Основы надежности Основы надежности и диагностики и диагностики
 Скачать 2.54 Mb.
|
|
Основы надежности Основы надежности и диагностики и диагностики технических систем технических систем М.Х. Хуснияров, М.Ф. Сунагатов, Д.С. Матвеев технических систем технических систем Уфа 2011 Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» М.Х. Хуснияров, М.Ф. Сунагатов, Д.С. Матвеев ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ И ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Учебное пособие Уфа 2011 УДК 66.011-192(07) ББК 34.41я7 Х98 Утверждено Редакционно-издательским советом УГНТУ в качестве учебного пособия Рецензенты: Директор ГУП «Институт нефтехимпереработки» РБ, д-р техн. наук, профессор Эльшад Гумерович Теляшев Заведующий отделом ГУП ИПТЕР, д-р техн. наук, профессор Кабир Мухаметович Гумеров Хуснияров М.Х., Сунагатов М.Ф., Матвеев Д.С. Х98 Основы надежности и диагностики технических систем: учеб. пособие. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. – 128 с. ISBN 978-5-7831-0975-1 Пособие разработано с целью ознакомления студентов с основными понятиями, методами, применяемыми при расчете надежности, основными показателями надежности технических систем. Приведены методы повышения надежности систем автоматизации, управления и программно-технических средств. Рассмотрены методы диагностирования неполадок, методы построения алгоритмов поиска возникшего дефекта, условия и степень работоспособности систем управления и программно-технических средств. УДК 66.011-192(07) ББК 34.41я7 ISBN 978-5-7831-0975-1 © Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2011 © Хуснияров М.Х., Сунагатов М.Ф., Матвеев Д.С., 2011 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Стр. 1 Основные понятия и определения надежности. Стандарты и НТД в области обеспечения надежности и безопасности 7 1.1 Общая характеристика теории надежности 9 1.2 История развития теории надежности 10 1.3 Стандарты и нормативная документация в области обеспечения надежности и безопасности автоматизированных технологических комплексов 12 1.4 Основные понятия и термины, применяемые при расчете надежности 12 1.5 Основные показатели надежности 14 2 Основные показатели надежности технических систем. Качественные показатели надежности технических и программных средств автоматизации 17 2.1 Основные показатели надежности невосстанавливаемых (неремонтируемых) систем 18 2.2 Основные показатели надежности восстанавливаемых (ремонтируемых) систем 21 2.3 Определение показателей долговечности 23 2.4 Определение значений показателей ремонтопригодности 23 3 Классификация отказов. Схема формирования отказов в системах автоматизации, управления и программно- технических средств 25 3.1 Классификация отказов 25 3.2 Характеристика потоков отказов и восстановлений 27 3.3 Основные виды законов распределения случайных величин, используемых в теории надежности 28 3.3.1 Закон распределения дискретных величин 29 3.3.2 Законы распределения непрерывных величин 30 4 Методы расчета показателей надежности восстанавливаемых и невосстанавливаемых систем. Надежность и эффективность систем автоматизации 39 4.1 Факторы, влияющие на надежность объектов 39 4.2 Классификация методов расчета систем на надежность 43 4.3 Расчет надежности невосстанавливаемых систем 45 4.3.1 Расчет надежности при основном соединении элементов в системе 45 4 4.3.2 Методы расчета надежности резервированных систем 52 4.4 Расчет показателей надежности восстанавливаемых систем 60 4.4.1 Расчет показателей надежности восстанавливаемых систем при экспоненциальных законах распределения отказов и восстановлений 65 4.4.2 Расчет надежности восстанавливаемых систем с использованием метода перехода вероятностей 71 5 Система обеспечения надежности. Методы повышения надежности и эффективности систем автоматизации, управления и программно-технических средств 74 5.1 Обеспечение надежности АСУ ТП при разработке 74 5.1.1 Определение требуемого уровня надежности 74 5.1.2 Определение надежности АСУ ТП при проектировании 77 5.2 Обеспечение надежности АСУ ТП при эксплуатации 79 5.2.1 Основные задачи эксплуатации 79 5.2.2 Определение численности эксплуатационного персонала 81 5.2.3 Обеспечение запасными частями 82 5.2.4 Техническое обслуживание 88 5.3 Методы повышения надежности систем автоматизации, управления и программно-технических средств 90 5.3.1 Классификация методов повышения надежности 91 5.3.2 Резервирование как метод повышения надежности 94 5.3.3 Способы уменьшения интенсивности отказов для повышения надежности системы 97 5.3.4 Сокращение времени непрерывной работы и восстановления 99 5.3.5 Влияние периодичности и объема профилактических мероприятий на надежность систем 100 6 Диагностирование – средство повышения надежности на стадии эксплуатации 105 6.1 Основные понятия и определения 105 6.2 Характеристика методов диагностирования 108 6.3 Диагностирование в жизненном цикле системы диагностирования 112 7 Методы диагностирования систем автоматизации, управления и программно-технических средств 115 7.1 Определение условий работоспособности 115 7.2 Степень работоспособности 117 7.3 Методы определения работоспособности непрерывных объектов 118 7.4 Методы определения работоспособности дискретных объектов 120 7.5 Поиск возникшего дефекта 122 5 7.6 Методы построения алгоритмов поиска возникшего дефекта 124 7.6.1 Алгоритм поиска дефекта по показателю безотказности структурной единицы 124 7.6.2 Информационный алгоритм поиска дефекта 125 7.6.3 Процедура поиска дефектов в дискретных объектах 126 Список использованных источников 128 6 Введение Автоматизированные системы управления производственных объектов предприятий нефтяной, газовой, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности представляют собой совокупность технических средств, алгоритмов управления, методов и средств информационного и программного обеспечения. Одной из основных задач при проектировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации автоматизированных систем управления является обеспечение надежности. Как и многие другие технические системы, современные системы управления представляют собой сложные комплексы измерительной, вычислительной техники, средств связи, автоматики, регистрации и архивирования информации, исполнительных механизмов и т.д. Для обеспечения эффективного функционирования производственного объекта системы управления должны обеспечивать контроль над функционированием основных элементов и управление объектом. От того, насколько системе управления удалось исключить отказы или уменьшить их количество и вероятность появления, устранить или уменьшить их влияние на производственный объект, зависит не только качество функционирования производственного объекта, но и безопасность как самого предприятия, так и близлежащих производственных и гражданских объектов, окружающей среды. Современные системы автоматизированного управления должны принимать участие в предупреждении и устранении аварийных ситуаций, при этом должны быть устойчивы к внутренним и внешним возмущениям и не провоцировать возникновение чрезвычайных ситуаций на производственном объекте. Поэтому обеспечение надежности систем управления является одной из приоритетных задач для любого производственного предприятия. 7 1 Основные понятия и определения надежности. Стандарты и НТД в области обеспечения надежности и безопасности Современные технологические объекты добычи, транспорта и переработки нефти и газа представляют собой сложные технологические комплексы, состоящие из различных видов оборудования, к которым относятся как основное технологическое оборудование (насосы, трубопроводы, емкости, теплообменники, нагревательные печи и т.д.), так и большое количество вспомогательного оборудования (системы энергообеспечения, системы КИП и А и т.д.) [1]. Каждая единица технологического оборудования, в свою очередь, состоит из составляющих элементов, отказ которых может привести к отказу элемента технологической системы, что в большинстве своем ведет к отказу всей системы. Надежность технологической системы во многом определяется научно-техническим уровнем и технической грамотностью решений, заложенных в проект. Кроме этого, надежность системы в процессе эксплуатации определяется культурой эксплуатации системы, коррозионностью технологической среды, условиями эксплуатации и т.д. Представленная на рисунке 1.1 принципиальная схема установки комплексной подготовки нефти отражает основные технологические процессы, которые происходят на установке, и оборудование, в котором оно реализуется. Процесс подготовки нефти многостадийный: на первой стадии происходит предварительный нагрев (поз.2), на следующих – обезвоживание (поз.3 и 4), дегазация нефти (поз.6), осушка газа (поз.7 и 8) и т.д. Принципиальная схема установки включает только основное оборудование и не отражает всей сложности технических систем, которые необходимы для функционирования данной установки. В то же время данная схема показывает, насколько сложен процесс, и то, что отказ любого элемента данной системы может привести к отказу всей системы. 