МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

В последнее время вопросам обеспечения качества продукции и безопасности ее использования уделяется большое внимание. Законом РФ «Об обеспечении единства измерений» декларируется по-

27

вышение роли МО и устанавливаются новые требования к нему, а законом РФ «О техническом регулировании» устанавливаются обязательные требования к продукции путем введения технических регламентов, направленных на защиту жизни и здоровья граждан и охрану окружающей среды. Указанные требования в первую очередь касаются СТС как наиболее объемных объектов измерения.

По принципу функционирования СТС можно классифицировать как системы многократного (непрерывного) функционирования, или регулярные (например, электростанции), и однократного функционирования, или нерегулярные (например, ракеты).

В любом случае их характерными особенностями являются:

  • • определенное целевое назначение;
  • • воздействие большого числа факторов, влияющих на свойства;
  • • сложная структура, в которой каждый элемент выполняет определенную функцию, и возможность ее изменения в процессе эксплуатации;
  • • тесная взаимосвязь между составляющими элементами, а также физическими явлениями, происходящими в оборудовании;
  • • наличие как детерминированных, так и случайных процессов в общем технологическом процессе;
  • • высокая динамика физических процессов, способствующая возникновению больших скоростей изменения технологических параметров.

Сложные технические системы, обладающие перечисленными свойствами, нуждаются в детальном анализе их как объектов измерения и обосновании МО.

Наиболее характерным признаком СТС является наличие большого числа разнородных элементов, объединенных сложными взаимосвязями, подчиняющими их единой цели функционирования.

Исходя из целей системы, любой технический объект характеризуется конечным числом показателей, сохранение значений которых в процессе эксплуатации обеспечивает выполнение возложенных на него функций и безотказную работу. Они характеризуют свойства объекта, которые придаются ему в зависимости от назначения и условий работы, и благодаря которым он выполняет возложенные на него функции.

В широком смысле под свойством объекта в дальнейшем будем понимать способ проявления, которым он обнаруживает себя по отношению к другим объектам. Понятие свойства будем применять главным образом для характеристики внутреннего состояния объекта.

Совокупность свойств, обеспечивающих выполнение объектом некоторых функций, называют его качеством. Перечень учитываемых при оценке качества свойств определяется характером взаимодействия объекта со средой. Наличие того или иного свойства у рассматриваемого объекта обнаруживается лишь при действии на него некоторых физических переменных, характеризующих воздействие внешней среды. Это воздействие следует рассматривать как нагрузку, которая воспринимается объектом благодаря наличию у него определенных свойств. Каждое свойство характеризуется с помощью непрерывных или дискретных величин, называемых показателями свойств. Совокупности показателей свойств называют также показателями качества. Желаемое качество объекта задается условиями, которым должны удовлетворять показатели качества.

Эти условия называют критериями оценки качества — признаки, на основе которых проводят оценку. Проверка того, удовлетворяют ли значения показателей качества заданным критериям, позволяет получить оценку качества объекта, которая показывает степень его соответствия назначению.

В общем случае, исходя из целей, стоящих перед системой, для нее формируют критерий эффективности, отражающий степень соответствия процесса функционирования заданным требованиям. В свою очередь, он является функцией нескольких частных критериев, вес каждого из которых может измениться в зависимости от условий работы системы. Для СТС, в которых могут возникнуть неблагоприятные и опасные для людей и окружающей среды события, в число частных критериев входят критерии надежности и безопасности.

При оценке надежности объекта в качестве критериев используют условия работоспособности или альтернативные им условия отказа. В теории надежности понятие отказа играет важную роль. В общем случае характерным условием отказа объекта является достижение некоторого предельного состояния. Под предельным состоянием понимают состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно.

Достижение предельного состояния проявляется нередко в форме разрушения, потери устойчивости, подвижности или в обобщенном смысле — потери сопротивляемости. Эти явления характеризуют потерю объектом его целевого назначения или соответствующих функций, выражающихся в способности заданным (предопределенным) образом преобразовывать поступающие сигналы, т.е. реагировать на внешние воздействия. Для противодействия потерям сопротивляемости необходима измерительная информация, которая позволит обслуживающему персоналу принимать соответствующие решения.

Потеря некоторых функций может принести ущерб внешней среде, жизни и здоровью людей или потребовать больших затрат на восстановление системы и окружающей среды. Можно для любых событий установить величину ущерба и степень безопасности системы. Чем меньше ущерб, тем безопаснее система.

На СТС воздействует большое число факторов, влияющих на ее свойства. Они действуют как со стороны вышестоящей системы, так и со стороны окружающей среды и влияют на показатели качества системы, значения которых могут выйти за допустимые пределы. В целях восстановления работоспособности оборудования необходимо ввести управляющие воздействия. Основой для принятия соответствующего решения является информация, полученная при измерениях показателей.

Важнейшей особенностью СТС является наличие у нее сложной структуры, в которой каждый элемент выполняет определенную функцию. Для восстановления работоспособности системы и достижения заданной эффективности ее функционирования в процессе эксплуатации возникает необходимость изменения структуры. Это приводит к изменению показателей и требует соответствующего контроля со стороны обслуживающего персонала.

Элементы системы объединены энергетическими, функциональными, информационными и прочими связями. Большое число элементов, составляющих техническую систему, и разнообразные связи между ними характеризуются огромным числом параметров, поставляющих информацию о внутреннем состоянии системы для обслуживающего персонала. Выбор и обоснование параметров, подлежащих измерению, является важнейшей задачей метрологического обеспечения СТС.

Сложная структура обусловливает взаимодействие рабочих процессов в технической системе и, соответственно, взаимосвязь параметров, характеризующих ее состояние. Взаимодействие процессов способствует возможности развития событий сразу в нескольких направлениях, увеличивая неопределенность различных ситуаций, возникающих во время эксплуатации, и затрудняя работу обслуживающего персонала при принятии решения. В то же время взаимосвязь параметров обеспечивает поступление к обслуживающему персоналу дополнительной информации о качестве функционирования, которая еще больше осложняет работу операторов.

Физические процессы, происходящие в отдельных элементах и технической системе в целом, могут быть как детерминированными, если переменные однозначно определяют состояние анализируемого объекта, так и стохастическими, если параметры состояния — случайные величины.

Примером стохастических процессов являются процессы, происходящие в окружающей среде (температура воздуха, скорость и направление ветра и т.п.), старение, противодействие и т.п. Но они оказывают влияние на детерминированные процессы, создавая значительную часть случайной составляющей в технологическом процессе.

По характеру причин, приводящих к образованию случайных процессов, все процессы можно разделить на две группы. К первой будем относить процессы, случайность которых обусловлена самой физической природой рассматриваемого явления. Природа флуктуации случайных величин, образующих такие процессы, не подлежит причинно-следственному анализу. Они, как правило, являются следствием суперпозиции большого числа элементарных, случайных процессов.

Ко второй группе относятся процессы, «случайность» которых связана либо с неопределенностью исходного значения переменной, образующей процесс, либо со случайностью скорости ее изменения, либо с обеими причинами. Если в некоторый момент времени значение переменной, образующей такой случайный процесс, определено однозначно, то ее изменение в последующие моменты времени может быть описано неслучайной функцией времени.

В технических системах физические процессы являются по преимуществу детерминированными. Детерминированность обусловлена тем, что принцип действия механизмов и аппаратов, входящих в состав технической системы, основан на использовании определенных физических законов. Совокупность физических процессов в сложной системе обычно называют технологическим процессом. Для энергетических систем он характеризуется в основном односторонней направленностью. Направление движения энергетических и материальных потоков от одного элемента к другому определяется их назначением и взаимосвязью. Высокая связанность процессов приводит к тому, что изменение их хода в любом элементе установки, так или иначе, сказывается на течении всего технологического процесса в целом.

Известны также детерминированные зависимости процессов старения и износа от времени, полученные как путем специальных испытаний на долговечность, так и из опыта эксплуатации на основании уравнений косвенных измерений.

Техническая система в зависимости от внешних условий функционирует в различных режимах. Режим работы, при котором существует равенство между притоком энергии или вещества к какому-либо ее элементу и расходом из него, является стационарным. Однако в действительности подобное равенство соблюдается очень редко, и поэтому в СТС происходят динамические процессы.

Каждое преобразование или передача энергии сопровождается ее аккумуляцией в соответствующем агрегате или механизме. Если энергия передается вместе с энергоносителем, то аккумулируется также вещество энергоносителя. Тепловая энергия аккумулируется в рабочем веществе системы и металле трубопроводов и механизмов, механическая — во вращающихся массах роторов турбин, валов, винтов, исполнительных частей насосов, масса рабочего тела — в котлах, трубопроводах, конденсаторах, специальных емкостях (аккумуляторах) и т.д. Поэтому для СТС свойственны динамические режимы, характеризующиеся большими скоростями изменения параметров. Кроме того, они постоянно подвержены воздействию внешних возмущений, которые нарушают равенства притоков и расходов энергии и вещества. Даже нормальный эксплуатационный режим работы лишь условно можно считать установившимся из-за непрерывного чередования динамических процессов, которые затухают и возобновляются под влиянием различного рода мелких возмущений, неподдающихся прогнозированию.

Динамические процессы наиболее опасны для функционирования и существования технической системы из-за больших скоростей изменения параметров и быстротечности в потере сопротивляемости объекта.

Таким образом, для обеспечения безопасности СТС и выполнения требований по качеству ее функционирования обслуживающему персоналу необходим объем информации, достаточный для принятия управленческих решений. Для обеспечения качественного управления системой необходимо обоснование и разработка ее МО.

Анализ существующих технических систем показывает, что при создании большинства из них не учитывались требования к МО, выдвинутые законом РФ «Об обеспечении единства измерений» и стандартами Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ). Основной причиной сложившегося положения является то, что технические задания (ТЗ) на их проектирование были 32

сформированы еще в конце 80-х — начале 90-х гг. XX в. и не содержат основных требований к МО в соответствии с новым законом «Об обеспечении единства измерений».

При создании систем отсутствовали расчеты показателей достоверности контроля параметров (условные вероятности ложного и необнаруженного отказа), точности измерений параметров (допустимые суммарные погрешности результатов измерений с заданной доверительной вероятностью) и продолжительности измерений при контроле технического состояния и поиска неисправностей. Следует отметить также, что требования к достоверности контроля и точности измерений в полной мере не заданы и в основных отраслевых стандартах. В проектной документации часто отсутствуют расчеты (обоснования) по назначению допусков контролируемых параметров при испытаниях и эксплуатации оборудования (комплексов).

В стандартах ГСП отсутствовали:

  • • требования к методам (методикам) выполнения измерений;
  • • требования к средствам и системам измерений и контроля, в том числе к методам и средствам обеспечения их метрологической надежности (встроенные средства и системы поверки, метрологический диагностический контроль и др.);
  • • требования к методам и средствам поверки СИ;
  • • необходимые рабочие эталоны и нормативно-техническая документация на методы и средства поверки у заводов-изготовителей.

В представляемых разработчиками материалах часто отсутствуют проработки, расчеты и обоснования по выбору и уточнению (минимизации) состава контролируемых при изготовлении, испытаниях и эксплуатации параметров. В большинстве случаев при выборе СИ учитывают только значения основной приведенной погрешности без учета дополнительных погрешностей, связанных с влиянием внешних воздействующих факторов, а также алгоритмических и методических составляющих погрешности результатов измерений.

Кроме того, разработчики не приводят в проектной документации обоснования принятых решений по выбору СИ, включая:

  • • назначение, техническую эффективность, надежность, уровень автоматизации, унификацию используемых СИ и минимизацию их состава;
  • • оценку оптимизации номенклатуры СИ;
  • • стойкость СИ к внешним воздействующим факторам;
  • • продолжительность измерений и т.п.;
  • • требуемые показатели качества контроля параметров.

Не проводят анализ эффективности структуры И И С, не оценивают критерии качества по их назначению (обобщенная достоверность контроля, условные вероятности ложного и необнаруженного отказов), массогабаритные и стоимостные характеристики.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >