Проблемы автоматизации и управления в сложных технических системах

Оглавление:

Введение

С каждым годом все больше внимания уделяется проблеме надежности систем автоматического управления (САУ), особенно на этапе проектирования САУ. Важность проблемы надежности АСУ ТП обусловлена их широким применением практически во всех отраслях промышленности.

Б.Г. Гнеденко, Ю.К…. Беляев, А.Д. Соловьев и др. разработали основы теории надежности применительно к описанию инженерных систем управления. В нашей стране теория надежности начала интенсивно развиваться с 50-х годов, а в настоящее время она превратилась в самостоятельную дисциплину, основными задачами которой являются

Определение видов показателей надежности технических систем;
Разработка аналитических методов оценки надежности;
Дальнейшее упрощение оценки надежности САУ;
Оптимизация надежности на этапе использования системы.

Основная цель обобщения — получить представление о надежности системы управления как о комплексе надежности технических средств, управляющего компьютера, программного обеспечения и операторов.

Общая информация о надежности автоматических систем

Для оценки поведения автоматической системы в условиях эксплуатации используется понятие надежности системы. При работе автоматической системы могут возникать: механические нагрузки (вибрация, удар, постоянное ускорение); электрические нагрузки (напряжение, ток, мощность); условия окружающей среды (температура, влажность, давление).

Влияние этих факторов проявляется в виде отклонений параметров системы от номинальных (проектных) значений. Эти отклонения могут быть настолько большими, что система становится непригодной для использования, поскольку возникновение больших отклонений параметров от проектных значений в процессе эксплуатации системы приводит к отказу или появлению дефектов в выпускаемой продукции.

Когда система перестает соответствовать предъявляемым к ней требованиям, считается, что система вышла из строя. Таким образом, надежность является одним из свойств качества системы, поэтому, как и другие свойства системы (точность, производительность), она должна быть количественно оценена на основе анализа технических параметров системы в условиях эксплуатации.

Поскольку на некоторые параметры технической системы оказывают влияние различные факторы (схема, конструкция, производство и эксплуатация), которые не могут быть аналитически учтены при применении детерминистического подхода к системному анализу, количественная оценка надежности системы возможна только на основе теории вероятностей или ее специальных разделов (теории случайных процессов и математической статистики).

Надежность — это свойство системы получать во времени и в определенных пределах значения всех параметров, характеризующих способность системы выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации.

Функции системы определяются ее назначением.

Автоматизированная система управления — это многофункциональная система. Из-за возмущений система может находиться в различных состояниях и обеспечивать выполнение возложенных на нее функций. Однако в каждом из этих состояний качество выполняемых системой функций не одинаково. Например, чем больше отклонение выходных параметров, характеризующих выполняемую функцию, от заданных, тем менее качественно работает система, т.е. система менее эффективна. Под эффективностью системы понимается вероятность того, что система будет выполнять заданные функции при заданном значении параметра.

Поэтому надежность автоматической системы с учетом ее возможных состояний должна определяться по формуле полной вероятности.

В некоторых работах оценка качества автоматической системы делится на две задачи — исследование точности и исследование надежности. Та или иная задача может быть решена путем соответствующего выбора функции эффективности состояния системы.

Надежность действительно является характеристикой эффективности системы. Если качество автоматической системы достаточно характеризовать надежностью выполнения ею функций в различных состояниях, то надежность совпадает с эффективностью системы.

Обобщенное количественное значение надежности системы в большинстве случаев трудно получить непосредственно из первичной информации, кроме того, оно не позволяет оценить влияние различных этапов развития и эксплуатации системы, поэтому целесообразно рассматривать надежность через три основных компонента, которые являются свойствами системы и могут быть охарактеризованы как качественно, так и количественно:

Устойчивость к сбоям;
Восстанавливаемость (ремонтопригодность);
Восстанавливаемость (ремонтопригодность); -готовность;
Отказ — свойство системы поддерживать работоспособность непрерывно без вынужденных перерывов в течение требуемого интервала времени.