1, 9, 11, 12 – насосы; 2, 5 – теплообменники; 3 – отстойник; 4 – электродегидратор; 6 – стабилизационная колонна; 7 – конденсатор-холодильник; 8 – емкость орошения; 10 – печь I – холодная «сырая» нефть; II - подогретая «сырая» нефть; III – дренажная вода; IV – частично обезвоженная нефть; V – пресная вода; VI – обезвоженная и обессоленная нефть; VII – пары легких углеводородов; VIII – несконденсировавшиеся пары; IX – широкая фракция (несконденсировавшиеся пары); X – стабильная нефть Рисунок 1.1 – Принципиальная схема установки комплексной подготовки нефти 8 На первый взгляд, системы транспорта нефти по магистральным трубопроводам относительно просты (рисунки 1.2 и 1.3). Процессы в них заключаются в поддержании требуемого давления перекачиваемой среды насосными станциями (поз.2 и 3) в магистральном трубопроводе (поз.5) и подачи нефти на конечный пункт (поз.4). Обеспечение нормального функционирования системы осложняется тем, что протяженность магистральных трубопроводов между насосными станциями достигает нескольких сотен километров и пересекает большое количество естественных и искусственных преград (поз.7,8,9 и 10). 1 – подводящий трубопровод; 2 – головная нефтеперекачивающая станция; 3 – промежуточная нефтеперекачивающая станция; 4 – конечный пункт; 5 – линейная часть; 6 – линейная задвижка; 7 – дюкер; 8 – надземный переход; 9 – переход под автодорогой; 10 – переход под железной дорогой; 11 – станция катодной защиты; 12 – дренажная установка; 13 – доля обходчика; 14 – линия связи; 15 – вертолетная площадка; 16 – вдольтрассовая дорога Рисунок 1.2 – Состав сооружения магистрального нефтепровода В соответствии с существующим законодательством предприятия нефтяной, газовой, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности относятся к опасным производственным объектам. Это связано с тем, что технологические среды, обращаемые в оборудовании предприятий этих отраслей, относятся к потенциально опасным веществам. Обеспечение надежности и безопасности этих предприятий и производств – одно из приоритетных направлений обеспечения безаварийной и эффективной работы предприятий данной отрасли. Проблема безаварийности связана с решением задач обеспечения требуемого уровня надежности сложных технологических систем при их проектировании, разработки автоматизированных систем диагностики нарушений и прогнозирования состояний функционирования оборудования, создания отказоустойчивых систем защиты от аварий. Современные технические системы отличаются большой разветвленностью технологических подсистем, большим числом и разнотипностью оборудования, сложностью алгоритмов управления. 9 1 – подпорная насосная; 2 – площадка фильтров и счетчиков; 3 – основная насосная; 4 – площадка регуляторов; 5 – площадка пуска скребков; 6 – резервуарный парк Рисунок 1.3 – Технологическая схема головной перекачивающей станции 1.1 Общая характеристика теории надежности Теория надежности как научная дисциплина изучает закономерности возникновения и устранения отказов объектов. В [2] теория надежности определяется так: «… научная дисциплина, в которой разрабатываются и изучаются методы обеспечения эффективности работы объектов в процессе эксплуатации». Теория надежности изучает: - критерии и характеристики надежности; - методы анализа надежности; - методы синтеза сложных систем по критериям надежности; - методы повышения надежности; - методы испытаний объектов на надежность; - методы эксплуатации объектов с учетом их надежности. Теория надежности является прикладной технической наукой. Она изучает общие закономерности, которых следует придерживаться при проектировании, изготовлении, испытаниях и эксплуатации объектов для 10 получения максимальной эффективности и безопасности их использования. В теории надежности исследуются закономерности возникновения отказов объектов, восстановления их работоспособности; рассматривается влияние внешних и внутренних воздействий на процессы, происходящие в объектах; разрабатываются методы расчета систем на надежность, прогнозирования отказов; изыскиваются способы повышения надежности при проектировании и эксплуатации объектов, а также способы сохранения надежности при эксплуатации; определяются методы сбора, учета и анализа статистических данных, характеризующих надежность. В теории надежности вводятся показатели надежности объектов, устанавливается связь между ними и экономической эффективностью и безопасностью, обосновываются требования к надежности с учетом различных факторов, разрабатываются рекомендации по обеспечению заданных требований на этапах проектирования, изготовления, испытаний, хранения и эксплуатации, решаются эксплуатационные задачи надежности: обоснование сроков и объема профилактических мероприятий и ремонтов, обеспечение запасными элементами, узлами, инструментом и материалами, диагностический контроль и отыскание неисправностей и т.