элементов; с_i - стоимость одного элемента i-го типа;

т - число запасных элементов i-го типа.

Требуется определить величины (т_1, т₂, ..., т_l,), при которых показатель достаточности запаса, например вероятность достаточности

, будет максимален.

2. Задано ограничение по значению показателя достаточности, например

,

где А - некоторая величина.

Требуется определить (т_1, т₂, ..., т_l,) так, чтобы достигался минимум затрат

.

Решение этих задач может проводиться методами линейного программирования.



Расчет количества восстанавливаемых запасных частей по вероятности достаточности. Рассмотрим определение количества восстанавливаемых запасных частей при схеме, несколько упрощенной по сравнению с рис. 5 (имеется только один склад). Ремонт проводится в мастерской эксплуатационного предприятия или в сервисном предприятии. Предположим, что на предприятии функционируют k однотипных восстанавливаемых изделий, а искомое число запасных изделий обозначим т.

Примем следующие допущения:

- запасные изделия при хранении не отказывают;

- поток отказов изделий простейший с параметром щ;

- ремонт полностью восстанавливает свойства изделия;

- восстановление неограниченное (любое отказавшее изделие сразу же поступает на ремонт, т. е. число ремонтников достаточно для одновременного восстановления всех отказавших изделий);

- длительность пребывания изделия на восстановлении описывается экспоненциальным распределением с параметром м.

Рассмотренная ситуация при определении вероятности достаточности соответствует резервированию ненагруженным резервом с неограниченным восстановлением.

Вероятность безотказной работы системы, состоящей из k основных и m резервных элементов,



Величина запаса находится как такое наименьшее значение m, при котором соблюдается неравенство

.

Определить величину можно по номограмме (рис. 8), где по горизонтальной оси отложена величина , а по вертикальной - . Номограмма построена для t = 7500 ч.

Рис. 8 Номограмма для определения числа восстанавливаемых систем запасных частей



3. Техническое обслуживание

Техническим, обслуживанием (ТО) называют комплекс операций по поддержанию работоспособности или исправности изделии при использовании по назначению, ожиданию, хранению или транспортировке.

ТО преследует две цели:

1) предупредить возникновение отказов;

2) обнаружить такие отказы элементов системы, которые не могли быть обнаружены средствами контроля в процессе эксплуатации и остались скрытыми, не обнаруженными.

При планировании ТО решаются два основных вопроса:

1) как часто следует проводить ТО;

2) что проверять при проведении ТО.

Необходимость тех или других видов работ по ТО часто определяется рабочими условиями. Для ориентировочных предварительных решений по планированию работ по ТО можно исходить из следующего. Сроки ТО и объекты проверки следует назначать в зависимости от того, насколько вероятны отказы систем или ТС. Если отказы носят характер случайных внезапных отказов, интенсивность которых постоянна, то не имеет смысла проводить плановые замены элементов, поскольку заменяемый элемент не будет менее надежен, чем новый, и замена его может привести не к повышению, а к снижению надежности. Однако это не означает, что ТО в этом случае не нужно. Целью ТО в этом случае может быть:

1) приспособление элемента к изменившимся внешним условиям;

2) проверка средств защиты;

3) снижение вероятности отказа;

4) проверка температурного поля и т.д.

Структура системы технического обслуживания: Опыт эксплуатации показывает, что эффективными являются частично централизованные системы технического обслуживания, имеющие несколько уровней. При использовании таких систем сокращаются затраты на эксплуатацию и на средства обслуживания, увеличивается готовность технических объектов. Возможны различные варианты структуры многоуровневой системы технического обслуживания, например четырехуровневая система, в которой имеется:

ОТО - локальный орган технического обслуживания при каждом техническом объекте, осуществляющий контроль его работоспособности и поиск неисправностей, а также простейшие работы по техническому обслуживанию (имеется склад запасных элементов немногих типов и необходимое оборудование);

УОТО - узловой орган технического обслуживания, осуществляющий централизованный контроль работоспособности технических объектов и восстановление их работоспособности при отказах (периодически проводится техническое обслуживание, проверяются и отправляются в ремонт отказавшие элементы; в УОТО имеется обслуживающий персонал, транспортные средства доставки, склад запасных элементов, ремонтное и контрольно-профилактическое оборудование);

РОТО - районный орган технического обслуживания, производящий ремонт отказавших элементов, комплектующий склады элементов на всех ОТО и УОТО и осуществляющий восстановление технических объектов в особо сложных случаях (имеются обслуживающий персонал, склад запасных элементов, транспортные средства доставки, ремонтное оборудование);

ЦС - централизованный склад запасных элементов практически неограниченного количества.

При многоуровневом обслуживании должна быть обеспечена высокая готовность технических средств.

Виды технического обслуживания. Техническое обслуживание в АСУ ТП проводится по определенной стратегии на работоспособных технических средствах. При этом устраняются неисправности, которые были замечены в предыдущий период эксплуатации, но не требовали немедленного их устранения, проводятся чистка, контрольно-регулировочные работы, замена изношенных деталей, смазка движущихся частей и т. д. Проведение технического обслуживания повышает безотказность системы благодаря выявлению и устранению скрытых отказов элементов и устройств, увеличивает долговечность благодаря поддержанию нормальных условий эксплуатации и проверке соблюдения правил эксплуатации, дает возможность получить достоверную информацию о фактическом уровне работоспособности устройств.

Техническое обслуживание можно разделить на ряд видов:

- в зависимости от периодичности и объема работ. Минимальная периодичность обычно составляет 8 ч (например, внешний осмотр, проверка функционирования пульта), максимальная может быть равна 12 мес. и более (выполнение всех видов проверки технического состояния, разборка и чистка механизмов, замена изношенных деталей, продувка и чистка импульсных линий, запорных устройств). Кроме того, обычно имеет место обслуживание с периодичностью в 24 ч (например, проверка качества регистрации), 1 нед. (проверка напряжения источников питания, проверка выполнения тестов), 1 мес. (ревизия вентиляторов), 3 мес. (проверка заземлений), 6 мес. (чистка разъемов и др.).

- в зависимости от того, проводятся ли работы по техобслуживанию выключенных (обесточенных) или включенных устройствах. К числу работ, проводимых на выключенных устройствах, относятся: отключение и частичная разборка аппаратуры; осмотр состояния монтажа, электрических контактов, паек и устранение нарушений; осмотр состояний креплений, уплотнений, резьбовых, фланцевых и других соединений и устранение нарушений; удаление пыли, ржавчины, влаги; восстановление нарушенных предохранительных покрытий; замена или добавление смазки; чистка фильтров, замена или восстановление влагопоглотителей; проверка и восстановление исправности переменных резисторов, реле, потенциометров.

К работам, проводимым на включенных устройствах во время технического обслуживания, относятся: измерение основных параметров устройства, сравнение полученных значений параметров с их паспортными данными; установка номинальных значений параметров путем регулировки или настройки; измерение режимов работы электрорадиоэлементов, сравнение результатов с картами напряжений и устранение отклонений; проверка средств измерений; осмотр линий связи и измерение (контроль) их параметров; проведение тестового контроля; поиск и замена неисправных элементов устройства, повлиявших на уход параметров за пределы нормы, наладка, настройка и регулирование; контроль работы источников питания и установка номинальных значений питающих напряжений; контроль работоспособности устройства в целом, по всем функциям и каналам.

Стратегии технического обслуживания. Техническое обслуживание призвано увеличить время работы системы до отказа или до перехода в предельное состояние или же снизить длительность пребывания системы в неработоспособном состоянии и тем самым уменьшить ущерб от ненадежности. В то же время проведение технического обслуживания требует трудозатрат персонала, а в некоторых случаях и отключения средств автоматизации, что также приводит к потерям.

Разработка стратегии ТО, т. е. выбор сроков, объема, последовательности, глубины и тщательности ТО, зависит от характера потока отказов и восстановления, видов отказов, заданных требований к надежности и экономической целесообразности. Это положение можно считать очевидным, и оно принимается за основу техобслуживания ТС. В сложных системах приходится учитывать и требования к обеспечению работоспособности отдельных элементов и работоспособности системы в целом. Эти требования могут оказаться противоречивыми, и тогда главным требованием становится обеспечение работоспособности системы, а не отдельных устройств. Для удовлетворения этим противоречивым требованиям задачу планирования технического обслуживания целесообразно проводить исходя из экономических критериев. Эта задача включает в себя: выбор стратегии технического обслуживания и параметров технического обслуживания при принятой стратегии.

Стратегия технического обслуживания зависит от следующих факторов:

1. От превалирующего вида отказов: явных, когда отказы выявляются практически мгновенно, и неявных, когда отказы выявляются только при проведении технического обслуживания, а между отказом и проведением технического обслуживания проходит случайное время. Явные отказы имеют место в устройствах с непрерывным и полным контролем исправности (например, в некоторых средствах вычислительной техники), а также в непрерывно функционирующих устройствах, неправильные действия которых сразу же становятся заметными персоналу (например, в непрерывно работающих автоматических регуляторах). Неявные отказы имеют место в устройствах, где нет непрерывного и полного контроля исправности, а также когда сами устройства функционируют периодически, с интервалами порядка сотен и тысяч часов. К числу таких устройств относятся средства технологической защиты, дистанционного управления и т. п. Специфическим видом технического обслуживания защит является их опробование. Кроме того, неявные отказы, проявляющиеся в ухудшении метрологических характеристик ниже допустимых пределов, имеют место в непрерывно функционирующих средствах измерений, где такие отказы выявляются во время поверок.

2. От глубины восстановления при обслуживании; граничными здесь являются случаи, когда никакого обновления в системе не проводится (например, при осмотре или проверке работоспособности) и когда проводится полное обновление системы при обслуживании. Промежуточными являются случаи, когда обновляется часть системы.

3. От графика технического обслуживания и отказов системы. Назначение момента обслуживания может не зависеть от того, произошли ли отказы на периоде, предшествующем обслуживанию. Обслуживание назначается в определенные календарные сроки (такое обслуживание называют календарным). В ином случае после отказа обслуживание перепланируется (например, если отказ был явным, и после него последовало полное обновление). Для некоторых технических средств обслуживание проводится тогда, когда параметры этих средств достигают определенных регламентированных значений (такое обслуживание называют регламентным).

При планировании технического обслуживания весьма существенным является вопрос об исходной информации. Иногда можно считать, что случайная величина - наработка до отказа задана в виде функции распределения F(t), плотности распределения f(t) или интенсивности отказов л(t). Такие задачи будут рассмотрены ниже. Во многих практических случаях эти характеристики неизвестны, а известны только моменты этого распределения (математическое ожидание, дисперсия) или же значения функции распределения для отдельных моментов времени.

Определение параметров технического обслуживания при явных отказах. Рассмотрим отдельное устройство, у которого имеется только один вид отказа - явный, который может быть предупрежден некоторым набором операций технического обслуживания. Обслуживание проводится через интервал времени г, если на периоде, предшествующем обслуживанию, не было отказа (при обслуживании проводится полное обновление). Если до момента обслуживания был отказ, то после него выполняется восстановление, а график технического обслуживания перепланируется.

Таким образом, обновление свойств устройства имеет место либо через интервал времени у, если не было отказа, либо в момент отказа. Длительностью восстановления по сравнению с интервалом времени у можно пренебречь.

Такая ситуация показана на рис. 9. Проведение технического обслуживания снижает интенсивность отказов л(t) до уровня, соответствующего значению л(0), и тем самым повышает безотказность. Очевидно, что в рассмотренной ситуации техническое обслуживание эффективно, только если л(t) является возрастающей функцией времени. Из числа распределений это соответствует нормальному распределению и распределению Вейбулла при k >1.

Если л(t) = сопst (что соответствует экспоненциальному распределению), то обслуживание невыгодно, так как безотказность остается на постоянном уровне, а обслуживание требует затрат. Это следует из свойств экспоненциального распределения, у которого условная вероятность отказа в интервале (t₁, t₁+ ?t), вычисленная при условии, что в интервале (0, t₁) отказа не было, равна безусловной вероятности отказа в интервале (t₁, t₁+ ?t). Физически это следует из того, что экспоненциальное распределение описывает внезапные отказы, не связанные со старением или накоплением повреждений, поэтому и техническое обслуживание такого устройства нецелесообразно. Если же л(t) убывает (например, при распределении Вейбулла с k < 1, то техническое обслуживание только снижает безотказность.

Рис. 9 Изменение интенсивности отказов при техническом обслуживании: - техническое обслуживание; - отказ

Полагаем, что функция распределения F(t) наработки до отказа Т устройства известна. В качестве критерия для расчета периодичности планового технического обслуживания примем минимум средних удельных (на единицу времени) суммарных потерь S от отказов и планового технического обслуживания.

При этом будем следовать принципам определения параметров технического обслуживания. Так как рассматривается процесс на бесконечном интервале времени, то средние удельные потери при этом равны средним удельным потерям на интервале между обновлениями.

Обозначим с₁ среднюю стоимость всех затрат, связанных с отказом и последующим восстановлением отказавшего устройства. В величину с₁ входят потери, связанные с ухудшением работы технологического объекта (например, из-за простоев оборудования или снижения качества управления), и потери, связанные только с трудозатратами на устранение отказов (на поиск причины отказа, его устранение, демонтаж и монтаж, организационные мероприятия, связанные с восстановлением, и т. д.).

Обозначим c₁ среднюю стоимость всех затрат, связанных с проведением планового технического обслуживания.

На интервале между обновлениями средние потери

, (8)

или

(9)

Длина интервала между обновлениями

(10)



Из (10) следует, что

Средние удельные потери

(11)

Дифференцируя функцию (4) и приравнивая производную нулю, получаем

(12)

Приведем достаточные условия существования одного конечного корня г₀ уравнения (12):

- с₁ > с₂, т. е. средняя стоимость с, всех затрат, связанных с отказами и последующим восстановлением отказавшего устройства, больше средней стоимости с₂ всех затрат, связанных с проведением соответствующего вида планового технического обслуживания;

- л'(t) > 0, т. е. интенсивность отказов монотонно возрастает;

- л (t) > ? при t > ?.



Определение параметров технического обслуживания при неявных отказах: Рассмотрим устройство, у которого имеется только один вид отказа - неявный, который может быть выявлен лишь при техническом обслуживании.

Рис. 10 Зависимость функции

Обслуживание проводится через интервал времени у, среднюю стоимость затрат, связанных с его проведением, обозначим c₂.

После обслуживания следует обновление свойств устройства.

Если же в момент у обнаруживается неявный отказ, то имеет место восстановление (также с полным обновлением), стоимость которого обозначим c₃.

Потери от скрытого отказа являются линейной функцией времени, в течение которого устройство находилось в неработоспособном состоянии.

Удельные потери в единицу времени обозначим c₄.

Полагаем, что функция распределения F(t) наработки до скрытого отказа известна.

В отличие от предыдущего случая здесь и при экспоненциальном распределении целесообразно проведение обслуживания: эффект от него заключается в уменьшении времени, в течение которого система неработоспособна.

В качестве критерия для расчета периодичности технического обслуживания, как и выше, примем минимум средних удельных потерь S_уд от отказов и планового технического обслуживания.

По аналогии с (9) на интервале между обновлениями средние потери

(13)

В (13) первый член соответствует потерям, связанным с ухудшением работы технологического объекта, второй - затратам на восстановление, третий - на техническое обслуживание при условии, что восстановление не проводилось.

Перепишем (13) в виде

средние удельные потери отнесем ко всей длине интервала г.



(14)

Дифференцируя функцию (14) по г и приравнивая производную нулю, получаем уравнение

корнем которого г₀ является оптимальная периодичность технического обслуживания.



Список литературы

1. Ястребенецкий, М.А. Надежность автоматизированных систем управления технологическими процессами [Текст]: учеб. пособие для вузов/ М.А. Ястребенецкий, Г.М. Иванова. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 264 с.: ил.; 21 см. - Библиогр.: с. 259-260. - 8700 экз. - ISBN 5-283-01549-1.

2. ГОСТ 27.301-9 Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения. М.: Издательство стандартов, 1997. - 15 с.

3. ГОСТ 24.701-86. Единая система стандартов автоматизированных систем управления. Надежность автоматизированных систем управления. Основные положения. М.: Издательство стандартов, 1987. - 17 с.

4. РД 03-418-01. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов. Госгортехнадзор России, 2001.// Безопасность труда в промышленности. - 2001. - № 10. С. 40-50.

Черкесов, Г.Н. Надежность аппаратно-программных комплексов [Текст]: учеб. пособие/ Г.Н. Черкесов. - СПб.: Питер, 200 - 479 с.: ил.; 24 см. - Библиогр.: с. 473. - 4000 экз. - ISBN 5-469-00102-4.

6. Вентцель, Е.С. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения [Текст]: учеб. пособие для втузов/ Л.А. Овчаров, Е.С. Вентцель. - 2-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2000. - 383 с.: ил.; 21 см. - Библиогр.: с. 378-379. - 8000 экз. - ISBN 5-06-003831-9.

7. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей [Текст]: учеб. пособие для вузов/ Е.С. Вентцель. - 5-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 1998. - 576 с.: ил.; 21 см. - Библиогр.: с. 573-57 - 12000 экз. - ISBN 5-06-003522-0.

Размещено на Allbest.ru

...