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

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Молоко поступает в автоцистернах, которые поочерёдно размещаются в двух приёмочных постах, расположенных на территории предприятия в зоне 01.

После этого оператор подключает автоцистерну к оборудованию приёмочного поста, и инициирует процесс перекачки молока в резервуар хранения сырого молока, расположенного в зоне 01 при помощи центробежных насосов. В процессе перекачки молоко проходит через пластинчатый охладитель, в межтрубном пространстве которого охлаждается до 2-4 градусов Цельсия. [1].

После заполнения резервуара хранения сырого молока в зоне 01, инициируется процесс пастеризации молока в секциях ПОУ (пастеризационно-охладительная установка), расположенной в зоне 02. Оператор даёт команду центробежным насосам о подаче сырого молока из резервуаров хранения в зону 02.

После получения данной команды оператора центробежные насосы зоны 01 перекачивают сырое молоко из резервуара хранения в балансный бак BTD зоны 02 через систему клапанов. Наполнив балансный бак BTD зоны 02 до необходимого, заданного оператором, уровня, регистрация значения которого производится при помощи уровнемера LE 2-1, система инициирует подачу молока из балансного бака BTD на секции ПОУ. Перекачка сырого молока по трубопроводу осуществляется при помощи центробежного насоса 200PU0101 [1].

Отметим, что ПОУ имеет пять секций, расположенных в следующем порядке:

1) Охлаждение;

2) Регенерация 2;

3) Нагрев;

4) Регенерация 1;

5) Пастеризация;

Таким образом, сырое молоко из балансного бака BTD поступает на вторую секцию ПОУ (далее регенерация 2). Перед поступлением сырого молока во внутренний контур данной секции ПОУ, при помощи датчика температуры TE 4-1 отслеживается температура сырого молока в начале процесса пастеризации. При помощи датчика давления PE 3-1 отслеживается его давление. Нагревшись от обрата, протекающего по внешнему контуру регенерации 2, сырое молоко поступает на третью секцию ПОУ (далее нагрев). Температура сырого молока между этими секциями ПОУ отслеживается при помощи датчика температуры TE 5-1. В случае чрезмерного нагрева происходит корректировка потока обрата на внешний контур регенерации 2 при помощи исполнительного механизма TV 5-4. В случае регистрации критически высокого или критически низкого показателя температуры сырого молока на выходе со второй секции ПОУ, происходит оповещение оператора при помощи звуковой и световой сигнализации. С нагрева нагретое до нужной температуры сырое молоко поступает на деаэратор 200DI001, где из него удаляются различные, растворённые в нём, газовые примеси, некоторые из которых создают молоку соответствующий животный запах. Далее с деаэратора 200DI001 сырое молоко, лишённое газовых примесей и неприятного запаха, при помощи центробежного насоса 200PU0103 поступает на сепаратор-сливкоотделитель 200SEPCR001, где разделяется на сырые сливки и обрат. Температура сырого молока на выходе с сепаратора-сливкоотделителя 200SEPCR001 отслеживается при помощи датчика температуры TE 9-1. Давление сырого молока на выходе с сепаратора-сливкоотделителя 200SEPCR001 отслеживается при помощи датчика давления PE 8-1. Далее сырые сливки поступают на теплообменник 200CRCOL001, выполняющего роль охладителя сырых сливок, в межтрубном пространстве которого охлаждаются до заданной оператором температуры. Температура сырых сливок на выходе с теплообменника 200CRCOL001 отслеживается при помощи датчика температуры TE 25-1. Давление сырых сливок на выходе с теплообменника 200CRCOL001 отслеживается при помощи датчика давления PE 24-1. После охлаждения в теплообменнике 200CRCOL001 сырые сливки поступают в резервуар хранения сырых сливок, расположенного в зоне 10. Молоко, из которого отделили сливки, образует обрат. После сепаратора-сливкоотделителя 200SEPCR001 обрат поступает на бактофугу 200 BAC001. В бактофуге из обрата удаляются споровые микроорганизмы и бактерии. Давление обрата на выходе с бактофуги 200 BAC001 отслеживается при помощи датчика давления PE 10-1.Очищенный обрат после бактофуги поступает на четвёртую секцию ПОУ (далее регенерация 1), где подогревается остывающем пастеризированным обратом, протекающим по внешнему контуру пятой секции ПОУ. С регенерации 1 подогретый обрат поступает на пятую секцию ПОУ (далее пастеризация), где, нагреваясь до необходимой температуры, пастеризуется. Температура пастеризованного образа на выходе с пятой секции ПОУ отслеживается датчиком температуры TE 13-1. В случае чрезмерного нагрева обрата на пятой секции ПОУ происходит корректировка потока водяного пара на внешний контур теплообменника 200HE001 при помощи исполнительного механизма TV 13-4. После процесса пастеризации обрат с пятой секции ПОУ поступает на продолжительный участок трубопровода, в процессе прохождения которого, он выдерживает в течение тридцати секунд. После тридцатисекундной выдержки пастеризованный обрат поступает на регенерацию 1, где, проходя трубное пространство четвёртой секции ПОУ, отдаёт часть накопленной тепловой энергии сырому молоку, проходящему в межтрубном пространстве четвёртой секции ПОУ. Далее обрат поступает на регенерацию 2, где, проходя трубное пространство второй секции ПОУ, отдаёт часть накопленной тепловой энергии сырому молоку, проходящему в межтрубном пространстве второй секции ПОУ. Далее пастеризованный обрат, отдавший часть накопленной тепловой энергии и, соответственно, охладившийся, поступает на первую секцию ПОУ (далее охлаждение), где охлаждается до 2-4 градусов Цельсия. После охлаждения готовый к хранению обрат, прошедший весь цикл пастеризации, через систему клапанов поступает в резервуар хранения обрата, расположенного в зоне 03.

РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ

Рассчитаем надежность системы автоматизации на примере контура регулирования давления на выходе из диаэратора. Логическая схема расчета надежности См. Рисунок 1. [5]

Рисунок 1 – 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:= 0,25 · 10-3
Интенсивность отказов вторичного преобразователя датчика давления, ч-1	λB:= 0,25 · 10-3
Интенсивность отказов линии связи контроллера нижнего уровня, ч-1	λC:= 4,24 · 10-5
Интенсивность отказов ЭПП, ч-1	λE:= 0,37 · 10-2
Интенсивность отказов регулирующего исполнительного устройства, ч-1	λH:=λF= 1 · 10-4
Интенсивность отказов контроллера нижнего уровня, ч-1	λD:= 0,37 · 10-3
Интенсивность отказов контроллера верхнего уровня, ч-1	λG:= 0,37 · 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 2:

Рисунок 2 – Код для вычислений в программе Matlab

При запуске программы и реализации кода получаем следующий результат См. Рисунок 3:

Рисунок 3 – 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 4.

Рисунок 4 – 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 5, Рисунок 6. [8]

Рисунок 5 – Код для вычислений в программе Matlab

Рисунок 6 – График интенсивностей отказов

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

Таблица 2 – Определение показателей надежности системы

t, 103	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
λ(t)	0,2998	0,2886	0,288	0,288	0,288	0,288	0,288	0,288	0,288	0,288
λres(t)	0,1191	0,1799	0,2135	0,2339	0,247	0,2557	0,2618	0,2662	0,2694	0,2719
Ϭ(t)	2,52	1,6	1,35	1,23	1,17	1,12	1,1	1,08	1,07	1,06

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, полученные результаты свидетельствуют о возможности использования данного подхода для настройки и тестирования сложных программно-технических комплексов. Использование технологии ОРС позволяет применить эту методику для множества производителей АСУ оборудования. Кроме того, данная методика может быть полезной для улучшения управления технологическими процессами и сокращения затрат на их разработку и наладку. Когда количество блоков увеличивается, надежность последовательной цепи уменьшается, в то время как надежность параллельной цепи возрастает. Система, состоящая из блоков, соединенных параллельно, гораздо более надежна, чем система, в которой те же блоки соединены последовательно. Из анализа графиков следует, что надежность системы зависит от расположения блоков в ней. Таким образом, можно заключить, что внедрение данных технологий на производстве автоматизирует 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. Описание технологического процесса пастеризации молока [Электронный ресурс] – https://vunivere.ru/work13480?screenshots=1 (дата обращения – 10.10.2023).

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

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

5. 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.

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

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

Код для цитирования: Скопировать