КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
9.6. Общая характеристика условий работы автоматических систем Автоматические системы, а также их отдельные элементы при эксплуатации находятся под воздействием различных факторов, которые будем называть нагрузками. Характерной особенностью электронных автоматических систем по сравнению с механическими системами является большое разнообразие нагрузок, воздействующих на систему. По физической природе нагрузки можно разделить на следующие основные классы: механические нагрузки – вибрации, удар, постоянно действующие ускорения; климатические нагрузки – температура, влажность и влага, атмосферное давление, солнечная радиация, пыль, песок; 367 электрические нагрузки – ток, напряжение, рассеиваемая мощность; радиоактивные нагрузки – поток нейтронов, гамма-лучей. Механические нагрузки воздействуют на автоматические системы, работающие на подвижных объектах: летательных аппаратах, электровозах, кораблях и др. Кроме того, механические нагрузки возникают при транспортировке, а также при эксплуатации оборудования. В результате воздействия механических нагрузок отказы автоматических систем имеют следующий характер: смещение скользящих и вращающихся деталей и узлов; обрыв элементов; разрушение паек; разрушение нитей накала ламп; стук контактов; короткое замыкание близко расположенных проводников и деталей; размыкание нормально–замкнутых контактов; замыкание нормально–разомкнутых контактов; повреждение обмоток трансформаторов; разрушение элементов конструкции. Климатические нагрузки, воздействующие на автоматические системы, зависят от географического места, в котором работает система, а также от условий работы системы (стационарные, полевые и т. д.). В результате воздействия климатических нагрузок отказы автоматических систем имеют следующий характер изменение значений электрических констант (R, L, С и т. д.); размягчение изоляции; снижение эластичности изоляции; уменьшение поверхностного и объемного сопротивлений изоляции вплоть до коротких замыканий вследствие образования льда; замерзание движущихся частей; размыкание и замыкание контактов вследствие коробления; изменение прочности конструкционных элементов; 368 потеря смазочных свойств, а следовательно, чрезмерный механический износ подвижных частей вследствие попадания пыли и песка; короткие замыкания вследствие ухудшения изоляционных характеристик воздуха с изменением высоты. Так же, как и в случае механических нагрузок, климатические нагрузки в отдельных местах системы могут в значительной степени отличаться от их значений в окружающей атмосфере. Электрические нагрузки обычно определяются для элементов и реже для узлов. Величина электрической нагрузки зависит от принципиальной электрической схемы и конструкции системы. Электрическая нагрузка определяет режим работы элемента. Для большинства электрических элементов устанавливается номинальное значение электрической нагрузки. Характерными отказами автоматических систем вследствие воздействия электрических нагрузок являются: обрыв элементов в результате перегорания; короткое замыкание элементов в результате пробоя. Величина электрических нагрузок в значительной степени зависит от режима работы системы. В установившемся режиме работы действительное значение нагрузки близко к ее расчетному значению, всегда меньшему, чем номинальное значение, поэтому обычно коэффициент нагрузки меньше единицы. В переходных режимах величина нагрузки может в несколько раз превышать расчетное значение, тогда коэффициент нагрузки становится большим единицы. Это обстоятельство характерно для моментов времени включения и выключения автоматической системы. В этом случае обычно появляется большее число отказов, чем при работе в установившемся режиме. Радиоактивное излучение имеет место в случае применения автоматических систем в установках, использующих термоядерные двигатели. Наибольшее влияние на электронные системы оказывают нейтроны и гамма–лучи. При оценке влияния термоядерного излучения на элементы автоматических систем в первую очередь определяется характер влияния радиации, а затем уже допустимая доза радиации. Краткое рассмотрение условий работы автоматических систем показывает, что они работают под воздействием сложного комплекса нагрузок. Кроме того, задача аналитического описания нагрузок усложняется также и тем, что некоторые из них характеризуются несколькими параметрами. Например, вибрации характеризуются 369 частотой и амплитудой вибраций. Задачу можно упростить при предположении, что для каждого из элементов можно выделить