Расчет надежности автоматики

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

надежность автоматизированный безотказный усилитель

Надежность - комплексное свойство технического объекта, которое состоит в его способности выполнять заданные функции, сохраняя свои основные характеристики в установленных пределах. Понятие надежности включает в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохранность.

Устройства автоматики, телемеханики и связи (АТС) обеспечивают бесперебойное управление движением поездов, если сохраняют исправное или работоспособное состояние, то есть не имеют отказов. Неработоспособное состояние системы АТС является опасным, если выполняются все заданные функции, кроме хотя бы одной, по обеспечению безопасного управления движением поездов. Разделение отказов на опасные и защитные дает возможность при построении и эксплуатации системы сконцентрировать внимание, прежде всего, на защите от опасных отказов, что в целом способствует повышению уровня надежности и уменьшению объема избыточной аппаратуры

При прогнозировании надежности устройств АТС используют методы теории вероятностей, математической статистики, теории массового обслуживания, статистического и имитационного моделирования, теории марковских процессов. Особую группу показателей надежности составляют характеристики безопасности -- вероятность безопасной работы, интенсивность опасных отказов, средняя наработка до опасного отказа.

Высокие требования к устройствам АТС с точки зрения надежности определяются особенностями их эксплуатации. Системы работают во времени непрерывно в течение длительного срока службы (иногда до 20-30 лет). Поэтому система АТС в любой момент времени с высокой вероятностью должна быть готова выполнять свои функции и быть долговечной. Типовые системы АТС тиражируются в больших количествах и широко внедряются по всей стране. Проблему обеспечения надежности систем АТС усложняют неблагоприятные климатические, динамические и электромагнитные условия их работы. Аппаратура подвергается воздействию температуры и влажности окружающей среды, динамическим воздействиям со стороны движущихся поездов, влиянием тягового тока и грозовых разрядов. Статистические данные об отказах технических устройств ж.-д. транспорта, отражающие средние по годам соотношения и тенденции, показывают, что на долю систем АТС приходится около 20 % всех отказов. Это объясняется большим количеством аппаратуры, эксплуатируемой на сети дорог, и подверженностью ее указанным дестабилизирующим факторам. Среди различных систем АТС наибольшее число отказов дают наиболее распространенные системы электрической централизации -- 50-60 %, автоматической блокировки -- 20-30 % и полуавтоматической блокировки -- 10-15 %. При этом самую низкую надежность имеет напольное оборудование. Наибольшее число отказов имеют рельсовые цепи -- 20 %, что объясняется условиями их эксплуатации. Они подвергаются постоянным динамическим нагрузкам и резким колебаниям температуры и влажности окружающей среды.

Методы обеспечения необходимого уровня надежности систем АТС состоят в применении высоконадежных, отказоустойчивых, контролепригодных систем и прогрессивных методов технического обслуживания. Надежность существующих релейных устройств базируется на высоких качествах железнодорожных реле первого класса надежности, которые имеют интенсивность отказов порядка 0,1-0,3. Большие габариты реле и возможность визуального наблюдения за их работой определяет хорошую контролепригодность устройств. Современные системы АТС строят на микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе. Основной способ обеспечения их надежности заключается во введении избыточности (аппаратурной, программной, информационной и временной). Эффективным способом повышения надежности систем АТС является совершенствование методов технического обслуживания, поскольку практически все системы АТС являются восстанавливаемыми с длительным сроком службы. Техническое обслуживание включает в себя плановые работы, выполняемые в соответствии с инструкциями, восстановительные работы при отказе и текущий ремонт. Время восстановления Тв складывается из времени оповещения электромеханика об отказе, времени прибытия к отказавшему объекту, времени поиска и устранения отказа. В среднем по сети Тв = 60-90 мин.

Таким образом, за счет повышения надежности работы технических и аппаратных средств, действий технического персонала повышается безопасность функционирования ЖДТС, обеспечивается безопасность движения поездов и маневровой работы.



1. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Рассчитать показатели надежности автоматизированной системы диспетчерского контроля (АСДК) устройств железнодорожной автоматики и телемеханики на участке железной дороги. Функциональная схема АСДК показана на рисунке ниже.

Рисунок 1 - Функциональная схема АСДК

Условные обозначения:

- СЭП - стрелочные электроприводы со схемами управления;

- РЦ - рельсовые цепи;

- СВ - светофоры со своими схемами управления;

- ПА1, ПА2 - передающая аппаратура системы АСДК;

- НУП - необслуживаемый усилительный пункт;

- ПК - пункт контроля;

- ОУ - отделенческий узел связи;

- L_c1, L_c2 - суммарная длина кабельных линий на станциях;

- L₁, L₂, L₃ - длины кабельных линий между отделениями дороги;

- L₄ - длина магистральной кабельной линии.



2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Количество рельсовых цепей на станциях № 1 и № 2, шт.:

k_с1 = n + 25q = 2 + 25•2 = 52;

k_с2 = 2n + 10q = 2•2 + 10•2 = 24.

Количество стрелочных электроприводов на станциях №1 и №2, шт.:

l_с1 = n + 20q = 2+ 20•2 = 42;

l_с2 = 2n + 8q = 2•2 + 8•2 = 20.

Количество светофоров на станциях №1 и №2, шт.:

m_с1 = n + 15q = 2 + 15•2 = 32;

m_с2 = 2n + 6q = 2•2 + 6•2 = 16.

Суммарная длина кабельных линий на станциях №1 и №2, км:

L_с1 = 0,5 + 0,15N_с1 = 0,5 + 0,15•126 = 19,4;

L_с2 = 0,5 + 0,3N_с2 = 0,5 + 0,3•60 = 18,5;

где N_с1 = k_с1 + l_с1 + m_с1 = 52 + 42 + 32 = 126;

N_с2 = k_с2 + l_с2 + m_с2 = 24+ 20 + 16 = 60.

Длины кабельных линий между отделениями, км:

L₁ = n + 60 = 2 + 60 = 62;

L₂ = n + 70 = 2 + 70 = 72;

L₃ = n + 85 = 2+ 85 = 97.



Длина магистрального кабеля, км:

L₄ = 300 + n + 120q = 300 + 2 + 120•2 = 542.

Среднее время восстановления:

- стрелочных электроприводов Т_Встр = 2,4;

- рельсовых цепей Т_Врц = 2,8;

- светофоровТ_Вс =2,5;

- кабельных линий Т_Вк = 3;

- кабельных линий с учетом НУПТ_Вк^нуп = 5,5;

- усилителя Т_Ву = 3,1.

Коэффициент готовности переключателя схемы резервирования усилителя:

K_Гn = 0,99995 - 0,00001n = 0,99995 - 0,00001•2 = 0,99993.

Коэффициент нагрузки и температура воздуха для элементов усилителя НУП:

K_Н = 0,1 + 0,1q = 0,1 + 0,1•2 = 0,3;

T ⁰ = 15 + 10q = 15 + 10•2 = 35.

НУП располагаются через 18 - 20 км по длине соответствующих кабельных линий.

3. ВЫПОЛНЕНИЕ РАСЧЕТОВ

Расчет показателей надежности усилителя без резервирования

Для расчета заданных показателей надежности выбираем значения интенсивностей отказов элементов усилителя и величины поправочных коэффициентов, учитывающих условия эксплуатации НУП. Заполняем таблицу 1.

Таблица 1.

Наименование и тип элемента	Количество элементов j-го типа, nj, шт	Интенсивность отказов элементов j-го типа, лj·10-6, ч-1	Поправочные коэффициенты аj = f(KН,Т0)	Интенсивность отказов группы элементов j-го типа, nj· аj· лj·10-6 ч-1
Резисторы типа - непроволочные (переменные, объемные) - непроволочные (углеродистые) - проволочные (эмалированные, влагостойкие)	28 1 10	0,6 1,35 2,0	0,76 0,76 0,27	12,768 1,026 5,4
Конденсаторы типа - керамические - электролитич., алюминиевые	12 5	1,4 2,4	0,18 1,38	3,024 16,56
Транзисторы типа - мощные высокочастотные (кремниевые) - маломощные низкочастотные (кремниевые)	6 14	1,7 4,0	0,47 0,47	4,794 26,32
Диоды типа - кремниевые, сплавные	6	0,6	1,11	3,996
Трансформаторы типа катушки индуктивности	1	0,5	0,3	0,15
Разъемы штепсельные цилиндрические	6	0,06	1	0,36
Соединение пайкой - для резисторов - для конденсаторов - для транзисторов - для диодов - для трансформаторов	78 34 60 12 2	0,001 0,001 0,001 0,001 0,001	1 1 1 1 1	0,078 0,034 0,060 0,012 0,002
Итого ?у =	74,584

В результате расчетов получили, что значение интенсивности отказов для усилителя равно 74,584•10-⁶ ч-¹.

По полученным данным вычисляем заданные показатели надежности.

- Средняя наработка до отказа усилителя:

- Вероятность безотказной работы усилителя за месяц, за год:

- Среднее число отказов усилителя за месяц, за год:

- Коэффициент готовности усилителя:

- Коэффициент простоя усилителя:

- Время простоя усилителя за месяц, за год:



Расчет показателей надежности при резервировании усилителя

а) Нагруженное резервирование кратностью 1

Рисунок 2 - Схема усилителя с нагруженным резервированием кратностью 1

- Коэффициент готовности системы:

- Коэффициент простоя системы:

- Время простоя системы за месяц, за год:

б) Ненагруженное резервирование кратностью 1

Рисунок 3 - Схема усилителя с ненагруженным резервированием кратностью 1



- Коэффициент готовности системы:

- Коэффициент простоя системы:

- Время простоя системы за месяц, за год:

в) Ненагруженное резервирование кратностью 2

Рисунок 4 - Схема усилителя с ненагруженным резервированием кратностью 2

- Коэффициент готовности системы:



- Коэффициент простоя системы:

- Время простоя системы за месяц, за год:

Ненагруженное резервирование кратностью m = 2 является наиболее эффективным, так как этот метод обеспечивает наименьшее время простоя за год, которое составляет T_Пу^Р = ч.

Для этого варианта резервирования вычисляем:

- Параметр потока отказов:

- Вероятность безотказной работы за месяц, за год:

Расчет показателей надежности напольных устройств и кабельных линий раздельно по станциям №1 и №2

Выбираем значения параметра потока отказов напольных устройств и кабельных линий и заполняем таблицу 2.

Таблица 2.

Устройства	Единица измерения	Количество, nj	Параметр потока отказов, щj•10-6 ч-1	Суммарный поток отказов, nj щj•10-6 ч-1	Среднее время восстановления, TВj, ч
Станция №1
Стрелочные электроприводы	шт	42	6,3	264.6	2,4
Рельсовые цепи	шт	52	7,8	405.6	2,8
Светофоры	шт	32	0,5	16	2,5
Кабельная линия	км	19.4	0,6	11,64	5.5
Станция №2
Стрелочные электроприводы	шт	20	6,3	126	2,4
Рельсовые цепи	шт	24	7,8	187.2	2,8
Светофоры	шт	16	0,5	8	2,5
Кабельная линия	км	18.5	0,6	11.1	5.5

Рассчитываем заданные показатели надежности, результаты сводим в таблицу 3.

Таблица 3.

Показатели надежности	Время t, ч	Стрелочные электроприводы	Рельсовые цепи	Светофоры	Кабельная линия
Станция №1
P(t)	720	0.82653584	0.74674464	0.9885461	0.99165422
	8760	0.098	0.029	0.869	0.903
n(t)	720	0.190512	0.292032	0.01152	0.0083808
	8760	2.317896	3.553056	0.14016	0.1019664
KГ	8760	0.999	0.999	0.999	0.999
KП	8760	0.00063464	0.00113439	0.00004	0.00003432
TП	8760	5.5594	9.93727124	0.35038598	0.30588852
T0		3379.2894	2465.4832	62500	85910.65292
Станция №2
P(t)	720	0.91327339	0.873904188	0.99425656	0.99203985
	8760	0.332	0.194	0.932	0.907
n(t)	720	0.09072	0.134784	0.00576	0.007992
	8760	1.10376	1.639872	0.07008	0.097236
KГ	8760	0.999	0.999	0.999	0.999
KП	8760	0.00030231	0.00052389	0.00002	0.0000333
TП	8760	2.64822318	4.58923611	0.175196	0.29169829
T0		7936.50793	5341.880341	125000	90090.09

Расчет надежности кабельных линий

Рассчитываем параметр потока отказов i-го кабеля:

Рассчитываем вероятность безотказной работы i-го кабеля за месяц, за год:



Рассчитываем количество НУП в составе кабельной линии:

Вычисляем вероятность безотказной работы i-й кабельной линии с учетом НУП:

Вычисляем параметр потока отказов кабельной линии с учетом того, что в ней установлены НУП:

С учетом вычисленного значения параметра потока отказов определяем остальные показатели надежности:

- Средняя наработка на отказ i-й кабельной линии с учетом НУП:

- Среднее число отказов i-й кабельной линии с учетом НУП за месяц, за год:

- Коэффициент готовности i-й кабельной линии с учетом НУП:

- Коэффициент простоя i-й кабельной линии с учетом НУП:

- Время простоя i-й кабельной линии с учетом НУП за месяц, за год:

Расчет надежности кабельных линий между станциями и ПК для системы АСДК

Производим структурное преобразование соединения «треугольник» в соединение «звезда».



Рисунок 6 - Исходная схема

Рисунок 7 - Преобразованная схема

Вычисляем вероятность безотказной работы кабельной линии

- между станцией №1 и ПК:

- между станцией №2 и ПК:

- между станцией №1 и ПК:

- между станцией №2 и ПК:

Вычисляем параметр потока отказов:

С учетом вычисленного значения параметра потока отказов определяем остальные показатели надежности:

- Средняя наработка на отказ:

- Среднее число отказов за месяц, за год:

- Коэффициент готовности:



- Коэффициент простоя:

- Коэффициент простоя за месяц, за год:



ВЫВОД ПО ПРОДЕЛАННОЙ РАБОТЕ

В курсовой работе были рассчитаны показатели надежности автоматизированной системы диспетчерского контроля (АСДК) устройств железнодорожной автоматики и телемеханики на участке железной дороги.

Сравнив показатели надежности усилителя с резервированием и без него, можем сделать вывод, что при резервировании улучшаются показатели надежности, увеличивается коэффициент готовности, уменьшаются коэффициент простоя, время простоя. Наилучшим методом резервирования было нагруженное резервирование кратностью 2, так как время простоя за год при этом варианте резервирования наименьшее. Использование облегчённого или ненагруженного резерва даёт возможность снизить расход энергии, потребляемой резервируемой системой и увеличить надежность аппаратуры (T_{ср р ненагр} > T_{ср р обл} > T_{ср р нагр}), так как надёжность резервных устройств выше, чем основных. Однако следует учитывать, что перерыв на переключение с основного устройства на резервное допустим не во всех схемах.

Как видно из таблицы 3, в которой записаны данные расчетов всех показателей надежности напольных устройств на станциях № 1 и № 2, ненадежным является рельсовая цепь, т.к. она наиболее подвержена давлению больших масс, влиянию вибрации, постоянных сгонов при движении подвижного состава. По результатам расчетов самым надежными напольными устройствами на станции №1 за месяц являются кабельные линии, за год светофоры, а на станции №2 и за месяц и за год светофоры. (таблица 3).

Расчет показателей надежности кабельных линий показал, что их надежность зависит от длины и количества НУП, расположенных на ней. Чем больше длина линии и количество НУП, тем хуже показатели надежности. Из указанных расчетов можно сделать вывод, что наиболее надежной является первая кабельная линия, так как у нее наиболее высокий коэффициент готовности и наименьшее время простоя.

По результатам расчетов вероятности безотказной работы между станциями и ПК очевидно, что с увеличением продолжительности работы системы уменьшаются показатели надежности, а следовательно и надежность всей системы.



ЛИТЕРАТУРА

1. Расчет надежности автоматизированной системы диспетчерского контроля на участке железной дороги : методические указания и задание к курсовой работе / сост. В.И. Шаманов, В.А. Целищев. - Иркутск : ИрГУПС, 2011. - 21 с.

Размещено на Allbest.ru