Основы надежности Основы надежности и диагностики и диагностики
 Скачать 2.54 Mb.
|
|
1.3 Стандарты и НТД в области обеспечения надежности и безопасности автоматизированных технологических комплексов В настоящее время обеспечению надежности машин, аппаратов, технологических объектов, систем АСУТП уделяется очень серьезное внимание. Это объясняется тем, что отказ современных технических систем независимо от их сложности и характера использования может привести к очень серьезным финансовым потерям, экологическому ущербу и даже человеческим жертвам. В России существует система стандартов, в которых определены основные термины и определения теории надежности, методы обеспечения надежности, методы сбора и обработки исходных данных для определения основных показателей надежности. К основным относятся следующие стандарты: ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. – М.: Изд-во стандартов, 1989.-36 с. ГОСТ 27.003-90. Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности. – М.: Изд-во стандартов, 1992.-19 с. ГОСТ 23146-78. Система технического обслуживания и ремонта техники. Выбор и задание показателей ремонтопригодности. Общие требования. – М.: Изд-во стандартов, 1978.-10с. ГОСТ 17572-72. Надежность в технике. Испытания с ограниченным числом отказов. – М.: Изд-во стандартов, 1974.-15с. ГОСТ 27.504-84. Надежность в технике. Методы оценки показателей надежности по цензурированным выборкам. – М.: Изд-во стандартов, 1984.-41с. ГОСТ 27.410-87. Надежность в технике. Методы контроля показателей надежности и планы контрольных испытаний на надежность. – М.: Изд-во стандартов, 1988.-109 с. 1.4 Основные понятия и термины, применяемые при расчете надежности К основным понятиям и терминам при расчете и анализе надежности машин и агрегатов относят термины, содержащиеся в ГОСТ 21623-76, ГОСТ 18322-78, ГОСТ 16504-81 и ГОСТ 27.002-89. Изделие – это единица продукции, выпускаемая данным предприятием, цехом и т.д., например резистор, тиристор, фланец, подшипник, колонна. Элемент – простейшая при данном рассмотрении составная часть объекта. Элемент в узком смысле — это резистор, интегральная микросхема, реле, тумблер и т. д. Элементом в широком смысле, или структурным элементом, называют любой объект, внутренняя структура которого на данном этапе анализа надежности не учитывается. В расчетах надежности такой элемент рассматривается как единое и неделимое целое. В технической кибернетике есть термин, близкий по смыслу к термину «структурный элемент», а именно — «черный ящик». При построении моделей структурный 13 элемент иногда называют еще элементом расчета надежности [4]. Под системой понимают совокупность взаимодействующих элементов с определенными связями между ними, предназначенных для выполнения общей задачи. Система в узком смысле — это компьютер, вычислительная сеть, автопилот, электростанция и пр. В зависимости от конструктивного исполнения и функционального назначения системы могут подразделяться на модули, блоки, приборы, агрегаты, устройства. Системой в широком смысле называют совокупность элементов, соединенных между собой тем или иным способом. В зависимости от этапа анализа надежности и степени его детальности один и тот же объект может рассматриваться и как элемент, и как система. Употребление термина «элемент» (в широком смысле) по отношению к техническому изделию вовсе не означает, что оно простое и содержит небольшое количество элементов в узком смысле. Элементом в широком смысле может быть не только резистор, диод, микросхема, но и логическая плата, системный блок компьютера, компьютер в целом, вычислительный комплекс. С другой стороны, система не обязательно должна содержать большое количество аппаратуры. Она может состоять из нескольких или даже одного элемента. Так, резистор может рассматриваться как система, состоящая из подложки, изолирующего слоя, напыления, выводов и пр. По степени сложности системы можно подразделять на простые и сложные. Отличительные особенности сложной системы таковы: любое количество элементов, сложный характер связей между ними, многообразие выполняемых функций, наличие элементов самоорганизации, сложность поведения при изменяющихся внешних воздействиях, обусловленная наличием обратных связей, участием оперативного персонала в функционировании системы. В зависимости от факторов, учитываемых при классификации, различают структурно сложные, функционально сложные, организационно сложные и другие разновидности сложных систем. Автоматизированные системы обработки информации и управления относятся (АСОИУ), как правило, к сложным системам, хотя многие их подсистемы являются простыми системами. АСОИУ являются многофункциональными системами, могут функционировать с пониженным качеством, имеют несколько уровней работоспособности, сложную структуру, элементы адаптивности и самоорганизации. Технический объект (объект) – предмет, подлежащий расчету, анализу, испытанию и исследованию в процессе его проектирования, изготовления, применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования в целях обеспечения эффективности его функционального назначения. Одно из основных требований теории надежности — это необходимость установить принадлежность всех возможных состояний объекта к одному из двух противоположных классов: работоспособные и неработоспособные. Исправное состояние (исправность) – состояние объекта, при котором он удовлетворяет всем требованиям нормативно-технической документации (НТД). 