XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026
Проектный расчет надежности АСУ установки гидроочистки дизельного топлива
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Современное промышленное производство невозможно без комплексной автоматизации технологических Современные технологические установки требуют высокой степени автоматизации и, одновременно, высокого уровня надёжности систем управления, поскольку от их работоспособности зависят безопасность, непрерывность технологического процесса и эффективность производства. Обеспечение надёжности АСУ – комплексная инженерная задача, включающая аппаратные, программные и организационно-технические меры, причём проектный расчёт надёжности на ранних стадиях позволяет выявить и уменьшить риски и эксплуатационные издержки.
Основные понятия и классификация отказов
Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции в заданных режимах, условиях применения, стратегиях технического обслуживания, хранения и транспортирования. [1]
Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость или определенные сочетания этих свойств.
Для оценки надёжности используются такие единичные и комплексные показатели, как интенсивность отказов λΣ, средняя наработка на отказ Tо, вероятность безотказной работы за месяц Pмес и за год Pгод, средний ресурс АСУ , средний срок службы АСУ ., коэффициент готовности системы , коэффициент технического использования системы , коэффициент сохранения эффективности системы , средний срок сохраняемости Tc, гамма-процентный срок сохраняемости Tсγ, назначенный срок хранения Тс.н., установленный срок сохраняемости Тс.у.. Для дискретных и непрерывных функций АСУ применяют соответствующие метрики. [2]
Резервирование АСУ
Создание более простой структуры, в особенности, если она получена в результате объединения по какому-либо критерию качества, всегда приводит к ухудшению таких важных показателей, как качество переходного процесса, устойчивость и точность. Следовательно, единственным способом сохранения этих важных характеристик в течение длительного времени является повышение надежности автоматической системы при заданной ее структуре. Для повышения надежности приходится выбирать наиболее качественные элементы, обладающие высокой надежностью, облегчать режимы работы элементов, либо вводить резервирование, что приводит к некоторой избыточности системы по указанным характеристикам. [1]
Резервирование – это способ обеспечения надежности объекта за счет использования дополнительных средств и/или возможностей сверх минимально необходимых для выполнения требуемых функций. [4]
В зависимости от вида избыточности различают следующие виды резервирования:
-
Информационное резервирование предусматривает использование избыточной информации. Пример информационного резервирования, многократная передача одного и того же сообщения по каналу связи.
-
Структурное резервирование предусматривает использование избыточных элементов объекта. В минимально необходимый вариант системы, элементы которой называют основными, вводятся дополнительные элементы, устройства либо даже вместо одной системы предусматривается использование нескольких идентичных систем. Избыточные резервные структурные элементы имеют единственное назначение – взять на себя выполнение рабочих функций при отказе соответствующих основных элементов.
-
Временное резервирование предусматривает использование избыточного времени. Создастся за счет повышения производительности аппаратуры, безынерционности его элементов и т. п.
-
Функциональное резервирование – резервирование с применением функциональных резервов. Возможные случаи его использования: либо отказ многофункционального элемента позволяет далее использовать его в данном объекте для других целей, либо такой элемент в случае отказа другого элемента данного объекта принимает на себя выполнение функций отказавшего элемента в дополнение к своим основным функциям. [1]
Вычисление надежности методом расчёта по среднегрупповым значениям интенсивностей отказов
Для вычисления надежности методом расчёта по среднегрупповым значениям интенсивностей отказов понадобятся следующие формулы:
(1)
(2)
(3)
При расчете надежности по среднегрупповым значениям интенсивностей отказов исходными данными являются средняя (по числу элементов системы данной группы i) интенсивность отказов λi и количество этих элементов Ni в системе. Основная расчетная формула выглядит следующим образом:
, (4)
где:
– суммарная интенсивность отказов системы
Для проведения расчета воспользуемся данными о интенсивности отказов и количестве разного оборудования из таблицы 3. [3]
Таблица 1
|
Компонент АСУТП |
Интенсивность отказов (λ), 1/ч |
Количество, шт |
|
Датчики давления |
1,5×10⁻⁶ |
45 |
|
Датчики температуры |
1,2×10⁻⁶ |
38 |
|
Датчики расхода |
2,1×10⁻⁶ |
12 |
|
Датчики уровня |
1,8×10⁻⁶ |
8 |
|
ПЛК (центральный процессор) |
5,0×10⁻⁶ |
2 |
|
Модули дискретного ввода/вывода |
0,8×10⁻⁶ |
24 |
|
Модули аналогового ввода/вывода |
1,2×10⁻⁶ |
18 |
|
Регулирующие клапаны |
3,5×10⁻⁶ |
22 |
|
Отсечные задвижки |
2,8×10⁻⁶ |
15 |
|
Источники питания |
2,5×10⁻⁶ |
4 |
|
Сетевые коммутаторы |
1,5×10⁻⁶ |
3 |
После расчета суммарной интенсивности отказов λΣ каждого компонента АСУТП получаем данные, представленные в таблице 4.
