Автоматизация технологических процессов и производств (стр. 8 из 10)

Характерными отказами автоматических систем вследствие воздействия электрических нагрузок являются:

1) обрыв элементов в результате перегорания;

2) короткое замыкание элементов в результате пробоя.

Величина электрических нагрузок в значительной степени зависит от режима работы системы. В установившемся режиме работы действительное значение нагрузки близко к ее расчетному значению, всегда меньшему, чем номинальное значение, поэтому обычно коэффициент нагрузки меньше единицы. В переходных режимах величина нагрузки может в несколько раз превышать расчетное значение, тогда коэффициент нагрузки становится большим единицы. Это обстоятельство характерно для моментов времени включения и выключения автоматической системы. В этом случае обычно появляется большее число отказов, чем при работе в установившемся режиме.

Радиоактивное излучение имеет место в случае применения автоматических систем в установках, использующих термоядерные двигатели. Наибольшее влияние на электронные системы оказывают нейтроны и гамма-лучи. При оценке влияния термоядерного излучения на элементы автоматических систем в первую очередь определяется характер влияния радиации, а затем уже допустимая доза радиации.

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

Выделим три класса нагрузок:

1) нагрузки-напряжения;

2) нагрузки-катализаторы;

3) пассивные нагрузки.

Нагрузки-напряжения связаны с созданием в элементах или системе напряжений. К ним отнесем механические нагрузки — вибрации, удар, ускорения и электрические нагрузки — ток, напряжение, рассеиваемую мощность. Таким образом, нагрузки-напряжения вызывают разрушение элементов системы в том случае, если они превышают допустимые значения.

Нагрузки-катализаторы сами по себе практически не вызывают напряжений в элементе или системе и, следовательно, без нагрузок-напряжений они не приводят к отказам. Однако нагрузки-катализаторы изменяют прочность материалов или ухудшают физические, химические и электрические параметры. К этой группе нагрузок отнесем климатические нагрузки: температуру, влажность, атмосферное давление, солнечную радиацию. Действительно, повышенные температуры изменяют, например, прочность материалов на разрыв; влажность изменяет электрическую прочность изоляционных материалов и т. д. В дополнение к климатическим нагрузкам можно иногда отнести и накопленное время работы системы или число циклов работы системы. Очевидно, что это может быть сделано в тех случаях, когда время работы изменяет прочностные характеристики элементов или системы в целом.

К, пассивным нагрузкам следует отнести такие условия работы системы и элементов, которые сами по себе не вызывают напряжений в элементах системы и не изменяют ее способности противостоять нагрузке, например воздействие пыли, песка, а также биологических факторов. Эти нагрузки в основном определяют выбор соответствующих материалов и конструктивных форм элементов и систем.

В большинстве случаев нагрузки являются случайными функциями времени, т. е. представляют случайный процесс.

В наиболее простейших случаях можно не учитывать корреляционных связей между различными типами нагрузок, т. е. считать нагрузки статистически независимыми. Кроме того, если изменение нагрузок во времени является стационарным случайным процессом, можно в качестве количественных характеристик нагрузок использовать распределения нагрузок как случайных величин.

Представляет интерес оценка, как возможных значений нагрузок, так и их максимальных значений. Для определения плотности вероятности нагрузок по известным реализациям случайного процесса (в случае стационарного процесса достаточно знать одну реализацию в течение длительного времени) необходимо разделить общее время наблюдения на достаточно малые интервалы и определить нагрузку в каждом интервале.

Рис. 6.1. Плотности вероятности нагрузки и плотности ее максимальных значений.

Таким образом может быть построена функция плотности вероятности нагрузки и плотность вероятности максимальных значений нагрузки в результате фиксирования в течение продолжительного отрезка времени максимальных нагрузок. Взаимное расположение указанных плотностей вероятностей показано на рис. 6.1.

Использование для расчетов надежности автоматических систем, плотностей вероятности нагрузок ni(Z) и (Zmax), соответствует условию приложения к системе статических нагрузок.

Рекомендуемая литература для дополнительного чтения:

1. Надежность АСУ. Учеб. пособие для ВУЗов. / под ред. Я.А. Хетагурова. – М.: Высшая школа, 1979. – 287 с.

2. Курочкин Ю.А. Надежность и диагностирование цифровых устройств и систем. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 240 с.

3. Северцев Н.А. Надежность систем в эксплуатации и отработке. Учебник для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 140 с.

Лекция 7

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

При создании и эксплуатации автоматических систем необходимо стремиться обеспечить заданную, а иногда и максимальную надежность системы при эксплуатации. Однако в практике создания сложных автоматических систем в большинстве случаев не удается, не только получить максимальную надежность, но и обеспечить даже при обычном подходе к проектированию и эксплуатации минимальную требуемую надежность системы. Поэтому при создании и эксплуатации систем необходимо принимать специальные меры, направленные на повышение надежности систем. Способы повышения надежности автоматических систем весьма многообразны и требуют от лиц, создающих системы, как широких научных и теоретических знаний, так и инженерного искусства, большого опыта и т. д.

Естественно, что детально рассмотреть все многообразие мер и способов повышения надежности весьма трудно и это связано было бы с освещением большого количества узконаправленных задач. Учитывая это обстоятельство, в настоящем параграфе будут рассмотрены общие методы и принципы повышения надежности автоматических систем. Изучение общих методов и принципов повышения надежности автоматических систем имеет также свои положительные стороны, обеспечивающие развитие правильных и перспективных направлений создания высоконадежных систем, без чего могут стать малоэффективными правильные решения более узких практических вопросов.

В соответствии с тремя главными фазами, которые проходит каждая система, будем рассматривать три метода повышения надежности систем: при проектировании, производстве и эксплуатации.

Следует отметить, что только объединенными мерами на каждой из этих фаз можно добиться высокой надежности создаваемой и эксплуатируемой системы. Тем не менее, решающее влияние на надежность автоматических систем оказывает фаза проектирования.

При проектировании системы выбирается принцип ее работы и структура. Осуществляется конструктивная разработка отдельных узлов и приборов и т. д., Если на стадии проектирования не будут учитываться вопросы, связанные с надежностью системы, и тем более, если будут допущены неточности, то обеспечить надежность системы за счет мер, принимаемых на двух последующих фазах (производстве и эксплуатации), весьма трудно. Это потребует больших материальных затрат, а в некоторых случаях даже практически невозможно. Прежде всего, при проектировании системы необходимо обеспечить требуемый уровень безотказности системы.

Проектирование системы начинается с выбора принципа работы системы. На этой стадии проектирования главное внимание должно быть обращено на выбор наиболее простой системы, имеющей по возможности наименьшее число элементов и связей между ними. Это требование подтверждается тем, что в нерезервированных системах вероятность отказа системы в первом приближении пропорциональна количеству элементов.

Наряду с выбором простой схемы, оцениваемой приближенно по количеству элементов, большое влияние на безотказность системы имеет выбор стабильной схемы. В стабильной по принципу действия схеме обычно наблюдаются минимальные связи между параметрами отдельных элементов, а также обеспечивается минимальное влияние отклонений параметров элементов на величину ошибки в выходной величине системы.

Таким образом, выбор простой и стабильной по принципу действия схемы является одной из главных мер обеспечения высокой безотказности системы как при внезапных, так и при постепенных отказах.

Иногда выбор простой по количеству элементов и в то же время стабильной схемы связан с преодолением определенных противоречий. В качестве примера можно привести задачу проектирования усилительного устройства системы. Известно, что для обеспечения стабильности коэффициента усиления в автоматических системах применяются отрицательные обратные связи.