14 Работоспособным называется состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации. Неработоспособным будет такое состояние, при котором значение хотя бы одного из параметров не соответствует требованиям документации. У боль- шинства технических объектов не существует четкой границы между этими классами состояний. Однако в теории надежности промежуточные состояния не рассматриваются. Чтобы оценить надежность, надо сделать эту границу четкой в рамках рассматриваемой модели надежности. Это весьма непростая задача, и решается она путем обсуждения с участием компетентных лиц со стороны разработчика и заказчика (пользователя) объекта. Однако далеко не всегда задача разбиения всех состояний по принципу «всё или ничего» может быть успешно решена. Тогда вводятся несколько уровней работоспособности и понятия полной и частичной работоспособности. Для многофункциональных систем возможна ситуация, когда при выполнении каждой функции удается разделить все состояния на работоспособные и неработоспособные, но возможны состояния, при которых одни функции выполняются, а другие — нет. Тогда уровни работоспособности выделяют по способности выполнять все функции, группу функций, определенные функции. Для оценки надежности таких объектов могут применяться векторные показатели. Если же это неудобно, применяют свертку векторного показателя в скалярный, трактующийся как показатель эффективности. С переходом из работоспособного состояния в неработоспособное и обратно связаны особые события в процессе функционирования объекта, называемые соответственно отказом и восстановлением. Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. Всякий отказ связан с нарушениями требований документации. Но не всякое нарушение требований приводит к отказу. Оно приводит к событию, называемому неисправностью, к возникновению неисправного состояния. Поэтому можно различать неисправности, не приводящие к отказам, и неисправности или их сочетания, вызывающие отказ. Восстановление — это событие, заключающееся в переходе объекта из неработоспособного состояния в работоспособное в результате устранения отказа путем перестройки (реконфигурации) структуры, ремонта или замены отказавших частей. Этим же термином обозначают и процесс перевода объекта из неработоспособного состояния в работоспособное. Показатель надежности – величина, характеризующая одно из свойств (единичный показатель) или несколько свойств надежности (комплексный показатель). Наработка – продолжительность или объем работы объекта. 1.5 Основные показатели надежности Согласно классической теории надежности и государственных стандартов под надежностью понимается свойство объекта выполнять и 15 сохранять во времени заданные ему функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования [5, 6]. Являясь комплексным свойством, надежность объекта (в зависимости от его назначения и условий эксплуатации) оценивается через показатели частных свойств (безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости) в отдельности или в определенном сочетании. Безотказность (надежность в узком смысле слова) – свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого периода времени или некоторой наработки. Наработка может измеряться в единицах времени или объема выполненной работы (длины, площади, массы, числа срабатываний и пр.) [5, 6], например: для автомобилей наработка может измеряться километражем пробега, для реле — количеством переключений на некотором временном интервале. Если наработка измеряется в единицах времени, то в случае непрерывного применения объекта она может совпадать с календарным временем. Наработку, в течение которой объект, снимаемый с эксплуатации после первого же отказа, сохраняет работоспособность, называют наработкой до первого отказа. Если наработка совпадает с календарным временем, она называется временем до первого отказа, или временем безотказной работы. Для других объектов наряду с наработкой до первого отказа может рассматриваться наработка между соседними отказами. Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния, т.е. в течение всего периода эксплуатации при установленной системе технического обслуживания. Предельное состояние — это такое состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Предельное состояние возникает вследствие старения, износа или существенного снижения эффективности применения объекта. В технической документации обычно указывают, какое состояние объекта следует считать предельным [6]. Ремонтопригодность – приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем технического обслуживания и ремонтов. Ремонтопригодное изделие должно иметь соответ- ствующую конструкцию, быть приспособленным к контролю работоспособности по всем основным параметрам, демонтажу отказавшего и монтажу работоспособного оборудования [5]. Близким к ремонтопригодности понятием является восстанавливаемость. Восстанавливаемость зависит не только от приспособленности аппаратуры к предупреждению, обнаружению и устранению отказов, но и от подготовленности обслуживающего персонала, от организационно-технических мероприятий по обслуживанию и снабжению изделия необходимыми запасными частями, от внешних условий функционирования. Ремонтопригодное изделие становится восстанавливаемым, если при его применении допускаются вынужденные перерывы в работе всего изделия или его составных частей, имеются необходимая контрольно-измерительная 16 аппаратура, запасные части и обслуживающий персонал соответствующей квалификации. Из сказанного следует, что не каждое ремонтопригодное изделие является восстанавливаемым. Более того, одно и то же изделие в различных ситуациях может быть либо восстанавливаемым, либо невосстанавливаемым. С другой стороны, не каждое восстанавливаемое изделие ремонтопригодно. Примером может служить изделие, в котором отказ возникает вследствие резкого ухудшения условий функционирования. Его работоспособность восстанавливается без вмешательства персонала сразу же после возвращения к нормальным условиям функционирования. Работоспособность может восстанавливаться и путем реконфигурации технических и программных средств без проведения ремонта или замены отказавшего модуля. Время, затрачиваемое на восстановление работоспособности объекта, называют временем восстановления. Оно состоит из времени обнаружения отказа, времени его локализации, времени устранения отказа путем ремонта или замены неисправной части на запасную, времени наладки и предпусковой проверки работоспособности. Время устранения отказа, кроме времени собственно ремонта или замены, включает в себя время доставки отказавшего модуля или прибора с места эксплуатации до ремонтной базы и обратно и время ожидания (в случае ремонта) либо время доставки запасной части со склада к месту эксплуатации (в случае замены). Совокупность ремонтного персонала, контрольно-измерительной аппаратуры, средств технической диагностики и наладки, запасного имущества и принадлежностей (ЗИП), испытательного и вспомогательного оборудования, необходимых для восстановления работоспособности, называют ремонтным органом. Часть ремонтного органа, необходимая для восстановления работоспособности одного модуля или блока, называют ремонтной бригадой, или восстанавливающим (обслуживающим) прибором. Последний термин заимствован из теории массового обслуживания, используемой для решения задач оценки надежности. Таким образом, для характеристики ремонтного органа необходимо знать не только производительность бригад, но и их количество. Сохраняемость – свойство изделия сохранять обусловленные качества в течение и после срока хранения и транспортировки, установленного технической документацией. Сохраняемость характеризует поведение объекта в условиях, весьма существенно отличающихся от условий эксплуатации. Прежде всего, во время хранения и транспортирования объект находится в выключенном состоянии. Кроме того, есть различия в температуре окружающей среды, влажности, других климатических условиях, механических нагрузках. 17 2 Основные показатели надежности технических систем . Качественные показатели надежности технических и программных средств автоматизации Современные технические системы включают в себя большое количество элементов. В зависимости от сложности элементов и приспособленности к восстановлению эти элементы относятся к восстанавливаемым и невосстанавливаемым. Восстанавливаемость является очень важным свойством элемента системы и, как правило, восстанавливаемые элементы имеют более высокие показатели надежности по сравнению с невосстанавливаемыми. В случае когда восстанавливаемые элементы имеют более низкие показатели надежности, надежность всей системы можно обеспечить за счет своевременного предупреждения, обнаружения и устранение отказа, что возможно при организации эффективной системы технического обслуживания и ремонта оборудования. В связи с этим при оценке надежности технической системы необходимо классифицировать все элементы на восстанавливаемые и невосстанавливаемые. Как было отмечено ранее, надежность элемента и всей технологической системы представляет собой комплексное понятие и характеризуется отдельными показателями надежности. Основные показатели приведены в таблице 2.1. Таблица 2.1 – Основные показатели надежности Свойства Показатель Обозначения Безотказность Вероятность безотказной работы P(t) Интенсивность отказов λ (t) Плотность вероятности отказа f(t) Среднее время безотказной работы (час) T cp Параметр потока отказов ω (t) Наработка на отказ (шт) T но Среднее время межремонтного периода (час) Т мр Долговечность Назначенный предельный ресурс Т н Эксплуатационный ресурс Т э Срок службы Т с Ремонтопригодность Вероятность восстановления Р в Средняя продолжительность внепланового ремонта Т вп Средняя продолжительность планового ремонта Т ппр 18 2.1 Основные показатели надежности невосстанавливаемых (неремонтируемых) систем Для невосстанавливаемых систем чаще всего используются четыре показателя надежности: вероятность безотказной работы P(t), плотность вероятности отказов (частота отказов) f(t), интенсивность отказов λ(t), среднее время безотказной работы (средняя наработка на отказ) T 0 [3, 9]. Вероятность безотказной работы P(t) есть вероятность того, что время работы системы до отказа окажется больше заданного времени t. ( ) ( ) 1 ( ) P t P T t Q t ∞ = > = − , (2.1) ( ) ( ) t T P t f t dt ∞ − = ∫ , (2.2) где Т – случайное время работы системы до отказа или наработка на отказ ; ( ) ( ) Q t P T t = < – интегральная функция распределения случайной величины Т (T < t). Иногда пользуются понятием вероятности отказов Q(t): ( ) 1 ( ) ( ) Q t P t F t = − = . (2.3) Если P(t) характеризует надежность системы, то Q(t) характеризует ненадежность системы. Плотность вероятности (частота) отказов, является дифференциальной функцией распределения. dt ) t ( dP dt ) t ( dQ ) t ( f − = = . (2.4) Интенсивность отказа λ(t) – это отношение плотности вероятности отказов к вероятности безотказной работы: dt ) t ( P ) t ( dP ) t ( P ) t ( f ) t ( − = = λ , (2.5) откуда . dt ) t ( ) t ( P ) t ( dP λ − = ( ) ( ) , t dt P t e λ − ∫ = если λ = const, . e ) t ( P t λ − = (2.6) Среднее время безотказной работы системы – это математическое ожидание времени работы системы до отказа: 0 0 ( ) ( ). ср T M tf t dt tdP t ∞ ∞ = = = − ∫ ∫ (2.7) 19 Пределы несобственного интеграла изменяются от 0 до ∞, так как время не может быть отрицательным. Интегрируя по частям, получим 0 0 0 ( ) ( ) ( ) . ср T t P t P t dt P t dt ∞ ∞ ∞ = − ⋅ + = ∫ ∫ (2.8) 0 0 = ∞ ) t ( tP , так как при верхнем пределе P(t) быстрее стремится к нулю , чем t стремится к бесконечности На рисунке 2.1 изображена зависимость вероятности безотказной работы от времени В начальный момент вероятность Р равна единице В конце времени работы системы Т вероятность равна нулю Рисунок 2.1 - Зависимость вероятности безотказной работы , вероятности отказов , частоты отказов и интенсивности отказов от времени Показатели надежности функционально связаны между собой : зная одну из функций P(t) , Q(t) , f(t) , λ(t) , можно определить три остальные Статистические показатели надежности невосстанавливаемых систем , получаемые из экспериментальных данных , можно определить по следующим формулам : – Статистическая вероятность безотказной работы N n N P i i − = , (2.9) где N – число объектов в начале испытаний ; n i – число объектов , отказавших за время t i Под частотой отказов элементов понимают число отказов в единицу времени , отнесенное к первоначальному количеству поставленных на испытания элементов – Статистическая частота отказов i i i t N n f ∆ = , (2.10) 20 где n i – число отказов в интервале времени ∆t i ; N – число испытуемых элементов; ∆t i – время испытаний. При этом отказавшие в процессе испытаний элементы не заменяются новыми, и число работающих элементов постепенно уменьшается. В отличие от частоты отказов, интенсивность отказов характеризует надежность объекта в данный момент времени, т. е. его локальную надежность. Под интенсивностью отказов понимают число отказов в единицу времени, отнесенное к среднему числу элементов, безотказно работающих в данный промежуток времени. При этом отказавшие элементы не заменяются. – Интенсивность отказов i cp i t N n ∆ = λ , (2.11) где n i – число отказов за время ∆t i ; 2 1 + + = i i cp N N N – среднее число работоспособных элементов ; N i – число элементов , работоспособных в начале рассматриваемого промежутка времени ; N i+1 – число элементов , работоспособных в конце промежутка времени ∆ t i Интенсивность отказов в течение длительной эксплуатации не остается постоянной В начальный период времени λ имеет большее значение вследствие скрытых дефектов , не обнаруженных из - за несовершенства производственного контроля и возможных нарушений правил эксплуатации при первоначальной наладке объекта Затем значение интенсивности отказов уменьшается и остается почти постоянным в течение длительного срока В конце срока службы λ возрастает из - за старения элементов устройства На рисунке 2.2 изображена зависимость интенсивности отказов от времени [7]. І – приработка , ІІ – нормальная эксплуатация , ІІІ – старение Рисунок 2.2 - Зависимость интенсивности отказов от времени Среднее время безотказной работы , или средняя наработка на отказ , определится по данным испытаний , как 21 N t T N i i ∑ = = 1 0 , (2.12) где t i – время исправной работы i-го элемента; N – общее число испытуемых элементов. При большом количестве элементов формула (2.12) становится слишком громоздкой. Используется другой способ вычисления среднего времени 0 1 , K i cpi i n t T N = = ∑ (2.13) где n i – количество отказавших элементов в интервале времени ∆t = t i+1 - t i ; t i – время в начале i-го интервала; t i+1 – время в конце i-го интервала; 2 1 + + = i i cpi t t t – среднее время в i-м интервале; t t K N ∆ = – число интервалов или разрядов; t N – время, в течение которого отказали все элементы. |