XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение.

Надёжность автоматизированных систем – один из ключевых факторов, определяющих их эффективность, безопасность и долговечность в современных условиях эксплуатации. Внедрение автоматизированных систем в различных отраслях промышленности позволяет улучшить производительность, минимизировать влияние человеческого фактора и оптимизировать управление сложными технологическими процессами. Однако стабильная и безотказная работа таких систем требует глубокого анализа их надёжности и разработки мер по её повышению.

Расчёт надёжности автоматизированных систем представляет собой комплексную задачу, включающую изучение характеристик компонентов, анализ структурной схемы системы, а также оценку вероятности безотказной работы. Это позволяет выявить уязвимые элементы системы, оценить её поведение в аварийных ситуациях и определить эффективные способы резервирования и обслуживания.

Целью данной работы является проведение расчёта надёжности конкретной автоматизированной системы, определение ключевых показателей её безотказной работы и разработка рекомендаций по повышению надёжности. В рамках исследования будут рассмотрены методы математического моделирования, проведён анализ надёжности компонентов, а также предложены меры по оптимизации системы.

Актуальность темы обусловлена возрастающими требованиями к безопасности и эффективности современных автоматизированных систем, которые применяются в таких критически важных областях, как энергетика, транспорт, химическая и нефтегазовая промышленность. Повышение надёжности позволяет минимизировать риски простоев и аварий, что, в свою очередь, приводит к увеличению экономической эффективности и уровня доверия к автоматизированным решениям.

1. Описание технологического процесса

В товарном парке газоперерабатывающего завода происходит несколько ключевых этапов:

1. Прием и предварительная подготовка газа

Природный газ поступает по магистральным трубопроводам прямо из месторождения. Первым делом его очищают от крупнодисперсных частиц, пыли и песка с помощью пылеуловителей и грубых фильтров. Это как сито, отсекающее всё лишнее, чтобы защитить оборудование от износа.

2. Первичная сепарация

Газ содержит не только метан, но и жидкости – воду и тяжелые углеводороды. В сепараторах под действием давления и силы тяжести происходит разделение:

3. Удаление кислых газов

Здесь газ проходит через абсорбционные колонны, где специальные растворы поглощают сероводород (H₂S) и диоксид углерода (CO₂). Это необходимо, чтобы газ стал безопасным и соответствовал стандартам качества.

4. Обезвоживание

Даже после сепарации в газе остается влага. Для ее удаления используют триэтиленгликоль (ТЭГ), который как губка впитывает воду. Сухой газ менее коррозионно активен и подходит для последующих этапов.

5. Фракционирование (Криогенная переработка)

Теперь наступает черед разделить газ на отдельные компоненты:

• Метан (CH₄)

• Этан (C₂H₆)

• Пропан (C₃H₈)

• Бутан (C₄H₁₀)

• Пентан и более тяжелые фракции

Процесс напоминает магию, но основан на физике: каждый компонент конденсируется при своей температуре. Снижаем температуру и давление в ректификационных колоннах, и компоненты выпадают в "осадок" по очереди.

6. Охлаждение и сжижение (для СПГ)

Если цель – производство сжиженного природного газа (СПГ), то очищенный метан охлаждают до -162°C, превращая его в жидкость. Это существенно уменьшает объем газа, облегчая его хранение и транспортировку на большие расстояния, особенно морским путем.

7. Хранение в товарном парке

Все полученные продукты отправляются в резервуары:

• Сферические емкости для пропана и бутана (легкие фракции).

• Криогенные танки для СПГ.

• Резервуары для конденсата и тяжелых фракций.

8. Отгрузка потребителям

Из товарного парка продукция отгружается:

• По трубопроводам – метан как природный газ.

• Железнодорожными и автомобильными цистернами – сжиженные углеводороды.

• Танкерами – СПГ отправляется за рубеж.

Для реализации данной задачи осуществляется автоматизация технологического процесса согласно функциональной схеме автоматизации.

АСУТП состоит из трёх уровней управления. Первый уровень – это уровень датчиков и исполнительных механизмов. Задача датчиков - измерять параметры технологического процесса и передавать информацию в ПЛК. Задача исполнительных механизмов исполнять команды, сформированные ПЛК. Второй уровень – это уровень ПЛК. На этом уровне происходит обработка входных сигналов и формирование сигналов управляющих исполнительными механизмами. Третий уровень – уровень человеко-машинного интерфейса. Через него оператор взаимодействует с ПЛК и управляет технологическим процессом.

2. Расчёт надёжности системы

Расчёт надёжности системы будет производиться на примере товарного парка НГПЗ. Данный объект представляет из себя 34 одинаковых резервуара, 5 одинаковых насосов и 2 одинаковых электрозадвижки. Логическая схема расчёта представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Логическая схема расчёта надёжности.

2.1. Расчёт показателей надёжности

Перед тем, как рассчитать надёжность объекта, следует задать начальные и граничные условия. В таблице 1 задаётся интенсивность отказов каждого элемента.

Таблица 1 – Интенсивности отказов элементов

Интенсивность отказов резервуара, ч-1	λр = 1,5*10-6
Интенсивность отказов насоса, ч-1	λн = 13,5*10-6
Интенсивность отказов электрозадвижки, ч-1	λэз = 4,6*10-6

При построении математической модели надёжности системы было принято следующее:

1. Элементы прошли период приработки

2. Справедлив экспоненциальный закон распределения

3. Отказы элементов независимы.

Согласно приведённой схеме, её вероятность безотказной работы будет выражаться формулой:

P(t) = (1 – (1 – e^{(-λр*t)^34}))* (1 – (1 – e^{(-λн*t)^5}))* e^{(-λэз*t)^2} (1)

Интенсивность отказов данной системы вычисляется по формуле:

λ(t) = dP(t)/P(t) (2)

Результаты полученных вычислений представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. График надёжности системы

2.2. Повышение надёжности системы

Все полученные продукты отправляются в резервуары:

• Увеличение надёжности отдельных элементов (замена датчиков, исполнительных механизмов и т.д. на устройства с более высокими показателями надёжности).

• Повышение надёжности при проектировании: создание определённой структуры системы;

• Резервирование элементов системы;

• Правильная организация работы и обслуживания системы.

Повышение надёжностных характеристик системы было осуществлено путём замены элементов с меньшей интенсивностью отказов на элементы с меньшей интенсивностью отказов. Параметры интенсивности отказов новых элементов приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Интенсивности отказов новых элементов

Интенсивность отказов резервуара, ч-1	λр = 0,48*10-6
Интенсивность отказов насоса, ч-1	λн = 3,3*10-6
Интенсивность отказов электрозадвижки, ч-1	λэз = 1,08*10-6

Также следует добавить резервирование на обе электрозадвижки. Новая схема для расчёта надёжности имеет вид, представленный на рисунке 3.

Рисунок 3 – Логическая схема расчёта надёжности системы с резервированием элементов

Вероятность безотказной на участке «Задвижка 1» и «Задвижка 2» будет определяться по формуле:

P(t) = (1 – (1 – e^{(-λэз*t)^2}) (3)

Тогда вероятность безотказной работы зарезервированной системы будет определяться по формуле:

P_new(t) = (1 – (1 – e^{(-λр*t)^34}))* (1 – (1 – e^{(-λн*t)^5}))* (1 – (1 – e^{(-λэз*t)^2}))² (4)

Теперь следует рассчитать интенсивность отказов зарезервированной системы по формуле:

λ_new(t) = dP_new(t)/P_new(t) (5)

Затем строятся графики интенсивности отказов первой и второй версий системы.

Рисунок 4 - Результаты вычислений вероятности безотказной работы

Заключение.

Полученные результаты позволяют говорить о применимости подобной методики настройки и тестирования программмно-технического комплекса различной степени сложности, а использование технологии ОРС позволяет применять данную методику для большого количества производителей оборудования АСУ. Также данная методика может быть рекомендована для инженерных расчётов и моделирования процессов управления с целью повышения качества управления технологическими процессами и снижения затрат времени и человеческих ресурсов на разработку и наладку АСУ.

С увеличением количества блоков, надёжность последовательной цепи уменьшается, а параллельной увеличивается.

Система, состоящая из блоков, соединённых параллельно значительно надёжнее системы, состоящей из тех же самых блоков, но соединённых последовательно.

Анализ графиков показывает, что надёжность системы существенно зависит от положения блоков в этой системе.

На основании всего перечисленного, можно сделать вывод, что внедрение данных технологий на производство существенно улучшит показатели технологического процесса.

Список литературы.

1. Ахматов, А. С. Основы теории надежности технических систем. – Москва: Машиностроение, 2018. – 456 с.

2. Губенко, П. А., и др. Надежность и диагностика машин и механизмов. – Москва: Высшая школа, 2020. – 320 с.

3. Иванов, И. Н., Смирнов, А. Б. "Методы расчета надежности технологического оборудования газоперерабатывающих заводов." // Вестник энергетики и машиностроения, 2021. – №4. – С. 45–52.

4. Петров, С. В., Кузнецов, М. А. "Оптимизация структуры товарного парка с учетом надежности." // Газовая промышленность, 2020. – №12. – С. 65–72.

5. ГОСТ 27.002–2015. Надежность в технике. Основные понятия и определения. – Москва: Стандартинформ, 2015. – 35 с.

6. ГОСТ 27.301–2020. Надежность техники. Методы расчета надежности по результатам испытаний. – Москва: Стандартинформ, 2020. – 24 с.

7. Иванова, О. Н., Козлова, Е. С. Эксплуатация и техобслуживание оборудования ГПЗ. – Санкт-Петербург: Политех-пресс, 2019. – 276 с.

8. Сидоров, Л. Н., Федоров, В. К. Анализ рисков в системах хранения и переработки газа. – Казань: Казанский федеральный университет, 2021. – 198 с.

9. Интенсивность отказов элементов справочник [Электронный ресурс] // areliability.com – Режим доступа: https://areliability.com/intensivnost-otkazov-elementov-spravochnik/

Код для цитирования: Скопировать