Время безотказной работы системы является одним из наиболее важных и определяющих компонентов 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 хотя бы одно значение параметра не находится в заданных пределах).

Как известно, автоматическая система — это комплекс отдельных устройств, не соединенных на заводе сборочно-монтажными работами, но имеющих общее эксплуатационное назначение. Система в целом может быть представлена рядом более простых подсистем.

Отказоустойчивость автоматической системы может служить лишь общим свойством системы, которое не позволяет проследить влияние отказоустойчивости отдельных ее частей на отказоустойчивость автоматической системы в целом. Для того чтобы провести такой анализ, мы вводим понятия элемента и системы.

Элемент — это компонент системы, который имеет конкретное назначение и выполняет необходимые функции, и рассматривается как единое целое без дальнейшего деления на части.

Система — совокупность элементов, взаимодействующих друг с другом при выполнении определенных функций.

Термины «система» и «элемент» выражаются взаимозаменяемо и являются условными: то, что является системой для одних задач, считается элементом для других, в зависимости от цели исследования, требуемой точности, уровня знаний о надежности и т.д. Даже такая сложная система, как система автоматического управления технологическим процессом, может рассматриваться как элемент более сложной системы управления предприятием.

Разделение автоматической системы на элементы зависит от решения конкретной задачи по оценке ее надежности. После разделения системы или устройства на элементы можно рассматривать надежность как основную характеристику элемента при анализе надежности. В большинстве случаев это позволяет при оценке надежности устройства не интересоваться непосредственно функциональными свойствами элементов, их конструкцией и т.д.

Показатели надежности систем

Анализ надежности автоматических систем и их компонентов можно разделить на две задачи: статическую и динамическую. Надежность системы (для данной схемы и конструкции) зависит в основном от двух параметров:

Необходимое время безотказной работы,
условия эксплуатации системы.

Когда эти параметры фиксированы, то рассматривается статическая задача, которая основана на основных принципах теории вероятности.

При статическом подходе надежность характеризуется числом, так же как динамические звенья автоматической системы характеризуются коэффициентом передачи в установившемся режиме. Данная аналогия позволяет использовать их структурные представления в анализе надежности системы, что, наряду с визуализацией, упрощает составление уравнений надежности и их анализ.

Если при анализе надежности не задано требуемое значение интервала времени безотказной работы или условия эксплуатации системы, возникает динамическая проблема. Наиболее важным математическим аппаратом при решении динамической задачи, помимо классической теории вероятностей, является теория случайных процессов. Основные зависимости и уравнения динамической задачи становятся сложнее, чем в статической задаче, поэтому ее удобно решать с помощью преобразований Лапласа и Меллина, z-преобразований.

Применение указанных преобразований к решению динамических задач теории надежности позволяет применять структурные методы так же, как и в статической задаче. Обычно решение динамической задачи связано с надежностью реконструированных систем.

Динамическая проблема также дает возможность разработать критерии надежности для системы или ее отдельных компонентов. Учитывая, что надежность системы является вероятностным свойством, для разработки критериев можно использовать функции распределения вероятностей в зависимости от рассматриваемых динамических параметров или моменты функций распределения вероятностей.

Функции распределения вероятностей представляют собой наиболее полную информацию о надежности системы. В зависимости от целей исследования и особенностей рассматриваемой системы могут быть использованы интегральные, дифференциальные или условные функции распределения вероятностей.

Индексы надежности — это количественные характеристики одного или нескольких свойств, составляющих надежность системы. Выбор тех или иных индексов диктуется типом исследуемой системы. В теории надежности различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые системы. К невосстанавливаемым относятся системы, восстановление которых сразу после отказа считается нецелесообразным или невозможным, а к восстанавливаемым — те, для которых восстановление осуществляется сразу после отказа.

Неисправимые системы обычно ограничены показателями надежности. Эти же показатели описывают системы, которые, в принципе, могут быть восстановлены после сбоя, но поведение которых целесообразно рассматривать до момента первого сбоя. К ним относятся, например, системы, отказы которых происходят крайне редко и приводят к особо тяжелым последствиям.

