Программа для расчета надежности электрических схем

Программа для расчета надежности электрических схем

1 Калужский филиал ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»

Проблемой при использовании схем с асинхронными двигателями часто является их недостаточная надёжность. В арсенале проектировщиков нет простых программных продуктов, позволяющих рассчитывать надёжность таких схем. Цели работы – разработка программы для расчёта надёжности схем подключения асинхронных трёхфазных электродвигателей с короткозамкнутым ротором и выбор наилучшей схемы. Использован язык программирования Python, позволяющий производить вычисления, создавать интерфейс пользователя, выводить графики. Реализован алгоритм «коэффициентного метода» расчёта надёжности, выбранного по причине удобства сравнения схем с использованием среднестатистических интенсивностей отказа их элементов и возможности учёта условий эксплуатации. Рассчитана надёжность двух широко применяемых схем подключения асинхронных двигателей: со снижением и без снижения пускового напряжения при использовании их в разных условиях эксплуатации. Результаты расчёта зависимостей вероятностей безотказной работы от времени позволили наглядно продемонстрировать надёжность каждой рассмотренной схемы. Схема со сниженным напряжением запуска обладает меньшей надёжностью при эксплуатации, однако обеспечивает меньшую вероятность выхода из строя двигателя. Поэтому было решено дополнительно рассчитать показатели надёжности схемы с понижением напряжения, но с использованием резервирования. Оказалось, что такая схема в сложных условиях эксплуатации обеспечивает надёжность даже выше, чем схема без понижения пускового напряжения, поэтому она и рекомендуется для применения. В заключение сделаны выводы по результатам исследования, а также намечены цели будущих разработок при решении задач проектирования элементов электросиловых схем.

асинхронный электродвигатель
системы управления и защиты
надёжность систем
коэффициентный метод расчёта надёжности
язык Python

1. Воробьев А.Э., Фатьянов С.О. Анализ причин отказов в работе асинхронных электродвигателей в сельском хозяйстве и в промышленном производстве // Вестник Совета молодых ученых Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А. Костычева. 2017. № 2 (5). С. 169–174.

2. Прудников А.Ю., Боннет В.В., Логинов А.Ю., Потапов В.В. Экспериментальная проверка способа диагностирования эксцентриситета ротора асинхронного двигателя // Вестник КрасГАУ. 2015. № 11 (110). С. 73–77.

3. Chetoshnikova L.M., Buhanov S.S., Gryzlov A.A. Analyzing the problem of increasing industrial electric drive reliability. 2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2017 – Proceedings. 2017. DOI: 10.1109/ICIEAM.2017.8076348.

4. Давыдова Т.И., Калашников А.В. Коэффициентный метод расчета надежности функциональной части платы питания // Автоматизация процессов управления. 2019. № 2 (56). С. 121–125.

5. Боровиков С.М., Шнейдеров Е.Н., Матюшков В.Е., Цырельчук И.Н. Методика прогнозирования надёжности электронных устройств для системы Арион // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2011. № 1. С. 383–385.

6. Бурков А.Ф., Катаев Е.В., Кувшинов Г.Е., Чупина К.В. Анализ надёжности электродвигателей, используемых в современных электроприводах // Электроника и электротехника. 2017. № 1. С. 1–6.

7. Савельев В.А., Страхов А.С., Новоселов Е.М., Скоробогатов А.А., Сулыненков И.Н. Экспериментально-аналитическое определение диагностического признака дефектов обмотки ротора асинхронного электродвигателя // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2018. № 4. С. 44–53.

8. Давыдова Т.И., Калашников А.В. Коэффициентный метод расчета надежности функциональной части платы питания // Автоматизация процессов управления. 2019. № 2 (56). С. 121–125.

9. Ильичев В.Ю., Юрик Е.А. Создание программы расчёта упорных подшипников скольжения на языке Python // Научное обозрение. Технические науки. 2020. № 3. С. 14–18.

10. Ильичев В.Ю., Юрик Е.А. Анализ массивов данных с использованием библиотеки Pandas для Python // Научное обозрение. Технические науки. 2020. № 4. С. 41–45.

11. Ильичев В.Ю., Витчук П.В. Исследование динамических характеристик пластинчатых муфт // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. № 4. С. 217–225.

Электрические схемы с асинхронными трёхфазными электродвигателями с короткозамкнутым ротором нашли широкое применение во многих производственных процессах.

По сравнению с другими типами приводов они обладают следующими достоинствами [1]:

— простой конструкцией и компактностью, низкой ценой, высоким КПД;

— широким модельным рядом и, соответственно, возможностью подбора параметров;

— быстротой запуска и отключения, большим допускаемым диапазоном нагрузок.

Мало исследованным вопросом при использовании схем подключения асинхронных двигателей является прогнозирование изменения технического состояния с течением времени и обеспечение их надёжной работы в сложных условиях эксплуатации, таких как нестабильность питающего напряжения и нагрузок, неоптимальные условия окружающей среды, низкий уровень обслуживания, попадание загрязнений в электродвигатель и в устройства управления [2].

Как показывает практика эксплуатации, интенсивность отказа самих асинхронных двигателей во много раз ниже, чем у прочих элементов, входящих в электрические схемы их подключения [3], и неисправное состояние наступает обычно из-за недостаточной надёжности элементов, из которых состоят системы управления и защиты [4].

До сих пор отсутствует простой программный продукт, позволяющий выбрать оптимальную с точки зрения надёжности схему подключения двигателя.

Цель работы – сравнение надёжности схем подключения асинхронных двигателей в разных условиях эксплуатации [5]. Характеристики надёжности должны оцениваться с помощью специально разработанной программы. На основе проведённых расчётов необходимо разработать средства повышения надёжности схем подключения двигателей.

Материалы и методы исследования

Рассматривалась надёжность двух основных схем подключения асинхронных трёхфазных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

Обе схемы подключения нереверсивные, первая – с запуском при сниженном напряжении (рис. 1, а), вторая – без снижения пускового напряжения (рис. 1, б).

Рис. 1. Схемы включения асинхронного двигателя со снижением (а) и без снижения (б) пускового напряжения: QF – автоматический выключатель; FU – плавкие предохранители; KK1 – термореле со своим выключателем KK2; KTr и KT – катушка и выключатель реле времени; KM1 и KM2 – контакты магнитных пускателей, срабатывающие от катушек реле KM1r и KM2r; резисторы R; SB1 и SB2 – кнопки «Пуск» и «Стоп»

Для представленных схем необходимо было выбрать методику расчёта их надёжности, являющуюся основой алгоритма разрабатываемой программы.

Согласно теории надёжности, основной характеристикой безотказности элементов, составляющих любую исследуемую на надёжность систему, является интенсивность отказов λ. Значение λ принимается постоянным и соответствует номинальному электрическому режиму и нормальным (лабораторным) условиям эксплуатации. Значения λ, приводимые в технической документации и современных справочниках по надёжности, характеризуют безотказность элементов с учётом разных типов отказов: внезапных и постепенных [6].

Для составления алгоритма расчёта надёжности рассматриваемых схем подключения двигателя применён «коэффициентный метод», описанный в [4] и хорошо зарекомендовавший себя при расчёте надёжности электрических схем. Данный метод основан на теории надёжности и статистических выкладках, сформированных по результатам многочисленных экспериментальных исследований элементов электрических схем, работающих в разных условиях.

При использовании «коэффициентного метода» базовым элементом электрической схемы считают резистор, коэффициент надёжности которого принимается равным 1, а числовое значение интенсивности отказов для базового элемента равно λ0 = 3*10-8. Это первое из исходных данных, необходимое для создания расчётной программы. Данное значение интенсивности отказов базового элемента вводится в поле пользовательского интерфейса программы, и при необходимости его можно изменить.

Надёжность остальных элементов, входящих в состав электрической схемы, учитывается с помощью коэффициентов надёжности, показывающих, во сколько раз надёжность рассматриваемого элемента превышает базовую надёжность. В описании метода присутствуют таблицы, позволяющие определить коэффициент надёжности для любого элемента схемы.

Условные обозначения всех элементов, входящих в электрические схемы подключения асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, изображённые на рис. 1 и 2, внесены в разрабатываемую программу, как и определённые для них коэффициенты надёжности для нормальных условий эксплуатации (температура 20 °C, давление 1 атм).

Пользовательский интерфейс ввода данных для работы разрабатываемой программы, сформированный с помощью библиотеки Tkinter языка Python, представлен на рис. 2.

Рис. 2. Интерфейс программы расчёта надёжности схем управления трёхфазным асинхронным двигателем

Также в используемом методе расчёта используются поправочные коэффициенты электрической нагрузки, температуры, потребляемой мощности, которые в нормальных условиях эксплуатации равны 1, что и отображено в полях программы. Исключение в рассматриваемом случае составляет коэффициент мощности, так как схемой предусмотрено, что некоторые элементы (плавкие предохранители, резисторы и др.) постоянно недогружены по мощности.

Ещё одним поправочным коэффициентом является коэффициент использования, который для каждого типа элемента находится по таблицам [4].

Алгоритм расчёта характеристик надёжности состоит из следующих этапов.

После нахождения произведения коэффициента надёжности каждого i-го элемента на все поправочные коэффициенты (данное произведение обозначим ki), определяется интенсивность отказов устройства в целом

где Ni – число одинаковых элементов в устрой- стве;

n – общее число типов элементов в устройстве.

Данная сумма для первой схемы управления двигателем будет представлена следующим образом (номера элементов i даются по порядку их расположения в заполняемой таблице программы, изображённой на рис. 2):

= 3k1 + 2k2+ k3 + k4 + 3k5 + k6 +

+ 3k7 + 3k8 + k9 + 3k10 + 3k11 + k12 + k13,

для второй схемы

= 3k1 + 2k2+ k3 + k4 + 4k5 +

Надёжность всей рассматриваемой системы характеризуется вероятностью безотказной работы P(t) – вероятностью того, что в пределах заданного времени наработки системы t не возникнет ни одного отказа. Она определяется по формуле

ku – коэффициент условий эксплуатации. Для нормальных условий эксплуатации равен 1.

Для достижения целей работы необходимо получить зависимости вероятности безотказной работы от времени P(t) для двух рассматриваемых схем подключения электродвигателя и для разных условий их работы.

Для создания расчётной программы был выбран современный высокоуровневый универсальный свободно распространяемый язык программирования Python. При нажатии на кнопку «Рассчитать…» внизу представленного интерфейса ввода данных (рис. 2) производится расчёт схем по рассмотренному алгоритму. Вывод результатов расчётов осуществляется с помощью модуля Matplotlib языка Python в виде графиков.

Результаты исследования и их обсуждение

Созданная программа расчёта надёжности схем управления и защиты трёхфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором позволяет произвести анализ изменения вероятности безотказной работы с течением времени.

С помощью программы был произведён расчёт схем № 1 и № 2 с уменьшением и без уменьшения напряжения питания двигателя при пуске (соответственно рис. 1, а и рис. 1, б). Результаты расчёта при нормальных условиях окружающей среды представлены на рис. 3.

Рис. 3. Результаты расчёта зависимости вероятности безотказной работы от времени для схем управления и защиты асинхронного двигателя при нормальных условиях эксплуатации

Из графиков видно, что надёжность второй, более простой, схемы подключения двигателя выше, причём разница значений вероятности безотказной работы двух схем с течением времени увеличивается. Время безотказной работы при вероятности отказа 50 % (при P = 0,5) при нормальных условиях эксплуатации для первой схемы составляет 21180 ч, а для второй – 29920 ч, то есть в 1,41 раза выше.

Однако, несмотря на большую надёжность второй схемы управления и защиты, её применение приводит к уменьшению надёжности самого асинхронного электродвигателя, так как при его запуске могут наблюдаться значительные забросы напряжения в обмотках.

Далее была рассчитана надёжность двух схем при эксплуатации в сложных условиях, которые учитываются с помощью повышения коэффициента условий эксплуатации до 2,5.

Данный коэффициент заносится в соответствующее поле пользовательского интерфейса разработанной программы расчёта (рис. 3). После нажатия на кнопку «Рассчитать…» получаем результаты, представленные на рис. 4.

Рис. 4. Результаты расчёта зависимости вероятности безотказной работы от времени для схем управления и защиты асинхронного двигателя в сложных условиях

Из графиков наглядно видно, что ухудшение условий эксплуатации схемы приводит к заметному снижению её надёжности. Если сравнивать время безотказной работы при вероятности отказа 50 % (при P = 0,5), то в данном случае для первой схемы оно снижается до 8460 ч, а для второй до 12110 ч.

Для того чтобы не снижать надёжность системы пуска и защиты двигателя и при этом исключить забросы пускового тока, в программе предусмотрена возможность расчёта схемы № 1 с применением ненагруженного резервирования – то есть возможности подключения второй аналогичной электрической схемы при отказе первой. Такое решение может считаться оправданным, так как стоимость схемы запуска ниже, чем стоимость электродвигателя, который может выйти из строя при резком запуске.

Результаты расчёта схемы № 1 с резервированием также приведены на рис. 4. Оказалось, что такая схема по надёжности превышает схему № 2 без резервирования до достижения непрерывной наработки около 27000 ч (3,1 года), что является для асинхронных электродвигателей очень хорошим показателем (по данным [7] наработка самого двигателя в сложных условиях может составлять 5000–10000 ч). То есть в данном случае система пуска и защиты получается более надёжной, чем сам двигатель, что является правильным.

Время безотказной работы при вероятности отказа 50 % для схемы со сниженным напряжением пуска и с резервированием оказывается также самым большим из всех рассмотренных схем и составляет 14680 ч.

Заключение

В ходе работы последовательно были выполнены следующие этапы:

— сформулирована цель проводимой научно-исследовательской работы;

— обоснована необходимость повышения надёжности схем пуска, управления и защиты асинхронных двигателей;

— обоснован выбор метода расчёта надёжности рассматриваемых схем и описан его алгоритм;

— кратко описаны особенности процедуры разработки программы на языке Python для расчёта надёжности представленных схем;

— произведены расчёты зависимости вероятности безотказной работы от времени для разных схем подключения асинхронных электродвигателей и разных условий их эксплуатации;

— в результате анализа результатов расчётов выбрана рекомендуемая схема подключения асинхронного трёхфазного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Проведённое исследование показывает удобство применения «коэффициентного метода» расчёта надежности, позволяющего на начальном этапе проектирования достаточно просто обосновать выбор конструктивных решений с точки зрения надёжности.

Результаты расчёта позволяют выработать следующие меры повышения надёжности электрических систем запуска и защиты рассматриваемых электродвигателей [8] при условии применения элементов схемы с одинаковой надёжностью:

1) уменьшить значение коэффициента условий эксплуатации с помощью помещения схемы двигателя в сухом и чистом помещении с нормальной температурой воздуха и с исключением воздействия агрессивных сред;

2) не допускать резких скачков тока в обмотках двигателя путём применения схемы № 1, при этом надёжность схемы можно значительно повысить с помощью резервирования.

Необходимо отметить, что усложнение схемы приводит к увеличению стоимости, габаритов и массы установки, поэтому эти факторы также нужно учитывать при составлении технико-экономического обоснования выбора той или иной схемы уже на этапе проектирования.

В ходе дальнейших исследований планируется разработка комплекса программ для расчёта, исследования и оптимизации прочих электрических схем. Таким образом, будут продолжены разработки авторов, направленные на совершенствование элементов электроэнергетического оборудования (описанных в [9–11] и в других статьях).

Обзор программных комплексов по расчету надежности сложных технических систем

На рынке программных комплексов (ПК) представлен ряд зарубежных и отечественных ПК, позволяющих проводить автоматизированный расчет надежности сложных технических систем, в том числе радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и электрорадиоизделий (ЭРИ).

На рынке программных комплексов (ПК) представлен ряд зарубежных и отечественных ПК, позволяющих проводить автоматизированный расчет надежности сложных технических систем, в том числе радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и электрорадиоизделий (ЭРИ).

Наиболее распространенными среди зарубежных ПК являются: RELEX (Relex software Corporation, США); A.L.D.Group (Израиль); Risk Spectrum (Relcon AB, Швеция); ISOGRAPH (Великобритания).

Среди отечественных ПК, которые применяются на ряде предприятий: ПК АСОНИКА-К (МИЭМ-ASKsoft); ПК АСМ (ПК для автоматизированного структурно-логического моделирования и расчета надежности и безопасности систем, ОАО «СПИК СЗМА»); ПК «Универсал» (для расчетов надежности и функциональной безопасности технических устройств и систем, ФГУП «ВНИИ УП МПС РФ»); ИМК КОК (инструментально-моделирующий комплекс для оценки качества функционирования информационных систем, ФГУП «3 ЦНИИ МО РФ») и др. Для расчета надежности РЭА и ЭРИ также широко используют автоматизированную справочно-информационную систему (АСРН) (ФГУП «22 ЦНИИИ МО РФ»), автоматизированную систему расчета надежности ЭРИ и РЭА (АСРН-2000, ОАО «РНИИ “ЭЛЕКТРОНСТАНДАРТ”»), АСРН-1 (для ЭРИ и РЭА народнохозяйственного назначения, ОАО «РНИИ “ЭЛЕКТРОНСТАНДАРТ”»).

Рассмотрим наиболее популярные зарубежные и отечественные ПК с точки зрения их использования для расчета надежности РЭА.

ПК Relex и Risk Spectrum

ПК Relex и Risk Spectrum позволяют проводить логико-вероятностный анализ надежности и безопасности технических систем, например, расчет надежности современных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), оптимизацию техногенного риска и определение оптимальных параметров системы технического обслуживания потенциально опасных объектов. Основное применение ПК Risk Spectrum получил в вероятностном анализе безопасности объектов атомной энергетики на стадии проектирования. Комплекс Spectrum используется более чем на 50% атомных станций мира, включен в перечень программных средств, аттестованных Советом по аттестации программных средств Госатомнадзора России в 2003 г. ПК Relex и Risk Spectrum могут быть использованы для расчета надежности не только управляющих или технологических систем, но и изделий приборостроения, вычислительной техники, на транспорте, в оборонной технике.

В основе моделирования и расчета показателей надежности и безопасности технических систем, широко применяемых в Европе и США, лежат логико-вероятностные методы, использующие в качестве средства построения графических моделей безопасности (надежности) деревья событий (ДС) и деревья отказов (ДО) рис. 1 и 2.

Рис. 1. а) Модель надежности (безопасности), представленная с помощью дерева отказов и событий; б) дерево отказов в ПК Relex

Рис. 2. а) дерево событий в редакторе ДС; б) дерево отказов в редакторе ДО ПК Risk Spectrum

Использование аппарата математической логики позволяет формализовать условия работоспособности сложных технических систем и расчет их надежности.

Если можно утверждать, что система работоспособна в случае работоспособности ее элементов A и B, то можно сделать вывод о том, что работоспособность системы (событие С) и работоспособность элементов A и B (событие A и событие B) связаны между собой логическим уравнением работоспособности: C = A

B. Здесь обозначение

используется для отображения логической операции И. Логическое уравнение работоспособности для данного случая может быть представлено схемой последовательного соединения элементов A и B.

В общем случае под деревом событий понимается графическая модель, описывающая логику развития различных вариантов аварийного процесса, вызываемого рассматриваемым исходным событием. Под деревом отказов понимается графическая модель, отображающая логику событий, приводящих к невыполнению заданной функции (отказу) системы вследствие возникновения различных комбинаций отказов оборудования и ошибок персонала (рис. 1а). В состав ДО входят графические элементы, служащие для отображения элементарных случайных событий (базисных событий) и логических операторов. Каждому логическому оператору Булевой алгебры соответствует определенный графический элемент, что позволяет производить декомпозицию сложных событий на более простые (базисные или элементарные) (таблица).

Таблица. Примерный список вершин и событий в ПК Relex

В модуле ДО ПК Relex используются логико-динамические операторы (вершины), учитывающие зависимость событий, временные соотношения, приоритеты (рис. 1б). Он позволяет осуществлять расчет следующих показателей: вероятность отказа; неготовность; параметр потока отказов; среднее число отказов. Значения показателей вычисляются как для вершинного события, так и для каждого промежуточного. Для каждого выделенного события можно просматривать и анализировать наборы соответствующих минимальных сечений.

В ПК Risk Spectrum ДС представляется в виде таблицы, содержащей строку заголовков, поле, в котором помещен разомкнутый бинарный граф (дерево событий), несколько столбцов с характеристиками конечных состояний моделируемого объекта, реализующихся в процессе осуществления аварийных последовательностей (рис. 2а). В заголовке 1-го столбца таблицы указывается обозначение исходных событий. В последующих заголовках столбцов слева направо размещаются названия и условные обозначения промежуточных событий, соответствующих успешному или неуспешному выполнению функций безопасности, работоспособным или отказовым состояниям систем безопасности или отдельных компонентов (оборудования и технических средств), правильным или ошибочным действиям персонала. В столбцах, характеризующих конечные состояния (КС), указываются их номера, условные обозначения, типы (например, КС с повреждением активной зоны), вероятности реализации, логические формулы, соответствующие данным аварийным последовательностям (АП).

С помощью АП на ДС отображаются варианты развития аварийного процесса. При этом под АП понимается последовательность событий, приводящих к некоторому конечному состоянию объекта, включающая исходное событие аварии, успешные или неуспешные срабатывания систем безопасности и действия личного состава (персонала) в процессе развития аварии.

С ПК Relex (Relex Software Continental Europe GmbH, www.relex.com) работают многие известные зарубежные фирмы, такие как LG, Boeng, Motorolla, Dell, Cessna, Siemens, Raytheon, HP, Honda, Samsung, CiscoSystems, Nokia, EADS, 3M, NASA, Intel, GM, Kodak, AT & T, Philips, Pirelli, Quallcomm, Seagete, Emerson.

В состав ПК Relex reliability studio 2007 входят различные аналитические модули для решения широкого спектра задач: прогнозирования безотказности (Reliability Prediction), ремонтопригодности (Maintainability Prediction); анализа видов, последствий и критичности отказов (FMEA/FMECA); марковского анализа (Markov Analysis), статистического анализа (Weibull Analysis), оценки стоимости срока службы оборудования (Life Cycle Cost); а также блок-схемы надежности (Reliability Block Diagram); деревья отказов/событий (Fault Tree/Event Tree); система оповещения об отказах, анализе и корректирующих действиях, FRACAS-система (Failure Reporting Analysis and Corrective Action System); система оценки человеческого фактора и анализа рисков (Human Factors, Risk Analysis).

Модуль прогнозирования безотказности содержит модели для расчета показателей надежности элементов. В него включена обширная база данных, содержащая классификационные признаки элементов и характеристики надежности. Расчеты проводятся в соответствии со стандартами: MIL-HDBK-217, Telcordia (Bellcore), TR-332, Prism, NSWC-98/LE1, CNET93, HRD5, GJB299.

Модуль анализа ремонтопригодности реализует положения стандарта по исследованию ремонтопригодности систем — MIL-HDBK-472. Решаются задачи прогнозирования профилактики технического обслуживания.

Модуль анализа видов, последствий и критичности отказов отвечает стандартам MIL-STD-1629, SAE ARP 5580 и др. Производится ранжирование опасных отказов и их оценка по приоритетам рисков.

Модуль блок-схемы надежности (RBD, Reliability Block Diagram) используется для анализа сложных резервированных систем. Содержит как аналитические методы, так и методы моделирования Монте-Карло.

Модуль деревья отказов/деревья событий позволяет реализовывать процедуры для дедуктивного и индуктивного анализа развития отказов, событий в системе. Применяется для анализа надежности и безопасности. Содержит широкий набор логико-функциональных вершин.

