Министерство образования Российской Федерации

Архангельский государственный технический университет

А.Е. Алексеев

ДИАГНОСТИКА НАДЕЖНОСТИ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

Учебное пособие

Архангельск 2004

Рецензенты:

В.И.Малыгин, проф., д-р техн. наук, «Севмашвтуз»

В. П. Емельянов, доц., канд. техн. наук., АГТУ У Д К 62-192:52(031) Алексеев А.Е. Диагностика надежности автоматизированных систем: Учебное пособие. - Архангельск: Изд-во Г О У АГТУ, 2004. - 75 с.

Подготовлены кафедрой автоматизации технологических процессов и производств АГТУ.

Рассмотрены вопросы расчета надежности на различных этапах разработки и эксплуатации технических систем, решения задач оптимального проектирования структур и моделирования процессов функционирования систем с учетом ресурсных и экономических ограничений.

Предназначены для студентов специальности 210200 «Автоматизация технологических процессов и производств» очной формы обучения по дисциплине «Диагностика и надежность автоматизированных систем».

© Архангельский государственный технический университет,

ВВЕДЕНИЕ

Устройства управления, учета, контроля, регулирования состоят из эле-ментов: измерительных приборов, реле, усилителей, электронных, гидравли-ческих, пневматических и других типов исполнительных механизмов. В них могут входить вычислительные элементы, запоминающие и другие виды устройств. В этих условиях важно уметь прогнозировать надежность систем и решать задачи согласования надежности оборудования с другими характерис-тиками технологического процесса производства продукции.

Достоверность расчетов зависит от того, на базе какого числа испытаний они производятся. Чем больше число испытаний, тем выше достоверность, которая оценивается доверительной вероятностью, обычно нормируемой. Различают P(t): 0,99 - высокий уровень; 0,9 - повышенный; 0,8 - средний; 0,7 пониженный; 0,6 - низкий; 0,5 - очень низкий уровень. Значение интенсивности отказов зависит в различные периоды нормальной эксплуатации элементов и при номинальных режимах снижается по мере совершенствования заводами-изготовителями технологии их производства. Так для транзисторов (полупроводниковых триодов-усилителей) достигнуты значения • = 10-8 1/часи меньше.

Одним из важнейших вопросов в области создания и эксплуатации авто-матизированного оборудования является необходимость нормирования на-дежности машин и систем управления. Небольшая группа менее надежных элементов, работающих с группой высоконадежных элементов, ограничивает общую надежность системы в целом.

Многие реальные системы имеют сложную структуру, которая может и не сводиться к обычным параллельно-последовательным или последователь-но-параллельным соединениям. В общем случае такие системы могут пред-ставлять собой сети сложной конфигурации. Типичным примером сложной системы являются автоматизированные системы управления (АСУ) или сети ЭВМ, представляющие собой совокупность объектов управления - вычисли-тельных центров различных уровней, объединяемых в единое целое сетью (системой) обмена данными - информационной сетью (ИС), через которую осуществляется целевое взаимодействие объектов управления или ВЦ друг с другом. При этом объекты управления АСУ, являющиеся источниками и по-лучателями информации, являются конечными узлами ИС. Для обеспечения возможности использования различных путей передачи информации между заданными парами этих узлов, а также для увеличения коэффициента исполь­ зования каналов связи в ИС предусматриваются специальные элементы, на-зываемые узлами коммутации. Показатели эффективности ИС определяются качеством доставки информации. В общем случае тракт передачи данных (ТПД) можно рассматривать как совокупность параллельно включенных непрерывных каналов связи (НКС) различного типа, организованных в линиях связи различного типа с помощью аппаратуры частотного или временного уплотнения, устройств преобразования сигналов (модемов) и устройств повышения достоверности (УПД). Важное значение приобретают вопросы определения основных показателей эффективности интегральных микросхем.

1. Термины и понятия надежности 1.1. Общие понятия Объект — техническое изделие определенного целевого назначения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации.

Надежность —способность объекта выполнять заданные функции. Включает в зависи­ мости от назначения объекта и условий его эксплуатации такие свойства, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или сочетание этих свойств. Для конкретных объектов и условий эксплуатации эти свойства могут иметь различную относительную значимость.

Система — объект, представляющий собой совокупность элементов, взаимо­ действующих в процессе выполнения определенного круга задач и взаимосвязанных функционально.