Показатели неустранимой надежности системы включают:

интегральный закон распределения времени работы;
интегральный закон распределения времени до отказа;
дифференциальный закон распределения времени безотказной работы до первого отказа;
среднее время безотказной работы (среднее время до отказа);
частота отказов.

Прежде чем перейти к показателям надежности, необходимо ввести понятие среднего времени между отказами.

MTBF (T) — случайная величина, указывающая на время работы системы без восстановления до отказа. MTBF измеряется в единицах времени для большинства систем, но также может измеряться в количестве операций, отказов, циклов. Очевидно, что для систем, которые работают без остановок (за исключением отказов), MTBF совпадает с временем безотказной работы.

Показатели надежности регенерируемых систем

После каждого отказа регенерированной системы ее восстановление происходит путем замены отказавшего элемента на идентичный, исправный или путем проведения ремонта. Как и время до первого отказа для невосстанавливаемых систем, время возникновения отказов восстанавливаемых систем является случайным. Время восстановления также является случайным, но время восстановления обычно намного меньше, чем время между сбоями, поэтому им пренебрегают.

Последовательность отказов, возникающих последовательно в случайное время, называется потоком отказов. Концепция потока отказов является одной из самых важных при рассмотрении систем с восстановлением. Поток отказов определяется двумя способами: Первый способ заключается в изучении дискретного случайного процесса, который дает количество отказов в интервале времени (0,t); второй способ заключается в изучении последовательности непрерывных случайных времен между отказами. В обоих случаях временем восстановления системы пренебрегают, а поток отказов называют простейшим.

Простейший поток обладает свойствами стационарности, ординарности и бесследности.

Требование стационарности означает, что вероятностные свойства потока не зависят от времени. Поток отказов называется потоком без последствий, если для любого набора непересекающихся временных интервалов количество отказов в этих интервалах является независимой случайной величиной. Ординарность означает практическую невозможность одновременного возникновения двух или более неисправностей, т.е. в одном временном интервале.

Для потока, удовлетворяющего требованию стационарности, параметр потока неисправностей является постоянной величиной и не зависит от времени.

Одновременный отказ нескольких элементов может произойти из-за изменения условий эксплуатации вне допустимых пределов. Но в связи с тем, что надежность системы рассчитывается по стационарным условиям эксплуатации, поток отказов можно считать порядковым. Нестационарность может возникнуть из-за времени обкатки после запуска системы. Эта же причина может привести к несоблюдению свойства следствия. Последствия могут возникнуть из-за недостаточного качества восстановления, когда свойства системы не полностью восстанавливаются после сбоя, а также в ситуации, когда отказ одного элемента вызывает деградацию других.

В соответствии с двумя способами задания потока отказов для восстановленных систем можно применять различные показатели надежности и безотказности.

Если рассматривать поток отказов как дискретный случайный процесс — количество отказов в интервале времени (0,t), то показатель надежности является параметром потока отказов, определяемым соотношением.

Если поток отказов определяется как последовательность случайных величин (наработок) между отказами, то определяются показатели работоспособности, исправности, ресурса и комплексные показатели надежности. Среднее время между отказами является показателем надежности.

Термин «время работы» определяет продолжительность или объем работы устройства. Выбор тех или иных показателей надежности зависит от того, насколько точно нужно определить надежность разрабатываемых технических средств автоматизации.

Показатели ремонтопригодности включают вероятность восстановления работоспособности за определенное время и среднее время восстановления.

Показателем долговечности системы является срок службы системы. Срок службы системы — это случайная величина, характеризующая календарную продолжительность от начала эксплуатации системы до ее перехода в предельное состояние. Для некоторых систем показателем долговечности является определенный срок службы, которого должна достичь конкретная система. При рассмотрении долговечности за случайную величину можно принять не только календарный срок службы системы, но и ее ресурс — время работы от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние.

Комплексные показатели надежности отражают отказоустойчивость и ремонтопригодность системы. Комплексные индексы включают: Коэффициент доступности, коэффициент эксплуатационной доступности и коэффициент технического использования.

Принципы, описывающие надежность АСУ. Сбои в работе автоматизированных систем

Автоматизированную систему управления, как и любую сложную систему, следует рассматривать как совокупность элементов с определенной связью между ними. Выбор элементов может варьироваться в зависимости от метода декомпозиции автоматизированной системы управления. При декомпозиции по составу элементы могут представлять собой комплекс технических средств, информационного обеспечения (включая нормативно-справочную информацию, системы классификации и кодирования и т.д.) и организационного обеспечения (документы, регламентация действий персонала). Свойства информационного и организационного обеспечения влияют на надежность АСУ опосредованно, через функционирование аппаратных средств, программного обеспечения и действия персонала, поэтому они не рассматриваются отдельно. При функциональной декомпозиции АСУТП как многофункциональной системы ее функции рассматриваются как элементы системы, в этом случае она называется функциональной эффективностью АСУТП. В общем случае АСУТП рассматривается как совокупность аппаратных средств (технических средств автоматизации), программного обеспечения (ПО) и ОП (операторов).

Наибольшее влияние на надежность АСУТП оказывает надежность комплекса технических средств, поэтому надежность АСУТП часто оценивается только с учетом комплекса технических средств.

Критерии отказа технических средств (ТСА) устанавливаются в соответствии с требованиями, изложенными в стандартах, технических условиях или других технических документах на эти ТСА. Поскольку большинство ТЦА предназначены для общепромышленного применения, требования установлены без учета систем, в которых работают эти ТЦА. В этом случае критерии отказов ТЦА не зависят от характеристик контролируемого объекта и требований к качеству контроля.

Рассмотрим классификацию отказов комплекса технических средств системы.

Отказ — это случайное событие, заключающееся в нарушении функциональности системы. Здесь отказ автоматической системы определяется как выход параметра за установленные пределы допуска.

В рабочих условиях изменение выходного параметра системы является случайной функцией. Если выход параметра k за пределы границы допуска опасен, то переход из работоспособного состояния устройства в неисправное можно представить графически как пересечение случайной функцией одной из границ допуска a и или b.

При этом выход параметра за пределы допустимого значения может происходить как скачком, так и постепенным непрерывным изменением параметра устройства.

Поэтому, исходя из характера изменения параметров, целесообразно разделить отказы устройств и элементов на внезапные и ползучие. Такое деление удобно при расчете надежности системы (устройства), так как ее внезапный отказ вызван как отказом элементов электрической схемы, так и отказом конструктивных и вспомогательных элементов. В большинстве систем и устройств постепенный отказ определяется только изменением параметров главной и кинематической схемы.

В случае внезапных отказов нерезервированная система не может выполнять предусмотренные функции, а в случае постепенных отказов небольшие отклонения параметра за пределы допустимых значений обычно не приводят к отказу системы, а только к изменению ее работоспособности (в зависимости от величины отклонения параметра устройства за пределы допустимых значений).

При оценке надежности системы, в случае ползучих отказов, эффект от величины отклонения параметра системы за пределы допуска может быть охарактеризован эффективностью параметра системы.

При такой классификации отказов элементов на внезапные и ползучие, можно предположить, что:

Отсутствие внезапного разрушения свидетельствует о прочности элемента,
Постепенное изменение параметра указывает на его точность.

Следовательно, отсутствие обоих отказов можно интерпретировать как условную прочность.

Для фиксированного интервала времени работы системы надежность представляет собой вероятность совместного наступления двух событий, не имеющих внезапных и постепенных отказов.

В свою очередь, характер внезапных отказов определяется типом элемента или устройства, его схемой и конструкцией. Для простейших элементов (деталей и простых узлов) внезапные отказы делятся на два типа:

коллапс,
короткое замыкание.

Для устройств, содержащих как источники энергии, так и элементы коммутации энергии, характерны такие виды внезапных отказов, как обрыв и ложный сигнал на выходе устройства. То есть, для устройств этой группы характер отказа определяется наличием или отсутствием сигнала на входе устройства.

Помимо внезапных и ползучих отказов, при изучении надежности автоматических систем очень полезно различать прерывистые отказы, которые часто называют отказами (самовосстанавливающимися отказами). Периодические отказы в основном определяются возмущениями, действующими на систему, а для контактных элементов также условиями окружающей среды, например, вибрациями для контактов электромеханических реле. Характерной особенностью периодических неисправностей является то, что их трудно обнаружить и устранить. Использование кодов в дискретных системах может быть эффективным инструментом для предотвращения последствий периодических отказов.

Все рассмотренные выше режимы отказов относятся к отказам комплекса технических средств АСУТП. Для того чтобы описать надежность АСУ в целом, необходимо рассмотреть взаимосвязь между системой и технологическим объектом управления. Надежность АСУТП в первую очередь относится к способности системы выполнять требуемые функции. Таким образом, очевидным является использование декомпозиции АСУ как многофункциональной системы в соответствии с выполняемыми функциями.

Общие характеристики условий эксплуатации автоматических систем

Автоматические системы, как и их отдельные элементы, во время работы находятся под воздействием различных факторов, которые мы называем нагрузками. Характерной особенностью электронных автоматических систем по сравнению с механическими системами является большое разнообразие нагрузок, действующих на систему.

В зависимости от физической природы нагрузок их можно разделить на следующие основные классы:

механические нагрузки — вибрация, удары, постоянно действующие ускорения;
климатические нагрузки — температура, влажность и сырость, атмосферное давление, солнечная радиация, пыль, песок.
электрические нагрузки — ток, напряжение, рассеиваемая мощность
радиоактивные нагрузки — поток нейтронов, гамма-излучение

Механические нагрузки воздействуют на автоматические системы, работающие на движущихся объектах: Самолеты, электровозы, корабли и т.д. Кроме того, механические нагрузки возникают при транспортировке, а также во время работы оборудования.

В результате механических нагрузок в автоматических системах происходят отказы следующих типов:

Смещение скользящих и вращающихся деталей и узлов;
Поломка элементов;
Разрушение паяных соединений;
Разрушение катушек ламп;
Стук контактов;
Короткое замыкание близко расположенных проводников и деталей.
Размыкание нормально замкнутых контактов;
Замыкание нормально разомкнутых контактов;
Повреждение обмотки трансформатора;
Уничтожение компонентов.

Климатические нагрузки, действующие на автоматические системы, зависят от географического положения, в котором эксплуатируется система, и от условий работы системы (стационарная, полевая и т.д.).

В результате воздействия климатических нагрузок отказы автоматических систем имеют следующий характер.

Изменение значений электрических констант (R, L, C и т.д.)
Смягчение изоляции
Снижение эластичности изоляции
Снижение поверхностного и объемного сопротивления изоляции вплоть до короткого замыкания из-за образования льда.
Замерзание движущихся частей
Размыкание и замыкание контактов из-за перекоса
Изменение прочности элементов конструкции;
Потеря смазывающих свойств и, как следствие, чрезмерный механический износ движущихся частей из-за попадания пыли и песка.
Короткие замыкания из-за ухудшения свойств изоляции воздуха при изменении высоты над уровнем моря.

Как и в случае с механическими нагрузками, климатические нагрузки в отдельных точках системы могут значительно отличаться от их значений в окружающей атмосфере.

Электрические нагрузки обычно определяются для элементов и реже для узлов. Величина электрической нагрузки зависит от схемы электрической цепи и конструкции системы. Электрическая нагрузка определяет режим работы элемента. Для большинства электрических элементов существует номинальное значение электрической нагрузки.

Типичными отказами автоматических систем из-за электрических нагрузок являются:

Отказ элемента из-за выгорания;
Отказ короткого замыкания элемента в результате пробоя.

Величина электрических нагрузок в значительной степени зависит от режима работы системы. При установившемся режиме работы фактическое значение нагрузки близко к расчетному значению, всегда меньше номинального значения, поэтому коэффициент нагрузки обычно меньше 1. В переходных условиях нагрузка может в несколько раз превышать расчетное значение, в этом случае коэффициент нагрузки становится больше единицы. Это обстоятельство характерно для времени включения и выключения автоматической системы. В этом случае количество отказов обычно выше, чем при работе в стационарном режиме.

Радиоактивное излучение возникает в автоматических системах на установках с термоядерными двигателями. Наибольшее воздействие на электронные системы оказывают нейтроны и гамма-лучи. При оценке влияния термоядерного излучения на элементы автоматических систем сначала определяется характер воздействия излучения, а затем уже допустимая доза излучения.

Краткое рассмотрение условий работы автоматических систем показывает, что они работают под воздействием сложного комплекса нагрузок. Кроме того, задача аналитического описания нагрузок осложняется еще и тем, что некоторые из них характеризуются несколькими параметрами. Например, вибрации характеризуются частотой и амплитудой. Задачу можно упростить, если предположить, что для каждого из элементов можно выделить одну или несколько основных нагрузок. С этой точки зрения полезно классифицировать нагрузки не по их физической природе, а по их воздействию на систему или ее отдельные элементы.

Выделим три класса нагрузок:

Нагрузки по напряжению;
Каталитические нагрузки;
Пассивные нагрузки.

Нагрузки напряжения связаны с возникновением напряжений в элементах или системах. К ним относятся механические нагрузки — вибрация, удар, ускорение — и электрические нагрузки — ток, напряжение, рассеиваемая мощность. Таким образом, нагрузки напряжением приводят к разрушению элементов системы, если они превышают допустимые значения.

Заключение

Правильная организация работы системы является одним из ключевых факторов высокой надежности. Большое значение имеют также своевременные профилактические меры, позволяющие предотвратить сбои в работе системы в период эксплуатации. Одним из современных методов профилактики является прогнозирование отказов, что позволяет своевременно заменять так называемые критические элементы, тем самым устраняя их отказы. Конечно, полностью исключить отказы во время работы невозможно, поэтому необходимо проектировать систему и правила ее эксплуатации таким образом, чтобы обеспечить минимальное время восстановления отказавшей системы. В этом контексте большое значение имеет разработка схем автоматической проверки и обнаружения неисправностей (системы диагностики) и, по возможности, схем самовосстановления неисправностей.

Важную роль в поддержании высокой надежности автоматических систем, помимо эксплуатационных факторов, играет обслуживающий персонал, его техническая подготовка, опыт и другие характеристики.

Большое значение в повышении надежности оборудования имеет организация эксплуатации, особенно снабжение оборудования запасными частями и материалами, технические описания и инструкции по эксплуатации, организация ремонтных пунктов и т.д.

Поэтому высокая надежность автоматических систем может быть обеспечена только комплексом методов, применяемых на всех этапах проектирования и эксплуатации системы.

Список литературы

Балакирев В.С., Бадеников В.Я. Надежность технических и программных средств автоматизации. Учебник для вузов. — Ангарск: Ангарский технологический институт, 1994, — 64 с.
Ястребенецкий М.А., Иванова Г.М. Надежность системы автоматического управления. Учебник для высших учебных заведений. — М.: Энергоатомиздат, 1989 г. — 264 с.
Надежность АСУ: учебник для вузов / Под ред. Ж.А. Хетагурова. — М.: Высшая школа, 1979 г. — 287 с.
Шураков В.В. Надежность программного обеспечения систем обработки данных. Учебник для вузов. — М.: Финансы и статистика, 1987. — 272 с.

На странице рефераты по философии вы найдете много готовых тем для рефератов по предмету «Философия».

Здесь темы курсовых работ по философии

Читайте дополнительные лекции: