Глава 7 методы повышения надежности автоматических систем. Повышение надежности при проектировании

При создании и эксплуатации автоматических систем необхо­димо стремиться обеспечить заданную, а иногда и максимальную надежность системы при эксплуатации. Однако в практике созда­ния сложных автоматических систем в большинстве случаев не удается, не только получить максимальную надежность, но и обеспечить даже при обычном подходе к проектированию и экс­плуатации минимальную требуемую надежность системы. Поэтому при создании и эксплуатации систем необходимо принимать спе­циальные меры, направленные на повышение надежности систем. Способы повышения надежности автоматических систем весьма многообразны и требуют от лиц, создающих системы, как широких научных и теоретических зна­ний, так и инженерного искусства, большого опыта и т. д.

Рассмот­рим общие методы и принципы повышения надежности автомати­ческих систем. В соответствии с тремя главными фазами, которые проходит каждая система, будем рассматривать три метода повышения на­дежности систем: при проектировании, производстве и эксплу­атации.

Следует отметить, что только объединенными мерами на каж­дой из этих фаз можно добиться высокой надежности создаваемой и эксплуатируемой системы. Тем не менее, решающее влияние на надежность автоматических систем оказывает фаза проектиро­вания.

При проектировании системы выбирается принцип ее ра­боты и структура. Осуществляется конструктивная разработка отдельных узлов и приборов и т. д., Если на стадии проек­тирования не будут учитываться вопросы, связанные с надеж­ностью системы, и тем более, если будут допущены неточности, то обеспечить надежность системы за счет мер, принимаемых на двух последующих фазах (производстве и эксплуатации), весьма трудно. Прежде всего, при проектировании системы необходимо обеспечить требуемый уровень безотказности системы.

Проектирование системы начинается с выбора принципа работы системы. На этой стадии проектирования 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, большое влияние на безотказность 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 безотказности системы как при внезапных, так и при постепенных отказах.

Иногда выбор простой по количеству элементов и в то же время стабильной схемы связан с преодолением определенных противоречий. В качестве примера можно привести задачу проектирования усилительного устройства системы. Известно, что для обеспечения стабильности коэффициента усиления в автоматических системах применяются отрицательные обратные связи.

Применение отрицательной обратной связи для получения тре­буемого общего заданного коэффициента усиления связано с уве­личением числа каскадов в разомкнутой цепи усиления, т. е. с уве­личением общего количества элементов системы. Таким образом, повышение стабильности коэффициента усиления приводит к уве­личению потенциальной возможности внезапного отказа в схеме.

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 качества элементов. Для обеспе­чения высокой безотказности при проектировании системы надо выбирать наиболее качественные и перспективные элементы.

В свою очередь показатели безотказности элементов зависят в сильной сте­пени от режимов работы элементов. Поэтому при проектировании для повышения безотказности системы режимы работы элементов можно 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 нагрузки и т. д. 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).

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

Таким образом, на стадии проектирования надежность нерезер­вированной системы обеспечивается следующими основными мето­дами:

1) выбором простых и стабильных схем, учитывающих также возможности повышения надежности системы при эксплуатации;

2) применением качественных и перспективных элементов и вы­бором режимов работы элементов, соответствующих пониженным электрическим нагрузкам;

3) разработкой конструкции системы и приборов, обеспечиваю­щей минимальные нагрузки на систему и элементы, а также удоб­ство обслуживания системы.