Внешние и внутренние факторы, влияющие на надежность автоматизированных систем управления в приборостроении

Рассмотрим влияние на надежность систем автоматизированного управления климатических, механических, радиационных факторов и воздействия со стороны обслуживающего персонала.

Основными климатическими факторами окружающей среды являются: солнечная радиация, температура и относительная влажность воздушной среды, ее плотность, движение, наличие в ней твердых и газообразных примесей; снег, дождь, туман, иней, роса.

Солнечная радиация является одним из основных климатических факторов. В спектре излучаемой солнечной энергии около 9% приходится на ультрафиолетовую часть, около 50% - на видимую часть спектра и около 41% - на инфракрасные волны.

Для характеристики условий эксплуатации изделий определены три уровня концентрации пыли: 0,18; 1.0 и 2,0 г/м³. Из газообразных примесей в воздухе наиболее опасными являются сернистый газ и хлористые соли.

Плесневые грибки, попадая в аппаратуру, способны разлагать высокомолекулярные соединения как естественного, так и искусственного происхождения.

 

14.2 Влияние изменения температуры.

 

Повышение температуры вызывает ускорение протекания химических реакций. Под влиянием периодических тепловых воздействий происходит деформация элементов конструкций, обусловленные различными механическими повреждениями.

Параметры полупроводниковых приборов заметно изменяются даже при сравнительно небольших положительных температурах (выше 40 - 50ْ С). Изоляционные материалы с большой диэлектрической проницаемостью также сильно зависят от их температуры. Удельное объемное сопротивление полярных пластмасс с повышением температуры резко падает.

Под действием тепла механическая прочность изоляции уменьшается; электрическая прочность вначале увеличивается по причине удаления из материала влаги, а затем уменьшается до ее первоначального значения, и в итоге изоляция постепенно разрушается.

Электрическая прочность пластмасс пропорциональна их сопротивлению в степени от 0,34 до 0,14. При низких температурах у слоистых и волокнистых фенопластов сильно снижается ударная прочность.

Влияние влажности

 

Под действием влаги у металлических поверхностей изменяется цвет, степень шероховатости, электропроводность, поверхностная прочность и т. п. Латунные детали в местах больших механических напряжений (в местах изгибов с малыми радиусами и в местах вытяжки) под действием повышенной влажности ломаются.

Сварные соединения, если они недостаточно защищены от действия влаги, корродируют и расширяются в местах сварки металлов.

Вредное действие оказывает влага в виде конденсата на поверхностях деталей систем, образующего при быстром изменении температуры.

Использование благородных металлов и их сплавов не гарантирует отсутствие отказов в работе приборов в условиях повышенной влажности.

Вода в чистом виде обладает большой диэлектрической проницаемостью (є = 81), поэтому даже при относительно малом объеме в материале она может вызвать изменение его диэлектрической проницаемости в несколько раз.

В результате может изменяться частота колебательных контуров и уменьшаться их добротность, что в свою очередь повлечет за собой расширение полосы частот, ухудшение стабильности работы генераторов или уменьшение выходного напряжения элементов с частотно зависимыми характеристиками.

Механические воздействия

 

Механические воздействия на различные элементы и системы управления могут происходить как в процессе эксплуатации, так и при траспортировке. Различают два вида механических воздействий: удары и вибрация.

Удар возникает в тех случаях, когда устройства претерпевают быстрое изменение ускорения. От ударов могут происходить разрушения слабых элементов конструкций или элементов, находящихся под механическим напряжением.

Действие ударов в условиях пониженной температуры вызывает значительно больше повреждений конструкций, чем в нормальных условиях работы, из-за повышенной хрупкости многих изоляционных материалов, а также возникающих при охлаждении напряжений в отдельных частях конструкций различных систем.

Вибрации представляют собой периодические колебания (чаще сложные), которым подвергаются устройства и системы управления. Вызывают они обычно те же последствия, что и удары.

Опасность их состоит в том, что длительное действие вибрации приводит к разрушению элементов конструкций за счет явлений усталости, которая при знакопеременных нагрузках проявляется в большей степени, чем при статических нагрузках.

Например, при длительном воздействии вибрации разбалтываются винтовые и расшатываются заклепочные соединения, а сварные просто разрушаются.

Монтажные провода, жгуты и кабели при вибрации могут обрываться, особенно если отдельные негибкие провода сильно натянуты или попадают в механический резонанс.

Очень низкие частоты вибрации (несколько Гц) могут приводить к обрыву трансформаторов, блоков, электрических конденсаторов т.п.

Воздействие проникающей радиации

Движение заряженных частиц большой энергии в веществах приводит к потере энергии, затрачиваемой ими почти полностью на возбуждение связанных электронов.

