XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация производства - важный аспект воздействия на ход технологического процесса. С помощью автоматизации увеличивается эффективность производства и улучшаются условия работы для сотрудников. Почти все технические объекты, существующие или находящиеся в стадии разработки, оснащаются средствами автоматизации. Цель автоматизации производственных процессов заключается в увеличении производительности труда, улучшении качества продукции и оптимальном использовании ресурсов предприятия. Высокая гибкость современных технических средств позволяет автоматизировать любой технологический процесс. Однако степень автоматизации определяется прежде всего эффективностью, поэтому не все отрасли промышленности автоматизированы одинаково. Цель данной работы: изучить методы расчета надежности системы с учетом связей между ее элементами; разработать алгоритмы для расчета надежности произвольных структур анализируемых систем; создать программное обеспечение для расчета надежности сложных систем с независимыми элементами, работающими до первого отказа. Актуальность работы заключается в повышенном спросе на системы мониторинга и контроля производственных процессов, а также системы архивирования данных о ходе технологического процесса. Интегрированные системы проектирования и управления рассматривают задачи координации процессов, управления, отчетности, анализа и исследования производства. Данная работа является актуальной, так как автоматизация необходима для контроля процессов производства, за которыми невозможно наблюдать человеку в одиночку, и нахождение вблизи такого процесса опасно для здоровья.

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

В состав ALCIP-110 станции входят следующие компоненты:

1) Резервуар каустической соды 110TA02 (производитель Shwarte, 8 т.) – предназначен для хранения, наведения и циркуляции щелочного раствора 1,5%;

2) Резервуар кислотного раствора 110TA01 (производитель Shwarte, 8 т.) – предназначен для хранения, наведения и циркуляции кислотного раствора 1,1%;

3) Резервуар промывочной воды 110ТА03 (производитель Shwarte 8т.) – предназначен для сбора промывочной воды после фазы кислоты. Используется при первичной промывке резервуара после опорожнения;

4) Два трубчатых теплообменника 1100E81 - 1100E82 (производитель TetraPak) – предназначены для нагрева моющих растворов в самом резервуаре с помощью циркуляции, непосредственно через сам резервуар;

5) Клапана (производитель Alfa-Laval) – предназначены для отсечения рабочих сред и переключения между резервуарами и моющими линиями;

6) Центробежные насосы (производитель Alfa-Laval) – предназначены для подачи моющих растворов к объекту и возврата к CIP резервуару;

7) Конденсатоотводчики (производитель Spirax Sarco) – предназначены для автоматического отвода конденсата водяного пара;

8) Датчики проводимости, температуры, давления, уровня (производитель Endress-Hauser) – предназначены для измерения заданных параметров на всём протяжении CIP процесса, [1].

Поставка каустической соды (NaOH – 48%) и азотной кислоты (HNО3 – 55%) на данное предприятие осуществляется централизованно с помощью автоцистерны.

Рабочий персонал используя химически стойкие шланги и специальные кислотоупорные насосы, скачивает данные среды в резервуары хранения концентратов (ALCIP 100, два резервуара по 10 т.), откуда с помощью диафрагменных насосов (100PU0101 – 0201) фирмы ProCam идёт раскачивание по потребителям, в том числе и ALCIP 110.

Рассмотрим принцип действия мойки ALCIP 110:

Наведение моющих растворов в данной станции происходит автоматически с помощью заданных параметров на каждый резервуар.

После опорожнения резервуара сырого молока оператор должен поставить на мойку данный резервуар. Обычно это полная мойка щ+к. Выбрав мойку и запустив её, процесс проходит автоматически в следующем порядке:

1 – промывка резервуара сырого молока в дренаж из резервуара промывочной воды с помощью активации клапана (поз. LV 14-4). Это делается для удаления остатков белка со стенок резервуара с помощью активации насоса 110PU1101 (Alfa-Laval типа LKH (центробежный насос). В резервуарах сырого молока установлены моющие головки (2 шт), через которые подаётся мойка непосредственно в сам резервуар, после чего через донный клапан (поз. LV 20-4, 24-4, 28-4) на возвратный насос 01PU1501. Объём резервуаров сырого молока составляет от 50 до 100 тонн. Резервуары атмосферные, без рубашки охлаждения. Имеют внутренне утепление. Резервуары импортного производства 2014 год, Shwarte.

2 – заполнение контура мойки каустической содой из резервуара 110ТА02, с помощью насоса 110PU1101. Заполнение происходит при активации клапана (поз. FV 18-4). Каустическая сода подаётся на резервуар, откуда с помощью возвратного насоса возвращается в CIP 110 в дренаж через клапан (поз. CV 31-4), до тех пор, пока на датчике проводимости (поз. CE 31-1) который установлен на возвратной линии не появятся показатели наличия соды и клапан активируется на возврат в резервуар. После этого мы получили замкнутый контур, где каустическая сода циркулирует через молочный и CIP резервуар, [1]. Отсчёт времени циркуляции начинается после достижения заданной температуры на возвратной линии (поз. CE 30-1).

После окончания циркуляции каустическая сода вытесняется в резервуар городской водой с помощью активации клапанов, которые описаны выше. По достижению заданных показателей на датчике проводимости (поз. CE 31-1), возврат переключается на дренаж, так как щелочь уже вытиснилась в резервуар CIP, [1].

Далее происходит промывка городской водой в дренаж, после чего происходит заполнение кислотой в аналогичной последовательности что и каустическая сода.

После вытеснения кислоты и промывки, резервуар сырого молока имеет статус стерильности, и готов к работе.

На всех этапах уровень воды в резервуарах с моющими жидкостями измеряется датчиками уровня. Для поддержания заданной температуры в резервуарах установлены датчики температуры (поз. TE 4-1, 10-1, 15-1), передающий сигнал для управления теплообменниками. Так как концентрация моющих в процессе мойки будет снижаться, в контурах нагрева установлены датчики проводимости (поз. CE 7-1, 12-1) которые в случае падения концентрации, будут сигнализировать об этом, и автоматически начнётся дозировка концентратов в CIP 110 из CIP 100, [1].

РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ

Рассчитаем надежность системы автоматизации на примере контура регулирования давления на выходе из резервуара 110ТА02. Логическая схема расчета надежности См. Рисунок 3. [5]

Рисунок 3 – Логическая схема расчета надежности

Здесь:

A – первичный преобразователь датчика давления;

B – вторичный преобразователь датчика давления;

C – линия связи;

D – контроллер нижнего уровня;

E – электропневматический преобразователь (ЭПП);

F – регулирующее исполнительное устройство;

G – контроллер верхнего уровня;

H – быстрозакрывающийся клапан.

1. 1. Расчет показателей надежности

Параметры для элементов логической схемы расчета надежности представлены ниже См. Таблица 1:

Таблица 1 – Параметры для элементов логической схемы расчета надежности

Параметр	Значение
Интенсивность отказов первичного преобразователя датчика давления, ч-1	λA:= 0,38 · 10-3
Интенсивность отказов вторичного преобразователя датчика давления, ч-1	λB:= 0,38 · 10-3
Интенсивность отказов линии связи контроллера нижнего уровня, ч-1	λC:= 2,87 · 10-5
Интенсивность отказов ЭПП, ч-1	λE:= 0,24 · 10-2
Продолжение Таблицы 1
Интенсивность отказов регулирующего исполнительного устройства, ч-1	λH:=λF= 1 · 10-4
Интенсивность отказов контроллера нижнего уровня, ч-1	λD:= 0,24 · 10-3
Интенсивность отказов контроллера верхнего уровня, ч-1	λG:= 0,24 · 10-3

Примем следующие допущения при построении математической модели надежности системы:

1) элементы прошли период приработки;

2) справедлив экспоненциальный закон распределения;

3) отказы независимы. [6]

Согласно приведенной схеме ее вероятность безотказной работы будет выражаться формулой:

Определим интенсивность отказов данной системы по формуле:

Напишем код для проведения вычислений в программе Matlab для построения графика См. Рисунок 4:

Рисунок 4 – Код для вычислений в программе Matlab

При запуске программы и реализации кода получаем следующий результат См. Рисунок 5:

Рисунок 5 – Результат вычислений

1. 2. Повышение надежности системы

Способы повышения надежности системы:

1. Увеличение надежности отдельных элементов замена датчиков, исполнительных механизмов, использование устройств с более высокими показателями надежности.

2. Повышение надежности при проектировании: создание определенной структуры системы.

3. Резервирование элементов.

4. Правильная организация работы и обслуживания системы. [7]

Повышение характеристик надежности системы осуществим с помощью резервирования ее составных элементов. При этом на участке AB сделаем общее резервирование (установим резервный датчик давления), а на остальных участках применим раздельное резервирование. Таким образом, получим новую схему для расчета надежности См. Рисунок 6.

Рисунок 6 – Логическая схема расчета надежности системы с резервированием элементов

При этом вероятность безотказной работы на участке AB будет определяться по формуле:

На остальных участках она будет определяться по формуле:

Где i – соответствующее буквенное обозначение участка.

Тогда вероятность безотказной работы зарезервированной системы будет определяться, как:

Теперь рассчитаем интенсивность отказов зарезервированной системы λ_res(t) и построим графики интенсивностей отказов простой и зарезервированной систем. Код для проведения вычислений и получившиеся графики представлены ниже См. Рисунок 7, Рисунок 8. [8]

Рисунок 7 – Код для вычислений в программе Matlab

Рисунок 8 – График интенсивностей отказов

Определим выигрыш по надежности по сравнению с незарезервированной системой См. Таблица 2:

Таблица 2 – Определение показателей надежности системы

t, 103	1,5	3	4,5	6	7,5	9	10,5	12	13,5	15
λ(t)	0,3343	0,3265	0,326	0,326	0,326	0,326	0,326	0,326	0,326	0,326
λres(t)	0,2017	0,2585	0,282	0,2942	0,3015	0,3064	0,3099	0,3125	0,3145	0,3147
Ϭ(t)	1,66	1,26	1,16	1,11	1,08	1,06	1,05	1,04	1,037	1,035

Таким образом, зарезервировав систему, мы получаем ощутимый выигрыш по надёжности, который в начале периода эксплуатации более 2 (т.е. интенсивность отказов уменьшалась в более, чем 2 раза).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, результаты исследования подтверждают, что данный подход может быть использован для настройки и тестирования сложных программно-технических комплексов. Технология ОРС позволяет применять эту методику в разных производственных компаниях, производящих АСУ оборудование. Кроме того, данная методика может помочь повысить эффективность управления технологическими процессами и сократить расходы на их разработку и наладку. При увеличении числа блоков, надежность последовательной цепи снижается, в то время как надежность параллельной цепи увеличивается. Система, состоящая из блоков, соединенных параллельно, является более надежной, чем система, где эти блоки соединены последовательно. Из анализа графиков можно сделать вывод, что надежность системы зависит от расположения блоков в ней. В итоге, внедрение этих технологий на производстве позволит автоматизировать технологический процесс.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 7.32-2017. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления: дата введения 2017-10-24/Межгосударственный стандарт. – Изд. официальное. – Москва: Стандартинформ, 2017. – 33 с.

2. Ушаков И.А. Курс теории надежности систем. – М.: Дрофа, 2018 – 123 с

3. Казаринов Л.С., Попова О.В., Барбасова Т.А. Автоматизированные информационно-управляющие системы. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2019. – 147 с.

4. Казаринов Л.С., Барбасова Т.А., Захарова А.А. Автоматизированная информационная система поддержки принятия решений по контролю и планированию потребления энергетических ресурсов. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2020. – 17 с.

5. Львович Я.Е., Подвальный С.Л., Зернов В.А. Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах. – Воронеж: ФГБОУ ВО, 2017. – 193 с.

6. Особенности реализации алгоритмов регулирования [Электронный ресурс] – URL: http://www.picad.com.ua/3403/ (дата обращения – 15.11.2023 г.).

Код для цитирования: Скопировать