Методическое указание к практическим занятиям МДК.05.01 Теоретические основы обеспечения надежности систем автоматизации и модулей мехатронных систем


министерство образования и науки Российской Федерации
Старооскольский технологический институт им. А.А. УГАРОВА
(филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения
высшего образования
«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
ОСКОЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ
УТВЕРЖДЕНО НМС ОПК
протокол №01
от «01» сентября 2016 г.
МДК.05.01. Теоретические основы обеспечения надежности систем автоматизации и модулей мехатронных систем
Методические указания для студентов очной формы обучения
по выполнению практических заданий
Специальность
15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)
Старый Оскол 2016
Рассмотрены на заседании П(Ц)К спец. 13.02.11 и 15.02.07
Протокол №01
от «01» сентября 2016 г
Председатель П(Ц)К
______________________М. В. Горюнова Методические указания составлены в соответствии с рабочей программой по ПМ.05. МДК 05.01 Теоретические основы обеспечения надежности систем автоматизации и модулей мехатронных систем
Специальности 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)
Составители:
Ковалев А.П., преподаватель ОПК СТИ НИТУ «МИСиС»
СОДЕРЖАНИЕ
введение ……………………………………………………………………………..5
Практическая работа №1 ………………………………………………………6
Практическая работа №2 ………………………………………………………8
Практическая работа №3 ………………………………………………………11
ПрактическИЕ работЫ №4… ……………………………………………………15
Список литературы ………………………………………………………………18
TOC \o "1-2" \h \z \u
введениеНевозможно себе представить современные технологические процессы без огромного количества автоматизированных и автоматических систем. Естественно, что надёжность этих систем – это один из фундаментальных вопросов проектирования и эксплуатации.
Вопросам надёжности систем управления (САУ), особенно на стадии проектирования АСУ ТП с каждым годом уделяется всё большее внимание. Важность проблемы надежности САУ обусловлена их повсеместным распространением фактически во всех отраслях промышленности.
Основы теории надежности, применительно к описанию технических систем управления.
Надежность – свойство системы сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность системы выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации.
Цель дисциплины: формирование представлений об основных принципах расчета основных параметров надёжности простых и сложных систем..
Практическая работа №1
Предварительный и окончательный расчет надежности электронного узла.
Цель работы: провести расчет надёжности электронного узла, закрепить знания приобретённые в ходе лекций.
Студент должен уметь:
рассчитывать надежность систем управления и отдельных модулей и подсистем мехатронных устройств и систем;
определять условия эксплуатации оборудования систем автоматизации;
определять интенсивность отказов отдельных элементов (по справочникам)
Студент должен знать:
качественные и количественные показатели надежности;
методики расчета надежности на различных этапах проектирования, производства и эксплуатации
Теоретическая часть
Основными критериями надежности невосстанавливаемых систем являются:
вероятность безотказной работы P(t);
гамма-процентная наработка до отказа;
средняя наработка до отказа Тср;
плотность распределения времени безотказной работы (частота отказов) f(t);
интенсивность отказов λ(t).
Вероятностью безотказной работы P(t) называется вероятность того, что в пределах заданной наработки (продолжительность или объем работы объекта) отказа не возникает. .
Функцию P(t) часто называют функцией надежности. Вероятность безотказной работы P(t) характеризует надежность невосстанавливаемых объектов или восстанавливаемых объектов до первого отказа.
Вероятность безотказной работы P(t) является убывающей функцией времени, имеющей следующие свойства: 0 ≤ Р(t) ≤ 1, Р(0) = 1, Р(+∞) = 0
Вероятность безотказной работы P(t) можно связать с вероятностью отказа F(t) следующим соотношением: P(t) + F(t) = 1; P(t) = 1 - F(t).
Исходя из статистических данных об отказах, полученных из эксперимента или эксплуатации, вероятность безотказной работы P(t) определяется следующей статистической оценкой:
P(t) =N(t)N=N-n(t)N,
где N - общее число образцов, находящихся на испытании; N(t) - число исправно работающих образцов в момент времени t; n(t) - число отказавших образцов в течение времени t.
Практическая часть
Выполнить предварительный расчет надежности для предложенной схемы электронного узла, используя справочные данные.
Выполнить окончательный расчет надежности для предложенной схемы электронного узла, используя справочные данные и условия эксплуатации устройства.

Контрольные вопросы:
Что такое средняя наработка на отказ (формула)?
Что такое время безотказной работы (формула)?
Что такое интенсивность отказов (обозначение)?
Что такое плотность распределения отказов (обозначение)?
Практическая работа №2
Общие вопросы теории надежности.
Цель работы: провести расчет основных параметров надёжности узла, закрепить знания приобретённые в ходе лекций.
Студент должен уметь:
определять интенсивность отказов отдельных элементов (по справочникам)
Студент должен знать:
качественные и количественные показатели надежности;
Теоретическая часть
Показателями надежности называются количественные характеристики одного или нескольких свойств, составляющих надежность системы. При выборе показателей надежности следует иметь в виду, что эти показатели должны достаточно полно описывать надежностные свойства системы, быть удобными для аналитического расчета и экспериментальной проверки по результатам испытаний, должны иметь разумный физический смысл и, наконец, допускать возможность перехода к показателям эффективности.
Для невосстанавливаёмых систем ограничимся здесь показателями безотказности. Отметим, что эти же показатели описывают системы, в принципе подлежащие восстановлению после отказов, но поведение которых целесообразно рассматривать до момента первого отказа. К их числу, например, можно относить системы, чьи отказы чрезвычайно редки и вызывают особо тяжелые последствия.
Функция и плотность распределения наработки до отказа. Наработка до отказа Т, как и любая иная случайная величина, описывается функцией распределения F(t), определяемой как вероятность Р случайного события, заключающегося в том, что наработка до отказа Т меньше некоторой заданной наработки t:
F(t)=P{T<t}. (1)
Эта вероятность рассматривается как функция t во всем диапазоне возможных значений величины Т.
Функция распределения любой случайной величины является неубывающей функцией времени t. Примерный вид функции F(t) дан на рис. 3. Так как значения Т не могут быть отрицательны, то F(0) = 0. При t величина F(t) стремится к единице.
Кроме указанного выше вероятностного определения функции F(t), для нее (как и для указанных ниже показателей надежности) можно привести и статистические определения, используемые при испытаниях на надежность. Статистические определения позволяют более полно объяснить смысл вероятностных определений. Чтобы их различать, обозначения статистических определений далее будут отмечать волнистой чертой сверху.
Для рассмотрения статистических определений показателей надежности невосстанавливаемых систем предположим, что на испытания поставлено N одинаковых систем, условия испытаний одинаковы, а испытания каждой из систем проводятся до ее отказа. Обозначим N(t) число систем, отказавших к моменту t, т. е. на интервале (0, t). Очевидно, что N(0) = 0, а при t величина N(t) N.
Статистическим определением функции распределения F(t) (или, как говорят, эмпирической функцией распределения) является функция
(t)=N(t)/N, (2)

причем (0) = 0, а при t величина (t)
Так как события, заключающиеся в наступлении или ненаступлении отказа к моменту t, являются противоположными, то в соответствии с (1) введем еще одну функцию
P(t) = P{T t} =1 - F(t), (3)
которую часто называют функцией надежности. Так как при t = 0 система работоспособна, то P(0) = С увеличением времени t P(t) монотонно убывает, а при t величина P(t) 0. Примерный вид функции P(t) дан на рис. 3.
Статистическое определение функции надежности следует из ( 2):
(t) =1- (t) = [N - N(t)]/N, (4)
где N-N (t) – число систем, работоспособных к моменту t.