Модуль марковского моделирования ПК Relex позволяет использовать процессы, которые применяются в моделировании и анализе надежности систем. Разрабатываемые с помощью этого аппарата модели являются динамическими и отражают необходимые временные условия и другие особенности, зависимости, которые конкретизируют траекторию переходов системы в пространстве возможных состояний, образованных отказами, восстановлением элементов.

В модуле ПК Relex Markov реализованы марковские процессы с дискретным множеством состояний и непрерывным временем, учитывающие следующие особенности функционирования и резервирования систем: несовместные виды отказов элементов; последовательность возникновения отказов; изменение интенсивностей отказов элементов в зависимости от уже происшедших событий (в частности, степень нагруженности резерва); количество бригад по восстановлению (ограниченное/неограниченное); очередность восстановления; ограничения на ЗИП; различную эффективность функционирования в различных состояниях системы и доходы (потери) за переходы в состояния. Вычисляемые показатели: вероятность каждого из состояний; вероятность безотказной работы (отказа) на заданном интервале времени и др.

Модуль статистического анализа «Weibull» предназначен для обработки результатов испытаний, эксплуатации. Для описания катастрофических отказов на ваннообразной кривой интенсивности отказов широко используют нормальное, логнормальное распределения, распределение Вейбулла и др. Например, распределение Вейбулла, являющееся распределением минимальных величин, наиболее часто используется при прогнозировании вероятности безотказной работы и среднего времени наработки на отказ при заданном времени эксплуатации проектируемой сложной технической системы. Логнормальное и вейбулловское распределения одинаково хорошо описывают отказы, характерные для периода старения.

Модуль статистического анализа «Weibull» использует различные виды распределений, включая нормальное, Вейбулла, логнормальное, равномерное, экспоненциальное, Гумбеля, Рэлея, биномиальное и др. Представление и анализ данных для выбранных классов параметрических распределений проводится с использованием метода «вероятностной бумаги». На ней анализируемое распределение представляется прямой линией, что обеспечивает наглядность и позволяет естественным образом применять все методы регрессионного анализа, в частности, проверку адекватности модели и значимости коэффициентов регрессии (фишеровский анализ). Для оценок параметров распределений предлагается большой набор методов, например методы Хазена (Hazen), Бенарда (Benard) и их модификации, биномиальное оценивание, метод средних величин, метод максимального правдоподобия и его модификация и др.

С помощью модуля экономических расчетов (LCC) осуществляется оценка стоимости срока службы на всех этапах создания, эксплуатации, утилизации системы.

ПК АСМ

Наиболее известным из отечественных ПК является программный комплекс автоматизированного структурно-логического моделирования (ПК АСМ). Теоретической основой является общий логико-вероятностный метод системного анализа, реализующий все возможности основного аппарата моделирования алгебры логики в базе операций «И», «ИЛИ», «НЕ». Форма представления исходной структуры системы — схема функциональной целостности, позволяющая отображать практически все известные виды структурных моделей систем. Комплекс автоматически формирует расчетные аналитические модели надежности и безопасности систем и вычисляет вероятность безотказной работы, среднюю наработку до отказа, коэффициент готовности, среднюю наработку на отказ, среднее время восстановления, вероятность отказа восстанавливаемой системы, вероятность готовности смешанной системы, а также значимость и вклад элементов в различные показатели надежности системы в целом. ПК АСМ позволяет также автоматически определять кратчайшие пути успешного функционирования, минимальные сечения отказов и их комбинации.

Следует отметить, что актуальной является проблема разработки отечественных ПК для автоматизированного моделирования и расчета статических и динамических показателей надежности и безопасности сложных технических систем, что обусловлено потребностями развивающейся промышленности при создании новых высокотехнологичных процессов и оборудования, особенно для опасных производственных объектов различного назначения; объективными трудностями использования для этих целей ПК зарубежной разработки — высокой стоимостью, технологической зависимостью, проблемами подготовки кадров.

ПК A.L.D. Group

Фирма A.L.D. Group (Израиль-США, http://www.aldservice.com/) объединяет две компании, специализирующиеся в области логистики (logistics information system) и оценки надежности: SoHaR и FavoWeb (http://www.favoweb.com/).

Программный продукт FavoWeb — это работающая в Интернете динамическая FRACAS-система (Failure Reporting Analysis and Corrective Action System — Система оповещения об отказах, анализе и корректирующих действиях). Многие зарубежные компании, например компания Lockheed Martin, широко используют систему FRACAS.

Программный продукт FavoWeb основан на современных возможностях интернет-технологий и реализует полный замкнутый цикл методологии FRACAS, который применим к любому продукту, услуге, процессу. Может быть использован в любой фазе жизненного цикла: разработке, макетировании, производстве, эксплуатации, техническом обслуживании, контроле, испытании; в любой отрасли: авиации, обороне, связи, электронике, фармацевтике, автомобилестроении, бытовой технике.

Система FRACAS позволяет создавать базы данных, переводя разнородные данные в структурированную информацию о качестве. Имеет мощный механизм корректирующих действий: поддержка работы групп анализа отказов/дефектов/материалов, анализ глубинных причин отказов, устранение проблем. Содержит модуль Workflow для автоматизации извещения об отказах и серийных номерах.

Программа предлагает широкий набор функций, возможностей оценки и улучшения надежности оборудования благодаря тесной интеграции с системой анализа RAM Commander (рис. 3). Кроме того, FavoWeb включает специальные возможности по внесению и учету изменений, логистике и отслеживанию серийных номеров изделий (CALS-технологии).

Рис. 3. Окно системы анализа надежности RAM Commander

Под термином CALS-технологии (Continuous Acquisition and Lifecycle Support) понимается совокупность принципов и технологий информационной поддержки жизненного цикла изделия на всех его стадиях. Русскоязычный аналог CALS — информационная поддержка жизненного цикла изделий (ИПИ). В последнее время за рубежом наряду с CALS используется также термин Product Lifecycle Management (PLM). Важным аспектом CALS-технологий является информационная поддержка непосредственно самого процесса расчета оценки надежности технической системы. RAM Commander позволяет вычислять среднюю наработку на отказ/критический отказ (MTBF/ MTBCF), среднее время на ремонт (MTTR), среднее время между устранениями отказов (MTBMA) и др.

Базовая конфигурация FavoWeb позволяет создавать отчеты (распределение дефектов/отказов и перечень отказов/дефектов по заданным пользователем параметрам); проводить корректирующие действия; строить дерево продукта; работать с различными библиотеками/справочниками; имеет модуль администратора.

На рис. 3 приведено окно системы анализа надежности RAM Commander, которая охватывает весь спектр инженерных задач, связанных с надежностью электронных, электромеханических, механических и других систем. Она позволяет прогнозировать надежность, готовность и ремонтопригодность различного рода оборудования, пропорциональное распределение между надежностью и ремонтопригодностью; управлять данными по надежности, готовности и ремонтопригодности; проводить анализ надежности проектируемого оборудования методом Монте-Карло; оптимизировать складской учет запасных частей.

На рис. 3 показан пример расчета надежности РЭА. Объект состоит из приемопередающего компонента (Communic), компонента управления (Control) и монтажного шкафа (Pedestal). Коммутирующая часть приемопередающего компонента — радиоэлектронные и механические компоненты: ИС, резисторы, конденсаторы, фотоприемники, переключатель. Элементы проектируемой системы, имеющие наивысшую интенсивность отказов, помечены красным цветом, например блок питания (PS), имеющий эксплуатационную интенсивность отказов 8350 ФИТ и интенсивность отказов в режиме ожидания 700 ФИТ. Второй по величине вклад вносит монтажный шкаф (Pedestal), состоящий из антенны, механического мотора и опоры (выделены желтым цветом).

На рис. 4 показано редактирование надежностных характеристик КМОП ИС типа 74HC04 в различных режимах эксплуатации проектируемой РЭА: в операционном (рабочем) режиме, в режиме хранения (ожидания). Предполагается, что ИС будет использоваться в РЭА предназначенной для наземных стационарных условий эксплуатации (условное обозначение режима — GF, температура эксплуатации — 49,3 °C, градиент температуры — Delta Temp 4,3 °C). При заданном режиме эксплуатации, для ИС типа 74HC04, прогнозируемая интенсивность отказов по справочнику предсказания надежности Telecordia Issue 1 составит FRp ≈ 32 ФИТ (1 ФИТ = 10 –4 %/1000 ч = 10 –9 1/ч). Используя справочник Telcordia, можно также редактировать конструктивно-технологические характеристики ИС. Например, из справочника извлекаем информацию, что ИС типа 74НС04 представляет популярное семейство логических быстродействующих КМОП схем (отечественный аналог — серия КР1564). Число вентилей — 6, корпус — герметичный. Интенсивность отказов ИС 74HC04 может быть предсказана и с использованием других зарубежных регламентирующих документов (справочников): MIL-HDBK-217f, TR332 — Bellcore Issue 6, RDF 95 — French Telecom, UTE C 80810 (CNET 2000), HRD — British Telecom, GJB299 — Chinese Standard, IRPH93 — Italtel, ALCATEL, RADC 85-91, NPRD-95, NSWC-98.На рис. 5а показана диаграмма Парето, позволяющая определить долю интенсивности отказов составных частей проектируемой РЭА в общей интенсивности отказов. Также показаны зависимость интенсивности отказов РЭА от температуры (рис. 5б) и среднее время наработки на отказ (рис. 5в).

Возможности RBD-модуля расчета структурной надежности RAM Commander во многом схожи с RBD-модулем ПК Relex. Однако возможности последнего значительно шире, так как он позволяет учитывать следующие факторы: вид резервирования (постоянное, замещение, скользящее); вероятность и время успешного подключения резерва; нагруженность резерва; механизм проявления отказа; различные стратегии восстановления; наличие ЗИП, профилактического обслуживания и технических осмотров.

RBD-модуль ПК Relex решает оптимальные задачи надежности: определение числа резервных элементов, максимизирующего показатели надежности/производительности или минимизирующего стоимость системы; определение оптимальных периодов профилактического обслуживания или технических осмотров. Результатом его работы является вычисление следующих показателей: вероятности безотказной работы; средней наработки до отказа; интенсивности отказов системы; коэффициента готовности (стационарный/нестационарный); параметра потока отказов; среднего числа отказов; средней наработки на отказ.

Используя RBD-модуль RAM Commander, можно построить различные варианты (функционально-надежностные схемы) с последовательным, параллельным и последовательно-параллельным (K out of N) соединением компонентов проектируемой системы, а также провести анализ надежности варианта блок-схемы с использованием статистического анализа по методу Монте-Карло. Модуль позволяет задавать индивидуально для каждого блока: распределение интенсивностей отказов — экспоненциальное, нормальное, логнормальное, Вейбулла, Эрланга и др.; среднее время наработки между отказами (MTBF, ч); нагруженность рабочего цикла в %; указывать степень ремонтопригодности (полностью или частично) и задавать вероятностные распределения и их параметры для ремонтируемых блоков (например, для экспоненциального распределения указывается время нахождения блока в ремонте). На рис. 6 показаны оценки вероятности безотказной работы для двух функционально-надежностных схем, построенные в предположении, что отказы компонентов проектируемого объекта в течение 100 тыс. ч эксплуатации подчиняются экспоненциальному распределению, при этом все отказавшие компоненты полностью ремонтопригодны.

ПК АСОНИКА-К

На отечественном рынке представлена успешно развивающаяся подсистема АСОНИКА-К (по мнению разработчиков АСОНИКА-К перерастет в программный комплекс, поэтому в дальнейшем будем называть ее ПК АСОНИКА-К) — программное средство решения задач анализа и обеспечения надежности в рамках автоматизированного проектирования РЭА (рис. 7). По своим возможностям подсистема АСОНИКА-К не уступает RBD-модулям зарубежных ПК A.L.D. Group (RAM Commander), Relex, Isograph и др. Ее использование является более предпочтительным, так как АСОНИКА-К позволяет вести расчет надежности РЭА, производимой в России, на основе данных, приведенных в отечественных справочниках «Надежность электрорадиоизделий», «Надежность электрорадиоизделий зарубежных аналогов». Отвечает требованиям комплекса военных стандартов «Мороз-6» для РЭА ответственного применения и стандарту США MIL-HDBK-217 и стандарту КНР GJB/z 299B.

Рис. 7. ПК АСОНИКА-К. Система расчета надежности СЧ: а) пример расчета надежности РЭА; б) пример графического анализа зависимости интенсивности отказов от температуры окружающей среды

Использование ПК АСОНИКА-К позволяет реализовать современные методы проектирования РЭА, основанные на CALS-технологиях. АСОНИКА-К представляет собой программное средство, созданное в технологии «клиент-сервер». База данных (БД) серверной части ПК содержит непрерывно пополняемую информацию о надежности как отечественных, так и зарубежных изделий электронной техники, построенную на уникальных принципах, которые существенно облегчают задачу ее администрирования, в том числе: редактирование данных о надежности ЭРИ; редактирование математических моделей ЭРИ; добавление новых классов ЭРИ. Ниже приведен состав программного комплекса АСОНИКА-К:

система расчета характеристик надежности составных частей (СЧ) (рис. 7–8);

Рис. 8. ПК АСОНИКА-К. Система расчета надежности сложных изделий: пример расчета надежности РЭА с резервированием ее составных частей

Рис. 9. Функция, плотность распределения времени наработки на отказ и интенсивность отказов проектируемой РЭА

Рис. 10. Фрагменты файлов отчетов ПК АСОНИКА-К: а) расчет надежности СЧ; б) расчет надежности сложных изделий

БД клиентской части ПК содержит информацию о проектируемой РЭА. Такая организация клиентской части позволяет проводить расчеты РЭА параллельно с нескольких рабочих станций. Клиентская часть программы имеет графический постпроцессор и интерфейсы с системами моделирования физических процессов и конструкторского проектирования, в том числе АСОНИКА-Т, P-CAD 2001, АСОНИКА-М и др [8]. Математическое ядро ПК содержит в качестве модели надежности экспоненциальное и DN-распределения и может быть адаптировано к любой другой модели надежности. Оно позволяет рассчитывать РЭА, содержащие до четырех иерархических уровней разукрупнения и имеющие различные типы резервирования. Результаты расчетов могут быть представлены как в текстовом, так и в графическом виде.

ПК АСОНИКА-К позволяет проводить следующие виды анализа расчета надежности (СРН, аналог RBD-модуля RAM Commander, Relex RBD, Isograph RBD): анализ результатов расчетов надежности РЭА, СРН которых представляет собой произвольное соединение составных частей (древовидное, иерархическое и т. д.) и анализ результатов расчета составных частей, с последовательным соединением.

На рис. 7а дан пример расчета надежности РЭА с использованием ПК АСОНИКА-К. Показаны составные части РЭА (щит питания, блок питания и т. д.), а также результат расчета надежностных характеристик объекта: вероятность безотказной работы, эксплуатационная интенсивность отказов, среднее время наработки до отказа и вклад элементов в общую интенсивность отказов. Кроме того, на рис. 7б приведен пример графического анализа зависимости интенсивности отказов от температуры окружающей среды.

Использование ПК АСОНИКА-К позволяет повышать надежность РЭА путем резервирования ее составных частей (рис. 8). На рис. 8 показаны группы К01-К08, выделенные из объекта, значения вероятности безотказной работы, коэффициент готовности и коэффициент оперативной готовности всего объекта в целом.

Отказы составных частей являются внезапными и представляют собой независимые события, время до отказа является случайной величиной, распределенной по экспоненциальному закону с постоянной интенсивностью отказов λ. На рис. 9 показаны функция и плотность распределения времени наработки на отказ, а также зависимость интенсивности отказов проектируемой РЭА с использованием графического анализа.

ПК позволяет проводить расчет надежности с использованием различных видов резервирования составных частей: скользящее горячее резервирование, горячее резервирование и без резервирования, а также обеспечивает способы контроля их работоспособности (непрерывный/периодический). На рис. 10 приведены фрагменты файлов отчета ПК АСОНИКА-К, а именно: расчет надежности составных частей (рис. 10а), расчет надежности сложного изделия (рис. 10б), которые формируется в формате html.

Перспективой развития ПК является разработка еще двух модулей: системы учета влияния на характеристики надежности внешних факторов (рис. 11) и информационно-справочной системы по характеристикам надежности современной элементной компонентной базы (ЭКБ) (рис. 12).

Рис. 11. ПК АСОНИКА-К. Система анализа и учета влияния на надежность внешних факторов

Рис. 12. ПК АСОНИКА-К. Информационно-справочная система по характеристикам надежности современной ЭКБ

Резюме

ПК Relex, Risk Spectrum и АСМ реализуют класс моделей оценки показателей надежности технических систем — логико-вероятностного моделирования. Его можно назвать классом статистических моделей, так как они позволяют вычислять показатели надежности, безопасности и эффективности систем в произвольный момент времени, в зависимости от возможных наборов работоспособных и неработоспособных состояний элементов системы.

Отдельные модули ПК A.L.D. Group (RAM Commander), Relex, Isograph возможно использовать для автоматизированного расчета надежности отечественной РЭА только лишь на базе импортных ЭРИ (или их отечественных аналогов), оценка надежности которых ведется по различным зарубежным справочникам. Использование зарубежных ПК требует от пользователей высокой подготовки в области математической статистики и ее приложения к задачам теории надежности.

ПК АСОНИКА-К не уступает по возможностям зарубежным ПК и может быть рекомендован для проведения расчетов надежности отечественной РЭА на базе как импортных, так и отечественных ЭРИ. Главное преимущество — возможность вести расчеты надежности, используя отечественные справочники «Надежность электрорадиоизделий» и отвечать требованиям комплекса военных стандартов «Мороз-6» для РЭА ответственного применения. Реализация современной концепции CALS-технологий обеспечивает непрерывную информационную поддержку, связанную с эксплуатационными отказами отечественных ЭРИ.

Литература

1. http://www.axoft.ru
2. ChipNews. Новости EDA Expert. 2002. № 10.
3. Сайт компании ЭлекТрейд-М. www.eltm.ru
4. http://www.favoweb.com/
5. http://www.riskspectrum.com
6. http://www.isograph.com
7. EDA Expert_6_52_55.pdf. Жаднов В., Жаднов И., Замараев С. и др. Новые возможности программного комплекса АСОНИКА-К
8. ПК АСМ. Методы оценки надежности, безопасности и риска. http://www.szma.ru
9. Управление качеством при проектировании теплонагруженных радиоэлектронных средств: Учебное пособие / Жаднов В. В., Сарафонов А. В. М.: «Солон-пресс», 2004.

Details

В работе приведено разнообразие схем распределительных устройств, их достоинства и недостатки. Показана важность расчета надежности схем распределительных устройств. Приведена методика расчета надежности схем распределительных устройств. Произведена автоматизированная реализация таблично-логического метода расчета надежности в VisualStudio, показан интерфейс программы, а также листинг программы. Рассмотрены вопросы безопасности труда на распределительных устройствах и посчитан экономический ущерб, полученный в связи недоотпуска электроэнергии.

The work shows a variety of switching schemes, their advantages and disadvantages. The importance of calculating the reliability of switching circuits. The methodology of calculating the reliability of switching circuits. Produced automated implementation of table-logical method of calculation of reliability in VisualStudio, shows the interface program, and program listing. We consider safety issues in the switchgear and counted the economic damages in connection electricity shortage.

Document access rights

Network	User group	Action
ILC SPbPU Local Network	All
Internet	Authorized users SPbPU
	Internet	Anonymous

Расчет надежности схем электроснабжения, Гук Ю.Б., Синенко М.М., Тремясов В.А., 1990

Расчет надежности схем электроснабжения, Гук Ю.Б., Синенко М.М., Тремясов В.А., 1990.

Дается систематизация и описание существующих и новых методов расчета надежности схем электроснабжения. Рассмотрены особенности различных схем электроснабжения, основные показатели надежности и применяемая терминология. Изложены вероятностные модели для расчета надежности, аналитический метод, а также таблично-логический и метод дерева отказов. Дано описание алгоритмов программ для ЭВМ. Приведены содержательные примеры решения задач анализа надежности при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения.
Для инженеров и студентов вузов электроэнергетических специальностей.

Классификация схем электроснабжения.
Схемы электроснабжения отличаются количествами потребителей и источников питания, количеством и схемой включения элементов электрической схемы и средствами локализации отказов элементов. Кроме того расчетные схемы систем электроснабжения отличаются способами восстановления электроснабжения после аварийных отключений (рассмотренных в п.1.1) и наличием или отсутствием плановых отключений элементов.

Схемы электроснабжения можно расположить в порядке усложнения расчетной схемы следующим образом.
а) Простейшие схемы с одним источником питания и одним потребителем, с небольшим числом элементов I < n < 10 и последовательным соединением, о восстановлением и профилактикой.
б) Простейшие схемы с одним или несколькими источниками питания и одним потребителем, невысокой кратностью резервирования цепей питания, с восстановлением и профилактикой.
в) Радиальные схемы без резервирования с одним источником питания и несколькими потребителями. Сети 35-110 кВ с выключателями, короткозамыкателями, отделителями и плавкими предохранителями. Сети 6-10 кВ с выключателями и с плавкими предохранителями. Сети 0,4 кВ с автоматическими выключателями и о плавкими предохранителями.

Оглавление.
Перечень условных обозначений, символов, единиц и терлинов.
Предисловие.
1. Классификация схем и методов.
1.1. Показатели надежности электроснабжения.
1.2. Классификация схем электроснабжения.
1.3. Классификация методов расчета надежности схем электроснабжения.
2. Вероятностные модели для расчета надежности электроустановок.
2.1. Математические модели отказов оборудования.
2.2. Математические модели отказов установок.
2.3. Математические модели надежности установок без учета профилактики.
2.4. Математические модели надежности установок с учетом восстановления и профилактики.
2.4. Математические модели надежности установок с учетом восстановления и профилактики.
2.4.1. Оптимизация профилактического обслуживания оборудования.
2.4.2. Модель надежности установки без резервирования.
2.4.3. Последовательное соединение элементов.
2.4.4. Параллельное соединение двух элементов (дублирование).
2.5. Математические модели надежности установок с учетом отказов обшей причины.
3. Аналитический метод расчета надежности электроснабжения.
3.1. Основные положения аналитического метода расчета надежности схем электроснабжения
с последовательным и параллельным соединением элементов.
3.2. Расчет надежности схемы глубокого ввода 110 кВ.
4. Применение метода дерева отказов для анализа надежности систем электроснабжения.
4.1. Характеристики исходных событий в дереве отказов.
4.2. Процедура построения дерева отказов для системы электроснабжения.
4.3. Качественный анализ дерева отказов.
4.4. Количественная оценка показателей надежности систем электроснабжения.
4.4.1. Вероятностные показатели надежности СЭС.
4.4.2. Методы оценки надежности для простых СЭС.
4.4.3. Метод расчета надежности сложных СЭС.
4.4.4. Оценка показателей надежности СЭС по характеристикам минимальных сечений отказов.
4.4.5. Количественная оценка надежности систем, подверженных отказам с общей причиной.
4.4.6. Критерии значимости отдельных элементов и минимальных сечений отказов при анализе надежности СЭС.
5. Таблично-логический метод расчета схем электрических соединений.
5.1. Общая характеристика и расчетные формулы.
5.2. Расчет надежности главной схемы подстанции.
Приложение 1. Описание алгоритмов программ.
Приложение 2. Вывод формулы для определения показателя системы wc(t).
Приложение 3. Указатель примеров решения задач, расчета надежности систем электроснабжения.
Список литературы.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Расчет надежности схем электроснабжения, Гук Ю.Б., Синенко М.М., Тремясов В.А., 1990 — fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

Скачать pdf
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России. Купить эту книгу