д. Возникновение, формирование и развитие научных основ теории надежности химических производств обусловлено возрастающими требованиями к безопасности и высокой экономической эффективности производств. Современная теория надежности предприятий отрасли теснейшим образом связана с развитием общей теории надежности, которая развивается в следующих основных направлениях: – разработка математических основ теории надежности, – разработка методов статистической обработки информации об отказах, – разработка физических основ природы разрушений и старения материалов [3]. 1.2 История развития теории надежности В большинстве учебников, учебных пособий и монографий считается, что теория надежности — это сравнительно молодая наука, возникшая из потребностей практики в связи с бурным научно-техническим прогрессом и, в первую очередь, из-за появления сложных систем управления с большим числом элементов электроники и автоматики. Однако это исторически не совсем точно. В Советском Союзе основы науки о надежности зародились гораздо раньше, чем в других странах, и задолго до того, как проблему надежности начали решать в радиоэлектронике и во всем мире стали признавать важнейшей для технического прогресса. Первые работы в области надежности относятся к теории надежности механических систем и принадлежат Н.Ф.Хоциалову (СССР) и Г. Майеру (Германия). Эти работы появились в 1929—1931 гг. и были посвящены применению теоретико-вероятностных методов к расчету прочности объектов. В 30—40 гг. Н.С. Стрелецким и А.Р. Ржаницыным разработаны статистические 11 методы строительной механики. Было показано, что вследствие вероятностного характера свойств материалов и внешних нагрузок расчеты элементов конструкций на прочность имеют статистический характер [7]. В развитии современной теории надежности можно выделить три периода. Первый период — период становления (конец 40-х — начало 60-х годов) — характеризуется оценкой надежности по числу зафиксированных отказов. Расчет надежности производился по интенсивностям отказов, входящих в систему элементов, полученных по статистике отказов. Такой подход развивался в связи с решением проблемы надежности в радиоэлектронике и автоматике. В этом направлении первые работы по вопросам надежности в нашей стране были выполнены A.M. Бергом, Н.Г. Бруевичем, В.И. Сифоровым, A.M. Половко, Г.В. Дружининым, Н.А. Шишонком и др. С начала 60-х годов интенсивно развивались математические вопросы теории надежности (Б.В. Гнеденко, Ю.К. Беляев, А.Д. Соловьев). За рубежом в развитие методов теории надежности большой вклад внесли Дж. Нейман, К. Шеннон, А. Пирс. Во втором периоде — периоде бурного развития теории надежности (60-е годы) — при оценке надежности объектов стали учитывать влияние функциональных связей между элементами системы, влияние режимов работы (внутренних факторов) и факторов окружающей среды — температуры, влажности, давления, вибраций, излучений и т.п. (внешних факторов). В этот период расчеты и оптимизация надежности объектов получили распространение во всех отраслях техники (Я.К. Барлоу, С. Прошан, В.В. Болотин и др.). Многие вопросы надежности были стандартизованы. Большое внимание было уделено физике отказов (Б.С. Сотсков). Со второй половины 70-х годов наблюдается рост числа исследований, связанных с решением задач прогнозирования надежности объектов и оценки надежности сложных систем. Этот третий период разработки теории надежности характерен дальнейшим углубленным изучением физико- химических и статистических закономерностей появления отказов как в простых, так и в сложных системах. К настоящему времени в ряде городов нашей страны (Москве, Санкт- Петербурге, Нижнем Новгороде, Перми, Обнинске, Сургуте и др.) сформировались научные школы, разрабатывающие различные направления в теории и практике надежности. При этом большое внимание уделяется решению проблемы надежности в приборостроении, машиностроении, энергетике и других отраслях техники. Математическим аппаратом теории надежности являются теория ве- роятности, математическая статистика, теория случайных процессов, теория массового обслуживания, теория информации, математическая логика, теория планирования эксперимента и другие математические дисциплины [4]. 12 |