Функция F(t), как правило, непрерывна, и существует непрерывная плотность распределения наработки до отказа
f(t) = dF(t)/dt. (5)
Вероятности отказа и безотказной работы. Зафиксируем в выражении (1) определенное значение t = t Тогда
Q(t1) = F(tl) = P{T < t1}, (7)
является вероятностью отказа системы до момента t
В отличие от статистического определения функции F(t) во всем диапазоне ее изменения при различных t статистическое определение вероятности отказа (t1) на интервале (0, t1) требует при той же точности оценивания меньших статистических данных. При фиксированном значении t = t1 статистическое определение вероятности отказа
(t1) = N(t1)/N. (8)
Теперь зафиксируем значение t = t1 в выражении (3). При этом
Р(t1) = Р{T > t1}, ( 9)
называем вероятностью безотказной работы до момента t1 – вероятностью того, что система проработает безотказно на интервале (0, t1), начав работать в момент времени t = 0.
Статистическое определение вероятности безотказной работы

(t1) = l – (t1) = [N-N(t1)] / N. (10)
Для решения различных задач в качестве показателя надежности используется вероятность безотказной работы P(t1, t2) системы на интервале (t1, t2) при условии, что эта система безотказно проработала до момента t Определим этот показатель по формуле умножения вероятностей, обозначив через А и В соответственно события, выражающие безотказную работу системы на интервалах (0, t1) и (t1, t2). Вероятность события АВ — безотказной работы на интервале (0, t2) будет
Р{AВ} = Р{A}Р{B/A}.
Отсюда
Р(t1, t2) = Р{В/А} = P{АВ}/Р{А} = Р(t2)/Р(t1). (11)
Интенсивность отказов. При описании надежности невосстанавливаемых систем широкое применение получила такая характеристика, как интенсивность отказов (t). Она определяется как условная плотность вероятности отказа системы в момент t при условии, что до этого момента отказы не возникали.
Условная вероятность безотказной работы системы на интервале (t, t+ t) при условии, что система работоспособна в момент t, определяется выражением (11):
P(t, t+ t) = P(t+ t)/P(t).
На интервале (t, t+ t) условная вероятность отказа системы

1 – P(t, t+ t)=1 – P(t, t+ t) / P(t) = – [P(t+ t) – P(t)] / P(t);
Практическая часть
Определить вероятность безотказной работы за 15000 часов для узла, содержащего 4 последовательно включенных элемента, имеющих следующие интенсивности отказов:
λ1=0,2*10-6 , λ2=0,4*10-6 , λ3=0,5*10-6 , λ4=0,2*10-6 .
Определить среднее время наработки на отказ для узла с параметрами из предыдущей задачи при условии: коэффициент эксплуатации 2, коэффициент нагрузки 0,8, климатический коэффициент 1,0
Контрольные вопросы:
Вероятность безотказной работы для параллельных событий?
Вероятность безотказной работы для последовательных событий событий?
Вероятность отказа для параллельных событий?
Вероятность отказа для последовательных событий событий?
Практическая работа №3
Обоснование необходимости и выбор типа резервирования для системы автоматизации.
Цель работы: провести расчет основных параметров надёжности резервируемого узла, закрепить знания приобретённые в ходе лекций.
Студент должен уметь:
предлагать схемотехнические методы повышения надежности
Студент должен знать:
методы повышения надежности на различных этапах проектирования, производства и эксплуатации;
назначение элементов систем, обеспечивающих надежность работы систем автоматики и элементов мехатронных устройств и систем;
Теоретическая часть
Резервирование - метод повышения надежности объекта введением дополнительных элементов и функциональных возможностей сверх минимально необходимых для нормального выполнения объектом заданных функций. В этом случае отказ наступает только после отказа основного элемента и всех резервных элементов.
Систему можно представить из ряда ступеней, выполняющих отдельные функции. Задача резервирования состоит в нахождении такого числа резервных образцов оборудования на каждой ступени, которое будет обеспечивать заданный уровень надежности системы при наименьшей стоимости.
Выбор наилучшего варианта зависит главным образом от того увеличения надежности, которое можно достичь при заданных расходах.
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.
Виды резервирования
Структурное (элементное) резервирование - метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточных элементов, входящих в физическую структуру объекта. Обеспечивается подключением к основной аппаратуре резервной таким образом, чтобы при отказе основной аппаратуры резервная продолжала выполнять ее функции.
Резервирование функциональное - метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование способности элементов выполнять дополнительные функции вместо основных и наряду с ними.
Временное резервирование - метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточного времени, выделенного для выполнения задач. Другими словами, временное резервирование - такое планирование работы системы, при котором создается резерв рабочего времени для выполнения заданных функций. Резервное время может быть использовано для повторения операции, либо для устранения неисправности объекта.
Информационное резервирование - метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточной информации сверх минимально необходимой для выполнения задач.
Нагрузочное резервирование - метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование способности его элементов воспринимать дополнительные нагрузки сверх номинальных.
С позиций расчета и обеспечения надежности технических систем необходимо рассматривать структурное резервирование.
4.4.2. Способы структурного резервирования
По способу подключения резервных элементов и устройств различают следующие способы резервирования (рис. 4.4.1).

Рис. 4.4.1. Способы структурного резервирования
Резервирование раздельное (поэлементное) с постоянным включением резервных элементов (рис. 4.4.2).
Такое резервирование возможно тогда, когда подключение резервного элемента не существенно изменяет рабочий режим устройства. Достоинство его - постоянная готовность резервного элемента, отсутствие затраты времени на переключение. Недостаток - резервный элемент расходует свой ресурс так же, как основной элемент.

Резервирование раздельное с замещением отказавшего элемента одним резервным элементом (рис. 4.4.3). Это такой способ резервирования, при котором резервируются отдельные элементы объекта или их группы.
В этом случае резервный элемент находится в разной степени готовности к замене основного элемента. Достоинство этого способа - резервный элемент сохраняет свой рабочий ресурс, либо может быть использован для выполнения самостоятельной задачи. Рабочий режим основного устройства не искажается. Недостаток - необходимость затрачивать время на подключение резервного элемента. Резервных элементов может быть меньше, чем основных.
Отношение числа резервных элементов к числу резервируемых называется кратностью резервирования - m. При резервировании с целой кратностью величина m есть целое число, при резервировании с дробной кратностью величина m есть дробное несокращаемое число. Например, m=4/2 означает наличие резервирования с дробной кратностью, при котором число резервных элементов равно четырем, число основных - двум, а общее число элементов равно шести. Сокращать дробь нельзя, так как если m=4/2=2/1, то это означает, что имеет место резервирование с целой кратностью, при котором число резервных элементов равно двум, а общее число элементов равно трем.
При включении резерва по способу замещения резервные элементы до момента включения в работу могут находиться в трех состояниях:
- нагруженном резерве;
- облегченном резерве;
- ненагруженном резерве.
Нагруженный резерв - резервный элемент, находящийся в том же режиме, что и основной.
Облегченный резерв - резервный элемент, находящийся в менее нагруженном режиме, чем основной.
Ненагруженный резерв - резервный элемент, практически не несущий нагрузок.
Резервирование общее с постоянным подключением, либо с замещением (рис. 4.4.4). В этом случае резервируется объект в целом, а в качестве резервного - используется аналогичное сложное устройство. Этот способ менее экономен, чем раздельное резервирование. При отказе, например, первого основного элемента возникает необходимость подключать всю технологическую резервную цепочку.

Рис. 4.4.4. Резервирование общее
Резервирование мажоритарное ("голосование" n из m элементов) (рис. 4.4.5). Этот способ основан на применении дополнительного элемента - его называют мажоритарный или логический или кворум-элемент. Он позволяет вести сравнение сигналов, поступающих от элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Если результаты совпадают, тогда они передаются на выход устройства. На рис. 4.4.5 изображено резервирование по принципу голосования "два из трех", т.е. любые два совпадающих результата из трех считаются истинными и проходят на выход устройства. Можно применять соотношения три из пяти и др. Главное достоинство этого способа - обеспечение повышения надежности при любых видах отказов работающих элементов. Любой вид одиночного отказа элемента не окажет влияния на выходной результат.