Элемент системы — объект, представляющий собой простейшую часть системы, не имеющий самостоятельного интереса в рамках конкретного рассмотрения.

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к предупреждению и обнаружению отказов и повреждений, к восстановлению работоспособности и исправности в процессе технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость — свойство объекта непрерывно сохранять исправное и ра­ ботоспособное состояние в течение (и после) хранения и (или) транспортирования.

Исправность — состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией.

Неисправность — состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований, установленных нормативно-технической документацией.

Работоспособность — состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией. Основные параметры характеризуют функционирование объекта при выполнении поставленных задач и устанавливаются в нормативно-технической документации.

Неработоспособность — состояние объекта, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям, установленным нормативно-технической документацией.

Предельное состояние — состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению должно быть прекращено из-за неустранимого нарушения требований безопасности или неустранимого отклонения заданных параметров за установленные пределы, недопустимого увеличения эксплуатационных расходов или необходимости проведения капитального ремонта.

Повреждение — событие, заключающееся в нарушении исправности объекта при сохранении его работоспособности.

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта.

Критерий отказа — отличительный признак или совокупность признаков, согласно которым устанавливается факт возникновения отказа. Признаки (критерии) отказов устанавливаются нормативно-технической документацией на данный объект.

Восстановление — процесс обнаружения и устранения отказа (повреждения) с целью восстановления его работоспособности (исправности).

Восстанавливаемый объект — объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях.

Невосстанавливаемый объект — объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях.

Показатель надежности — техническая характеристика, количественным образом определяющая одно или несколько свойств, составляющих надежность объекта.

Наработка — продолжительность или объем работы объекта.

Технический ресурс — наработка объекта от начала его эксплуатации до достижения предельного состояния или капитального (среднего) ремонта или от начала эксплуатации после ремонта (среднего или капитального) до следующего ремонта или достижения предельного состояния.

Срок службы — календарная продолжительность эксплуатации объекта от ее начала или возобновления после капитального или среднего ремонта до наступления предельного состояния.

Срок сохраняемости — календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования объекта в заданных условиях, в течение и после которой сохраняются значения установленных показателей (в том числе показателей надежности) в заданных пределах.

Для различных отраслей промышленности имеются свои особенности. Так к их числу для систем энергетики относятся:

- массовый и ответственный характер снабжения продукцией в условиях сплошной электрификации с учетом непрерывности и неразрывного единства процесса производства, передачи и потребления основных видов энергетики;

- многоцелевое использование продукции и наличие категорий потребителей с разными требованиями к качеству продукции, к характеристикам непрерывности (бесперебойности) снабжения;

- сугубо системный характер не только структуры, но и самого единого технологического процесса выполнения основных функций и, следовательно, определяющая роль и непосредственная тесная связь проявлений свойств надежности с качеством продукции, экономической эффективностью, маневренностью, экологической безвредностью и с другими сопряженными свойствами систем энергетики;

- практическое отсутствие или пренебрежимо малая вероятность событий полного отказа системы в целом, а также полного непланового и планового ремонтов системы, что обусловлено наличием большого количества источников и потребителей энергии, наличием большого числа различных видов режимной избыточности систем энергетики;

значительное взаимное влияние управляемой (защищаемой), управляющей (защищающей) и обслуживающей составляющих систем не только по функциям, но и по состояниям;

- регионально-отраслевое распределение большого числа непрерывно связанных разнородных элементов и процессов, в частности источников снабжения и потребителей;

- значительная взаимная заменяемость как основных частей и видов продукции различных систем энергетики, так и средств обеспечения снабжения потребителей на всех иерархических уровнях.

С учетом этих особенностей имеется ряд дополнительных терминов.

Система энергетики — человеко-машинная система, предназначенная для добычи (производства, получения), переработки (преобразования), передачи, хранения и распределения соответствующей продукции и снабжения потребителей этой продукцией.

Устойчивоспособностъ — свойство объекта непрерывно сохранять устойчивость в течение некоторого времени.

Режимная управляемость (управляемость) — свойство объекта поддерживать нормальный режим посредством управления.

Живучесть — свойство объекта противостоять локальным возмущениям и отказам, не допуская их каскадного (системного) развития с массовым нарушением питания потребителей.

Безопасность — свойство объекта не допускать ситуаций, опасных для людей и окружающей среды.

Рабочее состояние — состояние объекта, при котором он выполняет все или часть заданных функций в полном или частичном объеме (в отличие от работоспособного состояния, при котором объект способен выполнять все или часть заданных функций).

Частично рабочее состояние — рабочее состояние объекта, при котором он выполняет хотя бы часть заданных функций.

Авария — событие, заключающееся в переходе объекта с одного уровня ра­ ботоспособности или относительного уровня функционирования на другой, существенно более низкий, с крупным нарушением режима работы объекта.

Резерв мощности (производительности) — разность между располагаемой мощностью (производительностью) объекта и его нагрузкой в данный момент времени при допустимых значениях параметров режима его работы и показателях качества производимой продукции.

Ремонтный резерв — часть резерва мощности (производительности) объекта, предназначенная для компенсации потери его мощности (производительности), вызванной предупредительным ремонтом.

Оперативный резерв — часть резерва мощности (производительности) объекта, предназначенная для компенсации небаланса между производством и потреблением продукции, вызванного отказами элементов объекта, случайным и непредвиденным увеличением потребления продукции.

Аварийный резерв — часть оперативного резерва объекта, предназначенная для компенсации потери его мощности (производительности), вызванной отказами элементов объекта.

Резерв продукции (запас продукции) — количество накопленной продукции сверх необходимой для компенсации дефицита мощности в течение определенного интервала времени.

Технологический резерв — резерв мощности и (или) резерв продукции потребителя, которые могут быть использованы для предотвращения остановки технологического процесса потребителя при нарушении его снабжения.

Внезапный отказ — отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких основных параметров объекта. Внезапный отказ обычно является следствием постепенного накопления неисправностей и повреждений.

Постепенный отказ — отказ, характеризующийся постепенным изменением значений одного или нескольких основных параметров объекта.

Независимый отказ элемента — отказ элемента объекта, не обусловленный повреждениями и отказами других элементов объекта.

Зависимый отказ элемента — отказ элемента объекта, обусловленный повреждениями или отказами других элементов объекта.

Полный отказ — отказ, после возникновения которого использование объекта по назначению возможно, но при этом значения одного или нескольких основных параметров находятся вне допустимых пределов, т. е. работоспособность объекта понижена.

Перемежающийся отказ —многократно возникающий и самоустраняющийся отказ одного и того же характера.

Конструкционный отказ — отказ, возникающий вследствие ошибок конструктора (или несовершенства существующих у разработчика методов конструирования).

Производственный отказ — отказ, возникающий вследствие нарушения или несовершенства технологического процесса изготовления объекта или комплектующего изделия.

Эксплуатационный отказ — отказ, возникающий вследствие нарушения установленных правил эксплуатации или вследствие влияния непредусмотренных внешних воздействий.

Т а б л и ц а 1.1. Классификация отказов Характер изменения основного параметра объекта Внезапный до момента возникновения отказа Постепенный Возможность последующего использования объекта Полный после возникновения его отказа Частичный Устойчивость неработоспособности Устойчивый Наличие внешних проявлений отказа Очевидный (явный) Причина возникновения отказа:

- при конструировании (ошибка конструктора, конструирования) - при изготовлении (ошибка при изготовлении несовершенство технологии) - при эксплуатации (нарушение правил эксплуатации, внешние воздействия, свойственные нормальной эксплуатации) Резервирование — метод повышения надежности объекта введением дополнительных элементов и функциональных возможностей сверх минимально необходимых для нормального выполнения объектом заданных функций.

Структурное резервирование — метод повышения надежности объекта, пре­ дусматривающий использование избыточных элементов, входящих в физическую структуру объекта.

Временное резервирование — метод повышения надежности объекта, преду­ сматривающий использование избыточного времени, выделенного для выполнения задач.

Информационное резервирование — метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточной информации сверх минимально необходимой для выполнения задач.

Функциональное резервирование — метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование способности элементов выполнять дополнительные функции вместо основных или наряду с ними.

Нагрузочное резервирование — метод повышения надежности объекта, преду­ сматривающий использование способности его элементов воспринимать дополнительные нагрузки сверх номинальных.

Основной элемент — элемент основной физической структуры объекта, минимально необходимой для нормального выполнения объектом его задач.

Резервный элемент — элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности объекта в случае отказа основного элемента.

Общее резервирование — резервирование, при котором резервируется объект в целом.

Раздельное резервирование — резервирование, при котором резервируются отдельные элементы объекта или их группы.

Скользящее резервирование — резервирование замещением, при котором группа основных элементов объекта резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе.

Нагруженный резерв — резервный элемент, находящийся в том же режиме, что и основной.

Облегченный резерв — резервный элемент, находящийся в менее нагруженном режиме, чем основной.

Непогруженный резерв — резервный элемент, практически не несущий нагрузок.

Восстанавливаемый резерв — резервный элемент, работоспособность которого в случае отказа подлежит восстановлению в процессе функционирования объекта.

Невосстанавливаемый резерв — резервный элемент, работоспособность которого в случае отказа не подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях функционирования объекта.

Кратность резервирования — отношение числа резервных элементов к числу резервируемых элементов объекта.

Дублирование — резервирование, при котором одному основному элементу придается один резервный.

1.4. Показатели безотказности и ремонтопригодности Наработка до отказа — вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет (при условии работоспособности в начальный момент времени).

Средняя наработка до отказа — математическое ожидание случайной наработки объекта до первого отказа.

Средняя наработка между отказами — математическое ожидание случайной наработки объекта между отказами.

Средняя наработка на отказ — отношение наработки восстанавливаемого объекта за некоторый период времени к математическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки.

Заданная наработка — наработка, в течение которой объект должен безотказно работать для выполнения своих функций.

Среднее время простоя — математическое ожидание случайного времени вынужденного нерегламентированного пребывания объекта в состоянии неработоспособности.

Среднее время восстановления — математическое ожидание случайной продол­ жительности восстановления работоспособности (собственно ремонта).

Вероятность восстановления — вероятность того, что фактическая продолжительность восстановления работоспособности объекта не превысит заданной.

Показатель технической эффективности функционирования — мера качества собственно функционирования объекта или целесообразности использования объекта для выполнения заданных функций.

Коэффициент сохранения эффективности — показатель, характеризующий влияние степени надежности элементов объекта на техническую эффективность, представляемый в виде отношения показателя технической эффективности функционирования при реальной надежности к максимально возможному значению этого показателя (т. е.

соответствующему состоянию полной работоспособности всех элементов объекта).

Нестационарный коэффициент готовности — вероятность того, что объект окажется работоспособным в заданный момент времени, отсчитываемый от начала работы (или от другого строго определенного момента времени), для которого известно начальное состояние этого объекта.

Средний коэффициент готовности — усредненное на заданном интервале времени значение нестационарного коэффициента готовности.

Стационарный коэффициент готовности (коэффициент готовности) — вероятность того, что восстанавливаемый объект окажется работоспособным в произвольно выбранный момент времени в установившемся процессе эксплуатации.

Нестационарный коэффициент оперативной готовности — вероятность того, что объект, находясь в режиме ожидания, окажется работоспособным в заданный момент времени, отсчитываемый от начала работы (или от другого строго определенного момента времени), и начиная с этого момента времени будет работать безотказно в течение заданного интервала времени.

Средний коэффициент оперативной готовности — усредненное на заданном интервале значение нестационарного коэффициента оперативной готовности.

Стационарный коэффициент оперативной готовности (коэффициент оперативной готовности) — вероятность того, что восстанавливаемый объект окажется работоспособным в произвольный момент времени и с этого момента времени будет работать безотказно в течение заданного интервала времени.

Коэффициент технического использования — отношение средней наработки объекта в единицах времени за некоторый период эксплуатации к сумме средних значений наработки, времени простоя, обусловленного техническим обслуживанием, и времени ремонтов за тот же период эксплуатации.

Интенсивность отказов — условная плотность вероятности отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник.

Параметр потока отказов — плотность вероятности возникновения отказа восстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени.

Параметр потока отказа может быть определен как отношение числа отказов объекта за определенный интервал времени к длительности этого интервала при ординарном потоке отказов.

Интенсивность восстановления — условная плотность вероятности восстановления работоспособности объекта, определенная для рассматриваемого момента времени, при условии, что до этого момента восстановление не было завершено.

1.5. Показатели долговечности и сохраняемости Гамма-процентный ресурс — наработка, в течение которой объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью 1 - у.

Средний ресурс — математическое ожидание ресурса.

Назначенный ресурс — суммарная наработка объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния.

Средний ремонтный ресурс — средний ресурс между смежными капитальными ремонтами объекта.

