Устройство для определения периода технического обслуживания изделия Советский патент 1990 года по МПК G07C3/10 

Изобретение относится к устройствам контроля и может быть использовано в научных исследованиях и технике, где требуется находить время полезного функционирования сложной системы, период технического обслуживания и ресурс, необходимый для активного существования системы в течение заданного времени с заданным коэффициентом готовности.

Целью изобретения является расширение области применения устройства путем определения времени полезного функционирования, периода контроля состояния изделия, состоящего из ряда подсистем, и ресурса, необходимого для активного существования этого изделия в течение заданного времени с коэффициентом готовности не менее заданного.

Для изделий или систем, находящихся в дежурном режиме, важной особенностью является работоспособность в случайный момент времени, то есть поступлении заявки на выполнение кой-либо операции система должна быт готова выполнить ее. Важной характеристикой таких систем является коэффициент готовности, который может быть определен в виде отношения врем ни полезного функционирования системы к времени ее активного существования

кг(С)

(О

де Т - время полезного функциониро- вания системы на ограниченном ресурсе, то есть время, в течение которого система выполняет или может (готова) выполнить целевое назначение;

Т. - время активного существования системы на ограниченном ресурсе, то есть время, в течение которого система не только готова или выполняет целевое назначение, но и на

ходится в состоянии отказа, а также на техническом обслуживании.

Считаем, что сложная система состоит из i (1 1,п) подсистем и для своего функционирования требует ресурс R искомой величины.

При отказе любой подсистемы или ее техническом обслуживании система в целом не может выполнять целевого назначения, поэтому целесообразно искать общий для всех подсистем период контроля и технического обслуживания системы, обеспечивающий заданный коэффициент ее готовности, заданное время активного существования и, исходя из этого, требуемый для ее функционирования необходимой величины ресурс R.

Пусть задан коэффициент готовности сложной системы, состоящей из п подЗоХ

систем - Кг , задано время активного существования всей системы - Те, в режиме нормального функционирования и в состоянии отказа каждая подсис- тема расходует в среднем в единицу времени С; единиц ресурса, а в результате каждого сеанса контроля и технического обслуживания каждая подсистема расходует g; единиц ресурса. Тогда для сложной системы можно записать уравнение баланса на ресурс R в следующем виде

N(fr ZLC; + Zlg;) - R (2)

где Ј - период (интервал времени) между соседними сеансами контроля и технического обслуживания системы, N - число сеансов контроля и

технического обслуживания, - запас (объем) ресурса.

Из уравнения баланса найдем

R

tZ.c;

о

+ ZgЈ- Ј

(3)

Так как момент наступления отказа в i-й подсистеме случаен, то,используя плотность распределения времени безотказной работы f;(t), можно найти среднее время полезного функционирования подсистемы на периоде Г

т:

J tf;(t)dt + Р;() °L

J P;(t)dt. (4)

Тогда среднее время полезного функционирования системы в целом на периоде t можно представить выражением

о

р min I P (t)dt,

10

а среднее время полезного функционирования системы на ресурсе будет:

Изобретение касается контроля работы изделий и может быть использовано в научных исследованиях и технике, где требуется находить время полезного функционирования сложной системы. Целью изобретения является расширение области применения на изделия, состоящие из отдельных подсистем. Устройство содержит датчик 1 времени, блок 2 нелинейного преобразования, интегратор 3, блоки 4,24 деления, компараторы 5, 13, 14, коммутаторы 6-12, элементы задержки 15, 16, 17, счетчик 18, элементы памяти 19, 20, 21, блок 22 памяти, регистратор 23, блоки 25, 26, 27 умножения, сумматоры 28, 29 и 30. Работа устройства основана на вычислении израсходованного ресурса по каждой подсистеме изделия, сравнении их с заданным уровнем, определении подсистемы с минимально оставшимся ресурсом, определении времени технического обслуживания при окончании ресурса критической подсистемы. 1 ил.

L

Т N(min Jp; (c)dt

Считаем, что время, отводимое на системы в целом, формулируется ел еду- каждый сеанс контроля и технического 20 юЩим образом.

Найти период Ј огА,

обслуживания, значительно меньше С тогда время активного существования системы с учетом изложенного можно определить соотношением

при котором Kr(t) (8)

В дальнейшем, используя €, запишем 25 выражение (3) и (5) в следующем виМ

(6)

.а коэффициент готовности будет равен N(min | P;(t)dt

.1 О

mm i о

I P;(t)dt

(7)

Из данного выражения видно, что коэффициент готовности существенно зависит от периода Ј . Задача обоснования периода технического обслуживания системы, доставляющего заданный коэффициент готовности всей

КГ(Г)ТС

е

Ј+ Zlg;

откуда„ «

KrCfr)Tc( + 2Lg;) R (13)

min J P; (t)dt о

Используя выражения (7), (8), (П), (13), можно определить период С, который обеспечивает готовность контролируемой системы к работе, время полезного функционирования системы TЈ на заданном времени активного существования Тс , минимально необходимый запас ресурса для функциони(minjpj(t)dt (5) i о

Найти период Ј огА,

при котором Kr(t) (8)

В дальнейшем, используя €, запишем выражение (3) и (5) в следующем виде

0

N

МПП

Ј 2JC + Т в

П о

i .

(9)

т;

р.

Л

ГС; + 5Ig;

b

(пап Jp- (Odt;

(Ю)

Из выражения О) для коэффициента готовности можно получить

Т КГ(Ј)-ТС(И) 1

Используя соотношения (10) и (11) получим

(minjpj (t)dt), (12)

рования системы в течение заданного времени Тс с заданным коэффициентом готовности.

На чертеже приведена блок-схема устройства.

Устройство содержит датчик I времени, блок 2 нелинейного преобразования, интегратор 3, первый блок 4 деления, первый компаратор 5, с первого по седьмой коммутаторы 6-12, второй и третий компараторы 13, 14, первый второй и третий элементы 15-17 задержки, счетчик 18, первый, второй и третий элементы 19-21 памяти, блок 22 памяти, регистратора 23, второй блок 24 деления, первый, второй и третий блоки 25-27 умножения, первый, второй и третий сумматоры 28-30.

В обобщенном виде устройство работает следующим образом.

Для каждой i-й подсистемы пыраба- JQ тываетсп последовательно возрастающее значение периода контроля состоя-. ния этой подсистемы Ј; . Для каждого t вычисляется время полезного функционирования подсистемы t1 л,; и величи-

на коэффициента готовности этой под„ вы ч

системы К ... , которые запоминаются, „выч гм.,

Кг. сравнивается с коэффициентом готовности, заданным для сложной смете- ,,, ,/ч выч

мы КГ). (.при малых значениях ;; К т, 20

будет велик, а с увеличением Ј;: он будет уменьшаться) .

Необходимо выбрать такой период Ј,; , чтобы Kr;j был блток по абсолют- нон величине К и был не меньше 25 последнего.

При некотором эначенн t; j окажется, что с К . Тогда значение t;, принимается как оптимальное Ј . для данной подсистемы и вместе с соответ- 30

ствующим ему К К 74 i К За

1 i J-Mг

запоминается. Доследовательно контролируя состояние всех подсистем, последовательно сравнивают вычисленные периоды контроля и техниче- 35

,А ского обслуживания этих подсистем с.

между собой, меньший из них minC;

принимают за контролируемой слож

ной системы и запоминают. Параллельно выделяют и запоминают соответстЧгТ/

вукчцие минимальному Ј . значению 1( г и..

В результате контроля состояния всех подсистем оказываются запомненными Ј и соответствующие ему

ВЫЧ X

К г и О которые в дальнейшем используются для определения времени полезного функционирования Тт слож- ной системы и ресурса, необходимого для активного существования системы с заданным коэффициентом готовности.

Далее рассмотри работу устройства подробно.

В исходном состоянии с третьего, четвертого и пятого входов устройства ы блок 21 памяти через его второй

0

5

0

5

5

0

5

третий и четвертый входы соответственно записываются значения интенсивности отказов подсистем Л; , расходы ресурса в единицу времени при функционировании подсистем в нормальном состоянии и в состоянии отказа С; и расходы ресурса на каждый сеанс контроля подсистем g ;.

Блок 22 памяти содержит 3„ элементов 31 памяти, Зп ключей 32, три элемента ИЛИ 33 (п - число контролируемых подсистем), дешифратор 34.

Работа блока 22 памяти осуществляется следующим образом.

Исходная информация о сложной системе СА;, С,-, , где i 1 , п) через входы устройства вводится в блок 22 памяти на элементы 31 памяти, где и хранится (перед вводом исходной информации все элементы памяти обнуляются) . На первый вход блока 22 памяти (вход дешифратора 34) поступает управляющий сигнал с выхода счетчика 18, при этом на одном из выходов дешифратора 34 появляется управляющий сигнал D; ( где i 1 ,п) , который открывает соответствующие ключи 32, и содержимое элементов 31 памяти через элементы ИЛИ 33 поступает на входы блока 22 памяти, при этом с первого выхода снимается величина t ; , с второго выхода - С;, с третьего выхода - g ( . Например, при поступлении на вход дешифратора управляющего сигнала U (n 2) от счетчика 18 дешифратор вырабатывает ч управляющий сигнал U4, по которому открываются соответствуюшие ключи 32 и на выходы блока 22 памяти выдаются величины Ct, Afc, g4.

Датчик 1 времени вырабатывает с шагом &Ъ в порядке возрастания последовательность значений с ( Ј « -J-, + &Ј ) - периода контроля состояния 1-й подсистемы, подает эти значения на вторые входы блока 2, интегратора 3, первого блока 4 деле- ння и на вход элемента 17 задержки. В блоке 2, на вход которого из блока 22 памяти поступает значение ft; , при каждом значении L вырабатывается функция P;i (t) - вероятность безотказной работы i-й подсистемы - и засылается в интегратор 3, где интегрируется. При этом нижний и верхний пределы интегрирования равны 0 и Ъ соответственно. В это же время с второго и третьего выходов блока 22 памяти величины С и g соответственно поступают в сумматоры 28, 29. С выхода интегратора 3 величина среднего времени полезного функционирова/N..

)

ния 1-й подсистемы.. | Р ;.; (t)dt на

°

oj периоде поступает в первый блок 4

деления и на первый элемент 5 задержки. Длительность задержки для элемента 15 выбирается такой, чтобы с приходом на его вход очередного значения С -на выходе элемента 15 действовало значение Ј(;.

Во втором блоке 4 деления производится вычисление коэффициента готовности, и значение, соответствующее

8ЫЧ

ьг

P;i (Odt

)

1J

с его выхода поступает на первый вхо первого компаратора 5 и на вход второго элемента 16 задержки. Длительность задержки элемента 16 подбирается аналогично элементу 15, то есть,если на входе действует величина то на выходе должна быть величина Кг.- , .В первом компараторе

,- „ъаь

5 происходит сравнение Кг , которы

поступает на второй его вход с первого входа устройства, и вычислен,, выи ного Krij .

Если К К . , то с первого в

хода первого компаратора 5 поступает сигнал.на первый вход датчика 1 времени на видачу очередного значения Ј}ч и работа схемы повторяется, Как только Кг окажется больше Кг , то с второго выхода первого компаратора 5 поступает управляющий сигнал на разрешающий вход первого коммутатора 6, на второй, вход датчика 1 времени и на .вход счетчика J8. По этому сигналу:

1)с выхода третьего элемента 17 задержки сигнал, соответствующий Јlj-i С . , выдается на коммутатор 12 и второй компаратор 14;

2)датчик 1 времени сбрасывается в нулевое положение и начинает задавать последовательность С ;, ,j в порядке возрастания уже для i+1-й подсистемы;

3)значение счетчика 18 увеличивается еще на одну опрошенную (проконтролированную) подсистему,1

О по разрешающему сигналу со счетчика 18 блок 22 памяти выдает на первый вход блока 2 новое значение Л;,, для контроля очередной i + 1-й подсистемы, с второго и третьего выходов блока 22 памяти для i+1-й подсистемы значения С j + , и g ;+, поступают на сумматоры 28 и 29 соответственно, где они суммируются с

поступившими туда ранее С

1

с;

н g ,,..., g ;.

5) в третьем компараторе 14 осуществляется сравнения ч/

i-i

поступившего с выхода элемента 21 памяти и

А

(в исходном состоянии, перед

началом работы устройства, в элемент 21 памяти записывается число, заведомо большее любого - ; , например Tt).

« /v

Если окажется, что

то

есть период контроля и технического обслуживания i-1-й подсистемы меньше, чем для i-й подсистемы, то с компаратора 14 не выдается никакого сигнала.. Если же г , , то с выхода компаратора 14 выдается разрешающий сигнал на коммутаторы 8, 10, 12. При этом:

1) через коммутатор 12 с выхода третьего элемента 17 задержки в элемент 21 памяти записывается значение . Таким образом,в элементе 21 памяти постоянно хранится минимальный Ј| из всех опрошенных подсистем,

2) через коммутатор 8 произвосигнала

запись

;;Ct)dt

J 15 задержки в первый элемент

; - с jj-iс выхода первого эле

9 памяти. Здесь постоянно хранится

соответствующее минимальному с 3) через коммутатор 10 с выхода второго элемента 16 задержки в элемент 20 памяти записывается значение вычисленного коэффициента готовности

соответствующее мини.

ьыч вы ч

ri;r.) кг;

мальному из вычисленных L

Подобным образом цикл повторяется для всех п подсистем. В результате опроса всех подсистем в элементе 21 памяти оказывается записанным минимальный mi n , , я в первом и

втором элементах 1 9, 20 памяти,соответственно и К р1 , соответствующие этому минимальному периоду контроля и технического обслуживания. Счетчик )8 подсчитывает число опрошен

ных подсистем. В компараторе 13 сравнивается п (число, соответствующее числу подсистем, поступающее с пятого входа устройства, с числом опрошенных подсистем, поступающим со счетчика 18). Как только число опрошенных подсистем становится равным числу подсистем контролируемой слож- ной системы, то компаратор 13 выдает управляющий сигнал на разрешающие входы коммутаторов 8, 9, 11. Прнэтом

1) коммутатор 7 разрешает выдачу оптимального периода контроля и технического обслуживания Т , который обеспечивает заданную готовность все системы в целом, с элемента 21 памяти в регистратор 23 и первый блок 25 умножения. В блоке 25 умножения происходит умножение значения оптимального периода контроля и технического обслуживания Ј и суммарного расхода ресурса всей сложной системы в состоянии нормального функционироп

вання и в состоянии отказа ЈLCj, поступающее с первого сумматора 28.

к Произведение - 1С;из первого блоIt

ка.25 умножения поступает в сумматор 30, где суммируется со значением сум марного расхода ресурса всей системы в состоянии контроля и техничеп

ского обслуживания 2Lg- которое поi«i

ступает с второго сумматора 29, то есть

ZC; + Z. g; ;

2) через коммутатор 11 с выхода

элемента 20 памяти минимальный из

,. еыч

всех опрошенных подсистем К г подается в блок 26 умножения, на другой вход которого поступает с второго входа устройства значение времени активного существования всей системы Tt. С выхода блока 26 умножения произведение , соответствующее Т

вь К г Тс - времени полезного функ

ционирования системы, выдается в регистратор 23 и в блок 27 умножения, с выхода которого произведение

;«

«

S

+ Јg;)

I

поступает во второй блок 24 деления}

3) через коммутатор 9 с выхода первого элемента 19 памяти значение

t

Ј, J P;(t)dt

среднего времени полезного функционирования контролируемой системы на периоде С подается на второй блок 29 деления, где определяется значение минимально необходимого ресурса для функционирования сложной системы в течение времени Тс с заданным коэффициентом готовности

ИU

R

TT( + )

P;(t)dt

5

0

5

0

4$

5С

5

и выдается на регистратор 23. На этом работа устройства заканчивается .

Положительный эффект, который дает изобретение, состоит в том, что оно позволяет определить период технического обслуживания, минимально необходимый запас (или объем) ресурса для сложной технической системы, которая должна активно существовать в течение заданного времени с заданным коэффициентом готовности.

Формула изобретения

Устройство для определения периода технического обслуживания изделия, содержащее датчик времени, выход которого соединен с первыми входами первого блока деления и блока нелинейного преобразования, выход которого подключен к первому входу интегратора, выход которого соединен с вторым входом первого блока деления, выход которого подключен к первому входу первого компаратора, первый выход которого соединен с первым входом датчика времени, второй вход первого компаратора является первым входом устройства, второй выход первого компаратора соединен с первым входом первого коммутатора, второй коммутатор, выход которого подключен к первым входам регистратора и первого блока умножения, первый сумматор, выход которого соединен с вторым входом первого блока умножения, первый вход второго блока умножения является вторым входом устройства, выход второго блока деления подключен к второму входу регистратора и третий блок умножения, отличающееся тем, что,

с целью расширения области применения устройства на изделия, состоящие из отдельных функционально независимых узлов, введены блок памяти, элементы задержки, коммутаторы, компараторы, элементы памяти, счетчик и сумматоры, второй выход первого компаратора соединен с вторым входом датчика времени и через счетчик - с первыми входами второго компаратора |И блока памяти, второй, третий и четвертый входы которого являются соответственно третьим, четвертым и пятым входами устройства, первый выход блока памяти подключен к второму входу блока нелинейного преобразования, выход интегратора через первый элемент задержки соединен с первым входом третьего коммутатора, выход которого через первый элемент памяти подключен к первому входу четвертого коммутатора, выход которого соединен с первым входом второго блока деления, выход первого блока деления через второй элемент задержки подключен к первому входу пятого коммутатора, выход которого через второй элемент памяти соединен с первым входом шестого коммутатора, выход ко- торого подключен к второму входу вто

0

5

о

0

5

рого блока умножения, выход которого соединен с третьим входом регистратора и с первым входом третьего блока умножения, выход которого подключен к второму входу второго блока деления, выход датчика времени соединен с вторым входом интегратора и через третий элемент задержки - с вторым входом первого коммутатора, выход которого подключен к первым входам третьего компаратора и седьмого коммутатора, выход которого через третий элемент памяти соединен с первым входом второго коммутатора и с вторым входом третьего компаратора, выход которого подключен к вторым входам третьего, пятого и седьмого коммутаторов, второй вход второго компаратора является шестым входом устройства, выход второго компаратора со- Ъдинен с вторыми входами второго, четвертого и шестого коммутаторов, второй выход блока памяти подключен к входу первого сумматора, третий выход блока памяти через второй сумматор соединен с первым входом третьего сумматора, выход которого подключен к второму входу блока умножения, выход первого блока умножения соединен с вторым входом третьего сумматора.