Практическая часть
выполнить расчет показателя надежности без резерва для временного интервала 20000 часов и сделать вывод о том, какие меры повышения надежности дадут желаемый результат
выполнить расчет показателей надежности Вашей схемы с учетом двух вариантов резервирования для временного интервала 20000 часов и сравнить результаты расчетов по разным вариантам
сделать вывод о наиболее оптимальном методе обеспечения надежности
Контрольные вопросы:
Что такое резервирование?
Какие типы резервирования Вам известны?
Что такое «нагруженный резерв», его плюсы и минусы?
Что такое «не нагруженный резерв», его плюсы и минусы?
Практическая работа №4
Способы и методы повышения надежности систем автоматизации.
Цель работы: провести расчет вероятности безотказной работы резервируемого узла, закрепить знания приобретённые в ходе лекций.
Студент должен уметь:
предлагать схемотехнические методы повышения надежности
обеспечивать надежность автоматических устройств за счет правильной эксплуатации систем
Студент должен знать:
методы повышения надежности на различных этапах проектирования, производства и эксплуатации;
назначение элементов систем, обеспечивающих надежность работы систем автоматики и элементов мехатронных устройств и систем;
Теоретическая часть
Расчетные зависим для определения основных характеристик надежности ТС показывают, что надежность системы зависит от ее структуры и надежности элементов. Поэтому для сложных систем возможны 2 пути повышения над-ти: повышение надежности элем и изменение структурной схемы.
Повышение надежности элем на 1 взгляд представляет наиболее простым приемом повышения надежности системы. Действительно, теоретически всегда можно указать такие характеристики надежности элементов, чтобы вероятность безотказной работы системы удовлетворяла заданным требованиям. Однако практическая реализация такой высокой надежности элементов может оказаться невозможной. Рассмотрение методов обеспечения надежности элементов ТС является предметом специальных технологических и физико-химических дисциплин и выходит за рамки теории надежности. Однако, в любом случае, высоконадежные элементы, как правило, имеют большие габариты, массу и стоимость. Исключение составляет использование более совершенной элементной базы, реализуемой на принципиально новых физических и технологических принципах (например, в РЭС - переход от дискретных элементов на интегральные схемы).
Изменение структурной системы с целью повышения надежности подразумевает 2 аспекта.
1, это означает перестройку конструктивной или функциональной схемы ТС (структуры связей между составными элементами), изменение принципов функционирования отдельных частей системы (например, переход от аналоговой обработки сигналов к цифровой). Такого рода преобразования ТС возможны исключительно редко, так что этот прием, в общем, не решает проблемы надежности.
2, изменение структуры понимается как введение в ТС дополнительных, избыточных элементов, включающихся в работу при отказе основных. Применение дополнительных средств и возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов называется резервированием.
Принцип резервирования подобен рассмотренному ранее параллельному соединению элементов и соединению типа “n из m” , где за счет избыточности возможно обеспечение более высокой надежности системы, чем ее элементов.
Выделяют несколько видов резервирования (временное, информационное, функциональное и др.). для анализа структурной надежности ТС интерес представляет структурное резервирование - введение в структуру объекта дополнительных элементов, выполняющих функции основных элементов в случае их отказа.
Классификация различных способов структурного резервирования осуществляется по следующим признакам:
1) по схеме включения резерва:
- общее резервирование, при котором резервируется объект в целом;
- раздельное резервирование, при котором резервируются отдельные элементы или их группы;
- смешанное резервирование, при котором различные виды резервирования сочетаются в одном объекте;
2) по способу включения резерва:
- постоянное резервирование, без перестройки структуры объекта при возникновении отказа его элемента;
- динамическое резервирование, при котором при отказе элемента происходит перестройка структуры схемы. В свою очередь подразделяется на:
а) резервирование замещением, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного;
б) скользящее резервирование, при котором несколько основных элементов резервируется одним или несколькими резервными, каждый из которых может заменить любой основной (те. группы основных и резервных элементов идентичны).
3) по состоянию резерва:
- нагруженное резервирование, при котором резервные элементы (или один из них) находятся в режиме основного элемента;
- облегченное резервирование, при котором резервные элементы (по крайней мере один из них) находятся в менее нагруженном режиме по сравнению с основными;
- ненагруженный резерв, при котором резерв элем до начала выполнения ими функций находящейся в ненагруженном режиме.
Практическая часть
определить вероятность безотказной работы за 15000часов для узла, содержащего 4 последовательно включенных элемента, имеющих следующие интенсивности отказов:
λ1=0,2*10-6 , λ2=0,4*10-6 , λ3=0,5*10-6 , λ4=0,2*10-6 . Схема имеет резервирование каждого элемента с кратностью резервирования 1.
определить среднее время наработки на отказ для узла с параметрами из предыдущей задачи при условии: коэффициент эксплуатации 2, коэффициент нагрузки 0,8, климатический коэффициент 1,0. Зарезервированы два первых элемента с кратностью резервирования 2
определить вероятность безотказной работы и время наработки на отказ для узла, содержащего 4 последовательно включенных элемента, имеющих следующие значения интенсивности отказов: λ1= 0,2*10-6 , λ2= 0,024*10-6, λ3= 0,5*10-6 , λ4= 0,510-6. Схема не имеет резервирования.
определить вероятность безотказной работы и время наработки на отказ, если будет зарезервирован первый элемент с кратностью резервирования m=1.
определить вероятность безотказной работы и время наработки на отказ, если будут зарезервированы второй и третий элементы с кратностью резервирования m=2.
пояснить суть нагруженного пассивного резервирования. Привести примеры, достоинства, недостатки, область применения.
Контрольные вопросы:
Назовите 2 аспекта изменения структуры с целью повышения надёжности?
На что делится динамическое резервирование?
Назовите способы включения резерва.
Список использованных источников
Основные источники:
Метрология, сертификация и стандартизация: учеб. Пособие/ Троценко И.А., Тарасова М.В.-М.: Омский государственный аграрный университет имени П.А.Столыпина, 2014-108с.
Метрология, стандартизация, сертификация. Учебник/Рыжаков В.В. –М.: Пензенский государственный технологический университет, 2012-338с.
ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ, СТАНДАРТИЗАЦИИ, СЕРТИФИКАЦИИ И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА. учебное пособие / Шелепаев А.Г., Осипович Л.М., Соловьева О.Н., Смирнова О.Е. –М.: Министерство образования и науки Российской Федерации, Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин). Новосибирск, 2012
Дополнительные источники:
Метрология, стандартизация и сертификация: учебник/В. М. Клевлеев, И. А. Кузнецова, Ю. П. Попов.-М: Форум: ИНФРА-М, 2004-256с.
Метрология, стандартизация и технические средства измерений: учебник для вузов/Д. Ф. Тартаковский, А. С. Ястребов.- М.: Высшая школа, 2002.-205с.
Основы метрологии, стандартизации и сертификации: учебное пособие/Н. Д. Дубовой, Е. М. Портнов.-М. : Форум: ИНФРА-М, 2009.-255с.
Средства измерения, контроля и автоматизации технологических процессов. Вычислительная и микропроцессорная техника: учебное пособие для техникумов/К. И. Котов, М. А. Шершевер.-М.: Металлургия, 1989.-490с.
Периодические издания
«Контрольно-измерительные приборы»
«Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика»
«Промышленные контроллеры».
Программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
http://www.obzh.ru/nad/index.html – Надежность технических систем и техногенный риск –электронное учебное пособие. МЧС России. EMERCOM.
http://window.edu.ru/library?p_rubr=2.2.75.2 - Диагностика и надежность автоматизированных систем. Часть 1: Учебное пособие / Хмельницкий А.К., Пожитков В.В., Кондрашкова Г.А.
http://window.edu.ru/library?p_rubr=2.2.75.2 Диагностика и надежность автоматизированных систем. Часть 2: Учебное пособие / Хмельницкий А.К., Пожитков В.В., Кондрашкова Г.А.
http://window.edu.ru/library?p_rubr=2.2.75.2 Надежность средств автоматизации: Методические указания и контрольные задания / Чистофорова Н.В., Голубцова Т.В.

Приложенные файлы


Добавить комментарий