УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПРОГРАММ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ СРЕДСТВ СИСТЕМЫ Российский патент 2011 года по МПК G07C3/08 G05B23/02 

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам контроля. Оно применимо в научных исследованиях и практике эксплуатации для определения оптимальных сроков обслуживания средств технических комплексов и систем.

Известны устройства [1, 2], предназначенные для определения оптимальных по критерию минимума коэффициента простоя периодов технического обслуживания изделий. Их недостатком является узкая область применения, ограниченная изделиями, не входящими непосредственно в состав сложных систем.

Известно также устройство [3], обеспечивающее определение оптимального периода обслуживания сложной системы, реализуя максиминный критерий. При этом все подсистемы входящие в сложную систему, должны обслуживаться с одинаковой периодичностью, обеспечивающей минимум коэффициента простоя самого ненадежного средства. Это устройство целесообразно использовать для систем, подсистемы которых близки по надежности. Если же подсистемы существенно различаются по надежности, то обслуживание их с одинаковой периодичностью, вычисленной устройством [3], не позволит рационально использовать надежностный потенциал остальных, более надежных подсистем.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство [4], содержащее блок памяти, блок нелинейности, датчик времени, блок сравнения, два блока деления, интегратор, три элемента задержки, мультивибратор, элемент памяти, ключ, сдвиговый регистр, схему ИЛИ, два блока умножения, три сумматора и вычитатель.

Недостатками устройства являются ограниченные функциональные и информативные возможности, так как единственным выходным параметром устройства является период технического обслуживания, значение которого вычисляется индивидуально для каждой подсистемы, входящей в состав системы.

Целью заявляемого технического решения является расширение функциональных и информативных возможностей устройства. Цель достигается путем введения в схему прототипа ряда функциональных элементов, позволяющих дополнительно к возможностям прототипа определять и подавать в качестве выходных данных по каждому средству значений коэффициента простоя и времени обслуживания, соответствующих вычисленным значениям периодов обслуживания.

Система, как известно, включает в себя совокупность средств (элементов), находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство. Примером технической системы является система управления воздушным движением. Ее функциональными элементами являются: радиотехнический комплекс, аппаратура передачи данных, информационно-вычислительный комплекс, комплекс средств отображения и другие. Количественные показатели надежности и ремонтопригодности средств систем различны, поэтому и оптимальные сроки их обслуживания разные. Определение оптимальных программ обслуживания подобных систем является актуальной задачей.

Процесс обслуживания имеет периодический характер. Длительность цикла обслуживания в общем случае может быть представлена в следующем виде:

где:

- τ - период обслуживания;

- τ_к - средняя продолжительность контроля состояния;

- τ_п - средняя продолжительность предупредительной профилактики;

- τ_в - средняя продолжительность аварийно-восстановительных работ;

- P(τ) - вероятность безотказной работы средства на периоде τ.

Время, необходимое для выполнения операций обслуживания, составляет:

или

Считаем, что фактическое состояние средства выявляется в плановые сеансы контроля. В связи с этим имеет место следующее отношение:

где:

- τ_ф - среднее время работоспособного состояния;

- τ_о - среднее время нахождения изделия в отказе на периоде τ.

Время работоспособного состояния средства на периоде обслуживания определяется так:

При экспонентециальном законе распределения времени возникновение отказов справедливо следующее соотношение:

P(t)=exp{-λτ}

- где λ - интенсивность отказов средства.

Организация технической эксплуатации средств предусматривает определение рациональных или оптимальных в некотором смысле сроков технического обслуживания, обеспечивающая требуемое качество функционирования этих средств.

Важным показателем качества функционирования является коэффициент простоя. Его значение может быть вычислено с помощью соотношения:

или

Анализ функции K_П(τ) показывает, что существует период технического обслуживания, при котором коэффициент простоя достигает минимального значения

Задачу определения оптимального периода обслуживания средств запишем в следующем виде:

Рассмотренный подход целесообразно использовать применительно к отдельным, функционально обособленным средствам. Однако наряду с такими средствами широкое применение получили технические системы, включающие в себя множество различных по структуре, сложности и надежности средств. Каждому из этих средств будет соответствовать свой оптимальный период технического обслуживания. Множество вычисленных значении , соответствующее множеству средств системы , могут образовать во времени такую совокупность циклов обслуживания, что практическая ее реализация окажется нерациональной либо невозможной. Поэтому возникает необходимость упорядочивания этой совокупности путем нахождения компромиссных, близких к оптимальным, значений периодов обслуживания для всех средств системы. Такой компромисс является отражением решающего правила, которое вводится неформально и определяет собой допустимое отклонение значений периодов обслуживания средств от оптимальных значений. Конструктивным с точки зрения упорядочивания сроков обслуживания разнонадежных средств является кратность периодов их обслуживания. Различные средства системы (или группы средств) будут обслуживаться с различной периодичностью: {τ_p,2τ_p,…mτ_p}, где:

τ_p - расчетное (вычисленное) значения периода обслуживания наименее надежного средства;

m - количество разнонадежных средств (групп средств) системы.

Начало каждого интервала времени будет соответствовать началу цикла обслуживания одного или нескольких близких по надежности средств. Отдельное i-е средство системы будет обслуживаться с периодом τ_i=k_iτ_p, достаточно близким к .

Решающее правило заключается в том, чтобы обеспечивать кратность периодов обслуживания средств комплекса τ_i=k_iτ_p и выполнять условие:

Соотношение (7) отображает общий подход к решению рассматриваемой задачи. Однако имеет практическую значимость его частный вариант, используемый в заявленном изобретении, а именно:

где:

- оптимальный период технического обслуживания наименее надежного средства системы.

Это условие трансформируется в выбор некоторого допустимого значения коэффициента простоя , которое обеспечивает выполнение требования минимизации (8) и определяет границы допустимого значения периода обслуживания средства. Значение определяется исходя из того, что коэффициент простоя каждого средства будет равен не более допустимого значения, т.е. .

Некоторое отклонение от минимального позволяет расширить область допустимых значений периода обслуживания. Значение можно определить как некоторую часть 0<µ≤1 от минимального значения, то есть . Тогда . При этом не ограничивается только оптимальным значением, а будет находиться в интервале , где , . Это позволяет определить конкретные (вычисленные) значения периодов обслуживания средств системы, обеспечивающих функционирование этих средств с минимально возможными коэффициентами простоя .

Подставляя в (2) и (5) вычисленные значения , получаем вычисленные значения и соответственно.

Отметим, что предпочтительным для решения поставленной задачи является область значений периода τ_i, ограниченная оптимальным значением и максимально допустимым , то есть .

На фиг.1 в качестве примера показаны результаты исследования зависимости K_П(τ) для трех разнонадежных средств и дана графическая интерпретация результатов реализации соотношения (8). Из представленного видно, что вычисленные значения периодов обслуживания второго и третьего средств системы соответственно составляют

Поскольку периоды обслуживания отдельных средств находятся из условия их кратности, то этим обеспечивается рациональное, в организационном плане, обслуживание комплекса средств системы в целом.

Предложенная модель может быть реализована аппаратурно с помощью предлагаемого устройства, схема которого показана на фиг.2.

Устройство содержит блок памяти 3, в который поступают с 2-7 входов устройства исходные данные, первый 4 и второй 21 блоки умножения, первый 6, второй 7 и третий 12 сумматоры, блок нелинейности 11, реализующий функцию P(t), датчик времени 8, вырабатывающий значение времени Δτ, первый 1, второй 16, третий 17 и четвертый 30 элементы задержки, блок сравнения 13, первый 9 и второй 20 блоки деления, триггер 15 (эквивалент ждущего мультивибратора прототипа), первый 19, второй 27, третий 28 и четвертый 29 ключи (логические элементы И), сдвиговый регистр 2, обеспечивающий считывание исходных данных для каждой подсистемы, а также первый 23, второй 24 и третий 26 вентили (логические элементы И-НЕ), схему ИЛИ 5, первый 10 и второй 22 вычитатели, ждущий мультивибратор 25, элемент памяти 18 и интегратор 14.

Перед началом работы устройства исходная информация (значение вводных величин): λ_i, τ_пi-τ_вi;, τ_кi+τ_вi, , заносятся в блок памяти 3 через его входы 2-7. Отметим, что блок памяти 3 разделен на n зон по возможному количеству подсистем сложной системы.

Устройство работает следующим образом.

По сигналу «Пуск», поступающему с первого входа устройства, сдвиговый регистр 2 обнуляется. Этот же сигнал, задержанный первым элементом задержки 1, пройдя через схему ИЛИ 5, устанавливает единицу в первом разряде сдвигового регистра 2, а также запускает датчик времени 8. По сигналу сдвигового регистра 2 считываются значения входных величин, соответствующие первому средству системы, из блока памяти 3 на функциональные элементы устройства. Датчик времени 8 вырабатывает значение времени Δτ и передает на вход третьего сумматора 12, на первый вход которого с пятого выхода блока памяти 3 поступает оптимальное значение периода обслуживания первого из исследуемых средств. Результат сложения с выхода третьего сумматора 12 проходит через первый вентиль 23 и передается на вторые входы второго сумматора 7 и блока нелинейности 11, а также последовательно через третий вентиль 26 и второй элемент задержки 16 в элемент памяти 18. На первый вход второго сумматора 7 с четвертого выхода блока памяти 3 передается величина а с третьего выхода блока памяти 3 на первый вход блока нелинейности 11 поступает значение λ₁. В блоке нелинейности 11 формируется сигнал и передается на первый вход интегратора 14 и на второй вход первого блока умножения 4. На первый вход первого блока умножения 4 со второго выхода блока памяти 3 поступает значение τ_n1-τ_в1. Сигнал, соответствующий величине с выхода первого блока умножения 4 передается на первый вход первого сумматор 6. Значение с выхода второго сумматора 7 поступает на второй вход первого сумматора 6, в результате на его выходе формируется сигнал, соответствующей сумме и передается на первые входы первого блока деления 9, первого 10 и второго 22 вычитателей. В то же время в интеграторе 14, в соответствии с (4), вычисляется значение времени:

и передается на второй вход первого вычитателя 10.

В вычитателе 10 формируется сигнал, соответствующий времени простоя средства. Его значения с учетом (2) и (3) выражается так:

Сигнал τ_прост.1 из вычитателя 10 передается в первый блок деления 9, где вычисляется значение коэффициента простоя в соответствии с (5). Выходной сигнал блока деления 9 проходит через второй вентиль 24 и передается на второй вход блока сравнения 13, на первый вход которого с первого выхода блока памяти 3 поступает значение В блоке сравнения 13 сравниваются между собой входные величины. Если окажется что вычисленное значение то на первом выходе блока сравнения 13 вырабатывается управляющий сигнал и передается в датчик времени 8. В результате чего выходной сигнал датчика времени 8 увеличивается на Δτ, то есть он становится равным 2Δτ и процесс вычисления значения повторяется, но при новом значении периода обслуживания, то есть . Цикл вычисления будет повторяться с каждым m-ным увеличением значения периода , до тех пор, пока будет сохраняться неравенство . Как только в блоке сравнения 13 окажется, что на втором выходе блока сравнения 13 появится управляющий сигнал, который запустит ждущий мультивибратор 25, а триггер 15 переведет в единичное состояние. Управляющий сигнал с выхода ждущего мультивибратора 25 поступает на второй вход интегратора 14 и сбрасывает его значение в ноль. Управляющий сигнал триггера 15 поступает на первый 23, второй 24 и третий 26 вентили, первый 19 и второй 27 ключи, на управляющий вход элемента памяти 18, а также на входы третьего 17 и четвертого 30 элементов задержки. Вычисленное значение периода обслуживания, задержанное вторым элементом задержки 16 на один цикл вычисления , с выхода элемента памяти 18 через первый ключ 19 поступает на второй вход второго блока деления 20. На первые входы второго блока деления 20 и второго блока умножения 21 с шестого выхода блока памяти 3 поступает сигнал, соответствующий значению . Во втором блоке деления 20 формируется сигнал, как результат целочисленного деления и передается во второй блок умножения 21, где вычисляется искомая величина и передается на первый выход устройства. Кроме того, вычисленное значение времени технического обслуживания с выхода второго блока умножения 21, через второй ключ 27 поступает на входы второго сумматора 7, блока нелинейности 11 и второго вычитателя 22. Во втором сумматоре 7 формируется и передается на второй вход первого сумматора 6 сигнал, соответствующий величине . В блоке нелинейности 11 реализуется функция и передается на второй вход первого блока умножения 4 и на первый вход интегратора 14, где формируется согласно (4) и передается на второй вход первого вычитателя 10 сигнал, соответствующий вычисленному значению времени работоспособного состояния данного средства. В первом блоке умножения 4 получается произведение и передается на первый вход первого сумматора 6, где реализуется сумма соответствующая делителю соотношения (5), и передается на первые входы первого блока деления 9, первого 10 и второго 22 вычитателей. В блоке 10 формируется сигнал, соответствующий числителю соотношения (5) и передается на второй вход первого блока деления 9. К этому времени выходной сигнал четвертого элемента задержки 30 открывает третий 28 и четвертый 29 ключи. В результате вычисленное значение коэффициента простоя первого из исследуемых средств системы с выхода первого блока деления 9 через третий ключ 28 поступит на третий выход устройства. В то же время значение параметра вычисленное в соответствии с (2), с выхода второго вычитателя 22 через четвертый ключ 29 поступит на второй выход устройства. На этом закончится цикл работы устройства по определению значений искомых величин для одного из средств системы. Далее, выходной сигнал третьего элемента задержки 17 переводит триггер 15 в нулевое состояние. В связи с этим все ключи закрываются, а вентили открываются. Кроме того, выходной сигнал третьего элемента задержки 17 переводит датчик времени 8 в нулевое состояние, а пройдя через схему ИЛИ 5, вновь запускает его в работу и переключает сдвиговый регистр на считывание исходных данных из блока памяти 3, соответствующих следующему средству исследуемой системы. Процесс определения вычисленных значений , повторится.

После вычисления значений искомых величин, соответствующих последнему средству исследуемой системы, работа устройства заканчивается.

Положительный эффект, который дает предлагаемое техническое решение, состоит в том, что устройство позволяет на основе принципа кратности определять периоды технического обслуживания, коэффициенты простоя и время обслуживания средств сложной системы. Практическая реализация предложенного решения является более рациональной с точки зрения организации обслуживания и расходования, материального и временного ресурсов, на техническое обслуживание системы, а также использования надежностных ресурсов средств, составляющих систему.

При составлении и описании были использованы следующие источники информации:

1. Воробьев Г.Н., Гришин В.Д., Денченков В.А. А.С. СССР №1320825 МПК G07C 3/08, 1987.

2. Гришин В.Д., Мануйлов Ю.С., Щенев А.Н. Патент РФ №2206123 МПК G07C 3/08, 2003.

3. Гришин В.Д., Петрошенко А.В., Красноруцкий С.Н. Патент РФ №2308765 МПК G07C 3/00, 2007.

4. Гришин В.Д., Москвин Б.В., Чижевский А.В. Патент РФ №2358320 МПК G07C 3/08, 2009.

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам контроля, и может быть использовано в научных исследованиях и технике, где требуется определять оптимальную программу обслуживания технических средств системы. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства за счет возможности определения и подачи в качестве выходных данных значений коэффициента простоя и времени обслуживания. Он достигается тем, что устройство содержит блок памяти, два блока умножения, три сумматора, блок нелинейности, датчик времени, четыре элемента задержки, блок сравнения, два блока деления, триггер, четыре ключа, сдвиговый регистр, три вентиля, схему ИЛИ, два вычитателя, ждущий мультивибратор, элемент памяти и интегратор. 2 ил.

