книги / Проектирование бесконтактных управляющих логических устройств промышленной автоматики

271

Если элемент Т-403 включается в схеме на 2 входа, то значение средней интенсивности отказов будет ЯСр=5,48-10~6 1/ч. При включении элемента на один вход Яср= 5 ,36-10-6 1/ч.

Если состояние элемента в схеме меняется редко, т. е. время меж­ ду изменениями состояний больше времени между планово-предупреди­ тельными осмотрами, общая интенсивность отказов считается как сум­ ма интенсивностей отказов только тех деталей, которые влияют на заданное функциональное состояние. В этом случае интенсивность отка­ зов усилителя Т-403 при поддержании им нулевого сигнала на выходе определяется только работой деталей Rz, Ra, Ri, Ra, Rio, Ti, Tz, Ts и бу­ дет равно:

общая интенсивность отказов элемента будет зависеть от интенсивнос­ тей отказов деталей Ri, Rz,, Ra, R e - 9, Rio, Д 1 (или Д%, или Д 3), Д 4, Ti, Гг, Т’з и будет равна Яоо1=4Д5-10-6 1/ч.

Если на входе элемента будет одна из комбинаций 011, 101, 110, то вместо одного диода будут работать два, причем отказ одного диода не приведет к отказу на выходе элемента, так как сигнал будет посту­ пать через другой диод. В этом случае совместная интенсивность отка­

при этом общая интенсивность отказов элемента будет равна:

Яоп=4,71 •10~6 1/ч.

При подаче на вход элемента комбинации 111 общая интенсивность отказов, определяемая аналогично, будет равна Яш =4,7-10~6 1 /ч.

Из вышеперечисленных расчетов следует, что интенсивности отка­ зов элемента Т-403 при различных комбинациях на входе получаются близкими по значениям, поэтому можно принять, что

272

Т а б л и ц а iu-o

2.При р, > о значения интенсивностей отказов при каждой отдельной комбинации входных сигналов при­ ведены средними арифметическими этих значений.

3.При р < я значения интенсивностей отказов при каждом функциональном состоянии элементов также ■ааменены средними арифметическими этих значений.

6. Для практических расчетов следует пользоваться значениями X как более обоснованными.

Расчет интенсивностей отказов логических элементов в динамиче­ ском режиме, т. е. при изменении состояния выхода элемента, произво­ дится по методике, изложенной в [24]. Так же как и при расчете А0р, здесь учитывают интенсивности отказов всех деталей, входящих в эле­ мент. Отличие заключается только в том, что по данной методике учи­ тывается максимально возможная загрузка деталей. Так, например, ес­ ли в статическом режиме элемента Т-403 (рис. 12-8) учитывается, что при нулевом сигнале на выходе больше загружен транзистор Т%, а при единичном Ti и 7з, то в динамическом режиме принимается наибольшая загрузка всех транзисторов. Если элемент имеет несколько входов, со­ единенных параллельно, то интенсивность их отказов рассчитывается, как в статическом режиме, по формулам

Но при работе в динамическом режиме чаще всего подается сиг­ нал только на один вход. Поэтому точнее будет просто просуммировать интенсивности отказов параллельных входов, что и сделано при расче­

те Яср.

Расчеты интенсивностей отказов удобнее производить в табличной форме (табл. 12-4).

Расчеты интенсивностей отказов остальных элементов типа «Логи- ка-Т» приведены в табл. 12-5.

12-5. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ ОТКАЗОВ УПРАВЛЯЮЩИХ ЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

При общих расчетах надежности любого устройства промышленной автоматики обязательным показателем, который необходимо опреде­ лить, является общая интенсивность отказов всей схемы А.

При расчетах Я-характеристик отдельных логических элементов бы­ ли определены их значения для статического и динамического режимов работы. Аналогично можно рассматривать динамический и статический режимы работы логического устройства.

Динамический режим — это изменение состояний промежуточных и выходных элементов при поступлении входных сигналов управления. Он составляет значительную часть времени работы устройств кратко­ временного и повторно-кратковременного действия и определяет их на­ дежность.

Статический режим схемы — это сохранение элементами устройст­ ва'заданного состояния. Он определяет надежность устройств с редки­ ми срабатываниями.

Таким образом, интенсивность отказов любого устройства, в общем,

Лс — статическая составляющая интенсивностей отказов схемы.

Для большинства управляющих логических устройств величина Лд мала по сравнению с Ас и ею можно пренебречь. Бесконтактное логи­ ческое устройство выполняет определенные операции: пуск, остановку,

274

реверс и т. д. Каждая операция выполняется цепочкой элементов, со­ ставляющий так называемый технологический канал устройства. Таким образом, под технологическим каналом устройства следует понимать совокупность элементов, обеспечивающих самостоятельную операцию или режим работы управляемого механизма или агрегата. Каждый тех­ нологический канал характеризуется соответствующим статическим и динамическим режимами работы. Но каждый технологический канал схемы работает не все время рабочего периода, а только часть его, сле­ довательно, и элементы технологического канала работают не все вре­ мя. Кроме того, и все устройство работает, как правило, не непрерывно.

Это требует введения следующих понятий, необходимых при рас­ четах общей интенсивности отказов схемы.

Коэффициент использования схемы по времени

где Т' •— среднесуточное время работы схемы; 7= 24x60= 1440 мин. Коэффициент использования технологических каналов по времени

где ti — время использования £-го технологического канала; kn и ki опре­ деляются на основании данных эксплуатационной статистики или тех­ нических условий проектов и включают в себя следующие сведения: среднесуточное число включений устройства, время процесса включения и работы, среднесуточное число отключений устройства, время процесса отключения и стоянки, время работы каждого технологического ка­ нала.

На основании анализа работы схемы составляются таблицы интен­ сивностей отказов технологических каналов по форме табл. 12-6.

По данным этой таблицы определяется суммарная интенсивность отказов технологического канала:

где Хэл — интенсивность отказов элементов, составляющих г-й техноло­ гический канал; Xs i— суммарная интенсивность отказов технологиче­

ского канала.

В таблицу вписываются лишь те элементы, отказ которых приво­ дит к отказу на выходе соответствующего технологического канала.

Далее необходимо определить вероятность безотказной работы! устройства, которая выразится через вероятность безотказной работы технологических каналов как

Выражение (12-11) можно переписать таким образом:

При приведении времени Т' к масштабу полного времени Т можно определить приведенную интенсивность отказов устройства:

Полученное выражение служит для определения общей приведен­ ной интенсивности отказов схемы как суммы интенсивностей отказов составляющих ее технологических каналов с учетом коэффициентов использования каждого из них в работе всей схемы, а также коэффи­ циента использования всей схемы.

В случаях, когда нет необходимости точно определять Л, можно принять Л как сумму Язл, что даст завышенное значение Л и, следова­ тельно, заниженное значение Р (/) ех-

Результаты расчетов общей интенсивности отказов А, выполненные для нескольких бесконтактных станций управления из элементов «Ло­ гика-Т», приведены в табл. 12-7.

Из табл, 12-7 видно, что интенсивности отказов устройств для авто­ матизации фильтрационных насосов и сварочных выпрямителей, рабо­ тающих полный рабочий период, рассчитанные разными способами сравнительно мало отличаются друг от друга.

Для устройства программного управления кран-балкой, работа­ ющей периодически, разница результатов расчета довольно значи­ тельна.

2 7 6

Таким образом, расчеты Л для устройств из бесконтактных логи­ ческих элементов необходимо вести с учетом следующего:

для получения точного значения Л и для устройств, работающих периодически, необходимо вести расчеты с учетом технологических ка­ налов;

для приближенных расчетов и расчетов для устройств, работающих непрерывно в течение длительного времени, следует определить Л как арифметическую сумму X элементов и принять равной 0,4—0,5 этой об­ щей суммы.

Пример 12-1. Расчет общей интенсивности отказов автоматизированной свароч­ ной станции с многопостовыми статическими преобразователями ВК.СМ-1000 из эле­ ментов «Логика-Т»

Автоматическая станция управления параллельной работой пяти сварочных агре­ гатов ВКСМ-1000 предназначена для автоматического включения и отключения стати­

м

еяс явностей ’отказов всех элементов схемы.

2. Расчет А с учетом технологических каналов, за которые принимаем узлы, управляющие каждым сварочным выпрямителем в статическом и динамическом режи­ мах. Время использования каждого технологического канала определено путем прак­ тического хронометрирования действующей сварочной станции в условиях судоремонт­ ного производства.

На рис. 12-9 показана работа каждого канала в статическом и динамическом режимах (работа технологического канала в статическом режиме не заштрихована).

Суммарная интенсивность отказов каждого технологического канала определяется как сумма интенсивностей отказов составляющих его элементов.

Учитывая, что подробное определение суммарной интенсивности отказов техноло­ гических каналов приведено в § 15-6, ограничимся только конечными результатами:

К= 65,42-10- '®1/ч;

Т, (стат)

Si див = 83.09-10-». 1/ч:

^ Ч с ^ ) - 49’45*10" ’ 1/ч:

V * 4 < * * > ==6iU7-iO 's 1/ч-

Общая интенсивность отказов станции определится по формуле (12-16) и будет равна 55,6•i0“s 1/ч.

277

Г Л А В А Т Р И Н А Д Ц А Т А Я

ЭКОН О М И ЧЕСКАЯ Э Ф Ф ЕК ТИ ВН О СТЬ П РИ М ЕН ЕН И Я У П РА ВЛ ЯЮ Щ И Х Л О ГИ Ч ЕС К И Х УСТРОЙ СТВ

13-х. РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ

При нормальной эксплуатации бесконтактных управляющих логи­ ческих устройств возможны только случайные отказы, число которых характеризуется величиной интенсивности отказов, изменяющейся в со­ ответствии с кривой рис. 12-1. По окончании периода нормальной экс­ плуатации, начиная с момента времени t— 7и» начинают сказываться износ и старение деталей элементов и интенсивность их отказов начи­

Показатели безотказности указывают только, насколько надежен элемент в период нормальной эксплуатации, но не определяют время, через которое необходимо элемент заменить. Только наступление износовых отказов свидетельствует, что элементы необходимо заменять.

Случайные отказы, имеющие постоянную интенсивность в течение всего периода нормальной эксплуатации, не могут быть устранены пу­ тем профилактического обслуживания или замены элементов. Если, на­ пример, исправный элемент через некоторое время заменить, то веро­ ятность безотказной работы не увеличится, а, вероятнее всего, снизится за счет того, что замененный элемент не прошел приработки.

Не следует также оставлять элементы в работе по истечении време­ ни 7и, так как вероятность отказа элементов, а следовательно, и систем в этот период резко возрастает. Полная или частичная замена элемен­ тов должна производиться к моменту времени 7"и, т. е. к началу влия­ ния износовых явлений.

При определении эксплуатационного цикла технического обслужи­ вания для бесконтактных логических устройств нет необходимости со­ ставления графиков планово-предупредительных ремонтов. Более того, понятия текущего и среднего, ремонта заменяются понятием профилак­ тического осмотра или контрольной проверки. Планово-предунредитель- ные осмотры системы должны проводиться через некоторые оптималь­ ные промежутки времени, определяемые минимальными эксплуатацион­ ными затратами при поддержании достаточно высокого уровня надежности.

В практических условиях эксплуатации и при расчетах технико­ экономической эффективности использования логических элементов не­ обходимо определять только время между профилактическими осмотра­ ми. Замену же элементов в связи с их неремонтоспособностью следует производить при наступлении времени частых выходов элементов из строя.

13-2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДАННЫХ, НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ РАСЧЕТА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Для поддержания надежности любой схемы на заданном уровне необходимо через определенные промежутки времени производить про­ филактические осмотры. Во время профилактического осмотра проверя­ ются правильность работы схемы, исполнение всех операций в требуе-

278

мой последовательности, качество контактных соединений, т. е. опреде­ ляется в конечном счете ее работоспособность в данный момент време­ ни. По трудоемкости исполнения профилактический осмотр согласно [24] можно приравнять текущему ремонту.

Стоимость профилактических осмотров схемы за год можно опре­ делить по следующей формуле:

где п — число осмотров в году; /п.п о — время между осмотрами; So — стоимость одного осмотра, руб.

С учетом (12-5)

Для удобства последующего анализа стоимость профилактических осмотров целесообразно выразить в относительных единицах:

5 0тЙ(If ) = S ( t ) / S макс»

где SMaKo — максимальные затраты на осмотры, которые потребовались бы на поддержание вероятности безотказной работы Дзад.макс'^!- Для схем промышленной автоматики достаточно принять Р3ад.макс=0,99. В этом случае

а эксплуатационные затраты в относительных единицах за это же вре­ мя

из рис. 13-1 следует

tg ai=mtg ct2.

Момент времени, соответствующий условию (13-5), является опти­ мальным временем между профилактическими осмотрами схемы. Вели-

279

чину т в практических расчетах следует принимать равной двум или, при требовании особо высокой надежности, единице.

Цри «==2 скорость приращения эксплуатационных затрат в 2 раза меньше скорости приращения P (t), т. е. на единицу приращения p{t) тратится не более 0,5 единицы приращения эксплуатационных расходов, что вполне определяет смысл оптимальности рассматриваемых вели­ чин. И только при необходимости получения высокой Надежности мож­ но допустить положение, когда определенной скорости повышения p(t) соответствует такая же скорость повышения эксплуатационных расхо­ дов. Это соотношение будет выполняться при т = 1. Значения т<c l принимать не следует, так как в этом случае скорость приращения экс­ плуатационных расходов будет превышать скорость приращения p(t), что явно неэкономично. Значения т > 2 также принимать не следует, так как при этом экономически неоправданно будет занижаться надеж­ ность схем. Допустимы и промежуточные значения т = l-s-2.

Для конкретных значений т далее можно определить:

Лип — оптимальное значение вероятности безотказной работы;

tom — оптимальное значение времени между профилактическими осмотрами; 5опт — оптимальное значение эксплуатационных расходов.

Для этого продифференцируем значения (12-1). и (13-4) по време­ ни и подставим в (13-5). В результате получим:

Условия сходимости ряда:

JЛ^опт| *-7 1> т, е. ^onT^Cl/Aj

обеспечиваются, так как время профилактических осмотров всегда меньше наработки на отказ устройства.

Ограничиваясь двумя первыми членами ряда, получаем из (13-6):

Так как все величины, входящие в уравнение (13-7), положительны, то

Абсолютное значение годовых расходов ^опт^^отн-^макс—О,0218 •10». 8760S0A=1,91 •1055 оЛ.

280