Основы надежности Основы надежности и диагностики и диагностики
 Скачать 2.54 Mb.
|
|
5.1.2 Определение надежности АСУ ТП при проектировании Стадия «Технический проект». На этой стадии разрабатывается функциональная структура АСУ ТП и анализируются различные варианты построения АСУ ТП, предполагаемый состав используемых технических средств, структура и содержание алгоритмов функционирования АСУ ТП, а также действий оперативного персонала. Одним из аспектов анализа является сопоставление вариантов АСУ ТП по критериям надежности, для чего проводится ориентировочная оценка надежности этих вариантов [7]. Определяются зависимости и пути повышения надежности по различным вариантам АСУ ТП. Основными путями повышения надежности являются: -замена технических средств, имеющих аналогичное назначение, но более надежными; -введение различных видов резервирования; -улучшение условий труда эксплуатации; 78 -рациональная организация эксплуатации, выполнение технического обслуживания необходимой периодичности и объема, поставка ЗИП требуемой номенклатуры и количества, наличие эксплуатационного и ремонтного персонала нужной квалификации; -использование методов и средств технической диагностики, предназначенной для определения технического состояния и поиска неисправностей; -совершенствование подготовки оперативного персонала АСУ ТП, организаций условий его работы; -изменение содержания и структуры реализуемых системой алгоритмов управления и используемого программного обеспечения. При сравнении вариантов АСУ ТП выбирают предпочтительный (по критерию надежности). Далее проводят проектную оценку надежности выбранного варианта. Для этого составляют специальный документ «Проектная оценка надежности АСУ ТП». При проектной оценке надежности АСУ ТП в зависимости от особенностей системы учитывают надежность: технических средств и действий оперативного персонала АСУ ТП, а также структуры и содержания алгоритмов и программ. Проектную оценку надежности АСУ ТП можно проводить аналитическими методами, методами вероятностного моделирования и комбинированными методами, представляющими собой сочетания вышеуказанных методов. В ходе разработки технического проекта выполняют и некоторые иные работы, направленные на обеспечение надежности. Например, помимо серийно выпускаемых технических средств, для некоторых конкретных систем должны специально разрабатываться новые средства. В заявках и технических заданиях на разработку этих средств должны быть указаны и требования к их надежности. При расчете ожидаемой технико-экономической эффективности АСУ ТП должно учитываться влияние надежности на показатели эффективности и др. Стадия «Рабочая документация». На этой стадии уточняют данные о надежности технических средств, используемых в окончательном варианте АСУ ТП. Такие данные выбирают по технической документации, например техническим условиям, или по результатам предшествующих экспериментальных исследований. С учетом этих данных уточняют оценку надежности. При составлении эксплуатационной документации выполняют уточненный расчет комплекта запасных частей, численности и состава персонала, обеспечивающего ремонт и эксплуатацию комплекса технических средств и программного обеспечения. Разрабатываются правила и инструкции для оперативного и эксплуатационного персонала АСУ ТП [7]. 79 5.2 Обеспечение надежности АСУ ТП при эксплуатации 5.2.1 Основные задачи эксплуатации Увеличение количества технических средств в АСУ ТП, широкое применение вычислительной техники с развитым программным обеспечением, расширение числа и ответственности функций, выполняемых АСУ ТП,— все это приводит к тому, что проведение технической эксплуатации этих систем становится сложной и многосторонней проблемой, требующей для своего решения усилий значительного числа людей [7]. Совокупность работ по эксплуатации действующих АСУ ТП включает в себя: контроль за состоянием комплекса технических средств; восстановление отказавших технических средств; техническое обслуживание в соответствии с правилами (регламентами) и требованиями; поверки средств измерений, сводящиеся к периодическому определению погрешностей этих средств и установлению их пригодности к применению; обеспечение запасными частями, материалами и приборами. Для выполнения этих работ (а также для участия в разработке и внедрении АСУ ТП на стадиях, предшествующих эксплуатации) на предприятии, эксплуатирующем эти системы, необходимо создать специализированное подразделение. Это подразделение в зависимости от специфики и структуры предприятия может быть реализовано в виде отдельного цеха, участка или лаборатории. В состав таких подразделений обычно входит эксплуатационный (дежурный) и ремонтный персонал. Разделение работ между эксплуатационным и ремонтным персоналом зависит от числа, состава и особенностей АСУ ТП. Как правило, эксплуатационный персонал осуществляет контроль за состоянием технических средств, участвует в техническом обслуживании и восстановлении путем замены отказавших технических средств на