Сизых В.А. Судовая автоматика и аппаратура контроля

Подождите немного. Документ загружается.

(узла, системы) обусловливается безотказностью,

ре-

монтопригодностью, сохраняемостью, а также

долго-

вечностью-

его

частей. Надежность как свойство изде-

лия неразрывно связано с понятием отказа, под кото-

рым понимают факт (событие), заключающееся в

нарушении работоспособного состояния. Отказы возни-

кают случайно по многим причинам конструктивного,

технологического и

эксплуатационного

характера.

При

этом изделие может полностью утратить свое работо-

способное

состояние

(полный отказ). В случае частич-

ного отказа параметры изделия выходят за установлен-

ные условиями эксплуатации пределы, хотя оно и

продолжает работать. От отказов следует отличать не-

исправности, под которыми понимают повреждения из-

делия, не вызывающие нарушения его работоспособно-

сти.

Под безотказностью подразумевают

свойство,

объ-

екта

непрерывно

сохранять работоспособное состояние

в течение некоторого времени или некоторой наработки

.(продолжительности

или объема работы объекта).

Ремонтопригодность характеризует приспособляе-

мость объекта к предупреждению и обнаружению

причин возникновения

отказов,

повреждений и поддер-

жанию, а также восстановлению работоспособного со-

стояния путем проведения технического обслуживания

и ремонтов.

Сохраняемость

свидетельствует о способности объ-

екта сохранять значения показателей безотказности,

долговечности и ремонтопригодности в течение и после

хранения и (или) транспортирования.

Долговечность определяет свойство объекта непре-

рывно сохранять работоспособное состояние до наступ-

ления предельного состояния при установленной систе-

ме технического обслуживания и ремонта. Предельное

состояние объекта характеризуется невозможностью его

дальнейшего применения по назначению либо не-

возможностью или нецелесообразностью восстанов-

ления его исправного или работоспособного состоя-

ния.

К основным количественным характеристикам, оп-

ределяющим надежность средств автоматизации, отно-

сят: интенсивность отказов

>,(<),

вероятность безотказ-

ной работы в

течение

заданного времени

р(1),

наработ-

ку на отказ

ср

назначенный ресурс и срок службы.

260

- Интенсивность отказов определяют при

испытаниях

или по результатам эксплуатации. При этом, если от-

казавшие элементы заменяют новыми и

общее-.

число

их не изменяется, то

(<)

находят как отношение

числа

отказавших за период испытаний

(эксплуатации!

эле-

ментов

к произведению общего числа элементов

на

время испытаний или эксплуатации I:

(()

г/<2<).

Вероятность безотказной работы средств автомати-

зации за время I:

Наработка между отказами характеризует среднее

число часов работы элемента (системы) от окончания

восстановления его работоспособного состояния после

отказа до возникновения следующего отказа.

Если

элементы системы проработали за определенный кален-

дарный срок Т часов и имели при этом

отказов, то

среднюю наработку между отказами

ср

определяют из

выражения

ГСР

/л.

Долговечность изделия определяется назначенным

ресурсом и его сроком службы. Назначенный

ресурс—-

это суммарная наработка в часах, при достижении ко-

торой применение изделия по назначению должно быть

прекращено.

Срок

службы

определяется календарным временем

эксплуатации изделия до момента возникновения пре-

дельного состояния.

Назначенный

ресурс

современных средств автома-

тизации на судах достигает

—

тыс.

ч.,

а их срок

службы —

—

лет. Отношение ресурса к сроку служ-

бы характеризует интенсивность эксплуатации средств

автоматизации. Очевидно, что ресурс меньше срока

службы из-за различного вида простоев оборудования,

поэтому интенсивность эксплуатации всегда меньше

единицы.

Экономическая эффективность автоматизации судов

является определяющим критерием объема комплекс-

ной

автоматизации

СЭУ. Оптимальный объем автома-

тизации устанавливают на основании сопоставления

доходов, которые получают при внедрении средств

автоматизации с капитальными затратами на

автомати-

зацию.

Эффективность капитальных вложений на

внедрение

средств автоматизации

где Д5 — экономия затрат;

— капитальные затраты на авто-

матизацию.

Экономию затрат в результате автоматизации объ-

екта определяют относительно его базового состояния:

где

5 — затраты на выработку продукции соответственно при

базовом состоянии объекта и при автоматизации объекта.

За базовое принимают состояние объекта на

момент,

предшествующий оборудованию его средствами авто-

матизации.

Автоматизацию считают эффективной, если

Е>Е„,

где

— нормативный коэффициент эффективности капитальных

вложений.

Коэффициент Е„ зависит от типа внедряемых

средств, например для новой

техники

по всем отрас-

лям его принимают

равным

0,15, для вычислительных

машин — 0,3.

Величина, обратная показателю абсолютной эконо-

мической эффективности, определяет срок окупаемости

капитальных вложений:

При этом

То<Т,,

где

=11Е

— нормативный срок окупаемости.

Расчет эффективности капитальных вложений на

внедрение средств автоматизации производят по при-

веденным затратам

<2,

которые отличаются от 5 до-

полнительными расходами на погашение капитальных

вложений

в период срока окупаемости:

5 + Е„

5«.

Решение о целесообразности

применения

тех

или,

иных средств автоматизации принимают после опреде-

ления годового экономического эффекта:

где

— годовой объем работ в натуральных единицах, выполнен-

ный автоматизированным объектом;

до

— приведенные удель-

ные затраты на единицу работы, производимой базовой

техникой

до

автоматизации

и автоматизированным объектом в руб.

Методы

повышения

надежности. Оценка надежно-

сти отдельных элементов и системы в целом заключа-

ется в определении указанных выше показателей и

сопоставлении их с требуемыми (например, в соответ-

ствии с

техническим

заданием на автоматизацию объ-

екта).

Характерной особенностью развития средств судо-

вой автоматизации является непрерывный рост их слож-

ности, так, в современных информационно-измеритель-

ных средствах число элементов, участвующих в

обработке сигналов от датчика, может достигать ты-

сячи и более. Поэтому без специальных мер по обеспе-

чению и повышению надежности такие системы

пр^акти-

чески могут оказаться неработоспособными из-за час-

тых отказов. Обеспечение надежности начинается с

этапов создания средств автоматизации (проектирова-

ния, изготовления) и включает весь период их эксплу-

атации. Повышению надежности управляющих уст-

ройств

способствуют: простота схемы автоматических

систем и

минимальное

число элементов в них; мини-

мальное число органов регулирования и настройки:

возможность контроля параметров схемы в минималь-

ное

время

и с минимальным участием человека; устой-

чивость работы при заданных параметрах внешней

среды, нагрузки и состояния элементов.

Действенные.

методы повышения надежности включают также пра-

вильный выбор материалов для элементов системы с

улучшенными физико-механическими свойствами, за-

щиту их от механических и климатических воздейст-

вий, повышение уровня унификации и стандартизации

аппаратуры,

правильность сборки с соблюдением соот-

ветствующих технологических норм, обеспечение необ-

ходимых удобств для технической эксплуатации управ-

ляющих устройств и другие факторы.

263

Основными критериями, определяющими выбор эле-

ментов для средств автоматизации с точки зрения на-

дежности, являются интенсивность их отказов, назна-

ченный ресурс и допустимые режимы работы. В схемы

систем лучше всего включать элементы, проверенные

в эксплуатации и имеющие наименьшую интенсивность

отказов. Следует при этом иметь в виду также серий-

ность выпуска, перспективность и возможность даль-

нейшего повышения надежности элементов схемы. Ком-

плектация агрегатов обладающими повышенной надеж-

ностью элементами позволяет увеличить и надежность

всей системы. Так, например, использование полупро-

водников в автоматических системах вместо электрон-

ных ламп повысило их надежность в десятки раз, а

применение

интегральных

схем — в 500 раз и более

при одновременном

уменьшении

массы и габаритов ап-

паратуры.

Часто для повышения надежности системы приме-

няют резервирование, сущность которого заключается

во введении в средства

автоматизации

дополнительных

(резервных) элементов звеньев, линий связи, обеспечи-

вающих работоспособное состояние системы при выходе

из строя основных элементов.

Важное значение для повышения надежности име-

ют испытания отдельных элементов и систем в целом.

Во время испытаний можно своевременно

обнаружить

отказавшие элементы, заменить их, сократить время

на приработку системы в эксплуатации и по результа-

там испытаний получить необходимые сведения об ин-

тенсивности отказов и других показателях надежности

средств

автоматизации.

При эксплуатации систем их надежность с течени-

ем времени уменьшается. Поэтому в этот период для

повышения надежности следует:

поддерживать наиболее благоприятные режимы ра-

боты, соответствующие техническим условиям и норма-

тивам;

своевременно проводить техническое обслуживание

аппаратуры;

вести учет отказов с указанием времени их обнару-

жения, причин

появления

и способов устранения.

264

38. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ СЭУ

Пути

совершенствовании

управляющих устройств.

Автоматизации

речных

судов предшествовала боль-

шая работа (начавшаяся еще в 60-х годах) по внедре-

нию дистанционного управления главных дизелей,

оснащению рулевых рубок пультами управления с при-

борами контроля температуры выпускных газов, ох-

лаждающей дизель воды, смазочного масла, давления

пускового

воздуха в баллонах. Первоначально, кроме

дистанционного управления главных дизелей, были ав-

томатизированы процессы включения и выключения ко-

тельных установок, дизель- и

валогенераторов,

компрес-

соров, подогревателей, некоторых насосов и других

вспомогательных механизмов. Это позволило сокра-

тить численность экипажей и расходы на содержание

судов. Особенно заметно численность

экипажей

и рас-

ходы на содержание судов сократились после того, как

дистанционная связь между постом управления судном

и местным постом управления в машинном помещении,

состоящая из рычагов и канатов (тросов), была заме-

нена сначала электрической, затем электропневматиче-

ской, электрогидравлической и пневматической связя-

ми, а пуск главных дизелей и регулирование угловой

скорости коленчатого вала стали осуществляться авто-

матически. Последние годы характеризуются ускорен-

ным прогрессом в области автоматизации судов. От

частичной автоматизации, сводившейся в основном к

регулированию непрерывных процессов и сравнительно

незначительной централизации управления и контроля

с сохранением традиционной формы круглосуточного

обслуживания технических средств вахтенным соста-

вом,

перешли

комплексной

автоматизации, обеспечи-

вающей управление энергетической установкой из ру-

левой рубки при

отсутствии

постоянной

вахты в

машинном помещении.

Задачи современного этапа развития средств авто-

матизации следующие: одределение рационального объ-

ема автоматизации судового энергетического оборудо-

вания; разработка требований к автоматизированному

оборудованию по

характеристикам,

компоновке, разме-

щению на судне, технологичности обслуживания и ре-

монта; унификация систем, т. е. рациональное сокра-

щение

числа элементов одинакового функционального

назначения; совершенствование организации труда плав-

состава на автоматизированных судах; внедрение авто-

матических систем, поддерживающих оптимальный

режим работы объектов управления; оптимальное рас-

пределение функций контроля и управления между че-

ловеком и устройствами автоматизации при использо-

вании

средств вычислительной техники; установление

автоматической связи судов с вычислительными центра-

ми

пароходств

в целях рационального сочетания систем

автоматизации судов с системой АСУ

«Речфлот».

Понятие об оптимальном объеме автоматизации. На

основе опыта постройки и эксплуатации судов в настоя-

щее время установлен следующий оптимальный объем

автоматизации СЭУ:

дистанционного управления главными дизелями с

ЦПУ и из рулевой рубки;

работы важнейших вспомогательных установок (ди-

зель-генераторов, компрессоров, паровых и водогрей-

ных

котлов);

работы системы пуска и остановки электроприво-

дов брашпилей, шпилей, швартовных и буксирных ле-

бедок, насосов, рулевых, подруливающих и других уст-

ройств;

контроля работы всей СЭУ, системы предупреди-

тельно-аварийной сигнализации и развитой сети

автоматической защиты СЭУ по основным парамет-

рам.

Регистр СССР, например, в зависимости от объема

автоматизации и порядка обслуживания технических

средств установил два класса судов:

1) со знаком автоматизации

А2

— с одним вахтен-

ным механиком в ЦПУ и безвахтенным обслуживани-

ем на стоянке;

2) со знаком

автоматизации

А1 — без постоянной

вахты в ЦПУ и машинном помещении на ходу и

сто.,

янке.

Объем автоматизации энергетического оборудова-

ния на каждом судне определяется принятой степенью

автоматизации, которая зависит от распределения тру-

дозатрат по управлению между человеком и техниче-

скими средствами. Степень автоматизации может изме-

няться в широких пределах от единицы, когда все

функции управления выполняются автоматически без

266

участия человека, и до нуля, когда эти функции пол-

ностью выполняются человеком (обслуживающим

персоналом). Системы управления со степенью автома-

тизации больше нуля и меньше единицы принято назы-

вать автоматизированными. Правильный выбор степе-

ни автоматизации определяется разумным сочетанием

функций человека и технических средств в системах

управления. Современные средства автоматизации не

всегда могут исключить участие человека в управле-

нии, так же, как и человек вследствие своих физиоло-

гических и

психологических

возможностей (ограничен-

ности зрения, слуха, скорости реакции на явления

и т. д.) не может управлять всеми процессами, и осо-

бенно опасными для его жизни и здоровья. Автомати-

зация транспортного производства развивается по

пути совершенствования локальных (для отдельных объ-

ектов) систем управления и в направлении создания

автоматизированных (с участием человека) и автома-

тических комплексов управления в масштабе целых про-

изводственных участков, судов, шлюзов, грузовых рай-

онов и т. д. В настоящее время уже начинают полу-

чать все более широкое распространение системы со

знаком автоматизации А2. Примером таких техничес-

ких средств может служить система управления

комплексом параллельно работающих судовых дизель-

генераторов. Хотя каждый из дизель-генераторов снаб-

жен автоматическими системами стабилизации напря-

жения и угловой скорости коленчатого вала, специаль-

ные логические управляющие устройства осуществляют

включение их на параллельную работу, распределение

нагрузок и другие функции (см. §

32).

При решении проблем автоматизации особое внима-

ние уделяют взаимосвязи управляющих устройств с

управляемым оборудованием. Известно, что с подклю-

чением к объекту автоматических устройств степень

надежности автоматизированного комплекса

снижает,

ся, так как даже самые совершенные средства не об-

ладают

100%-ной

надежностью.

Поэтому изыскание

путей повышения надежности управляющих устройств

автоматизированного

комплекса в целом является

одной из основных задач автоматики. При этом следу-

ет учитывать, что автоматизированные машины и меха-

низмы должны иметь более высокую надежность, чем

неавтоматизированные, так как каждый выход их из

267

строя цриводит к снижению

эффективности'всей

сис-

темы, а не только данной машины или механизма. Од-

ним из основных

направлений

в этой работе является

создание объектов управления, специально спроекти-

рованных для автоматизации, у которых конструкцион-

ные и эксплуатационные (статические и динамические)

характеристики обеспечивают желаемое с точки зрения

автоматического управления дротекание переходных

процессов.

Унификация автоматизированных

систем.

Автомати-

зация СЭУ предъявляет жесткие требования к принци-

пам проектирования и комплектации оборудования.

В ближайшее время вряд ли будут созданы такие ин-

формационно-измерительные

системы, при которых от-

пала бы необходимость контролировать

машинные

по-

мещения

специалистами. Поэтому особую важность

приобретает агрегатирование (соединение для эффек-

тивной совместной работы нескольких разнотипных ма-

шин и

механизмов)

с расположением агрегатов в ма-

шинном помещении так, чтобы доступ к ним для

обслуживания и ремонта был удобен. При этом основные

постоянно действующие агрегаты должны располагать-

ся по возможности на одной платформе так, чтобы ос-

мотр

их был доступен обслуживающему персоналу и

рационален. Решение проблемы упрощения автомати-

зированных СЭУ тесно связано также с сокращением

до минимума количества переключающей аппаратуры,

фланцевых и других соединений трубопроводов, нару-

шение герметичности которых может привести к непо-

ладкам систем управления.

Автоматические системы должны конструироваться

с таким расчетом, чтобы их могли обслуживать и спе-

циалисты

средней квалификации. Поэтому новые авто-

матические установки

должны

содержать как можно

меньше унифицированных модулей (узлов), отличаю-

щих их от обычных принятых для данных условий

эксплуатации

систем.

В настоящее время ведутся и интенсивные поиски

наилучшей формы организации труда судового

экипа-,

жа по эксплуатации автоматизированных установок.

Некоторые специалисты считают, что ЦПУ установок

нужно выносить в рулевую рубку, т. е. совмещать ЦПУ

с постом управления судном (ПУС). Дальнейшая

концентрация управления, естественно, может изме-

268

нить существующий профиль

,и

практику

подготовит

плавающего состава.

Оптимизация управления. Важным

направлением:

дальнейшего совершенствования систем автоматиза-

ции СЭУ является оптимизация управления. Современ-

ные,

системы обычно поддерживают одну и ту же

ли-

нию статических режимов работы объекта при всех ус-

ловиях его эксплуатации. Существующие,

например,

автоматические регуляторы угловой скорости коленча-

того вала дизелей обеспечивают только

однозначную-

зависимость подачи топлива от угловой скорости ко-

ленчатого вала. Такие регуляторы не могут

поддержи-

вать оптимальные показатели экономичности СЭУ при

длительной эксплуатации судна вследствие ухудшения

характеристик оборудования. Для получения опти-

мальных показателей работы дизеля центробежный ре-

гулятор должен быть многофункциональным, изменяю-

щим

подачу топлива за цикл при изменении не только

угловой скорости коленчатого вала, но также давления,

температуры и коэффициента избытка воздуха, темпе-

ратуры воды, смазочного масла и других параметров

СЭУ. Наилучшим вариантом управляющего устройства

являются'системы,

автоматически корректирующие ли-

нии статических режимов в зависимости от характе-

ристик объекта и внешних условий, воздействующих

на объект. Ввод таких корректив в систему могут осу-

ществлять только средства электронно-вычислительной

техники.

Единая автоматизированная система управления

судном. Наряду с внедрением бесконтактных средств

автоматизации и более надежной элементной базы в

связи с успехами нашей промышленности в микроэлек-

тронике и

оптоэлектронике

создаются предпосылки для

перехода на принципиально новые методы проектиро-

вания и эксплуатации автоматических систем. Даль-

нейшее совершенствование автоматических устройств

связано с широким внедрением на судах электронных

вычислительных машин (ЭВМ), что в перспективе мо-

жет обеспечить создание единой

автоматизированной-

системы управления судном в целом.

Перспективным является объединение функции

уп-

равления и контроля в одной информационно-управля-

ющей машине, построенной на базе ЭВМ, которая бу-

дет производить необходимые операции по расчетам