Устройство для определения значений эксплуатационных характеристик изделия периодического применения

Устройство для определения значений эксплуатационных характеристик изделия периодического применения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам контроля. Оно может использоваться в научных исследованиях и практике эксплуатации для определения оптимальных сроков технического обслуживания изделий периодического применения и соответствующих показателей готовности изделий к применению по назначению.

Существуют устройства, позволяющие определять периоды технического обслуживания изделий циклического применения [3, 4] и постоянного применения средств системы [5, 6]. Их недостатком являются ограниченные функциональные возможности, поскольку они не позволяют определять параметры оперативной готовности технических средств системы к применению. Известно также устройство [7], обеспечивающее определение коэффициента оперативной готовности изделия при оптимальном периоде его технического обслуживания. Но данное устройство ориентировано на изделия постоянного применения по назначению, что ограничивает его функциональные возможности и область применения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство [8], содержащее блок памяти, шесть вентилей, мультивибратор, шесть сумматоров, схему ИЛИ, два триггера, аттенюатор, четыре блока нелинейности, два накапливающих сумматора, четыре блока умножения, три вычитателя, два интегратора, четыре элемента задержки, четыре элемента памяти, блок деления и компаратор. Его недостатком являются ограниченные функциональные и информативные возможности. Оно не позволяет определять коэффициент оперативной готовности изделия и значение времени, в течение которого этот коэффициент будет не менее требуемого.

Целью заявляемого технического решения является повышение функциональных и информативных возможностей устройства. Цель достигается путем определения коэффициента оперативной готовности изделия и интервала времени ξ после проведения планового технического обслуживания, в котором оперативная готовность будет не менее требуемой. Устройство обеспечивает реализацию математической модели, позволяющей учитывать особенности расходования изделием его надежностного потенциала, связанные с переменным режимом работы в процессе эксплуатации.

Каждое изделие непрерывно расходует свой надежностный потенциал, причем скорость расходования зависит от режима его использования [1]. Изменение режима проявляется в изменении интенсивности отказов. Это необходимо учитывать при определении параметров стратегии технического обслуживания изделий.

Процесс применения многих изделий имеет циклический характер. Каждый цикл может включать работу изделия в номинальном режиме, в облегченном режиме, а также режим отдыха. Диаграмма процесса применения показана на рис.1, где отражены следующие величины:

τ - длительность цикла применения изделия (например, одни сутки);

t₁ - длительность применения изделия в номинальном режиме с коэффициентом нагрузки k_н=1. При этом интенсивность отказов имеет значение λ₁.

На интервале t₂=τ-t₁ различные изделия, в зависимости от технологии их применения и реальной нагрузки, могут находиться в одном из следующих режимов:

а) облегченный режим в связи с уменьшением нагрузки (например, средства энергосистем непрерывного использования);

б) отдых после применения (например, технические средства предприятий, работающих в одну или две смены; средства радио- и телевизионных студий, бортовая аппаратура транспортных средств и др.).

В связи с этим на интервале времени t₂ интенсивность отказов λ₂ будет иметь разные значения λ₂=λ₁k_н в соответствии с изменением коэффициента k_н нагрузки. Отметим, что согласно [2] в случае облегченного режима работы изделия k_н<1, а в режиме отдыха, согласно [1], 0<k_н<<1.

Для поддержания изделия в работоспособном состоянии периодически осуществляется его техническое обслуживание и затрачивается время τ_обс. При этом выполняется углубленный контроль состояния, проведение регламентных работ и восстановление работоспособности изделия в случае обнаружения отказа.

Период обслуживания Т включает в себя множество i = 1, n ¯ циклов применения изделия длительностью τ каждый, т.е.

T = ∑ i = 1 n τ i = T 1 + T 2 ,                     ( 1 )

где T 1 = ∑ i = 1 n t 1 i                         ( 2 )

- суммарная продолжительность работы изделия в номинальном режиме работы на интервале времени T;

T 2 = ∑ i = 1 n t 2 i                             ( 3 )

- суммарная продолжительность нахождения изделия в другом режиме (отдых или пониженная нагрузка).