месте их установки. Остальные работы проводит ремонтный персонал; при этом к поверкам часто привлекают сотрудников метрологических органов Госстандарта, к капитальным ремонтам - представителей наладочных или ремонтных предприятий. В настоящее время при возникновении организаций, проводящих централизованное сервисное обслуживание средств вычислительной техники, ряд работ по техническому обслуживанию и восстановлению этих средств выполняют сервисные организации. Эксплуатационный персонал АСУ ТП в своей текущей деятельности подчиняется начальнику смены технологического цеха; работа этого персонала организуется так же, как и дежурного технологического персонала, с тем же количеством и продолжительностью смен. Ремонтный персонал организуется в отдельные участки (лаборатории) по видам технических средств, например датчиков, средств вычислительной техники, средств регулирования, электроприводов и др. Организационная структура подразделения, занимающегося 80 эксплуатацией АСУ ТП, показана на рисунке 5.1 на примере цеха тепловой автоматики и измерений электростанций. Структура существенно зависит от количества и типов технических средств, имеющихся на электростанции, и от предполагаемого расширения станции. Подразделение, связанное с ремонтом и обслуживанием средств вычислительной техники, обычно подчиняется заместителю начальника цеха. Рисунок 5.1 – Организационная структура службы автоматики и измерений Работы по эксплуатации АСУ ТП обычно планируют на стадии разработки рабочей документации на систему. В дальнейшем параметры технической эксплуатации — номенклатура и количество запасных элементов, периодичность и объем технического обслуживания, численность персонала — уточняются в процессе опытной эксплуатации. Определению этих параметров, существенно влияющих на надежность АСУ ТП в условиях эксплуатации, посвящена настоящая глава. Из работ, направленных на обеспечение надежности АСУ ТП при эксплуатации, отметим работу по исследованию эксплуатационной надежности. При проведении опытной и промышленной эксплуатации собирают и обрабатывают данные о надежности АСУ ТП в целом, ее функциях, Начальник службы автоматики и измерений Заместитель начальника по эксплуатации Заместитель начальника по ремонту КИП и автоматики Заместитель начальника по ремонту вычислительной техники Опера- тивный персонал (смены А-Г) Участок техноло- гических защит Участок регуля- торов Участок прог- рамм- ного обеспе- чения Участок инфор- мацион- ных под- систем Группа эксплуа- тации и техни- ческой доку- ментаци и Группа метро- логичес- кого обес- печения Участок электро- приво- дов Участок КИП Участок функци- онально- группо- вого управ- ления Участок вычис- литель- ных под- систем 81 технических и программных средствах. В результате обработки полученных данных вырабатывают и реализуют мероприятия по повышению надежности как этой АСУ ТП, так и ее последующих образцов и по разработке типовых проектных решений. 5.2.2 Определение численности эксплуатационного персонала Восстанавливают отказавшие технические средства обычно следующим образом: часть отказов (особенно при восстановлении путем замены, настройки или регулировки) эксплуатационный персонал устраняет непосредственно на месте установки отказавшего устройства. В иных случаях после установления эксплуатационным персоналом факта и места отказа (а иногда и попытки восстановления) дальнейшую работу по устранению отказа проводит ремонтный персонал соответствующего участка либо на месте установки, либо в мастерской этого участка. Специализация эксплуатационного персонала, как правило, менее дифференцированная, чем у ремонтного: эксплуатационный персонал может быть разделен на несколько групп по виду технических средств и месту их расположения (например, обслуживающий датчики и входные устройства, средства вычислительной техники, прочие средства автоматизации) [7]. Поскольку определение численности персонала носит приближенный характер, то для упрощения решения этой задачи примем ряд допущений: а) эксплуатационный персонал работает круглосуточно; б) потоки отказов всех технических средств простейшие, и эти потоки не зависят друг от друга. Последнее означает, что отказ одного из устройств не приводит к прекращению функционирования иных систем. Отказами, вызвавшими останов технологического процесса, в этом расчете пренебрегаем, так как число этих отказов составляет 0,001—0,1% от общего числа отказов, устраненных эксплуатационным персоналом; в) квалификацию всех дежурных в группе полагаем одинаковой; закон распределения длительности занятости эксплуатационного персонала работами по устранению отказа полагаем экспоненциальным и одним и тем же для различных технических средств, различных их отказов и различных дежурных. Среднее время занятости персонала работами по устранению одного отказа обозначим τ 3 . (Если эксплуатационный персонал на месте восстановил работоспособность технического средства, то время τ 3 можно считать равным среднему общему времени восстановления Т в.