Файл: Казацкер, А. А. Надежность систем автоматизации в пищевой промышленности.pdf

Поскольку требования по надежности зависят от поставлен­ ной задачи, целесообразно рассмотреть методику установления требований по надежности для каждого из основных классов САУ в отдельности.

ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ (САР)

В соответствии с ГОСТ 13377—67 под надежностью САР технологического процесса следует понимать свойство си­ стемы поддерживать регулируемый параметр в пределах допу­ скаемых отклонений. Всякое изменение в работе системы по любой причине, влекущее за собой невыполнение заданных функций с параметрами, установленными требованиями техни­ ческой документации, следует понимать как отказ. При этом надежность САР характеризует сохранение во времени опре­ деленного качества — заданной точности системы [18]. При обосновании допускаемых отклонений (допусков) регулируемых параметров САР основным критерием является ущерб от пре­ вышения этих допусков. Этот же критерий, исходя из понятия отказа САР, должен использоваться при обосновании требова­ ний по надежности.

Обоснованность сформулированных в техническом задании требований по надежности в основном, при прочих равных усло­ виях, определяется обоснованностью допускаемых отклонений (допусков) регулируемых параметров систем автоматического регулирования.

В настоящее время очень редко проводится научное обосно­ вание задаваемых допусков. Вопрос этот обычно решается ин­ туитивно на основании «личного опыта» или других, достаточ­ но субъективных данных, поскольку отсутствуют работы, регла­ ментирующие хотя бы общую научно обоснованную методику решения данного вопроса в пищевой и смежных отраслях про­ мышленности. С целью создания определенной базы для обос­ нования требований по надежности, а также проверки их вы­ полнения в процессе эксплуатации САР была сделана попытка: на основании обобщения имеющегося опыта приблизиться к ре­ шению вопроса об обосновании допускаемых отклонений САР. Ниже излагаются основные результаты этой работы [19, 20].. В дальнейшем под САР имеются в виду в основном системы автоматической стабилизации технологических параметров, со­ ставляющие около 80% от числа систем регулирования, нахо­ дящихся в эксплуатации.

Формы и методы задания допускаемых отклонений регулируемых технологических параметров

В первую очередь необходимо определить форму (вид) за­ дания допусков. Как показывает опыт, виды задания допускае­ мых отклонений САР зависят от технологических и экономиче-

28

ских требований и могут быть разбиты для объектов пищевой промышленности на три наиболее типичные группы.

К первой группе относятся технологические параметры, для которых превышение заданных отклонений недопустимо при лю­ бых режимах работы. Такие требования предъявляются, на­ пример, при автоматической стабилизации уровня томатопродуктов в вакуум-выпарной установке с встроенной поверхно­ стью нагрева. Оптимальные режимы работы установки достига­ ются при небольших значениях уровня. Однако даже кратковре­ менное снижение уровня ниже допустимого может вызвать пригорание продукта.

Аналогичное положение при автоматизации брагоректифи­ кационных аппаратов. Оптимальный режим работы колонн до­ стигается на грани срыва нормального хода процесса («захле­ бывания»). При работе в этом режиме превышение регулируе­ мых параметров может быть очень кратковременным. Для этой группы определяющими будут, очевидно, максимально допусти­ мые кратковременные (не более определенного времени) откло­ нения значений регулируемой величины (назовем ее «динами­ ческий допуск»). Допуски на отклонение среднего значения регулируемого параметра в этом случае могут не определяться.

Ко второй группе относятся технологические параметры, для которых важны суммарные (интегральные) либо средние зна­ чения, а кратковременно допустимы любые значения, не пре­ вышающие аварийных. К таким параметрам можно отнести температуру стерилизации консервов при стерилизации по ме­ тоду стерилизующего эффекта, крепость спирта, отбираемого из аппарата в большие емкости, где происходит усреднение кре­ пости, и т. п. В этом случае должны определяться только допу­ ски на средние значения регулируемых параметров («статиче­ ский допуск»),

К третьей группе следует отнести параметры, для которых должны определяться как динамические, так и статические до­ пуски.