Устройство для определения оптимальной программы технического обслуживания системы, содержащее сдвиговый регистр, первый вход которого является первым входом устройства и соединен через первый элемент задержки с первым входом схемы ИЛИ, второй вход подключен к выходу схемы ИЛИ, и к первому входу датчика времени, а каждый из n выходов соединен индивидуально с соответствующим управляющим входом блока памяти, входы которого с второго по седьмой являются информационными входами устройства, а первый выход, предназначенный для вывода заданных допустимых значений коэффициентов простоя средств системы, подключен к первому входу блока сравнения, второй выход которого подключен к первому входу триггера, а первый выход соединен с третьим входом датчика времени, выход которого подключен ко второму входу третьего сумматора, а второй вход связан со вторым входом схемы ИЛИ непосредственно и через второй элемент задержки соединен с выходом триггера, с управляющими входами первого ключа и элемента памяти, информационный вход которого связан с выходом второго элемента задержки, а выход подключен к информационному входу первого ключа, выход которого соединен со вторым входом второго блока деления, выход которого связан со вторым входом второго блока умножения, выход которого является первым выходом устройства, на который поступают вычисленные значения периодов обслуживания средств системы, а первый вход, вместе с первым входом второго блока деления, соединен с шестым выходом блока памяти, предназначенного для вывода оптимального значения периода обслуживания наименее надежного средства системы, пятый выход которого, предназначенный для вывода оптимальных значений периодов обслуживания исследуемых средств системы, подключен к первому входу третьего сумматора, четвертый выход блока памяти, предназначенный для вывода заданных значений суммы средних продолжительностей контроля и аварийно-восстановительных работ средств системы, соединен с первым входом второго сумматора, выход которого подключен ко второму входу первого сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого блока умножения, а выход связан с первыми входами первого вычитателя и первого блока деления, второй вход которого соединен с выходом первого вычитателя, второй вход которого подключен к выходу интегратора, первый вход которого, вместе со вторым входом первого блока умножения, соединен с выходом блока нелинейности, первый вход которого подключен к третьему выходу блока памяти, предназначенного для вывода заданных значений λ_i интенсивности отказов средств системы, второй выход блока памяти, предназначенный для вывода заданных значений разности τ_Пi-τ_Bi; средней продолжительности предупредительной профилактики и средней продолжительности аварийно-восстановительных работ, подключен к первому входу первого блока умножения, отличающееся тем, что в него введены второй вычитатель, мультивибратор, работающий в ждущем режиме, три вентиля, три ключа и четвертый элемент задержки, причем первый вход триггера через мультивибратор соединен со вторым входом интегратора, а второй вход подключен к выходу третьего элемента задержки, вход которого соединен с входом четвертого элемента задержки, с разрешающими входами первого и третьего вентилей, второго ключа и второго вентиля, выход которого подключен ко второму входу блока сравнения, а первый вход соединен с выходом первого блока деления и с информационным входом третьего ключа, выход которого является третьим выходом устройства, на который поступают вычисленные значения коэффициентов простоя
средств системы, а управляющий вход соединен с выходом четвертого элемента задержки и управляющим входом четвертого ключа, выход которого является вторым выходом устройства, на который поступают вычисленные значения времени обслуживания
средств системы, а информационный вход соединен с выходом второго вычитателя, первый вход которого связан с выходом первого сумматора, а второй вход соединен со вторыми входами второго сумматора и блока нелинейности, с информационным входом третьего вентиля, с выходами первого вентиля и второго ключа, информационный вход которого подключен к выходу второго блока умножения, информационный вход первого вентиля соединен с выходом третьего сумматора, а выход третьего вентиля связан с входом второго элемента задержки.