КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
8.10. Достоверность поверки Одной из важнейших характеристик качества поверки является достоверность. Эта характеристика процесса измерительного контроля отражает степень доверия к полученным после поверки результатам. На ее формирование влияет большое количество факторов. Наиболее существенными из них являются точность измерительного контроля, полнота контроля поверяемых параметров, временные показатели поверки, надежность поверяемых и образцовых средств измерений, установление поля допуска на поверяемый параметр, методика операций поверки, способы регистрации и обработки измерительной информации, наличие системы самоконтроля. Достоверность поверки по результатам измерительного контроля численно определяют как вероятность принятия правильного решения о техническом состоянии прибора. В поверочной практике результат поверки средства измерений имеет два альтернативных состояния «годен», «не годен». Первое характеризует техническое состояние прибора, у которого все поверяемые параметры в норме, второе – состояние, при котором хотя бы один из параметров не в норме. Чаще всего при поверке средств измерений определяют относительную погрешность в поверяемой отметке диапазона измерений. При разработке методик поверки средств измерений, а также при метрологической экспертизе и испытаниях приборов необходимо задавать и контролировать показатели достоверности поверки, обеспечиваемые данной методикой. При этом возникают трудности нормирования и контроля ошибок поверки ложного и необнаруженного отказов при проверке прибора), которые обусловлены тем, что на этапе разработки средств измерений, как правило, отсутствуют априорные данные о распределениях параметров, а также результаты периодических поверок. Из–за отсутствия данных об эксплуатации вновь выпускаемых средств измерений показатели достоверности первичной поверки, как правило, отличаются от показателей периодической поверки. Это обусловлено совершенством технологии изготовления, ее стабильностью. Как правило, у современных средств измерений поверяют несколько метрологических характеристик. При этом наиболее часто применяют методику, когда в определенном порядке для каждой метрологической характеристики (поверяемой точки) 336 проверяют гипотезы о годности прибора и, если они не опровергаются для всех метрологических характеристик, то средство измерений признают годным. При этом обычно для анализа используют модель системы обслуживания и восстановления технических объектов, в которой при отрицательных результатах поверки забракованные приборы заменяют на исправные, т. е. для парка средств измерений считают, что на момент окончания поверки апостериорная вероятность признания прибора исправным становится равной единице. Отметим, что такая модель не учитывает ошибки поверки средств измерений. Из-за этого вероятность признания исправного состояния средства измерений в момент окончания поверки не может принимать значение, равное единице, а оказывается несколько ниже. Известно, что поверка средств измерений повышает как достоверность оценки их технического состояния, так и время, затрачиваемое на подготовку прибора к применению. Причем на показатели надежности, связанные с готовностью средства измерений к применению, существенно влияют ошибки поверки. Разброс результатов измерений при поверке прибора обусловлен следующими факторами: случайной составляющей погрешности поверяемого средства измерений; случайной составляющей погрешности образцовых средств измерений; случайными изменениями характеристик среды и других факторов, влияющих на результаты поверки. При выборе образцового прибора для поверки конкретного типа средства измерений необходимо учитывать как его точностные характеристики, так и анализировать согласованность принятой модели измеряемой величины с действительным законом ее изменения. При определении достоверности поверки необходимо принимать во внимание влияние составляющей погрешности поверки из–за неадекватности принятой и реальной модели поверяемого параметра. Другим способом повышения достоверности измерительного контроля без конструктивных изменений прибора является учет влияния измеряемой величины и других дестабилизирующих факторов на распределение погрешности. 8.11. Определение объема поверочных работ 337 Под объемом поверочных работ понимают совокупное число основных поверочных операций (без подготовительных), в результате выполнения которых можно сделать вывод о пригодности прибора к применению. Объем поверки зависит от: числа поверяемых метрологических характеристик; числа поверяемых отметок (точек) в диапазоне измерений; числа измерений в каждой поверяемой отметке. Первое число определяется числом измерительных функций прибора; второе – характером измерения поверяемой метрологической характеристики; третье – возможным разбросом случайной составляющей погрешности прибора. При выборе состава поверяемых параметров основное требование заключается в достоверной оценке технического состояния средства измерений для принятия решения о возможности ее применения. Нормативные документы на разработку методик по поверке средств измерений требуют определять минимум поверяемых метрологических характеристик, достаточный для решения вопроса о пригодности поверяемых средств измерений к применению. Обоснованное применение допущений может существенно сократить объем поверки. Кроме того, разрешается периодическая поверка средств измерений, предназначенных для измерения нескольких физических величин или имеющих несколько диапазонов измерений, выполнять только по тем требованиям НТД (нормативно-технической документации) на поверку, которые определяют пригодность прибора для применяемого числа физических величин и применяемых диапазонов измерений. 338 9. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ 9.1. Общие сведения о надежности автоматических систем Вопросам надёжности систем управления (САУ), особенно на стадии проектирования АСУ ТП с каждым годом уделяется всё большее внимание. Важность проблемы надежности САУ обусловлена их повсеместным распространением фактически во всех отраслях промышленности. Основы теории надежности, применительно к описанию технических систем управления, разработаны Б. Г. Гнеденко, Ю. К. Беляевым, А. Д. Соловьевым и др. В нашей стране теория надежности начала интенсивно развиваться с 50–х годов, и к настоящему времени сформировалась в самостоятельную дисциплину, основными задачами которой являются: Установление видов показателей надежности технических систем; Выработка аналитических методов оценки надежности; Упрощение оценки надежности САУ; Оптимизация надежности на стадии эксплуатации системы. В данном лекционном материале рассмотрены теоретические основы теории надёжности, методы расчета надежности технических систем, виды отказов САУ и ТСА, методы повышения надежности, а также причины, вызывающие отказы САУ. 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). Влияние указанных факторов проявляется в виде отклонений параметров системы от номинальных (расчетных) значений. Эти отклонения могут быть настолько значительными, что система становится непригодной к использованию, так как возникновение больших отклонений параметров от расчетных значений при эксплуатации системы приводит к аварии или к появлению брака в выпускаемой продукции. Когда система перестает удовлетворять предъявляемым к ней требованиям, систему считают отказавшей. Следовательно, надежность является одной из характеристик 339 качества системы, поэтому она, как и другие характеристики системы (точность, быстродействие), должна оцениваться количественно на основе анализа технических параметров системы в эксплуатационных условиях. 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. Если система может находиться в счетном множестве состояний, то надежность определяется формулой: ) ( ) ( ) ( 1 tf H H E tf R i K i i где H i (tf ) – вероятность i–го состояния системы при условиях эксплуатации f; E(H i ) – эффективность i–го состояния; t – требуемый интервал времени выполнения задачи; K – число состояний. В некоторых работах оценка качества автоматической системы разделяется на две 340 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). Эти состояния системы представляют противоположные события, поэтому для них справедливо равенство, которое будем в дальнейшем называть основным статическим уравнением безотказности системы: P + Q = 1 где Р — безотказность (надежность) системы; Q — вероятность возникновения отказа системы. 341 Как известно, автоматическая система представляет собой комплекс отдельных приборов, не связанных между собой на заводе – изготовителе сборочными и монтажными операциями, но имеющих общее эксплуатационное назначение. Систему в целом можно представить рядом более простых подсистем. 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. Для определения безотказности элементов справедливо равенство P + Q = 1. 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. Например, пусть безотказность усилительного тракта системы Р 0 = 0,99. В результате применения дублирования тракта его безотказность возросла и стала равной Р = 0,9999. Необходимо оценить степень улучшения безотказности усилительного тракта. Степень увеличения безотказности будем оценивать коэффициентом р, представляющим 342 отношение безотказности усовершенствованной схемы к безотказности первоначальной схемы, а степень уменьшения вероятности отказа – коэффициентом S P , представляющим отношение соответствующих вероятностей отказа S P = P/P 0 = 0,9999/0,99 = 1,01. Тогда в первом случае если воспользоваться коэффициентом S P , то безотказность прибора увеличивается в 1,01 раза или на 1%, что, на первый взгляд, может показаться не очень существенным, хотя в действительности безотказность прибора повышается значительно. Если же воспользоваться коэффициентом S, то вероятность отказа усовершенствованной схемы по сравнению с первоначальной схемой уменьшается в 100 раз: S = Q/Q 0 = 1*10 –4 /1*10 –2 = 1*10 –2 Такая оценка степени улучшения системы является более удобной и наглядной несмотря на то, что она отражает одну и ту же объективную сущность изменения качества системы. 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. 343 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 и невосстанавливаемость представляют противоположные события, поэтому, как и в случае безотказности системы, основное уравнение восстанавливаемости имеет вид: Р В + Q b = 1 где Р В – восстанавливаемость; Q b – невосстанавливаемость системы. 344 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). Большинство факторов, определяющих восстанавливаемость системы, трудно оценить количественно и тем более определить экспериментально, поэтому систему надо проектировать таким образом, чтобы исключить влияние факторов, не поддающихся количественной оценке. Восстанавливаемость можно существенно увеличить, применяя современные методы обнаружения и устранения неисправностей в системе. Эти методы развиваются в трех направлениях: создание встроенных в систему диагностирующих устройств или применение специальных автоматических тестеров; разработка методов и оборудования для граничных испытаний позволяющих профилактически заменять элементы, параметры которых в значительной степени изменились вследствие износа или старения; перераспределение функций, выполняемых элементами при появлении отказов, и самонастройка параметров системы. При этом структура системы выбирается таким образом, чтобы элементы, принявшие на себя функции отказавших элементов, в условиях повышенных на них нагрузок были бы в состоянии обеспечить эффективную работоспособность системы до окончания выполнения стоящих перед системой задач. Отказавшие элементы можно восстановить в период проведения профилактических мероприятий. Квалификация и подготовка обслуживающего персонала оказывает в большинстве случаев решающее влияние на восстанавливаемость системы. Неопытность обслуживающего персонала приводит не только к увеличению времени восстановления системы, но и к появлению новых отказов. |