4. Експлуатаційна надійність систем автоматизації
Впровадження засобів і систем автоматизації в промисловості вимагають підвищення якісних вимог до їхньої надійності. Природно, що несправність або відмова в роботі окремого апарата або елемента можуть порушити роботу всієї системи в цілому, і чим більше апаратів, елементів входить у систему, тим більше ймовірність, що в певний відрізок часу відбудеться відмова. За останні роки в системах автоматичних пристроїв, які раніше виконувалися в основному за допомогою контактних апаратів (реле, контакторів), ширше знаходять застосування безконтактні апарати. Звідси виникає питання, яке виконання систем автоматизації є більше надійним: контактне або безконтактне, як зрівняти надійність різних варіантів систем, як треба конструювати систему автоматизації, щоб вона виявилася більше надійною.
Надійність системи автоматизації в значній мірі визначається вже в стадії проектування, тобто в проект повинна бути закладена певна теоретична надійність. Якщо розрахункова надійність задовольняє вимогам виробництва й досягнута за рахунок розумних витрат, то це свідчить про високу якість проекту.
Для підвищення надійності систем автоматизації необхідне проведення комплексу робіт на різних етапах створення й функціонування цих систем. У цей комплекс включаються вибір вимог до характеристик надійності, розробка методів підвищення надійності у проектуванні систем, конструюванні й виготовленні приладів та засобів керування, при монтажі, налагодженні й експлуатації систем. Для проведення значної частини зазначених робіт необхідне використання результатів досліджень надійності при експлуатації, які є зворотним зв'язком у системі підвищення надійності. Так, результати експлуатації покористуються при розробці й випуску приладів для вивчення причин і закономірностей виникнення відмов, визначення найменш надійних вузлів і елементів, виявлення конструктивних, технологічних і експлуатаційних факторів, що впливають на надійність, для розробки заходів і рекомендацій з підвищення надійності шляхом удосконалення конструкції та технологій виготовлення приладів.
Ці результати необхідні для розробки й удосконалення методів експлуатації – строків і обсягів профілактичних робіт, нормування часу обслуговування, чисельності й розміщення обслуговуючого персоналу, нормативів запасних частин і приладів.
Нарешті, отримані при дослідженні дані є вихідними для розрахунку надійності й техніко-економічної ефективності автоматизованих систем керування технологічними процесами.
Надійність характеризує здатність засобів і систем автоматизації виконувати своє призначення, зберігаючи в процесі експлуатації свої початкові технічні характеристики в заданих межах. У теорії надійності всі вироби прийнято ділити на два великих класи: відновлювані й не відновлювані.
До відновлюваних виробів ставляться такі, які у випадку виникнення відмови можуть бути відновлені. Такими виробами є системи автоматизації, обчислювальні машини, прилади й т.п. Невідновлюваними вважаються ті вироби, які у випадку виникнення відмови не можуть бути відновлені або не підлягають відновленню. До них ставляться напівпровідникові прилади, конденсатори, резистори, освітлювальні лампи, інтегральні схеми й т.п.
Надійність є одним із властивостей виробу і входять у більш широку властивість – якість (ефективність).
Якість - це сукупність властивостей виробу, що визначають його придатність для використання, по призначенню.
З погляду надійності системи автоматизації нас цікавить , справна вона або несправна.
Справність - це стан системи, яка в цей момент часу відповідає вимогам, установленим як відносно основних параметрів, що характеризують нормальне виконання заданих функцій, так і відносно другорядних параметрів, що характеризують зручність експлуатації, зовнішній вигляд і т.п.
Несправність - це стан системи, яка не відповідає хоча б одному з вимог, що вказуються в технічній документації.
Працездатність - це стан системи, при якому вона здатна виконувати задані функції по параметрам, установленим вимогам, відзначеними в технічній документації. Перехід зі стану справності в стан несправності відбувається в результаті події, який називається відмовою. Таким чином, відмова -є повна або часткова втрата працездатності системи.
Відмови розділяються на раптові (у результаті різкої, стрибкоподібної зміни параметрів виробів) і поступові (розлагодження, старіння та зношування виробів у процесі експлуатації).
Таким чином, система автоматизації може перебувати в різних станах. Час перебування системи у станах справності й працездатності залежить від її властивостей. До таких властивостей ставляться надійність, безвідмовність, довговічність і ремонтопридатність.
Надійність - властивість засобів автоматизації або системи в цілому, обумовленою їхньою безвідмовністю, довговічністю й ремонтопридатністю й нормальне виконання, що забезпечує, заданих функцій.
Коефіцієнт ДО, що відбиває основні властивості надійності, у загальному виді можна записати так:
Кн=?(Кб,Кд,Кр),
де Кб, Кд і Кр - коефіцієнти, що враховують безвідмовність, довговічність і ремонтопридатність.
Безвідмовність - властивість засобів автоматизації або системи в цілому безупинно зберігати працездатність у певних режимах і умовах експлуатації.
Довговічність - властивість засобів автоматизації або системи в цілому довгостроково (з можливими перервами на ремонт) зберігати працездатність у певних режимах і умовах експлуатації до руйнування або іншого граничного стану.
Ремонтопридатність - властивість засобів автоматизації або системи в цілому, що виражається в пристосованості до відновлення й підтримки працездатності шляхом попередження, виявлення й усунення відмов. Кількісна характеристика полягає в. витратах часу й коштів на виявлення й усунення несправності про облік необхідної кваліфікації обслуговуючого персоналу.
Надійність у значній мірі залежить від умов експлуатації. Якщо прилад використовується в лабораторних умовах, його надійність вище, ніж надійність такого ж приладу, використовуваного поза приміщенням. Вплив вологи, різких змін температури створюють несприятливі умови для роботи приладів. На відміну від надійності властивість безвідмовності більш вузьке поняття. Так, для одних систем потрібна безвідмовна робота тільки протягом короткого проміжку часу (наприклад, ракета), а для інших більше тривалий період (наприклад, космічний корабель).
Довговічність свідчить про здатність системи довгостроково зберігати працездатність між перервами для необхідних ремонтів. Для різних по призначенню систем кожне із цих властивостей може мати вирішальне значення. Наприклад, для літака на перше місце висувається безвідмовність і вже потім ураховується довговічність. Для багатьох видів устаткування на першому плані коштує довговічність, а вже потім розраховується економічно обґрунтованими, необхідними умовами виробництва відповідна безвідмовність.
Для не відновлюваних виробів поняття безвідмовності та довговічності практично збігаються, тому що при настанні першої ж відмови в них порушується безвідмовність і вичерпується довговічність. Більш складнішими стають сучасні засоби та системи автоматизації, чим більше відповідальні функції вони виконують, тим більшого значення набуває їхня ремонтопридатність. Побудова блокових систем дозволяє робити автоматичний пошук несправного блоку, його заміну й ремонт. Ремонтопридатність систем автоматики практично виявляється при двох видах обслуговування: при плановому (профілактичному) і позаплановому.
Ціль позапланового обслуговування – найшвидше відновлення працездатності засобів автоматики шляхом знаходження причини відмови, заміни, що вийшло з ладу вузлів та деталей або проведення необхідного ремонту. Планове профілактичне обслуговування попереджає відмови шляхом здійснення таких заходів, як своєчасне змащення, регулювання, настроювання й т.д. Профілактичне обслуговування може також містити в собі й заміну вузлів і деталей, що працюють на межі своїх можливостей, для попередження появи їх зношень які приводять відмов. Поряд з ремонтопридатністю велике значення для надійності приладів і засобів автоматизації має і їхня збереженість.
Великий вплив на зміну надійності роблять об'єктивні й суб'єктивні фактори.
До об'єктивних факторів ставляться: природне зношення, зміна технічного стану під дією постійних і змінних навантажень; вплив температур, навколишнього середовища, електричної енергії; інерційні навантаження, вібрації; режими експлуатації.
До суб'єктивних факторів ставляться: кваліфікація обслуговуючого персоналу; дотримання нормальних режимів роботи та правил технічного обслуговування, своєчасне проведення ремонту; недбале зберігання; низька культура виробництва; порушення технології.
Для кількісної оцінки надійності використовуються різні показники (критерії): інтенсивність відмов; середній час безвідмовної роботи; ймовірність безвідмовної роботи; частота відмов і інші.
Інтенсивність відмов - це ймовірність відмови виробу в одиницю часу після даного моменту часу за умови, що до цього моменту відмова не виникала. Інтенсивність відмов дорівнює відношенню числа виробів, що відмовили ∆N за проміжок часу Δt до добутку кількості виробів N, що працюють до початку цього проміжку часу, на його тривалість. У статистичній інтерпритації, при малому Δt і великому N інтенсивність відмов λ(t) може бути записана так:
Досвід експлуатації апаратури показує, що для раптових відмов графік функції λ ( t), як правило, має вигляд кривої, зображеної на мал. 27, Як видно з мал. 27, весь інтервал часу може бути розбитий на три ділянки.
Д
ілянка
I характеризується підвищеним значенням
інтенсивності відмов. Цей етап називається
періодом приробляння.
Ділянка ІІ характеризується постійним значенням інтенсивності відмов, і є найбільш тривалим і називається періодом нормальної роботи.
Для ділянки ІІІ характерне зростання інтенсивності відмов, що пояснюється "старінням" елементів і називається періодом старіння. Поряд з інтенсивністю відмов використовується зворотна їй величина – середній час наробітку на відмову ( Тср ). Середній час наробітку на відмову визначають як математичне очікування випадкової величини (часу наробітку між відмовами):
При статистичному визначенні цього параметра для N виробів можна скористатися формулою:
де tі - час наробітку і-го виробу до відмови.
Ймовірність безвідмовної роботи Р (t) за час t, тобто ймовірність того, що в певних умовах експлуатації в заданому інтервалі часу (0 - t ) не відбудеться жодної відмови, так:
Статистична інтерпретація ймовірності безвідмовної роботи до моменту t при загальній кількості елементів N0 і. кількості елементів, що відмовили, n(t) до моменту t визначається по формулі:
Частота відмов являє собою щільність розподілу ймовірностей наробітку між відмовами. У ряді випадків необхідно обчислювати ймовірність відмов за час t.
Ймовірність відмови q(t) та ймовірність безвідмовної роботи р(t) перебувають у наступній залежності:
Цей параметр також визначається статистично. Наступним показником надійності є коефіцієнт готовності Кг – це відношення тривалості безвідмовної роботи виробу за заданий період експлуатації до суми тривалості безвідмовної роботи й тривалості ремонтів за той же період експлуатації.
де Тв - середній час відновлення працездатності системи, що відмовила. Іноді зручніше або доцільніше визначати коефіцієнт простою:
Коефіцієнт готовності використовується для систем автоматизації, призначених для тривалої безперервної роботи при наявності можливості відключення цих систем, а також для систем, необхідність у роботі яких може знадобитися у будь-який момент часу.
Для того, щоб забезпечити можливість тривалого використання засобів автоматики, необхідно регулярно проводити профілактичні й регламентні роботи. Під час цих робіт прилади ретельно перевіряються та регулюються. Для рішення цих опитувань уводиться коефіцієнт профілактики:
