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.
Естественно, что детально рассмотреть все многообразие мер и способов повышения надежности весьма трудно и это связано было бы с освещением большого количества узконаправленных задач. Изучение общих методов и принципов повышения надежности автоматических систем имеет также свои положительные стороны, обеспечивающие развитие правильных и перспективных направлений создания высоконадежных систем, без чего могут стать малоэффективными правильные решения более узких практических вопросов.
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. Это потребует больших материальных затрат, а в некоторых случаях даже практически невозможно. 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, оцениваемой приближенно по количеству элементов, 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.
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:
· выбором простых и стабильных схем, учитывающих также возможности повышения надежности системы при эксплуатации;
· применением качественных и перспективных элементов и выбором режимов работы элементов, соответствующих пониженным электрическим нагрузкам;
· разработкой конструкции системы и приборов, обеспечивающей минимальные нагрузки на систему и элементы, а также удобство обслуживания системы.