УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ПЕРИОДА ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2004 года по МПК G07C3/08 

Предложение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам контроля, и может быть использовано в научных исследованиях и технике, где требуется определять оптимальные сроки технического обслуживания изделия, моменты времени окончания его функционирования в связи с полной выработкой расходуемого ресурса жизнедеятельности и итоговое время работы на заданном ресурсе.

Известны устройства [1, 2, 3], которые позволяют определять периоды технического обслуживания изделий, обеспечивающие минимизацию непроизводительных затрат ресурса жизнедеятельности этих изделий. Однако эти устройства реализуют математические модели обслуживания, не отражающие расходы времени и ресурса на проведение предупредительной профилактики, что снижает их область применения. Кроме того, они обладают и низкими функциональными возможностями, так как не позволяют определять время активного функционирования изделия на заданном ресурсе жизнедеятельности.

Известны также устройства [4, 5], позволяющие определять оптимальные значения периода обслуживания изделий. Общим недостатком этих устройств является узкая область их применения, так как они ориентированы на изделия, для которых допустимо считать постоянство интенсивности отказов на всем интервале времени расходования ограниченного ресурса. Использование этих устройств, применительно к изделиям с изменяющейся интенсивностью отказов, привело бы к низкой точности определения выходных величин. Устройство [4], кроме того, обладает низкими функциональными возможностями, так как не позволяет вычислять время функционирования изделия на заданном ресурсе.

Устройство [5] реализует модель определения оптимального периода обслуживания по комплексному критерию: минимум среднего удельного непроизводительного расхода ресурса и максимум коэффициента готовности изделия. Известно, что при многокритериальной оптимизации находится некоторое компромиссное решение, которое, как правило, не дает экстремальных значений ни одного из используемых показателей качества. Сведение такой задачи к однокритериальной, как это сделано в [5], приводит к необходимости введения весовых коэффициентов, отражающих степень важности каждого из показателей. Числовые значения коэффициентов определяются обычно экспертным путем и в значительной степени носят интуитивный характер. В связи с этим, точность нахождения оптимальных значений периода обслуживания и других выходных величин может быть низкой. Кроме того, устройство [5] не ориентировано на изделия, для которых процесс технического обслуживания включает в себя предупредительную профилактику, что сужает область его применения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство [6], содержащее четыре блока умножения, пять сумматоров, интегратор, блок нелинейности, блок деления, два датчика времени, четыре элемента задержки, три компаратора, четыре элемента памяти, одновибратор, ключ, два триггера и элемент ИЛИ. Оно позволяет определять оптимальный период технического обслуживания изделия по критерию минимума удельного непроизводительного расхода ресурса, приходящегося на единицу времени полезного функционирования.

Недостатком устройства являются низкие функциональные возможности. Оно не позволяет вычислять время активного существования изделия на заданном ресурсе жизнедеятельности, что необходимо для планирования применения изделия по назначению и своевременного пополнения расходуемых ресурсов, если такое пополнение в процессе эксплуатации возможно.

Целью предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей устройства за счет определения времени активного существования изделия на заданном ресурсе при техническом обслуживании изделия в оптимальные сроки.

Все материальные объекты (изделия, системы) обладают ресурсом жизнедеятельности R, который они расходуют в процессе эксплуатации. В качестве таких ресурсов могут быть: энергоресурсы, рабочие наполнители пневмо- и гидросистем, носители информации и др.

Считаем, что изделия прекращают целевое функционирование, если наступит отказ по какому-либо определяющему параметру или будет полностью выработан хотя бы один из расходуемых ресурсов.

Увеличить время полезного функционирования изделия можно путем увеличения запаса и рационального использования расходуемого ресурса, повышением надежности изделия и введением технического обслуживания, связанного с предотвращением отказов и восстановлением работоспособности изделия в случае возникновения отказа. При этом важной задачей является определение оптимальных сроков контроля состояния и технического обслуживания изделия.

Введем определение. Время активного существования Т_c - это суммарное время, в течение которого изделие не только применяется или готово к применению по назначению, но и находится в состоянии скрытого отказа, контроля состояния и технического обслуживания. При этом имеющиеся ресурсы непрерывно расходуются, хотя интенсивность расходования в различных состояниях может быть различной. Часть ресурса R, которую изделие расходует, находясь в состоянии скрытого отказа, во время контроля работоспособности и проведения технического обслуживания будем называть непроизводительно расходуемым ресурсом R_н. Для получения максимально возможного эффекта от применения изделия техническая эксплуатация его должна быть спланирована так, чтобы относительная часть ресурса R_отн, расходуемая непроизводительно, была минимальной.

Процесс обслуживания изделий является циклическим. Средняя продолжительность цикла обслуживания определяется следующим соотношением:

где τ - период обслуживания изделия;

- среднее время контроля работоспособности изделия;

- среднее время проведения плановой предупредительной профилактики;

- среднее время проведения аварийно-востановительных работ;

Р(τ ) - вероятность безотказной работы изделия за время τ .

Считаем, что контроль работоспособности изделия осуществляется в плановые сеансы с периодом τ . Поэтому на интервале времени между такими сеансами изделие может находиться не только в работоспособном состоянии, но и в состоянии скрытого отказа. В связи с этим, имеет место соотношение

где - среднее время работоспособного состояния;

- среднее время скрытого отказа.

Значение определяется по формуле

Будем считать, что средний расход ресурса в единицу времени составляет:

С_ф - в работоспособном состоянии изделия;

С₀ - в состоянии скрытого отказа;

С_к - при проведении контроля работоспособности изделия;

С_п - при проведении предупредительной профилактики;

С_в - при проведении аварийно-восстановительных работ.

Расход ресурса за время одного цикла обслуживания изделия (с учетом (1), (2) и (3)) составит

При этом часть ресурса, расходуемая непроизводительно, будет

Относительная часть ресурса, расходуемая непроизводительно, равна

или

Для изделий длительного использования заданное значение расходуемого ресурса R существенно превышает значение R_ц. Поэтому за время активного существования изделия производится множество циклов обслуживания, а именно

При этом само время существования изделия на ресурсе R будет

Анализ соотношения (5) показывает, что в интервале 0<τ <∞ имеется единственное решение, при котором функция R_отн(τ ) достигает минимального значения.

Задача определения оптимального по критерию минимума относительного непроизводительно расходуемого ресурса периода контроля и технического обслуживания изделия может быть записана в следующем виде:

Из (8) видно, что оптимальное значение периода обслуживания τ ^* изделия существенно зависит от надежности изделия. Важнейшей характеристикой надежности является интенсивность отказов λ , которая в процессе эксплуатации изделия может изменяться (как правило, возрастает в связи со старением изделия). Поэтому оптимальное значение τ ^* на различных этапах существования изделия будет различным. В связи с этим задачу поиска оптимального периода τ *i

на различных этапах запишем в следующем виде:

или с учетом (5)

где - номер цикла обслуживания изделия.

При этом процесс расходования заданного ресурса можно выразить в следующем виде:

а время активного существования изделия на ресурсе R будет

Непрерывная функция интенсивности отказов изделия λ (t) с необходимой степенью точности может быть аппроксимирована кусочно-постоянной функцией.

Пусть на некотором интервале времени (0,t₁] интенсивность отказа изделия λ (t)=λ ₁, тогда вероятность безотказной работы изделия будет p₁(t). При этом τ *1

определим следующим образом:

В этом случае на интервале (0,τ *1

] изделие израсходует часть ресурса, которую можно выразить, используя (2), (3), (4), в следующем виде:

Если на следующем интервале времени (τ *1

,t₂], λ (t)=λ ₂, P(t)=P₂(t), то новое оптимальное значение периода τ *2 будет

Значение ресурса, израсходованное изделием на интервале (0,τ *2

], согласно (11)составит

Процесс определения τ *i

и R_i повторяется до тех пор, пока R-R_i>0, т.е. пока не израсходуется весь запас ресурса. При R-R_i ≤ 0 изделие прекращает целевое функционирование. Время активного существования изделия при этом вычисляется согласно (12).

На фиг.1 представлена схема заявляемого устройства. Оно содержит первый блок 1 перемножения, второй блок 2 перемножения, четвертый блок 3 перемножения, третий блок 5 перемножения, интегратор 6, блок нелинейности 7, четвертый элемент 8 памяти, четвертый сумматор 9, третий сумматор 10, первый таймер 11, второй сумматор 12, блок деления 13,четвертый элемент 14 задержки, первый компаратор 15, второй триггер 16, второй элемент 17 задержки, первый триггер 18, элемент ИЛИ 19, третий элемент 20 задержки, первый элемент 21 задержки, первый элемент 22 памяти, третий элемент 23 памяти, первый накапливающий сумматор 24, одновибратор 25, второй элемент 26 памяти, второй таймер 27, второй компаратор 28, третий компаратор 29, второй накапливающий сумматор 30, пятый сумматор 31, второй ключ 32 и первый ключ 33.

На фиг.2 показана схема накапливающего сумматора. Накапливающий сумматор содержит сумматор 34, первый элемент 35 памяти, второй элемент 36 памяти, элемент НЕ 37.

Накапливающий сумматор работает следующим образом. В исходном положении при отсутствии управляющего сигнала первый элемент 35 памяти закрыт, а второй элемент 36 памяти открыт. При поступлении управляющего сигнала второй элемент 36 памяти закрывается и на его выходе будет значение сигнала, которое было на его входе в момент закрытия, первый элемент 35 памяти открывается и пропускает на свой выход входной сигнал, т.е. сигнал, действующий на выходе сумматора 34. При пропадании управляющего сигнала закрывается первый элемент 35 памяти (запоминает значение сигнала на своем входе) и открывается второй элемент 36 памяти. При поступлении очередного управляющего сигнала значение на выходе накапливающего сумматора сложится со значением сигнала на его информационном входе и перепишется на выход. Элемент НЕ 37 служит для того, чтобы элементы 35 и 36 памяти работали в противофазе.

Для работы устройства задаются следующие входные величины. С первого входа устройства на первый вход третьего компаратора 28 поступает значение R. Со второго входа устройства на первый вход четвертого блока 3 перемножения поступает значение параметра С_ф. С третьего входа устройства на второй вход первого сумматора 4 поступает значение параметра С_кτ_к+С_вτ_в. С четвертого входа устройства на первый вход третьего блока 5 перемножения поступает значение параметра С₀. С пятого входа на первый вход первой блока 1 перемножения поступает значение параметра С_пτ_п-С_вТ_в. С шестого входа устройства поступает значение параметра λ _i. С восьмого входа устройства на первый вход второго блока 2 перемножения поступает значение параметра τ _п-τ _в. С девятого входа устройства на второй вход второго сумматора 12 поступает значение параметра τ _к+τ _в.

Устройство работает следующим образом. При поступлении сигнала "Пуск" с седьмого входа устройства первый триггер 18 переводится в единичное состояние. По фронту выходного сигнала первого триггера 18 одновременно включается в работу блок 7 нелинейности, интегратор 6 и первый таймер (генератор линейно изменяющегося напряжения) 11; четвертый элемент памяти 8 закрывается и запоминает входное значение сигнала λ _i, i=1; второй триггер 16 приводится в нулевое состояние и своим выходным сигналом приводит в нулевое состояние второй таймер 27. Сигнал λ _i с выхода четвертого элемента 8 памяти поступает на информационный вход блока 7 нелинейности и устанавливает коэффициент передачи сигнала в цепи обратной связи α _i=λ _i (см. схему 3-4-2 а [7]).

Таким образом, на выходе блока 7 нелинейности будет формироваться функция вероятности безотказной работы изделия за время t. Сигнал с выхода блока 7 нелинейности поступает на второй вход первого блока 1 перемножения, на второй вход второго блока 2 перемножения и на информационный вход интегратора 6. Значение текущего времени t с выхода первого таймера 11 поступает на второй вход третьего сумматора 10 и через второй элемент задержки 17 на информационный вход второго элемента памяти 26. На первый вход третьего сумматора 10 поступает значение вычисленное в интеграторе 6 в соответствии с соотношением (3). Среднее время скрытого отказа полученное как разность (соотношение 2), с выхода третьего сумматора 10 поступает на третий блок перемножения 5. Значение сигнала с выхода третьего блока 5 перемножения поступает на третий вход первого сумматора 4, на первый вxoд которого поступает значение сигнала (С_пτ_п-C_вτ_в)Р_i(t) с выхода первого блока 1 перемножения. В то же время сигнал с выхода интегратора 6 поступает на второй вход четвертого блока перемножения 3, где формируется сигнал и передается на первый вход четвертого сумматора 9.

На второй вход четвертого сумматора 9 с выхода первого сумматора 4 подается сигнал Сигнал, соответствующий значению величины R_цi (соотношение 4), с выхода четвертого сумматора 9 поступает на вход делителя блока деления 13 и через четвертый элемент задержки 14 на информационный вход первого элемент 22 памяти. На вход делимого блока деления 13 поступает значение сигнала (соотношение 5). Сигнал, соответствующий R_iотн, с выхода блока 13 деления поступает на первый вход и через первый элемент задержки 21 - на второй вход первого компаратора 15. Время задержки Δ t элементов 14, 17, 20, 21 одинаковое. В результате в первом компараторе 15 сравниваются между собой два значения R_отн(t) и R_отн(t-Δ t). Как только, в момент времени t₀, R_отн(t₀) станет равным R_отн(t₀-Δ t), на выходе первого компаратора 15 появится управляющий сигнал, который означает, что найден i-й оптимальный период контроля работоспособности изделия τ *i

. Этот управляющий сигнал переводит второй триггер 16 в единичное состояние. Управляющий сигнал с выхода триггера 16 поступает на управляющие входы первого 22, второго 26, третьего 23 элементов памяти, ключа 33, одновибратора 25, на вход установки нуля первого триггера 18 и на вход второго таймера 27. В результате на третьем выходе устройства будет значение i-го оптимального периода τ *i=t₀-Δ t контроля работоспособности изделия, поступающее с выхода второго элемента 26 памяти через открытый ключ 33.

Значение сигнала (τ _п-τ _в)Р_i(t) с выхода второго блока 2 перемножения поступает на первый вход второго сумматора 12, с выхода которого значение сигнала через третий элемент задержки 20 поступает на информационный вход третьего элемента памяти 23 и далее на второй вход второго компаратора 28 и на первый вход пятого сумматора 31. Время с выхода пятого сумматора 31 поступает на вход второго накапливающего сумматора 30. Первый триггер 18 переводится в нулевое состояние и по спаду управляющего сигнала обнуляет блок 7 нелинейности, первый таймер 11 и интегратор 6, открывает четвертый элемент 8 памяти. По управляющему сигналу одновибратора 25 значение ресурса, израсходованного за время c выхода первого элемента 22 памяти поступает в накапливающий сумматор 24, выходной сигнал которого подается на второй вход третьего компаратора 29. Во втором компараторе 28 сравниваются два сигнала и t. Как только они станут равны, на выходе второго компаратора 28 появится управляющий сигнал, который через элемент ИЛИ 19 переведет первый триггер 18 в единичное состояние. По этому сигналу начнется вычисление (i+1)-го оптимального периода контроля работоспособности изделия τ *i+1

аналогично вычислению τ *i, только теперь в результате вычисления τ *i+1 на выходе второго накапливающего сумматора 30 будет время

а на выходе первого накапливающего сумматора 24 значение ресурса, израсходованного за это время. Затем вычисляется (i+2)-й оптимальный период τ *i+2

и т.д.

В третьем компараторе 29 сравнивается между собой два значения

и R. Первое соответствую значению ресурса, израсходованного изделием с начала эксплуатации, а второе - заданному значению ограниченного ресурса. Как только значение израсходованного ресурса превысит значение заданного ограниченного ресурса, на выходе третьего компаратора 29 появится управляющий сигнал, показывающий, что заданный ограниченный ресурс израсходован полностью. Это управляющий сигнал открывает второй ключ 32, и на втором выходе устройства появляется сигнал, соответствующий времени эксплуатации устройства на данном ограниченном ресурсе. На этом работа устройства заканчивается.

Источники информации

1. Г.Н. Воробьев, В.Д. Гришин, А.Д. Морик. А.С. 1309063, М. Кл.⁴ G 07 С 3/08. Бюллетень №17, 1987.

2. Г.Н. Воробьев, В.Д. Гришин, К.Г. Колесников, А.Н. Тимофеев. А.С. 1688266, M. Kл⁵. G 07 C 3/08. Бюллетень №40, 1990.

3. Г.Н. Воробьев, В.Д. Гришин, А.Н. Тимофеев, В.Т. Доможиров. А.С.1767508, M. Кл.⁵ G 07 C 3/08. Бюллетень №37, 1992.

4. В.Д. Гришин, А.Н. Тимофеев, Н.Д. Артеменко А.С.2071115, M. Kл⁶. G 07 C 3/08. Бюллетень №36, 1996.

5. В.Д. Гришин, А.Н. Тимофеев, А.А. Жиряков А.С. 2071118, M. Kл⁶. G 07 C 3/08. Бюллетень №36, 1996.

6. В.Д. Гришин, А.Н. Тимофеев, Н.Д. Артеменко А.С. 2009543, M. Kл⁵. G 07 C 3/08.

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

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам контроля, и может быть использовано в научных исследованиях и технике, где требуется определить оптимальные скоки технического обслуживания изделия, время его активного существования и момент окончания функционирования в связи с полной выработкой расходуемого ресурса жизнедеятельности. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей. Устройство содержит четыре блока перемножения, интегратор, блок нелинейности, четыре элемента памяти, пять сумматоров, два таймера, блок деления, четыре элемента задержки, три компаратора, два триггера, элемент ИЛИ, два накапливающих сумматора, одновибратор, два ключа. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для определения оптимального периода технического обслуживания изделия, содержащее четвертый блок перемножения, первый вход которого является вторым входом устройства, пятый вход которого соединен с первым входом первого блока перемножения, второй вход которого соединен с выходом блока нелинейности, информационным входом интегратора и вторым входом второго блока перемножения, а выход - с первым входом первого сумматора, второй вход которого является третьим входом устройства, четвертый вход которого является первым входом третьего блока перемножения, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора, первый вход которого соединен с выходом интегратора и вторым входом четвертого блока перемножения, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, третий вход которого соединен с выходом третьего блока перемножения, выход четвертого сумматора через четвертый элемент задержки соединен с информационным входом первого элемента памяти, управляющий вход которого соединен с входом одновибратора, вторым входом второго элемента памяти, вторым входом первого ключа, с входом второго таймера, со вторым входом первого триггера, вторым входом третьего элемента памяти и выходом второго триггера, первый вход которого соединен с выходом первого компаратора, первый вход которого непосредственно, а второй вход через первый элемент задержки связаны с выходом блока деления, выход одновибратора является вторым входом первого накапливающего сумматора, информационный вход которого соединен с выходом первого элемента памяти, а выход - со вторым входом третьего компаратора, первый вход которого является первым входом устройства, а выход является первым выходом устройства, шестой вход которого соединен с информационным входом четвертого элемента памяти, выход которого является информационным входом блока нелинейности, другой вход которого соединен со вторым входом интегратора, со вторым входом второго триггера, со вторым входом четвертого элемента памяти, с выходом первого триггера и со входом первого таймера, выход которого непосредственно соединен со вторым входом третьего сумматора и через второй элемент задержки - с информационным входом второго элемента памяти, выход которого соединен с информационным входом первого ключа, выход которого является третьим выходом устройства, седьмой вход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом первого триггера, а второй вход - с выходом второго компаратора, первый вход которого является выходом второго таймера, а второй вход подключен к выходу третьего элемента памяти, информационный вход которого через третий элемент задержки соединен с выходом второго сумматора, второй вход которого является девятым входом устройства, восьмой вход которого соединен с первым входом второго блока перемножения, выход которого подключен к первому входу второго сумматора, отличающееся тем, что в него введены второй ключ, пятый сумматор и второй накапливающий сумматор, второй вход которого соединен с выходом одновибратора, а первый вход - с выходом пятого сумматора, первый вход которого является выходом третьего элемента памяти, а второй вход соединен с третьим выходом устройства, второй выход которого является выходом второго ключа, управляющий вход которого соединен с выходом третьего компаратора, а информационный вход - с выходом второго накапливающего сумматора, выход четвертого сумматора подключен к входу делителя блока деления, входом делимого которого является выход первого сумматора.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что накапливающий сумматор содержит сумматор, первый вход которого является информационным входом накапливающего сумматора, а выход соединен с информационным входом первого элемента памяти, управляющий вход которого является управляющим входом накапливающего сумматора и через элемент НЕ соединен с управляющим входом второго элемента памяти, информационный вход которого соединен с выходом первого элемента памяти, а выход является выходом накапливающего сумматора и соединен со вторым входом сумматора.