Средний ресурс до списания — средний ресурс объекта от начала эксплуатации до его списания.

Средний ресурс до капитального ремонта — средний ресурс от начала эксплуатации объекта до его первого капитального ремонта.

Гамма-процентный срок службы — срок службы, в течение которого объект не достигает предельного состояния с вероятностью 1 - у.

Средний срок службы — математическое ожидание срока службы.

Средний межремонтный срок службы — средний срок службы между смежными капитальными ремонтами объекта.

Средний срок службы до капитального ремонта — средний срок службы от начала эксплуатации объекта до его первого капитального ремонта.

Средний срок службы до списания — средний срок службы от начала эксплуатации объекта до его списания.

Гамма-процентный срок сохраняемости — продолжительность хранения, в течение которой у объекта сохраняются установленные показатели с заданной вероятностью 1 - у.

Средний срок сохраняемости — математическое ожидание срока сохраняемости.

Существуют две формы представления показателей надежности: ве-роятностная и статистическая.

Вероятностная форма обычно бывает удобнее при априорных аналитических расчетах надежности, статистическая - при экспериментальном исследовании надежности технических объектов.

Процесс эксплуатации объекта с восстановлением можно представить как по­ следовательность интервалов работоспособности ^, чередующихся с интервалами простоя Лд, т.е. ^ т ] \ъ ••• • Математической моделью процесса эксплуатации объекта может стать соответствующий случайный процесс.

fi (t) — плотность распределения F i (t);

т. е. P(t ) — вероятность того, что объект проработает безотказно в течение заданного времени работы t, начав работать в момент времени t = 0, или вероятность того, что наработка до отказа окажется больше заданного времени работы;

б). Статистическое определение т. е. P(t )— отношение числа объектов, безотказно проработавших до момента времени t, к числу объектов, исправных в начальный момент времени t = 0, или частость события, состоящего в т о м, что реализация времени работы объекта до отказа окажется больше заданного времени работы t. Иногда сама выполняемая объектом задача имеет случайную длительность ^, характеризующуюся своей функцией распределения W (t) = Р {t, Л t}. В этом случае полная вероятность безотказной работы объекта за время выполнения задачи дополнительная к вероятности безотказной работы, т. е.

т. е. Р (t, t + t ) — вероятность того, что объект проработает безотказно в течение заданного времени работы t, начинающегося с момента времени t, или условная вероятность того, что случайная наработка объекта до отказа окажется больше величины t + to при условии, что объект уже проработал безотказно до момента времени t;

б). Статистическое определение т. е. P(t,t + t )— отношение числа объектов, проработавших до момента времени t+t к числу объектов, исправных к моменту времени t, или частость события, состоящего в том, что реализация наработки объекта до отказа окажется больше t + t при условии, что эта реализация больше величины t.

дополнительная к соответствующей вероятности, т. е.

5. Плотность распределения отказов:

а). Вероятностное определение т. e. f(t)— плотность вероятности того, что время работы объекта до отказа окажется меньше t, или плотность вероятности отказа к моменту времени t.

б). Статистическое определение т. e. f(t) — отношение числа отказов в интервале времени [tj + At] к произведению числа исправных объектов в начальный момент времени t = 0 на длительность интервала времени At.

6. Интенсивность отказов объекта в момент времени t:

а). Вероятностное определение т. е. X{t) — условная плотность вероятности отказа объекта к моменту времени t при условии, что до этого момента отказ изделия не произошел, б. Статистическое определение исправных объектов в момент времени t на длительность интервала времени At.

7. Средняя наработка объекта до отказа:

а). Вероятностное определение т. е. T i — математическое ожидание (среднее значение) наработки до отказа, б). Статистическое определение Для восстанавливаемых объектов приводятся только дополнительные показатели надежности. Все показатели для невосстанавливаемых объектов также могут быть применимы для характеристики восстанавливаемых объектов, повторно они не приводятся.

Введем дополнительные обозначения: g (t) — плотность распределения G (t); G (f) = 2.2.1.5. ВФИ-распределенпе. В табл. 2.12 приведены нижняя и верхняя оценки для некоторых показателей надежности системы, представляющей собой последовательное соединение элементов, имеющих ВФИ-распределение наработки до отказа, причем В табл. 2.12 через Т ( ) обозначена k-я из величин T, упорядоченных по возрастанию, т.е.

последовательно соединенных «стареющих» элементов