общ ); г) каждую заявку может обслуживать любой дежурный, причем наличие свободного дежурного не уменьшает времени устранения одного отказа; д) эксплуатационный персонал не только занимается восстановлением отказавших средств, но и проводит некоторые операции по их техническому обслуживанию. Приоритет проведения технического обслуживания ниже, чем восстановления: техническим обслуживанием персонал занимается во время, 82 свободное от восстановления, и расчет численности персонала далее будем проводить, исходя только из необходимости своевременного проведения восстановления после отказов. В качестве показателя, характеризующего функционирование эксплуатационного персонала, принимаем вероятность р того, что восстановление некоторого отказавшего устройства будет начато без задержки (что равносильно вероятности отсутствия очереди заявок в некоторый момент времени, достаточно далеко отстоящий от момента начала функционирования). В принятых предпосылках эта вероятность 1 1 0 0 ! !( ) ! i l i l l i i p p p p i l l p i − + = = = + − ∑ ∑ , (5.1) где з p τ ∑ = Ω ; 1 r j j j k w = Ω = ∑ ∑ . (5.2) — параметр суммарного потока отказов всех технических средств , обслуживаемых рассматриваемым персоналом ; j — число типов средств ; k j — количество средств j- го типа в рассматриваемой совокупности ; ω j — параметр потока отказов одного технического средства j- го типа Если число одновременно работающих в группе дежурных l =1, то . (5.3) Задаваясь тем или иным значением р* в зависимости от назначения рассматриваемой совокупности средств и АСУ ТП в целом , находим по указанным соотношениям минимальное значение l min , при котором р>р*. Заметим , что общая численность эксплуатационного персонала при круглосуточной работе обычно равна 5 l min . ( В принятых допущениях вероятность р существует , если р .) 5.2.3 Обеспечение запасными частями Одним из компонентов внешней среды АСУ ТП и АТК , существенно влияющим на надежность , являются запасные части Их наличие непосредственно влияет на ремонтопригодность : основной показатель — среднее время восстановления — существенно зависит от номенклатуры и количества запасных частей , их месторасположения и т д Поскольку в резервированных системах время восстановления существенно влияет на безотказность , то очевидно влияние на безотказность и количества запасных частей [7]. 83 В последние годы получил широкое распространение термин «комплект ЗИП», расшифровываемый согласно ГОСТ 18322—78 «Система технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения» как запасные части, инструменты, принадлежности и материалы, необходимые для технического обслуживания и ремонта и скомплектованные в зависимости от назначения и особенностей использования. Запасные части входят в комплект ЗИП, и обеспечение запасными частями является основным содержанием задачи обеспечения ЗИП, так как обеспечение остальными составляющими ЗИП обычно вызывает существенно меньше трудностей. Запасные части можно классифицировать следующим образом: 1 В зависимости от заменяемого изделия в соответствии с иерархией технических средств и их элементов в АСУ ТП (см., например, рисунок 1.1) можно различать запасные устройства (например, регулирующие приборы, оперативные запоминающие устройства), запасные блоки (блоки памяти, усилители), запасные ячейки (субблоки, кассеты, платы) и элементы (ин- тегральные схемы, резисторы). В современных радиоэлектронных устройствах в микросхемном исполнении часто вводится понятие «типовой элемент замены» (ТЭЗ) различных уровней сложности (ТЭЗ1 — самый мелкий; ТЭЗ2 — более крупный, состоящий из ТЭЗ1; ТЭЗ3 — еще более крупный, состоящий из ТЭЗ2). При разработке ТЭЗ стремятся обеспечить максимальную степень унификации с тем, чтобы одинаковые ТЭЗ могли быть использованы для различных устройств. 2 Все указанные выше запасные части можно разделить на восстанавливаемые и невосстанавливаемые. Невосстанавливаемыми являются те, которые в силу своих конструктивных особенностей не могут быть использованы после отказа (например, интегральные схемы, конденсаторы, мембраны датчиков). Кроме того, к невосстанавливаемым относят изделия, которые в принципе могут быть восстановлены, но это экономически невыгодно. Из типовых элементов замены к невосстанавливаемым обычно относят ТЭЗ1. К восстанавливаемым запасным частям принадлежат, как правило, устройства, а также некоторые блоки; из типовых элементов замены подлежат восстановлению ТЭЗ2 (с помощью ТЭЗ1) и ТЭЗ3 (с помощью ТЭЗ1 и ТЭЗ2). 3 В зависимости от числа изделий, охватываемых запасом, комплекты ЗИП разделены на одиночные (индивидуальные) и групповые. Одиночный комплект (ЗИП-О) предназначен для обеспечения эксплуатации одного изделия (рисунок 5.2,а), групповой (ЗИП-Г) — для двух и более изделий (рисунок 5.2,б, где на k эксплуатируемых однотипных изделий приходится m запасных). 4 Различается ЗИП постоянного и переменного состава. Комплект ЗИП постоянного состава может поставляться эксплуатационникам вместе с устройством и для каждого типа устройств имеет фиксированный состав по номенклатуре и числу запасных элементов. Чаще всего этот ЗИП является 84 одиночным, но может быть и групповым (при поставке группы однотипных устройств на одно предприятие). Состав этого ЗИП обычно определяет разработчик устройств. а) б) Рисунок 5.2 – Схемы одиночного (а) и группового (б) запаса Комплект ЗИП переменного состава заказывается с той или иной периодичностью в зависимости от расхода ЗИП постоянного состава или иных обстоятельств. Величина заказа может отличаться от одного заказа к другому. Этот ЗИП чаще бывает групповым (заказ производится для всех однотипных устройств, имеющихся на эксплуатационном предприятии). Его состав определяется в процессе эксплуатации систем. Рассмотрим связь между применением комплекта ЗИП и ре- зервированием. Комплект ЗИП считается одним из способов структурного ре- зервирования. Особенность ЗИП по сравнению с рассмотренными выше методами резервирования заключается в том, что резервные изделия составляют с основными единую систему (или конструкцию), они «встроены» в систему, обозначаются на ее схеме, спецификации. Комплект ЗИП не составляет с основными изделиями единой конструкции, он не «встроен» в систему, не обозначается на схеме и приведен в отдельной спецификации. Комплект ЗИП влияет и на временное резервирование — наличие ЗИП в полном объеме (не только запасных частей, но и материалов, инструментов, принадлежностей), позволяя уменьшить время восстановления, способствует повышению безотказности. ЗИП рассматривается как резервирование замещением (так как ЗИП не работает совместно с рабочим изделием). ЗИП, как правило, считается ненагруженным резервом. ЗИП считается скользящим резервом (если в изделии несколько однотипных элементов, тогда запасная часть может заменять любое из них). ЗИП соответствует как резервированию без восстановления, так и с восстановлением. ЗИП может быть и общим, и поэлементным резервом для технических средств и только поэлементным резервом для систем, так как запас систем в 1 k … Запас к 1-му изделию Запас ко 2-му изделию Запас к k-му изделию Основные изделия Запас 2 2 1 k 1 … … 2 m 85 целом не применяется. Организация пополнения запаса. В зависимости от того, относятся ли запасные части к невосстанавливаемым или восстанавливаемым, применяют различные способы пополнения запаса. При поставке технических средств заводом-изготовителем на предприятие, эксплуатирующее АСУ ТП, каждое из этих технических средств обычно комплектуют одиночным ЗИП-О, а при групповой поставке — иногда и групповым ЗИП-Г. Для невосстанавливаемых запасных частей необходимо их пополнение, так как отказавшие изделия далее не используются. Одна из возможных схем пополнения запаса показана на рисунке 5.3,а. Пополнение запаса на складе эксплуатационного предприятия осуществляется периодически (обычно 1 раз в год). В некоторый неслучайный момент времени t 1 (рисунок 5.3,б) составляется заявка на следующий плановый период (обычно один год), начинающийся в момент t 2 и заканчивающийся в момент t 5 (1-й период). Обозначим m 1 наличное число запаса определенного типа в момент t 1 , т 31 — число заказываемых в момент t 1 изделий. Заказанные изделия поступают один раз за период в количестве т 31 в некоторый момент t 3 .За отрезок времени (t 1 ,t 3 ) запас убывает случайным образом. Запас расходуется на восстановление после отказов и на проведение технического обслуживания (профилактических и капитальных ремонтов). К моменту t 3 запас т 3 может быть не только положительный, но и отрицательный, соответствуя дефициту запаса (при простое каких-либо изделий из-за отсутствия запаса остальные могут продолжать работать). В момент t 3 запас пополняется, а затем вновь убывает по случайному закону. В момент t 4 составляется заявка на новый период планирования, который начинается в t 5 и заканчивается в t 7 (2-й период). Запас т з2 по этой заявке поступает в момент t 6 и т. д. Величина т з1 должна быть достаточной для эксплуатации изделий на отрезке времени (t 3 , t 6 ) и определяется как разность m 31 = m—т 1 ,где т— требуемый уровень, до которого происходит пополнение запаса. Рассмотренная стратегия пополнения запаса является не единственно возможной: кроме планируемого пополнения возможно и внеплановое с экстренными доставками запаса с централизованного склада отрасли или с завода-изготовителя. Затраты на экстренную доставку существенно больше, чем на плановую. Восстанавливаемые изделия в случае отказа либо ремонтируются на месте, либо поступают на ремонт в мастерские цеха автоматики или в специализированное сервисное предприятие. После ремонта изделие возвращается в запас. Запас должен рассчитываться с учетом времени нахождения изделия на ремонте: если бы ремонт продолжался бесконечно малое время, то никакого запаса не нужно было бы иметь. Приближенно можно принять, что запас для восстанавливаемых изделий может быть создан один раз на время, соответствующее сроку службы технических средств, и в течение этого срока службы запас не пополняется. |