Расчет вероятности опасного отказа

Надежность системы управления

Повышение мощности, расширение функций, выполняемых автоматикой, интенсификация производственных процессов усугубляют последствия отказов АСУТП. Выход из строя таких систем может привести к значительному экономическому ущербу, снижению производительности труда, потерям энергии и целевых продуктов, авариям на производстве. Взаимосвязь надежности и эффективности (особенно после отказов, вызывающих ухудшение характеристик технологического процесса) должна рассматриваться в последовательности «отказ – изменение показателей точности управления и метрологических показателей – изменение технологических показателей эффективности – изменение экономических показателей эффективности».

Установление и достижение требуемого уровня надежности разрабатываемых и эксплуатируемых АСУТП является важной задачей при создании систем, решение которой требует проведение специального комплекса работ, выполняемых на различных стадиях разработки и функционирования АСУТП. Сложность решения такой задачи также заключается в том, что системы управления ТОУ химической технологии относятся к многофункциональным, в их состав входят многочисленные технические устройства и оперативный персонал.

Надежность системы управления определяется её способностью выполнять заданные функции с сохранением во времени установленных значений эксплуатационных показателей – безотказности, долговечности и ремонтопри-годности системы.

Безотказность – способность системы сохранять работоспособность при заданных условиях эксплуатации и в течение заданного времени (цикла производства, смены, месяца, квартала, года) без вынужденных (внеплановых) перерывов. Она характеризуется наработкой на отказ, как отдельных элементов системы, так и ее подсистем и системы в целом.

Долговечность – свойство системы сохранять работоспособность до предельного состояния (с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта). Она определяется факторами физического и морального старения и задается сроком службы системы.

Ремонтопригодность – приспособленность системы к предупреждению, обнаружению и устранению отказов. Этот показатель важен для систем, рассчитанных на длительное использование, с многократным восстановлением работоспособности после возможных отказов и характеризуется средним временем восстановления

В процессе разработки, проектирования, внедрения и промышленной эксплуатации системы управления должен быть установлен и обеспечен оптимальный уровень надежности как системы в целом, так и отдельных ее компонентов. Оптимальность выбора уровня надежности подразумевает, что необоснованно завышенный уровень надежности приводит к излишним затратам, а низкий уровень надежности снижает эффективность использования системы. Последствиями низкого уровня являются нарушения технологического режима, недовыпуск целевых продуктов, аварии, взрывы, а также увеличение затрат на ремонт системы. В отдельных случаях низкий уровень надежности системы может свести ее эффективность к нулю или даже сделать отрицательной (т.е. затраты будут выше экономического эффекта).

Расчет вероятности опасного отказа

Безотказность системы характеризуется частотой возникновения отказов.

Отказ – это событие, после которого система полностью или частично перестает выполнять свои функции. Причинами отказа могут быть естественные процессы изнашивания и старения, а также дефекты, возникающие при изготовлении, монтаже, ремонте системы, нарушении правил и норм эксплуатации.

Причинами отказов могут быть ошибки или несовершенство конструкции, нарушения или несовершенства технологического процесса изготовления, а также нарушения правил эксплуатации и непредусмотренные внешние воздействия.

Система безопасности может отказать одним из двух способов:

- безопасный отказ, который может вызвать ложный, немотивированный останов, и остановить производство, в то время как ничего опасного не произошло;

- опасный отказ происходит тогда, когда функция защиты может не выполнять функцию защиты, в то время как это действительно требуется со стороны защиты.

Рассчитаем вероятности опасного отказа канала системы противоаварийной защиты по давлению верха колонны Кт-20. Проектируемый процесс ректификации относится к II категории взрывоопасности, что соответствует 3-му уровню SIL и должен иметь % надежности не ниже 99,9, а вероятность опасного отказа не выше 0,001.

Для выполнения даже элементарных функций управления требуется несколько последовательно установленных устройств с надежными характеристиками. Рассмотрим канал ПАЗ, изображенный на рис. 5.1, и определим вероятность его опасного отказа.

В качестве заданного времени безотказной работы t возьмем период в 1 год - 8760 часов.

Выбранный срок 1 год соответствует срокам проведения технического обслуживания и ремонта, в течение которого будет проведена профилактика и тестирование оборудования.

Рис.5.1 Канал ПАЗ

Вероятность отказа представленного канала:

Q_кан=Q_д.+9 ^. Q_л.с. +Q_{м.ан.вх.} ²+Q_б.а.вх.+Q_выч.²+ Q_{м.д.вых.} ²+Q_{б.д.вых.}+Q_эмк+Q_отс.кл.+ Q_б.д.вх.+ +Q_м.д.вх. ²+Q_ш ², где:

Q_д − вероятность отказа интеллектуального датчика давления-разряжения Метран 150ТG 3;

Q_{л с}− вероятность отказа линии связи (контрольный провод), их количество 9 шт.;

Q_б.а.вх− вероятность отказа входного барьера искробезопасности HID 2025 (аналоговый вход);

Q_выч− вероятность отказа вычислителя (нерезервированного и резервированного);

Q_{м.ан.вх.} − вероятность отказа модуля аналогового ввода (нерезервированного и резервированного);

Q_б.д.вых − вероятность отказа выходного барьера искробезопасности HID 2872 (дискретный выход);

Q_{м.д.вых.}− вероятность отказа модуля дискретного вывода (нерезервирован-ного и резервированного);

Q_эмк − вероятность отказа электропневматического клапана;

Q_отс.кл. − вероятность отказа отсечного клапана;

Q_б.д.вх. − вероятность отказа входного барьера искробезопасности HID 2822 (дискретный вход);

Q_м.д.вх. − вероятность отказа модуля дискретного ввода (нерезервирован-ного и резервированного);

Q_ш− вероятность отказа шины передачи данных, 2шт.

Таким образом, для расчета вероятности опасного отказа контура ПАЗ необходимо знать среднее время безотказной работы каждого его элемента (таблица 10).

Таблица 10 – Наработки на отказ элементов, входящих в состав приведенного контура ПАЗ

Вероятность опасного отказа канала:

Q_кан= + + + + + + + + + + + + + =0,42

Таким образом, указанный канал обладает высоким значением вероятности опасного отказа, превышающим значение, которым должен обладать объект, соответствующий уровню SIL 3 (II категории взрывоопасности). В этом случае, необходимо применение дополнительных средств и методов повышения надежности как системы в целом, так и его отдельных компонентов.