одну или несколько главных нагрузок. С этой точки зрения целесообразно классифицировать нагрузки не по их физической природе, а по их влиянию на систему или ее отдельные элементы. Выделим три класса нагрузок: нагрузки-напряжения; нагрузки-катализаторы; пассивные нагрузки. Нагрузки-напряжения связаны с созданием в элементах или системе напряжений. К ним относятся механические нагрузки – вибрации, удар, ускорения и электрические нагрузки – ток, напряжение, рассеиваемую мощность. Таким образом, нагрузки- напряжения вызывают разрушение элементов системы в том случае, если они превышают допустимые значения. Нагрузки-катализаторы сами по себе практически не вызывают напряжений в элементе или системе и, следовательно, без нагрузок-напряжений они не приводят к отказам. Однако нагрузки-катализаторы изменяют прочность материалов или ухудшают физические, химические и электрические параметры. К этой группе нагрузок отнесем климатические нагрузки: температуру, влажность, атмосферное давление, солнечную радиацию. Действительно, повышенные температуры изменяют, например, прочность материалов на разрыв; влажность изменяет электрическую прочность изоляционных материалов и т. д. В дополнение к климатическим нагрузкам можно иногда отнести и накопленное время работы системы или число циклов работы системы. Очевидно, что это может быть сделано в тех случаях, когда время работы изменяет прочностные характеристики элементов или системы в целом. К пассивным нагрузкам следует отнести такие условия работы системы и элементов, которые сами по себе не вызывают напряжений в элементах системы и не изменяют ее способности противостоять нагрузке, например воздействие пыли, песка, а также биологических факторов. Эти нагрузки в основном определяют выбор соответствующих материалов и конструктивных форм элементов и систем. В большинстве случаев нагрузки являются случайными функциями времени, т. е. представляют случайный процесс. В наиболее простейших случаях можно не учитывать корреляционных связей между различными типами нагрузок, т. е. считать нагрузки статистически независимыми. Кроме того, если изменение нагрузок во времени является стационарным случайным процессом, 370 можно в качестве количественных характеристик нагрузок использовать распределения нагрузок как случайных величин. Представляет интерес оценка, как возможных значений нагрузок, так и их максимальных значений. Для определения плотности вероятности нагрузок по известным реализациям случайного процесса (в случае стационарного процесса достаточно знать одну реализацию в течение длительного времени) необходимо разделить общее время наблюдения на достаточно малые интервалы и определить нагрузку в каждом интервале. Рисунок 9.5. Плотности вероятности нагрузки и плотности ее максимальных значений Таким образом может быть построена функция плотности вероятности нагрузки и плотность вероятности максимальных значений нагрузки в результате фиксирования в течение продолжительного отрезка времени максимальных нагрузок. Взаимное расположение указанных плотностей вероятностей показано на рисунке 9.5. Использование для расчетов надежности автоматических систем, плотностей вероятности нагрузок ni(Z) и (Zmax), соответствует условию приложения к системе статических нагрузок. 9.7. Методы повышения надежности автоматических систем При создании и эксплуатации автоматических систем необходимо стремиться обеспечить заданную, а иногда и максимальную надежность системы при эксплуатации. Однако в практике создания сложных автоматических систем в большинстве случаев не удается, не только получить максимальную надежность, но и обеспечить даже при обычном подходе к проектированию и эксплуатации минимальную требуемую надежность системы. Поэтому при создании и эксплуатации систем необходимо 371 принимать специальные меры, направленные на повышение надежности систем. Способы повышения надежности автоматических систем весьма многообразны и требуют от лиц, создающих системы, как широких научных и теоретических знаний, так и инженерного искусства, большого опыта и т. д. Естественно, что детально рассмотреть все многообразие мер и способов повышения надежности весьма трудно и это связано было бы с освещением большого количества узконаправленных задач. Учитывая это обстоятельство, в настоящем параграфе будут рассмотрены общие методы и принципы повышения надежности автоматических систем. Изучение общих методов и принципов повышения надежности автоматических систем имеет также свои положительные стороны, обеспечивающие развитие правильных и перспективных направлений создания высоконадежных систем, без чего могут стать малоэффективными правильные решения более узких практических вопросов. В соответствии с тремя главными фазами, которые проходит каждая система, будем рассматривать три метода повышения надежности систем: при проектировании, производстве и эксплуатации. Следует отметить, что только объединенными мерами на каждой из этих фаз можно добиться высокой надежности создаваемой и эксплуатируемой системы. Тем не менее, решающее влияние на надежность автоматических систем оказывает фаза проектирования. При проектировании системы выбирается принцип ее работы и структура. Осуществляется конструктивная разработка отдельных узлов и приборов и т. д. Если на стадии проектирования не будут учитываться вопросы, связанные с надежностью системы, и тем более, если будут допущены неточности, то обеспечить надежность системы за счет мер, принимаемых на двух последующих фазах (производстве и эксплуатации), весьма трудно. Это потребует больших материальных затрат, а в некоторых случаях даже практически невозможно. Прежде всего, при проектировании системы необходимо обеспечить требуемый уровень безотказности системы. Проектирование системы начинается с выбора принципа работы системы. На этой стадии проектирования главное внимание должно быть обращено на выбор наиболее простой системы, имеющей по возможности наименьшее число элементов и связей между ними. Это требование подтверждается тем, что в нерезервированных системах вероятность отказа системы в первом приближении пропорциональна количеству элементов. Наряду с выбором простой схемы, оцениваемой приближенно по количеству элементов, большое влияние на безотказность системы имеет выбор стабильной схемы. В 372 стабильной по принципу действия схеме обычно наблюдаются минимальные связи между параметрами отдельных элементов, а также обеспечивается минимальное влияние отклонений параметров элементов на величину ошибки в выходной величине системы. Таким образом, выбор простой и стабильной по принципу действия схемы является одной из главных мер обеспечения высокой безотказности системы как при внезапных, так и при постепенных отказах. Иногда выбор простой по количеству элементов и в то же время стабильной схемы связан с преодолением определенных противоречий. В качестве примера можно привести задачу проектирования усилительного устройства системы. Известно, что для обеспечения стабильности коэффициента усиления в автоматических системах применяются отрицательные обратные связи. Применение отрицательной обратной связи для получения требуемого общего заданного коэффициента усиления связано с увеличением числа каскадов в разомкнутой цепи усиления, т. е. с увеличением общего количества элементов системы. Таким образом, повышение стабильности коэффициента усиления приводит к увеличению потенциальной возможности внезапного отказа в схеме. Вероятность отказа нерезервированной системы в первом приближении равна сумме вероятностей отказов элементов. Следовательно, безотказность нерезервированных систем зависит не только от количества элементов, но и от качества элементов. Для обеспечения высокой безотказности при проектировании системы надо выбирать наиболее качественные и перспективные элементы. В свою очередь показатели безотказности элементов зависят в сильной степени от режимов работы элементов. Поэтому при проектировании для повышения безотказности системы режимы работы элементов можно выбирать значительно меньшими, чем номинальные, при этом степень уменьшения нагрузок зависит от конкретных задач. Большое влияние на безотказность системы оказывают условия ее работы, а именно: воздействующие на систему и элементы механические, климатические нагрузки и т. д. При проектировании системы необходимо максимально уменьшить влияние внешних и внутренних нагрузок на систему и ее элементы. Эта задача в основном решается правильным выбором конструкции узлов, приборов и системы в целом. В качестве дополнительных конструктивных мер, обеспечивающих повышение безотказности, можно указать на методы снижения влияния механических нагрузок путем применения специальных конструктивных форм устройств, амортизаторов и т. д. Влияние климатических “нагрузок” может быть в значительной степени ослаблено при правильном конструктивном оформлении узлов и блоков, например, с таким расчетом, чтобы 373 обеспечить повышенную теплоотдачу (искусственное охлаждение), защиту от влаги (герметизация). При разработке схемы и конструкции должны также быть предусмотрены меры, позволяющие повысить надежность системы при эксплуатации, а именно – блочная конструкция системы, применение стандартных и унифицированных узлов и блоков, удобство проверок и обслуживания и др. Таким образом, на стадии проектирования надежность нерезервированной системы обеспечивается следующими основными методами: выбором простых и стабильных схем, учитывающих также возможности повышения надежности системы при эксплуатации; применением качественных и перспективных элементов и выбором режимов работы элементов, соответствующих пониженным электрическим нагрузкам; разработкой конструкции системы и приборов, обеспечивающей минимальные нагрузки на систему и элементы, а также удобство обслуживания системы. Повышение надежности систем при эксплуатации Если в результате проектирования нерезервированной системы не удается обеспечить требуемую безотказность, можно применять следующие методы повышения надежности системы при эксплуатации: обратные связи; резервирование. Применение отрицательных обратных связей позволяет стабилизировать параметры отдельных узлов, блоков и приборов системы, т. е. уменьшать вероятность отказа системы вследствие постепенных отказов. В ряде случаев полезно применять положительные обратные связи. Повышение надежности изделий и систем может быть достигнуто с помощью резервирования. Резервирование бывает: информационное; временное; функциональное; аппаратурное; структурное. 374 Аппаратурное резервирование обеспечивается применением нескольких одинаковых устройств для достижения заданной цели, например прием и запись уникальной информации одновременно на 2-3 устройства. Структурное (схемное) резервирование состоит в применении специальных схем соединений основного и резервного элементов. Используют поэлементное резервирование и резервирование всей цепи основных элементов (нагруженный резерв) (рис. 9.6). В полностью резервированной системе отказ одного или нескольких элементов не приводит к отказу всей системы. При постоянном резервировании, которое иногда называют пассивным, резервные устройства постоянно включены в схему, при этом до момента ремонта включенными в схему остаются и отказавшие устройства. Постоянное резервирование отличается простотой схем, возможностью применения к различным конструкциям (системам, приборам, узлам, элементам) и даже к внутриэлементным связям. Наиболее эффективно постоянное резервирование для элементов и внутриэлементных связей. Существенным недостатком постоянного резервирования является изменение параметров схемы и режимов работы при отказах резервных устройств, что в некоторых случаях недопустимо. Определенные технические трудности встречаются также при резервировании устройств, характеризующихся двумя типами отказов (обрыв и короткое замыкание). Кроме того, для ряда устройств автоматических систем постоянное резервирование технически трудно осуществить, а в некоторых случаях даже невозможно. Рисунок 9.6. Схемы резервирования: а – поэлементного; б – общего; в – поэлементного замещением; г – общего замещением; д – мажоритарного; ОЭ – основной элемент; РЭ – резервный элемент Как и всякому способу повышения безотказности, связанному с применением большего количества элементов, чем это требуется функциональной схемой, постоянному 375 резервированию присущи также недостатки, связанные с увеличением веса, объема, стоимости аппаратуры и усложнением эксплуатации. Вес системы с постоянным резервированием может быть значительно уменьшен благодаря применению микроминиатюрных и молекулярных элементов. Достоинство резервирования с поэлементным замещением (ненагруженный резерв) – в сохранении ресурса резервных элементов. Недостаток – в дополнительной возможности отказа переключающего элемента. Резервирование с общим замещением (ненагруженный резерв). Общее правило, которое можно применять в схемном резервировании, гласит: чем мельче масштаб резервирования, тем больше надежность. Широко используется схема мажоритарного резервирования, которая носит также название «схема голосования из трех по два». Неисправный канал автоматически исключается из линии передачи информации. Резервирование осуществляют также с применением логических схем. Такое резервирование называют активным. Применение логических схем обеспечивает неизменность параметров схемы при отказах элементов, повышает безотказность системы при их использовании для устройств, характеризующихся отказами двух типов, позволяет сохранять ресурс резервных устройств, находящихся в режиме ожидания в ненагруженном состоянии. Резервирование с логическими схемами неизбежно связано с применением дополнительных устройств в виде индикаторов отказа, переключателей и др. Надежность автоматической системы может в значительной степени снизиться также под воздействием внешних помех, перемежающихся или самовосстанавливающихся отказов и др., приводящих к искажению передаваемой информации. В этих случаях эффективным средством повышения надежности систем является применение, особенно в дискретных информационных системах, самокорректирующих кодов и избыточности передаваемой информации. Применение того или иного метода резервирования зависит от конкретных условий, от назначения и особенностей работы системы. В общем случае невозможно применением только одного метода резервирования добиться высокой надежности автоматической системы. Высокая надежность системы может быть обеспечена только в результате комбинированного применения методов резервирования. Одним из направлений создания высоконадежных автоматических систем на основе комбинированных методов резервирования является применение самонастраивающихся и самоорганизующихся систем. При помощи постоянного 376 резервирования можно обеспечить функционирование системы с вероятностью, весьма близкой к единице. Однако при отказах резервных элементов в значительной степени могут измениться выходные параметры, при этом отклонения параметров могут быть такими, что, несмотря на отсутствие отказа системы, она не удовлетворяет предъявляемым требованиям. Комбинированное применение постоянного резервирования и метода самонастройки параметров при отказе резервных элементов позволяет избежать недостатков, присущих только постоянному резервированию. Еще большие возможности повышения надежности могут представиться в результате применения самоорганизующихся систем, в которых при отказах отдельных элементов или изменении внешних условий изменяется структура системы, перераспределяются функции между ее отдельными элементами. Одним из наиболее важных средств обеспечения высокой безотказности системы на стадии эксплуатации является строгое соблюдение условий технологических процессов. Соблюдение установленных технологических процессов должно начинаться с входного контроля материалов и изделий, применяемых в системе, обеспечении при необходимости качественной замены материалов. В ряде случаев причиной низкой безотказности выпускаемых систем может быть загрязненное содержание оборудования и рабочих мест. Важным методом повышения безотказности систем является правильная организация производственного контроля и уровень культуры производства. Особый вред качеству системы наносится скрытыми производственными дефектами в результате нарушения технологического процесса. Обычно скрытые дефекты представляют наибольшие технические трудности при производственном контроле. Наряду с производственным контролем безотказность сложных систем может быть существенно повышена, особенно для начального периода эксплуатации, проведением тренировочных испытаний системы (приработки) в производственных условиях. Это позволяет устранить большинство производственных и скрытых отказов, если приработка системы проходит при больших, по сравнению с номинальными, нагрузках. Организация эксплуатации системы является одним из решающих факторов обеспечения высокой надежности. Большое значение имеет и своевременное проведение профилактических мероприятий, позволяющих предупредить появление отказов системы в рабочий период времени. Одним из современных методов профилактики является прогнозирование отказов, позволяющее своевременно заменить так называемые критические элементы и тем самым исключить их отказы. Естественно, что полностью исключить отказы в рабочий период не удается, поэтому необходимо проектировать систему и правила ее эксплуатации таким образом, чтобы обеспечить минимальное время 377 восстановления отказавшей системы. В этой связи большое значение имеет разработка схем автоматической проверки и обнаружения отказов (системы диагностирования), а также, если это возможно, и схем самовосстановления отказов. Из эксплуатационных факторов важная роль в поддержании высокой надежности автоматических систем принадлежит обслуживающему персоналу, его технической подготовке, опыту и другим качествам. Большое значение для повышения надежности системы имеет организация эксплуатации, в частности снабжение систем запасными элементами и материалами, техническими описаниями и инструкциями по эксплуатации, организация ремонтных органов и др. Таким образом, высокая надежность автоматических систем может быть обеспечена только комплексом методов, применяемых на всех фазах создания и эксплуатации системы. |