Форма задания допусков тесно связана с видом используе­ мых показателей качества функционирования САР. Для систем, в которых возмущения возникают сравнительно редко или в ко­ торых включения, выключения, переключения — это основной режим их работы (например, системы программного управления с небольшими выдержками времени), качество регулирования может быть определено по переходному процессу, являющему­ ся реакцией системы на типовое воздействие. При этом обычно используются детерминированный подход к анализу качества САР и соответствующие показатели качества САР при единич­ ном ступенчатом возмущении: время переходного процесса, мак­ симальное динамическое отклонение, перерегулирование и т. п. Для таких систем форма задания допусков должна, очевидно, представлять собой ограничения, накладываемые на указанные

29

показатели качества. Большинство САР технологических про­ цессов пищевой промышленности работает при наличии возму­ щающих воздействий, имеющих случайный характер, что объ­ ясняется действием большого числа разнообразных возмущаю­ щих факторов (частично даже неизвестных). Включения и пе­ реключения составляют пренебрежительно малый процент ш> времени от общей длительности работы системы. В этих усло­ виях для характеристики качества САР используются статисти­ ческие показатели (среднее квадратическое отклонение текуще­ го или среднего значения параметра и др.). Для таких систем допуски задаются в форме динамических допусков для текущих

видах допусков. Поле допуска может быть несимметричным от­ носительно номинального значения.

Чтобы наметить подход к методике определения конкретных величин каждого вида допусков САР, необходимо провести в общем виде анализ работы реальных САР с точки зрения вы­ полнения заданных функций.

Как указывалось, автоматическое регулирование большинст­ ва технологических процессов протекает при наличии возмуща­ ющих воздействий, имеющих случайный характер. Вследствие этого значения регулируемых величин являются случайными функциями времени. Принято считать, что изменения регули­ руемых технологических величин во времени могут описывать­ ся с помощью методов случайных стационарных процессов [21].

Большинство промышленных объектов при небольших от­ клонениях от установившихся режимов могут рассматриваться как линейные. Поэтому случайный процесс на выходе системы имеет закон распределения, близкий к нормальному [22, 23]. Можно считать, что колебания регулируемой величины .на вы­ ходе САР имеют характер, близкий к случайному стационар­ ному процессу с нормальным законом распределения.

Следовательно, показатели качества работы САР, в том числе и показатели точности, при изменениях регулируемых величии во времени, носящих характер случайных стационар­ ных процессов, должны быть статистическими характеристиками этих случайных процессов [21].

Если характеризовать качество работы САР такими стати­ стическими показателями, как математическое ожидание ту и среднее квадратическое отклонение ау регулируемой величи­ ны, то отклонение среднего значения регулируемой величины от номинального значения (статическая ошибка) будет опреде­ ляться величиной ту, а динамическая ошибка — в основном величиной оу. Очевидно, что эти же статистические характери­ стики должны быть положены в основу при определении соот­ ветствующих видов допусков.

Рассмотрим сначала возможный подход к определению ди-

30

намических допусков. Это можно сделать, исходя из технологи­ ческих и экономических факторов, в частности из убытков (тех­ нологических потерь), которые могут возникнуть при выходе регулируемого параметра за заданные уровни. Для определения этого ущерба для САР, обладающих конкретными значениями ту и ау, необходимо знать среднее число выходов п за динами­ ческий допуск (динамических отказов) в единицу времени, сред­ нюю длительность одного динамического отказа т и среднее значение процента времени, в течение которого регулируемая величина будет находиться в пределах допуска П.

Все эти величины можно определить, пользуясь методами теории случайных функций [24]:

2

здесь Ку(т) — корреляционная функция центрированной случайной функции; Адпн — величина динамического допуска;

го

Значение С может быть определено экспериментально по диа­

гДе ув и г/в — максимальное (верхнее) и минимальное (нижнее) допустимые значения регулируемого параметра.

31