Курсовая. Общие сведения о надежности автоматических систем

• Название: Общие сведения о надежности автоматических систем
• Дата: 18.04.2023
• Размер: 93.9 Kb.
• Имя файла: Курсовая.docx
• Тип: Реферат; #1070443
• страница: 1 из 3

по дисциплине: «Основы автоматизации производства»

на тему: «Общие сведения о надежности автоматических систем»
Содержание

Введение…………………………………………………………………………..3

1.Теоретические основы понятия надежности автоматических систем..4

1.1.Понятие и сущность надежности автоматических систем………………..4

1.2. Показатели надежности систем…………………………………………..13

2.Практические примеры надежности автоматических систем…………21

2.1. Общая характеристика условий работы автоматических систем………..21

2.2.Методы повышения надежности автоматических систем………………..26

Заключение……………………………………………………………………34

Список литературы……………………………………………………………35

Введение
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.

Основной целью курсовой работы является формирование представления о надежности системы управления как совокупности надежности комплекса технических средств, управляющей вычислительной машины, программного обеспечения и оперативного персонала.

Задачи курсовой работы:

- дать понятие и сущность надежности автоматических систем;

- изучить показатели надежности систем;

- дать общую характеристику условиям работы автоматических систем;

- рассмотреть методы повышения надежности автоматических систем.

Объект исследования: автоматические системы.

Предмет исследования: общие сведения о надежности автоматических систем.

1.Теоретические основы понятия надежности автоматических систем

1.1.Понятие и сущность надежности автоматических систем

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 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)
где: Hi( 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 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 (2)
где: Р — безотказность (надежность) системы;

Q — вероятность возникновения отказа системы.

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 (2.1). 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 Р₀=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 отношение безотказности усовершенствованной схемы к безотказности первоначальной схемы, а степень уменьшения вероятности отказа — коэффициентом S_p, представляющим отношение соответствующих вероятностей отказа S_P=P/P₀=0,9999/0,99=1,01.

Тогда в первом случае если воспользоваться коэффициентом Sp, 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 (S=Q/Q₀=1*10^-4/1*10^-2=1*10^-2) то вероятность отказа усовершенствованной схемы по сравнению с первоначальной схемой уменьшается в 100 раз.

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.

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, и плановое овление, предупреждает азы или ильное функционирование емы настройкой, ровкой, а же чисткой, кой системы т. . Профилактическое овление с ью предупреждения зов системы и работе чает также ену узлов и деталей емы, которые ют критические ения параметров.

ирующее, или новое восстановление, ется при зах системы. и этом ируют параметры емы или няют детали ствие их аза, или результате тимого изменения етров системы рабочий иод.

Восстанавливаемость не иваемость представляют оложные события, ому, как в чае безотказности емы, основное ение восстанавливаемости ет вид:
в + Qb =1 (3)
где в - восстанавливаемость;

Qb - е восстанавливаемость емы.

Восстанавливаемость емы определяется мя группами вных факторов.

вую группу вляют факторы, щиеся к ме и укции системы (ость системы, еняемость отдельных ов и ков, конструктивное ление системы я удобства ивания, доступность отдельным нтам и орые другие). лиз каждого з этих оров представляет ную задачу.

рую группу вляют эксплуатационные оры (опыт, товка и рство обслуживающего нала, а же степень енства руководства вающим персоналом, дика проверочных аний системы, енство снабжения ными частями др).

нство факторов, ляющих восстанавливаемость емы, трудно ить количественно тем ее определить ентально, поэтому ему надо ровать таким зом, чтобы чить влияние оров, не щихся количественной нке.

Восстанавливаемость но существенно чить, применяя енные методы жения и нения неисправностей системе. и методы аются в ех направлениях:

1) ание встроенных систему ирующих устройств и применение льных автоматических еров;

2) разработка дов и ования для чных испытаний яющих профилактически нять элементы, етры которых значительной ени изменились ствие износа и старения;

3) еделение функций, яемых элементами и появлении зов, и тройка параметров емы, При ом структура емы выбирается им образом, бы элементы, вшие на бя функции авших элементов, условиях енных на х нагрузок ли бы состоянии ечить эффективную собность системы о окончания нения стоящих ед системой ач. Отказавшие енты можно новить в иод проведения тических мероприятий.

икация и товка обслуживающего нала оказывает большинстве аев решающее ние на иваемость системы. ность обслуживающего нала приводит е только увеличению ени восстановления емы, но к ению новых зов.

Готовность – ство системы нять возложенные а нее ции в ой произвольно нный момент ени в ившемся процессе атации. Готовность ляется как зностью, так восстанавливаемостью емы.

Готовность емы определяется е безотказностью восстанавливаемостью, рые в ою очередь, к было зано выше, ются вероятностными истиками системы. им образом, ность системы же является остной характеристикой.

д готовностью ем понимать ность того, о система рассматриваемый ент времени ова для нения предназначенных й функций, .е. ема должна ть готова выполнению аченных ей ций к алу рабочего вала времени. я ряда ических систем зи, защиты, ровки обычно ется постоянная ность.

В ическом смысле им показателем ности может ить доля тем, готовых я использования течение емого рабочего вала времени.

общем де готовность емы определяется ез вероятность аза Q и ливаемость Qв о следующей уле:
Рг = 1 – Q Q (4)
Уравнение (4) ывает, что ность системы и фиксированной ой характеристике зности или иваемости может ть повышена а счет чения другой. частности, и низкой зности системы ность может ть увеличена твующим увеличением иваемости. Если овление систем е производится, о, как ует из ения (4), готовность ляется безотказностью емы.
1.2. Птели надежности тем
Анализ ности автоматических тем и е составляющих ет быть елен на е задачи: ескую и ческую. Надежность емы (при нной схеме конструкции) основном сит от ух параметров:

- емого времени азной работы,

- вий эксплуатации емы.

Когда и параметры уются, то ивается статическая ача, которая уется на вных положениях рии вероятностей.

и статическом оде надежность изуется числом бно тому, к динамические нья автоматической емы в ившемся режиме изуются коэффициентом дачи. Указанная огия позволит ваться при изе надежности емы ее урными представлениями, о наряду наглядностью щает также ление уравнений ности и х анализ.

да требуемое ение интервала ени безотказной оты или вия эксплуатации емы не уются при изе надежности, кает динамическая ача. Основным ическим аппаратом и решении ческой задачи яду с ческой теорией ностей является рия случайных ссов. Основные мости и ения динамической ачи становятся ее сложными, м в еской задаче, ому решать е удобно помощью зований Лапласа, ина, z-преобразования.

нение для ния динамических ач теории ности указанных зований позволяет, к же к и статической аче, пользоваться урными методами. чно с нием динамической ачи связывается ность восстанавливаемых тем.

Динамическая ача дает ность также отать критерии ности систем и ее ьных составляющих. ывая, что ность системы ется вероятностной истикой, для ботки критериев но использовать ции распределения ностей в мости от иваемого динамического етра или нты функций еления вероятностей.

ции распределения ностей представляют олее полную мацию о ности системы. и этом зависимости т целей ования, особенностей иваемой системы ут применяться альные, дифференциальные и условные ции распределения ностей.

Показателями ности называются твенные характеристики ого или льких свойств, ляющих надежность емы. Выбор х или ых показателей тован видом уемой системы. теории ности различают ливаемые и вливаемые системы. невосстанавливаемым сят системы, овление которых ственно после аза считается образным или ожным, а восстанавливаемым – которых дится восстановление ственно после аза.

Для вливаемых систем, к правило, иваются показателями зности. Эти е показатели вают системы, принципе жащие восстановлению ле отказов, о поведение рых целесообразно ривать до нта первого аза. К х числу, имер, можно сти системы, и отказы чайно редки вызывают бо тяжелые ствия.

К телям надежности вливаемых систем ятся:

1. 
   Интегральный он распределения ени безотказной оты;
   
2. 
   Интегральный он распределения ени до аза;
   
3. 
   Дифференциальный он распределения ени исправной оты устройства о первого аза;
   
4. 
   Среднее мя безотказной оты (средняя отка до аза);
   
5. 
   Интенсивность зов.
   

Прежде м перейти показателям ности, необходимо сти понятие отки до аза.

Наработка о отказа () – случайная чина, представляющая ой длительность оты невосстанавливаемой емы до ления отказа. я большей ти систем отка до аза измеряется цами времени, о она ет измеряться числом ений, срабатываний, лов. Очевидно, о для тем, работающих з отключений (ме отказов), отка до аза совпадает временем азной работы.

вным показателем я количественной нки безотказности ента, аппаратуры, оров и У является ность безотказной оты P(t) в нном интервале ени наработки t. имер, Р (1000) =0,99 чает, что з множества нтов данного да 1% откажет ьше 1000 ч, и что я одного ента его сы проработать казно 1000 ч вляют 99%. Чем ьше наработка, м больше P(t). атель P(t) полностью еляет безотказность вливаемых элементов, о применим же и восстанавливаемым нтам до ого отказа. ность безотказной оты статистически ляется отношением ла элементов n_i, казно проработавших о момента ени t, к лу элементов N особных в ьный момент ени t = 0
P_i*=n_i / N. (5)
При ельном увеличении ла элементов N ическая вероятность P_i* ится к ности
Р (t)=P{T.>t} (6)
е T— наработка о отказа.

к как вная работа отказ — тия противоположные, о они аны очевидным шением:
Q(t)=l - P(t) (7)
где Q(t) —ность отказа, и интегральный он распределения йной величины — ени работы о отказа.

ическое значение ности отказа но отношению ла отказавших нтов к ьному числу ваемых элементов:
Q_i*=1-n_i/N= (N-n_i)/N (8)
одная от ности отказа f(t)=dQ(t)/dt=—dP(t)/dt ть дифференциальный он, или ость распределения йной величины — ени исправной оты устройства о первого аза и ризует скорость ения вероятности азной работы о времени.

нее время азной работы _ср авляет собой ическое ожидание ени работы йства до аза
(9)
Статистическая ула для ета Тр:
(10)
где T_i — мя безотказной оты I-го йства; N – общее ло элементов.

вностью отказов (t) вают отношение ости распределения ени исправной оты к ности безотказной оты невосстанавливаемого йства, которая та для ого и го же нта времени t. .
(t)=f(t)/P(t)=-dP/d(t!/P(t). (11)
ическая формула:
(t)*=2(N₁-N₂)/t(N₁+N₂) (12)
е N₁— начальное ество исправных нтов; N₂ — количество вных устройств ез время t.

вность отказов ется наиболее ной характеристикой зности систем элементов. к показывает ыт обработки ических данных о эксплуатации чного оборудования, вность отказов ических систем, также ьных элементов е может ть аппроксимирована ческой зависимостью, твующей только ому теоретическому ону безотказности.

отка большого ества информации б отказах ических систем лила получить ую качественную му зависимости вности отказов т времени (с. 1).

На вой, приведенной а рис.1 но выделить и характерные сти:

1) начальных зов П (сть приработки); 2) йных отказов (область ости); 3) отказов ствие старения (область сти).

В сти П вность отказов ала возрастает, гает максимального ения и ем уменьшается.


с.1. Зависимость вности отказов т времени
няя граница сти определяется одом интенсивности зов зону янных значений. ьные отказы ут быть влены дефектами иалов, а же главным зом производственными тами и орыми другими рами. Причины ьных отказов но устранить ной эксплуатацией емы, тренировкой специальных виях и мах работы течение ода времени, емого периодом ботки. Продолжительность ода приработки, к показывает ыт, зависит т числа ктов в еме.

В сти случайных зов интенсивность зов остается иной постоянной определяется остью системы, твом применяемых нтов и мам их оты, условиями атации и орыми другими рами. Интервал ени, в ние которого вность отказов янна, представляет вной рабочий иод систем. некоторых аях он дает с льным значением твенного ресурса емы. Начало та интенсивности зов определяет нюю границу сти случайных зов и нюю границу зов из-а изношенности. некоторым ском возникновение их отказов ет служить рием долговечности. ует иметь виду, о для орых систем чность может ть меньше, м среднее мя безотказной оты системы, танное как чина, обратная вности отказов. о обстоятельство ует учитывать и назначении ийного срока оты системы.

области интенсивность зов сильно стает вследствие оса отдельных нтов. В ливаемых системах области интенсивность зов имеет ельный характер, чем амплитуда частота аний зависят т долговечности ьных элементов организации тических мероприятий и эксплуатации емы.

В етах надежности одимо учитывать оны распределения йной величины – ени работы емы до овения отказа. я дискретных йных величин яются биномиальный он распределения закон сона. Для ывных случайных чин применяются циальный закон, ма-распределение, он Вейбулла, льный закон.

имер, закон сона определяет еление числа m йного события а время t. зуется для ления вероятности го, что сложном йстве за мя t произойдет отказов.

циальный закон яется для иза сложных лий, прошедших иод приработки, также я систем, ающих в лых условиях д воздействием ческих и ческих нагрузок. вые элементы ктроники аппаратуры яется экспоненциальному ону распределения ени отказов области пных отказов -кривой (с. 2). Вероятностные ристики отказов ляются формулами:
(13)
я экспоненциального она Тр=0=1/ и оряются начальные вия Р(0)=1; Q(0)=0, . е. ет времени t ается с нта выяснения ности изделия.

ики изменения телей надежности и экспоненциальном пределении авлены на с. 2.
А) )

Рис. 2. атели надежности и экспоненциальном () и льном (Б) оне распределения ени безотказной оты.
Основным ерным свойством иального распределения ется то, о вероятность азной работы емы на ом интервале ени не сит от ны этого вала и е зависит т времени, твующей работы емы, т.. от е «возраста».

к как я экспоненциального еления характерно нство интенсивности зов во ени, то сть применения го закона – емы и енты, где но не вать ни иод приработки, участок ения и оса (например, гие средства тельной техники регулирования).