Таблица 2
|
Компонент АСУТП |
λΣ, 1/ч |
|
Датчики давления |
67,5×10⁻⁶ |
|
Датчики температуры |
45,6×10⁻⁶ |
|
Датчики расхода |
25,2×10⁻⁶ |
|
Датчики уровня |
14,4×10⁻⁶ |
|
ПЛК (центральный процессор) |
10,0×10⁻⁶ |
|
Модули дискретного ввода/вывода |
19,2×10⁻⁶ |
|
Модули аналогового ввода/вывода |
21,6×10⁻⁶ |
|
Регулирующие клапаны |
77,0×10⁻⁶ |
|
Отсечные задвижки |
42,0×10⁻⁶ |
|
Источники питания |
10,0×10⁻⁶ |
|
Сетевые коммутаторы |
4,5×10⁻⁶ |
|
Итого |
337,0×10⁻⁶ |
Далее следует вычислить среднюю наработку на отказ системы, а также вероятность безотказной работы в течении месяца и в течении года. Подстановка ранее полученных значений дает следующие результаты: , , .
Полученные результаты уже дают первое представление о надежности АСУТП, но для повышения точности следует провести вычисления с учетом резервирования системы. В этом случае обратимся к новым показателям для расчетов из таблицы 5.
Таблица 3
|
Подсистема |
Интенсивность отказов, 1/ч |
Коэффициент резервирования |
Интенсивность отказов с резервированием, 1/ч |
|
ПЛК (центральные процессоры) |
10,0×10⁻⁶ |
1+1 (горячее резервирование) |
0,5×10⁻⁶ |
|
Источники питания |
10,0×10⁻⁶ |
N+1 |
3,3×10⁻⁶ |
|
Сетевые коммутаторы |
4,5×10⁻⁶ |
Кольцевая топология |
1,5×10⁻⁶ |
|
Суммарная интенсивность отказов с резервированием |
275,2×10⁻⁶ |
||
С учетом новых данных получаем следующие значения средней наработки на отказ системы, а также вероятности безотказной работы в течении месяца и в течении года: , , .
Поскольку требуемыми значениями для полученных показателей являются , , , то можно считать, что рассматриваемая АСУТП соответствует установленным требованиям к надежности.
Наибольший вклад в суммарную интенсивность дают элементы, физически подвергающиеся износу или эксплуатационным нагрузкам (регулирующие клапаны, подвижная арматура) и массовые элементы измерения (датчики). Для них эффективны меры аппаратного характера: применение компонентов с низкой интенсивностью отказов, отработка требований к окружающей среде (защита, температурные режимы), профилактическое обслуживание и замена по ресурсу.
Для логических и сетевых компонентов ключевыми являются архитектурные решения (горячее резервирование ПЛК, N+1 для питания, кольцевые или мультиканальные сети), а также встроенные средства самодиагностики и контроль целостности данных. Резервирование при прочих равных даёт заметное снижение суммарной интенсивности отказов, что показано в расчёте.
Заключение
Метод среднегрупповых интенсивностей является эффективным инструментом предварительной оценки отказоустойчивости и позволяет выделить наиболее уязвимые элементы – в рассматриваемом примере ведущими источниками отказов являются регулирующие клапаны, датчики давления и модули ввода/вывода. Введение аппаратного резервирования и организационно-программных мер существенно снижает суммарную интенсивность отказов и улучшает вероятность безотказной работы за месячные и годовые периоды, что подтверждено расчётами. Комплексный подход по повышению надежности системы рекомендуется применять уже на стадиях проектирования и модернизации для обеспечения требуемого уровня безопасности и непрерывности технологического процесса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сидельников В.И. Диагностика и надежность автоматизированных систем управления. Часть 1: учебное пособие. — ВШТЭ СПбГУПТД, 2023. — 53 с.
2. ГОСТ 24.701-86. Единая система стандартов автоматизированных систем управления. Надежность автоматизированных систем управления. Основные положения. — М., 1987. — 11 с.
3. Спецификация приборов автоматизированной системы управления технологическими процессами установки гидроочистки дизельного топлива — 2020 год.
4. ГОСТ Р 27.101-2021. Надежность в технике. Надежность выполнения задания и управление непрерывностью деятельности. Термины и определения. — М., 2022. — 20 с.
5. Сидельников В.И. Диагностика и надежность автоматизированных систем. Часть 2: учебное пособие. — ВШТЭ СПбГУПТД, 2023. — 54 с.
6. Звонарева А.А., Толоконский А.О. Основные аспекты надежности программного обеспечения систем управления // Вестник Национального Исследовательского Ядерного Университета «Мифи». — 2021. — Т. 10. — № 5. — C. 429-435.