Наиболее устойчивы к воздействию облучения металлы. У электротехнической стали и магнитных материалов также заметно изменяется магнитная проницаемость, а некоторые металлы (бор, марганец, кобальт, цинк и др.) после облучения нейтронами сами становятся радиоактивными.

Например, облучение резисторов приводит к увеличению уровня шумов, ухудшению влагостойкости. У конденсаторов после облучения изменяется электрическая прочность, емкость тангенс диэлектрических потерь.

Наименее радиационностойки полупроводниковые приборы и интегральные схемы, резко возрастают токи утечки, появляется множество паразитных связей между элементами, что приводит к нарушению нормальной работы интегральных схем.

Защищать аппаратуру от ионизированных излучений можно различными видами экранирования и специальными светотехническими мерами по защите основных узлов от перегрузок, возникающих в них под действием ионизационных потоков.

Влияние человеческого фактора

Принятая на этапе разработки концепция обеспечения требуемого уровня надежности и безопасности определяет структуру системы и «цену» обеспечения надежности.

Некоторые ошибки разработки или типового проекта могут проявиться даже после длительной эксплуатации системы.

Ошибки персонала, обслуживающего системы, могут приводить к весьма тяжелым последствиям.

Сложность разрабатываемых систем вступает в противоречие с возможностями человека как разработчика, отсюда ошибки разработки и эксплуатации; ограниченные возможности человека не всегда согласовываются с техническим потенциалом разработанных систем в части нагрузки оперативного персонала и реализации интерфейса «оператор- система»; повышение уровня автоматизации систем приводит к ослаблению профессиональных навыков оперативного и технического персонала.

Внутренние факторы

Внутренние факторы связаны со спецификой аппаратуры, ее загруженностью и условиями эксплуатации, что приводит к постепенному физическому износу элементов и узлов системы.

Кроме физического износа системы притерпевают также моральный износ, который обуславливается появлением более современных систем, на новой элементной базе и улучшенными техническими характеристиками.

Чаще всего в системах управления и контроля ранее наступает моральный износ, а затем появляется физический, обусловленный многими факторами, среди которых не последнее место занимает усталость металла, которая появляется при длительных сроках эксплуатации.

Обобщенно, в графическом варианте внешние и внутренние факторы, влияющие на надежность систем приведены на рисунке 14.1. Надежность сложных систем зависит от разнообразных факторов, раздельное и ком­плексное изучение которых необходимо, поскольку без раскрытия фи­зической природы отказов затруднительно выбрать наиболее подходя­щие направления работ по обеспечению и повышению надежности, как отдельных видов оборудования, так и систем в целом. Все множество факторов, влияющих на оборудование сложных сис­тем, принято классифицировать по области их действия.

 

Рисунок 14.1 – Факторы, влияющие на надежность

Конструкционные факторы непосредственно связаны с действиями конструкторов в процессе проектирования и конструирования систем, ведь именно они разрабатывают структурную, функциональную, принципиальную и др. схемы системы, рассчитывают (выбирают) материалы и элементы системы, разрабатывают технологию изготовления системы и ее элементов, а также и систему эксплуатации и т.д.

При проектировании системы выбирается принцип ее работы и структура. Осуществляется конструктивная разработка отдельных узлов и приборов. Если на стадии проектирования не будут учитываться данные факторы, связанные с надежностью системы, и тем более, если будут допущены неточности в проектировании, то обеспечить надежность системы за счет мер, принимаемых на двух последующих этапах (производстве и эксплуатации), весьма трудно. Это потребует больших материальных затрат, а в некоторых случаях даже практически невозможно. На этом этапе 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 надежность 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 надежности системы, как при внезапных, так и при постепенных отказах. Еще большие возможности повышения надежности могут представиться в результате применения самоорганизующихся систем, в которых при отказах отдельных элементов или изменении внешних условий изменяется структура системы, перераспределяются функции между ее отдельными элементами.

Вероятность отказа нерезервированной системы в первом приближении равна сумме вероятностей отказов элементов. Следовательно, безотказность нерезервированных систем зависит не только от количества элементов, но и от безотказности элементов и режимов их работы. Для обеспечения высокой безотказности (низкой интенсивности отказов) при проектировании системы надо выбирать наиболее качественные и перспективные элементы. Поэтому при проектировании для повышения безотказности системы режимы работы элементов нужно выбирать значительно меньшими, чем номинальные, при этом степень уменьшения нагрузок зависит от конкретных задач.

Большое влияние на безотказность системы оказывают условия ее работы, а именно: воздействующие на систему и элементы механические, климатические и др. нагрузки. При проектировании системы необходимо максимально уменьшить влияние внешних и внутренних нагрузок на систему и ее элементы. Эта задача в основном решается правильным выбором конструкции узлов, приборов и системы в целом. В качестве дополнительных конструктивных мер, обеспечивающих повышение безотказности, можно указать на методы снижения влияния механических нагрузок путем применения специальных конструктивных форм устройств, амортизаторов и т.д. Влияние климатических нагрузок может быть в значительной степени ослаблено при правильном конструктивном оформлении узлов и блоков, например, с таким расчетом, чтобы обеспечить повышенную теплоотдачу (искусственное охлаждение), защиту от влаги (герметизация). Немаловажную роль играет и выбор материалов, которые должны обладать требуемыми физико-механические, прочностные и др. характеристиками.

При разработке схемы и конструкции должны также быть предусмотрены меры, позволяющие обеспечить надежность системы при эксплуатации, а именно: блочная конструкция системы, применение стандартных и унифицированных узлов и блоков, удобство проверок, ТО и ремонта и др.

К производственным факторам следует отнести факторы обусловленные организацией технологического процесса производства системы и ее элементов, а также процесса технического контроля. Соблюдение установленных технологических процессов должно начинаться с входного контроля материалов и изделий, применяемых в системе, обеспечении при необходимости качественной замены материалов. В ряде случаев причиной низкой надежности выпускаемых систем может быть загрязненное содержание оборудования и рабочих мест. Важным методом повышения надежности систем является правильная организация производственного контроля и уровень культуры производства. Особый вред надежности системы наносится скрытыми производственными дефектами в результате нарушения технологического процесса. Обычно скрытые дефекты представляют наибольшие трудности при техническом контроле. Наряду с техническим контролем надежность сложных систем может быть существенно повышена, особенно для начального периода эксплуатации, проведением тренировочных испытаний системы (приработки) в производственных условиях. Это позволяет устранить большинство производственных и скрытых отказов, если приработка системы проходит при больших, по сравнению с номинальными, нагрузками.

Основные эксплуатационные факторы, влияющие на надежность: воздействия окружающей среды, условия эксплуатации системы и квалификация обслуживающего персонала.

К факторам окружающей среды в первую очередь следует отнести климатические (температура, влажность, давление, радиация и др.) условия, при которых эксплуатируется система.

Правильная организация эксплуатации системы является одним из решающих факторов обеспечения надежности. Большое значение имеет и своевременное проведение профилактических мероприятий, позволяющих предупредить появление отказов системы в рабочий период времени. Одним из современных методов профилактики является прогнозирование отказов, позволяющее своевременно заменить так называемые критические элементы и тем самым исключить их отказы. Естественно, что полностью исключить отказы в период эксплуатации не удается, поэтому необходимо построить систему эксплуатации (ТО и ремонт, снабжение ЗИП и др.) объекта таким образом, чтобы обеспечить минимальное время восстановления отказавшей системы.

Таким образом, требуемая надежность системы может быть обеспечена только комплексом методов, применяемых на всех этапах ее жизненного цикла.

 

ЛЕКЦИЯ 15

Цель лекции: обучение оценкам надежности автоматизированных систем управления в условиях эксплуатации

Требования к информации

Информация, полученная при испытаниях на надежность в условиях эксплуатации имеет ряд специфических особенностей по сравнению с полученной в лабораторных испытаниях.

Эти особенности вызваны изменениями во времени внешних воздействий, случайным моментами включений и отключений автоматизированных систем управления (АСУ) в целом, ее подсистем и отдельных средств.

Основными требованиями, предъявляемыми к информации об эксплуатационной надежности, являются достоверность, полнота информации и оперативность.

Достоверность информации заключается в требовании к объективности всех сообщаемых сведений и обеспечивается как ответственностью и компетенцией лиц, ведущих сбор данных, так и системой контроля сбора этих сведений.

Полнота информации заключается в том, чтобы получаемая информация как по числу испытываемых систем и длительности испытаний, так и по объему сведений об условиях работы, причинах отказов, способах восстановления работоспособности систем была достаточной для решения поставленных задач.

Оперативность информации необходима для скорейшего принятия мер по воздействию на процесс разработки и изготовления систем и их компонентов.

Информацию, полученную при эксплуатации, можно рассматривать как обратную связь в системе управления надежностью.

Обеспечение этих требований к информации должно сочетаться с минимальной трудоемкостью и стоимостью сбора.

Это имеет место, если сбор информации о надежности проводит персонал, непосредственно занимающийся эксплуатацией автоматизированных систем управления, и используется дополнительная документация и литература.

Для обеспечения требуемого качества информации при проведении сбора данных о надежности обслуживающим персоналом необходим ряд организационно – технических мероприятий.

Последовательность работ по сбору и обработке данных об эксплуатационной надежности приведена на рисунке 15.1.

Все эти работы можно разделить на четыре группы: 1) предшествующие сбору информации; 2) проводимые во время сбора информации; 3) предварительная обработка информации; 4) окончательная обработка полученной информации.