Длительность цикла обслуживания составляет

T ц = T + τ о б с [ 1 − P ( T ) ]                 ( 4 )

Вероятность безотказной работы изделия на интервале времени Т определяется соотношением

P ( T ) = P 1 ( T 1 ) P 2 ( T 2 )                   ( 5 )

Для многих изделий характерным является преобладание внезапных отказов, поэтому применим экспоненциальный закон распределения их возникновения. В связи с этим имеют место следующие соотношения:

P 1 ( T 1 ) = exp { − λ 1 T 1 }                   ( 6 )

P 2 ( T 2 ) = exp { − λ 2 T 2 }                   ( 7 )

На любом интервале времени t изделие может находиться в одном из двух состояний

t=t_ф+t_о,

где t_ф - время работоспособного состояния;

t_ф - время пребывания в отказе.

В течение одного цикла применения изделия в номинальном режиме последнее соотношение имеет вид

t 1 = t ф 1 + t о 1                     ( 8 )

Аналогично, на интервале облегченного режима или режима отдыха будет

t 2 = t ф 2 + t о 2                     ( 9 )

Время работоспособного состояния изделия на интервале τ одного цикла применения определяется по формуле

t ф ( τ ) = t ф 1 ( t 1 ) + t ф 2 ( t 2 ) = ∫ 0 t 1 P 1 ( t ) d t + ∫ 0 τ − t 1 P 2 ( t ) d t ,             ( 10 )

а на интервале времени Т его значение будет

t ф ( T ) = ∫ 0 T 1 P 1 ( t ) d t + ∫ 0 T 2 P 2 ( t ) d t .             ( 11 )

Важными количественными характеристиками качества изделия являются коэффициенты готовности K_Г и оперативной готовности K_ОГ.

Коэффициент готовности обслуживаемого изделия с учетом (4) и (11) выражается следующим соотношением:

K Г ( T ) = T ф ( T ) T ц = ∫ 0 T 1 P 1 ( t ) d t + ∫ 0 T 2 P 2 ( t ) d t T + τ о б с [ 1 − P ( T ) ]                   ( 12 )

Из (12) видно, что коэффициент готовности существенно зависит от периода Т обслуживания изделия. Как показывают исследования, функция K_Г(T) при некотором (оптимальном) значении Т* имеет глобальный экстремум.

В связи с изложенным задачу определения оптимального периода технического обслуживания изделия запишем в следующем виде:

T * = arg max T K Г ( T )                   ( 13 )

При планировании проведения особо важных работ в некотором интервале времени ξ<T* важно знать, что оперативная готовность изделия к применению будет не менее требуемой (заданной). Это выражается значением коэффициента оперативной готовности в следующем виде:

K О Г ( ξ ) = K Г ( T * ) P ( ξ ) ≥ K О Г з а д ,               ( 14 )

где ξ = ∑ i = 1 m τ i ,   m = 1,2, … , ( m < n )           ( 15 )

P(ξ)=exp{-λ,ξ} - вероятность безотказной работы изделия. Она вычисляется подобно вычислению значения P(T).

Задачу определения максимально допустимого интервала времени, когда K_ОГ будет не менее заданного, запишем в следующем виде:

ξ д о п = arg { ξ → max K О Г ( ξ ) ≥ K О Г з а д                   ( 16 )

Предложенная математическая модель может быть реализована аппаратурно с помощью заявляемого устройства, схема которого показана на рис.2.

Устройство содержит: блок памяти 1; вентили 2, 3, 7, 14, 19, 21, 26, 28, 29, 37, 38, 39, 40; мультивибратор 4, работающий в ждущем режиме; триггеры 5, 17, 24; накапливающие сумматоры 6, 8 (схема и работа представлены в [3]), схему ИЛИ 9, элементы задержки 10, 25, 35, 36, 42; блоки нелинейностей 11, 13; блоки умножения 15, 18, 20; компараторы 16, 23; элемент памяти 22; вычитатели 12, 17; интеграторы 30, 32; сумматоры 31, 33; блок деления 34, поляризованное реле 41.

Перед началом работы устройства исходные данные λ₁, t₁, λ₂, τ_обс, τ, K О Г з а д вводятся в блок памяти 1 через его входы с первого по шестой соответственно.

В работе устройства проявляются два этапа. Вначале осуществляется определение оптимального периода Т* согласно (13), а затем вычисляется величина ξ^доп в соответствии с (15).

Устройство работает следующим образом. По сигналу «Пуск», поступающему с седьмого входа устройства, второй 17 и третий 24 триггеры переключаются в нулевое состояние. При этом вентили 14, 28, 29, 37, 38, 39, 40 закрываются, а вентили 7, 19, 21, 26 открываются, первый триггер 5 переводится в единичное состояние, обеспечивая этим поступление на выходы блока памяти 1 значений хранимых данных. Кроме того, сигнал «Пуск», пройдя через схему ИЛИ 9, поступает на вход мультивибратора 4. Мультивибратор 4 генерирует одиночный импульс, передает его на управляющие входы первого 2 и второго 3 вентилей и открывает их на время длительности этого импульса. Одиночный сигнал мультивибратора 4 поступает также на управляющие входы первого 6 и второго 8 накапливающих сумматоров и обеспечивает реализацию ими процесса накопления и передачи результатов в сопряженные с ними элементы схемы устройства.

Со второго выхода блока памяти 1 через первый вентиль 2 в первый накапливающий сумматор 6 поступает значение величины t₁, а с пятого выхода блока памяти 1 через второй вентиль 3 во второй накапливающий сумматор 8 поступает значение величины τ. В то же время с первого выхода блока памяти 1 сигнал, соответствующий величине λ₁, передается на первый вход первого блока нелинейности 11, а с третьего выхода блока памяти 1 значение величины λ₂ поступает на первый вход второго блока нелинейности 13.

Рассмотрим подробно первый цикл работы устройства.

Выходной сигнал T₁=t₁ первого накапливающего сумматора 6 поступает на вторые входы первого блока нелинейности 11, первого интегратора 30 и первого вычитателя 12. В блоке нелинейности 11, согласно (6), вычисляется значение P₁(t₁) и передается на первый вход второго блока умножения 18 и на информационный вход шестого вентиля 21, с выхода которого значение P₁(t₁) поступает на первый вход первого интегратора 30. Значение параметра T=τ с выхода второго накапливающего сумматора 8 через нормально замкнутые контакты реле 41 поступает на вход первого элемента задержки 10, на второй вход второго сумматора 33 и на первый вход первого вычитателя 12. Разностный потенциал T₂=t₂ с выхода первого вычитателя 12 передается на вторые входы второго блока нелинейности 13 и второго интегратора 32. Во втором блоке нелинейности 13 согласно (7) вычисляется значение вероятности P₂(t₂) и передается на второй вход второго блока умножения 18 непосредственно, а через седьмой вентиль 26 на первый вход второго интегратора 32. В первом 30 и втором 32 интеграторах формируются значения времени работоспособного состояния изделия T_ф1=t_ф1 и T_ф2=t_ф2 соответственно. Выходной сигнал первого интегратора 30 передается на первый вход, а выходной сигнал второго интегратора 32 - на второй вход первого сумматора 31. Результат сложения, вычисленный согласно (11), с выхода сумматора 31 поступает в четвертый элемент задержки 36 и на второй вход блока деления 34. В то же время во втором блоке умножения 18 в соответствии с (5) вычисляется вероятность безотказной работы P(τ) и передается через пятый вентиль 19 на второй вход третьего блока умножения 20. На первые входы третьего блока умножения 20 и второго вычитателя 27 с четвертого входа блока памяти 1 через открытый третий вентиль 7 поступает значение величины τ_обс. В блоке умножения 20 формируется сигнал τ_обсP(τ) и передается на второй вход второго вычитателя 27. Выходной сигнал τ_обс-τ_обсP(τ) второго вычитателя 27 передается на первый вход второго сумматора 33. Сигнал, соответствующий значению знаменателя соотношения (12), с выхода второго сумматора 33 передается в блок деления 34, где вычисляется текущее значение коэффициента готовности согласно (12). Выходной сигнал блока деления 34 поступает на первый вход второго компаратора 23 и в третий элемент задержки 35.

На начальном этапе работы устройства, т.е. при малых значениях периода обслуживания Т функция K_Г(T) является монотонно возрастающей. В связи с этим, при сравнении текущего K_Г(T_i) и задержанного на один цикл вычислений K_Г(T_i-1) значений, управляющий сигнал появится на первом выходе компаратора 23 и через схему ИЛИ 9 поступит на вход мультивибратора 4. Одиночный выходной импульс мультивибратора 4 откроет первый 2 и второй 3 вентили. В результате этого значения выходных величин первого 6 и второго 8 накапливающих сумматоров увеличиваются на величину t₁ и τ соответственно. Далее процесс вычисления всех величин и сравнения предыдущего значения K_Г(T_i-1) с текущим K_Г(T_i) повторяется. Число циклов вычислений будет увеличиваться пока будет сохраняться неравенство K_Г(T_i)≥K_Г(T_i-1). В каждом очередном цикле содержание накапливающих сумматоров 6 и 8 будет увеличиваться на величину t₁ и τ соответственно и сохраняться в этих сумматорах до очередного цикла вычислений. Это увеличение сопровождается изменением значений других расчетных величин.

Как только в компараторе 23 окажется, что K_Г(T_i)<K_Г(T_i-1), управляющий сигнал появляется на его втором выходе. По этому сигналу первый 6 и второй 8 накапливающие сумматоры обнулятся, третий триггер 21 переключится в единичное состояние. Его выходной потенциал поступит на первый управляющий вход элемента памяти 22, на управляющий вход реле 41, откроет четвертый 14, восьмой 28, девятый 29, десятый 37 и тринадцатый 40 вентили, а третий 7, пятый 19, шестой 21 и седьмой 26 вентили закроет. Вычисленное значение T_ф=T_{ф i-1} с выхода четвертого элемента задержки 36 через десятый вентиль 37 поступит на первый выход устройства. Максимальное значение K_Г=K_{Г i-1} с выхода третьего элемента задержки 35 через восьмой вентиль 28 поступит в элемент памяти 22 и на второй выход устройства. Оптимальное значение периода технического обслуживания T*=T_i-1 с выхода первого элемента задержки 10 через десятый вентиль 29 поступит на третий выход устройства. Реле 41 переключит выход второго накапливающего сумматора 8 на вход пятого элемента задержки 42, разорвав связь сумматора 8 с входом первого элемента задержки 10. В то же время, управляющий сигнал со второго выхода второго компаратора 23, пройдя через схему ИЛИ 9, поступит на вход мультивибратора 4 и начнется второй этап работы устройства.

Мультивибратор 4 генерирует одиночные импульсы и передает их в сопряженные с ним блоки 3, 8, 2, 6. Совокупность блоков 11, 12, 13 и 18 обеспечивают вычисление значения величины P(ξ₁=τ), подобно тому, как эти блоки функционировали на первом этапе работы устройства. Выходной сигнал P(ξ₁) второго блока умножения 18 через открытый четвертый вентиль 14 поступит на первый вход первого блока умножения 15. На его второй вход с выхода элемента памяти 22 приходит значение K_Г(T*). В блоке умножения 15 вычисляется значение коэффициента оперативной готовности K_ОГ(ξ₁) в соответствии с (14) и передается на первый вход первого компаратора 16, на второй вход которого с шестого выхода блока памяти 1 через тринадцатый вентиль 40 поступает заданное значение K О Г з а д . В компараторе 16 осуществляется сравнение вычисленного и заданного значений коэффициента оперативной готовности. В начале второго этапа работы устройства (при корректном задании значения K О Г з а д ) вычисленное значение K О Г в ы ч будет больше заданного. Поэтому управляющий сигнал первого компаратора 16 с первого его выхода через схему ИЛИ 9 поступит на вход мультивибратора 4. Далее процесс вычисления значения K_ОГ и сравнение его с заданным повторится, но при новом ξ_i>ξ_i-1 значении времени ξ, возрастающим согласно (15). Каждое вычисленное значение K_{ОГ i} с выхода первого блока умножения 15 передается во второй элемент задержки 25, а значение величины ξ_i с выхода второго накапливающего сумматора 8 через реле 41 поступает в пятый элемент задержки 42.

Как только при сравнении в первом компараторе 16 окажется, что K О Г в ы ч < K О Г з а д , управляющий сигнал возникнет на его втором выходе и поступит на второй вход второго триггера 17, переводя его в единичное состояние. Выходной потенциал триггера 17 поступит на разрешающие входы одиннадцатого 38 и двенадцатого 39 вентилей. В связи с этим вычисленное значение K О Г в ы ч = K О Г   i − 1 с выхода второго элемента задержки 25 через вентиль 38 поступит на четвертый выход устройства. С выхода пятого элемента задержки 42 через вентиль 39 допустимое значение ξ^доп=ξ_i-1 поступит на пятый выход устройства.

Управляющий сигнал со второго выхода первого компаратора 16 поступит также на вторые управляющие входы первого триггера 5 и элемента памяти 22. Триггер 5 переключится в нулевое состояние и его выходной потенциал, поступив на седьмой вход блока памяти 1, закроет все выходы этого блока. Элемент памяти 22 обнулится. На этом работа устройства заканчивается.

Положительный эффект, который может быть получен от использования предлагаемого технического решения, состоит в получении расчетных значений оптимального периода обслуживания и соответствующих ему значений коэффициента готовности, времени работоспособного состояния изделия, а также допустимого интервала времени после проведения технического обслуживания, в котором оперативная готовность изделия к применению будет не менее заданной. Вычисленные значения выходных величин позволяют обосновано планировать применение и техническую эксплуатацию изделия.

При разработке схемы устройства использованы функциональные элементы, описанные в [9].

Источники информации

1. Седякин Н.М. Об одном физическом принципе теории надежности. - Изд. Известия АН СССР, ОТН, Техническая кибернетика, 1966, №3.

2. Половко A.M. Основы теории надежности. - М.: Наука, 1964.

3. Гришин В.Д., Зиновьев С.В., Соколов Б.В., Майданович О.В. Патент RU 2452027 МПК G07C 3/08, 2012.

4. Соколов Б.В., Стародубов В.А., Гришин В.Д., Цивирко Е.Г. Решение о выдаче патента по заявке 20011142589 от 23.12.2012, МПК G07C 3.08, G06F 15/46.

5. Гришин В.Д., Соколов Б.В., Петрова И.А. Патент RU 2429542 МПК G07C 3/08, G05B 23/02, 2011.

6. Гришин В.Д., Соколов Б.В., Иконникова А.В. Патент RU 2429543 МПК G07C 3/08, G06F 11/30, G06F 17/00, 2011.

7. Гришин В.Д., Мышинский Д.А., Таганов И.Ю. Патент RU 2361277 МПК G07C 3/08, 2009.

8. Соколов Б.В., Гришин В.Д., Зеленцов В.А., Цивирко Е.Г. Решение о выдаче патента по заявке 2011146675 от 30.08.2012, МПК G07C 3/08, 2011.

9. Тетельбаум И.М., Шнейдер Ю.Р. 400 схем для АВМ. - М.: Энергия, 1978.

Устройство для определения значений эксплуатационных характеристик изделия периодического применения, содержащее первый, второй и третий элементы задержки, первый блок умножения, элемент памяти, одиннадцатый вентиль, выход которого является четвертым выходом устройства, с первого по шестой входы которого являются соответственно шестью входами блока памяти, первый выход которого соединен с первым входом первого блока нелинейности, выход которого подключен к первому входу второго блока умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока нелинейности, второй вход которого связан с выходом первого вычитателя и с первым входом второго интегратора, выход которого подключен ко второму входу первого сумматора, выход которого соединен с входом четвертого элемента задержки, а первый вход - с выходом первого интегратора, второй вход которого подключен ко вторым входам первого блока нелинейности и первого вычитателя, а также к выходу первого накапливающего сумматора, информационный вход которого соединен с выходом первого вентиля, информационный вход которого подключен ко второму выходу блока памяти, седьмой вход которого связан с выходом первого триггера, а пятый выход - с информационным входом второго вентиля, выход которого связан с информационным входом второго накапливающего сумматора, выход которого подключен к первому входу первого вычитателя, а управляющий вход вместе с управляющими входами первого вентиля, первого и второго накапливающих сумматоров соединен с выходом мультивибратора, вход которого подключен к выходу схемы ИЛИ, первый вход которой соединен с первым входом первого триггера, с седьмым входом устройства и с первым входом третьего триггера, выход которого связан через десятый вентиль с первым выходом, через восьмой вентиль со вторым выходом, а через девятый вентиль с третьим выходом устройства, второй вход третьего триггера подключен ко второму выходу второго компаратора, первый выход которого соединен со вторым входом схемы ИЛИ, а первый вход - с выходом блока деления, первый вход которого подключен к выходу второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом второго вычитателя, второй вход которого подключен к выходу третьего блока умножения, отличающееся тем, что в него введены семь вентилей, компаратор, элемент задержки, триггер и поляризованное реле, причем информационный вход шестого вентиля подключен к выходу первого блока нелинейности, выход - к первому входу первого интегратора, а разрешающий вход - к разрешающим входам третьего, четвертого, пятого, шестого, десятого и тринадцатого вентилей, а также к управляющему входу реле и к первому управляющему входу элемента памяти, информационный вход которого соединен с выходом восьмого вентиля, информационный вход которого подключен ко второму входу второго компаратора и к выходу третьего элемента задержки, вход которого соединен с выходом блока деления, второй вход которого соединен с входом четвертого элемента задержки, выход которого подключен к информационному входу десятого вентиля, выход седьмого вентиля соединен со вторым входом второго интегратора, а информационный вход - со вторым входом второго блока умножения, выход которого подключен к информационным входам четвертого вентиля и пятого вентиля, выход которого соединен со вторым входом третьего блока умножения, первый вход которого вместе с первым входом второго вычитателя подключен к выходу третьего вентиля, информационный вход которого соединен с четвертым входом блока памяти, третий выход которого подключен к первому входу второго блока нелинейности, а шестой выход - к информационному входу тринадцатого вентиля, выход которого соединен со вторым входом первого компаратора, второй выход которого подключен к второму управляющему входу элемента памяти, выход которого соединен со вторым входом первого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу четвертого вентиля, а выход - к первому входу первого компаратора, первый выход которого соединен с четвертым входом схемы ИЛИ, третий вход которой связан со вторым выходом второго компаратора, с входами «сброс в ноль» первого накапливающего сумматора и второго накапливающего сумматора, выход которого подключен ко второму входу второго сумматора и к информационному входу реле, первый выход которого через первый элемент задержки соединен с информационным входом девятого вентиля, а второй выход через пятый элемент задержки - с информационным входом двенадцатого вентиля, выход которого является пятым выходом устройства, а управляющий вход вместе с управляющим входом одиннадцатого вентиля соединен с выходом второго триггера, первый вход которого подключен к седьмому входу устройства, а второй вход - ко второму входу первого триггера и ко второму выходу первого компаратора, первый вход которого через второй элемент задержки соединен с информационным входом одиннадцатого вентиля.