УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ПЕРИОДА ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ИЗДЕЛИЯ
ARTICLE OPTIMUM MAINTENANCE PERIOD DETERMINING DEVICE

ТИ
Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам контроля, и может быть использовано в научных исследованиях, а также при создании, испытаниях и эксплуатации планируемых к применению из режима поддержания готовности (РПГ) или из режима ожидания (РО) восстанавливаемых радиоэлектронных изделий (РЭИ) для определения оптимальных периодов их технического обслуживания (ТО), обеспечивающих максимум коэффициента технического использования (К) изделий.
ТИ
Коэффициент технического использования К в соответствии с /1/ представляет собой отношение математического ожидания суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к математическому ожиданию суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии и простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период.
Техническим результатом является повышение точности определения оптимальной периодичности ТО путем учета в цикле ТО заключительной операции проведения в РПГ испытаний изделия на функционирование после плановой предупредительной профилактики (ППП) в процессе периодического технического обслуживания (ПТО) или аварийно-профилактического ремонта (АПР) перед переводом изделия в режим ожидания.
Изобретение предназначено для определения оптимальных периодов ТО восстанавливаемых РЭИ.
Некоторые виды РЭИ, в том числе относящиеся к средствам автоматизированного управления исполнительными объектами, относятся к изделиям практически однократного применения за их жизненный цикл.
Эти РЭИ должны находиться в постоянной готовности к применению в течение срока их эксплуатации за исключением планируемых периодов и проведения операций ТО (контроль, ПТО, АПР), во время которых использование РЭИ по назначению не предусматривается.
К состояниям готовности этих РЭИ относятся:
1) режим поддержания РЭИ во включенном состоянии в готовности к целевому использованию, обозначенный как РПГ;
2) пребывание РЭИ в работоспособном состоянии в режиме ожидания, т.е. в РО, при этом изделие может находиться в полностью или частично выключенном состоянии.
Применение РЭИ возможно
1) из РПГ по команде;
2) из РО с переводом по команде в РПГ, поддержанием в течение определенного периода времени готовности в этом режиме и выполнением по команде изделием целевых задач из РПГ;
3) из РО с переводом РЭИ по команде в РПГ и немедленным выполнением целевых задач после перевода в РПГ.
В первом режиме, т.е. в РПГ, возможно немедленное восстановление РЭИ при возникновении его отказа.
Во втором режиме, т.е. в РО, возникающие в РО отказы устраняются при наступлении очередного сеанса контроля (К) при периодическом ТО. При этом возможно в промежутке между ТО состояние необнаруженного отказа РЭИ.
Для поддержания РЭИ в готовности к применению организуется система технического обслуживания (СТО), которая предусматривает выявление, устранение и предупреждение отказов.
Проводятся проверки функционирования изделий (ПФИ). Периодически осуществляется контроль (К), по результатам которого на изделии проводится либо ППП (при работоспособном состоянии изделия), либо АПР (при выявлении отказа изделия).
Обычно периодически контролируемые РЭИ после проведения контроля и предупредительной профилактики или аварийных ремонтно-восстановительных работ испытываются на функционирование перед переводом их в режим ожидания, как правило, в полном объеме выполняемых функций и, в некоторых случаях, в целях проверки в наиболее напряженном реальном режиме функционирования, при максимальной, так называемой «пиковой» мощности, с возможным возникновением отказов во время испытаний и возвращением изделий на аварийно-восстановительный ремонт до достижения успешного завершения цикла испытаний.
И
Длительность ПФИ (τ) является компромиссом между требованиями поддержания постоянной готовности, высокой достоверности подтверждения характеристик безотказности РЭИ и необходимостью сохранения ресурса изделий.
И
Выбор периодичности контроля при заданном τ и известных других характеристиках РЭИ и СТО подчинен условию достижения максимальной характеристики полезного использования РЭИ. При частых проверках велики простои РЭИ на контроль и профилактику, при редких - возрастает время пребывания изделия в состоянии необнаруженного отказа. Следовательно, существует промежуточная между частыми и редкими проверками (оптимальная) периодичность ТО, при которой значение выбранной характеристики полезного использования РЭИ достигает максимума.
Известны устройства для определения оптимальных периодов контроля и технического обслуживания изделий и систем /2…14/, использующие различные модели цикла ТО. При этом необходимым условием определения оптимальных периодов ТО систем, содержащих различные РЭИ, как, например, в устройстве для определения оптимальной программы технического обслуживания системы /4/, является предварительное установление оптимальных периодов ТО отдельных РЭИ, для чего предназначены специальные устройства /8, 10 … 14/.
Модели цикла ТО представляют собой математические соотношения для определения средней продолжительности цикла обслуживания, включающие период обслуживания изделия (τ), среднее время контроля работоспособности  среднее время проведения плановой предупредительной профилактики  среднее время аварийно-восстановительных (аварийно-профилактических) работ  и вероятность P(τ) сохранения работоспособного состояния изделия за время τ.
Между сеансами обслуживания изделие может сохранять работоспособное состояние в течение среднего времени  или переходить в неработоспособное состояние и оставаться в нем среднее время  до начала контроля, при этом
Недостатками данных устройств является использование неточной модели цикла технического обслуживания.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство /13/, содержащее первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой блоки умножения, первый и второй сумматоры, блок нелинейности, первый и второй блоки деления, интегратор, датчик времени, первый, второй и третий элементы задержки, компаратор, первый, второй и третий элементы памяти, ждущий мультивибратор, первый, второй и третий ключи.
Недостатком данного устройства является использование неточной модели цикла технического обслуживания при определении оптимального периода технического обслуживания.
Целью настоящего технического решения является повышение точности определения оптимальной периодичности ТО за счет уточнения математической модели цикла технического обслуживания.
Цель достигается путем введения в рассмотрение в конце цикла ТО, перед переводом РЭИ в РО, проведения испытаний изделия на функционирование в РПГ с возможным возникновением его отказов при ПФИ, последующим восстановлением работоспособности и повторным проведением испытаний до их успешного завершения перед переводом изделия в режим ожидания.
Уточненная структурная модель состояний и переходов РЭИ представлена на рисунке (Фиг. 1).
Основным режимом эксплуатации периодически контролируемого РЭИ является режим ожидания применения. В режиме ожидания изделие находится в выключенном состоянии. За период τ между очередными проверками изделие среднее время  может находиться в работоспособном состоянии (в готовности к применению), либо отказать и среднее время  находиться в неработоспособном состоянии, при этом  а
где P(t) - вероятность сохранения работоспособного состояния изделия за время t (0≤t≤τ).
По истечении времени τ изделие переводится в режим контроля работоспособности, который осуществляется за время . По результатам контроля работоспособное изделие переводится в режим периодического технического обслуживания. Вероятность осуществления данного перехода равна P(τ).
Неработоспособное изделие поступает в аварийно-восстановительный (профилактический) ремонт. Вероятность осуществления данного перехода по результатам контроля равна Q(τ)=1-Р(τ),
где Q(τ) - вероятность отказа изделия за время τ.
Работоспособное изделие в режиме ПТО находится среднее время . По окончании ПТО осуществляется проверка функционирования изделия (ПФИ).
После проведения АПР в течение среднего времени , завершаемого восстановлением работоспособного состояния изделия и проведением необходимых профилактических операций, РЭИ переводится в режим ПФИ.
И
Из режима ПФИ при успешном проведении испытаний в РПГ за время τ с вероятностью  изделие переводится в режим ожидания.
пфи
РО
В состоянии ПФИ изделие испытывается в рабочем режиме, в некоторых случаях - с максимальной нагрузкой, поэтому интенсивность отказов РЭИ в этом режиме (λ) значительно больше, чем интенсивность отказов при пребывании РЭИ в режиме хранения в состоянии PO (λ).
И
При возникновении с вероятностью  отказа РЭИ за время испытаний τ изделие переходит в состояние ремонта с последующим возвращением в состояние ПФИ до успешного завершения испытаний.
Состояниями готовности к применению РЭИ в цикле ТО являются сохранение изделием работоспособного состояния в режиме ожидания в течение времени  и его функционирование с сохранением работоспособного состояния в режиме ПФИ.
Эти две составляющие цикла ТО относятся к времени полезного использования изделия.
Из состояний контроля К, проведения ПТО и осуществления АПР изделие не планируется к использованию по назначению (применению), поэтому временные составляющие , ,  не учитываются во времени полезного использования РЭИ.
Средняя продолжительность цикла обслуживания определяется следующим образом.
Уравнение цикла ТО представляется в виде
где τ - период контроля;
- средняя продолжительность контроля;
- средняя продолжительность предупредительной профилактики;
P(τ) - вероятность сохранения работоспособного состояния РЭИ за время τ;
- средняя продолжительность АПР;
И
И
F(τ) - функция, зависящая от времени τ ПФИ.
И
Функция F(τ) с учетом возможных циклических переходов РЭИ из состояния ПФИ в состояние АПР и обратно с точностью до трех циклов представляется следующим уравнением:
где
- среднее время сохранения для РЭИ работоспособного состояния при испытаниях в режиме ПФИ.
Величина  равняется
И
С учетом группирования членов выражения (2) относительно τ,  и  получаем:
И
И
И
И
где А(τ), В(τ), С(τ) - функции τ.
И
Функция А(τ) имеет вид
И
Функция В(τ) представляется в виде:
И
Функция С(τ) имеет следующий вид:
Последовательность величин  в выражениях (5), (6), (7) образует убывающую геометрическую прогрессию со знаменателем
Оценка для суммы S бесконечно убывающей прогрессии , … в соответствии с /15/ представляется в виде
И
С учетом (8) получаем выражение для F(τ)
Преобразуя выражение (1) с учетом соотношения (9), получим уравнение цикла ТО в виде
ТИ
И
Уравнение для оценки К за цикл ТО при величинах , τ и , засчитываемых как полезное время функционирования (нахождения в работоспособном состоянии) РЭИ, имеет вид
где
Функция P(t) может быть задана аналитически или в виде гистограммы, как показано на рисунке (Фиг. 2).
Теоретическая зависимость P(t) в общем случае подчиняется следующим условиям.
Значение функции P(t) при t=0 равно P(t=0)=1. При t→∞ функция P(t) стремится к нулю, т.е. P(t→∞)→0.
i
Гистограммой функция P(t) задается при t>0 для моментов времени τ(i=, где N - число значений P(t)) через интервалы времени Δτ). Величина N переменная, может принимать значения 1, 2, 3 и т.д., при этом каждый определенный период τ включает в себя целое число N интервалов времени Δτ, т.е. τ=NΔτ.
ТИ
Для систем военного назначения целесообразно использовать оценку К снизу в целях обеспечения гарантированного значения коэффициента технического использования.
ТИ
Для оценки снизу К при задании функции P(t) в виде гистограммы выражение (11) преобразуется следующим образом.
Выражение  заменяется уравнением
И
Сумма величин τ и  в числителе выражения (11) обозначается как
Ц
Величина τ(τ) в знаменателе выражения (11) с учетом соотношения (10) представляется в виде
где
ТИ
С учетом проведенных преобразований величина К представляется в виде
ТИ
Предложенная математическая модель реализована в предлагаемом устройстве. Критерием оптимизации периодичности ТО является максимум К.
Схема устройства для определения оптимального периода технического обслуживания изделия приведена на рисунке (Фиг. 3).
Устройство содержит генератор импульсов 1, счетчик времени 2, регистры для записи исходных данных 3-6, блок элементов И 7, блок умножения 8, устройство расчета, хранения и выдачи вероятности безотказной работы (вероятности сохранения работоспособного состояния) изделия 9, блок элементов ИЛИ 10, блоки умножения 11, 12, накапливающий сумматор 13, сумматор 14, блок деления 15, пятый и шестой регистры 16, 17, второй и третий блоки элементов И 18, 19, блок сравнения 20, элементы задержки 21-26. На схеме показаны вход запуска устройства 27 и выходы устройства 28, 29.
Вход устройства 27 соединен через первый элемент задержки 21 с входом запуска генератора импульсов 1 и с управляющими входами первого блока элементов И 7, ко вторым входам которых подключены выходы первого регистра 3, а выходы - к первым входам блока элементов ИЛИ 10, выход генератора импульсов 1 соединен со вторым элементом задержки 22 и суммирующим входом счетчика времени 2, выходы которого соединены с входами первого блока умножения 8, выходы первого блока умножения 8 соединены с входами устройства расчета, хранения и выдачи вероятности безотказной работы изделия 9, с входами сумматора 14 и являются первыми выходами устройства 28, выходы второго регистра 4 соединены с вторыми входами первого и второго блока умножения 8, И, выход второго элемента задержки 22 соединен с входом третьего элемента задержки 23 и управляющим входом устройства расчета, хранения и выдачи вероятности безотказной работы изделия 9, выходы которого соединены с первыми входами второго и третьего блоков умножения 11, 12, управляющий вход второго блока умножения 11 соединен с выходом третьего и входом четвертого элементов задержки 23, 24, а выходы второго блока умножения 11 соединены со вторыми входами блока элементов ИЛИ 10, выходы которого подключены к входам накапливающего сумматора 13, выходы третьего регистра 5 соединены со вторыми входами третьего блока умножения 12, выходы которого соединены со вторыми входами сумматора 14, к третьим входам которого подключены выходы четвертого регистра 6, выход четвертого элемента задержки 24 соединен с управляющим входом сумматора 14, с управляющим входом накапливающего сумматора 13, с входом пятого элемента задержки 25 и входами третьего блока элементов И 19, выходы накапливающего сумматора 13 и выходы сумматора 14 соединены соответственно с первыми и вторыми входами блока деления 15, выход которого соединен с входами второго блока элементов И 18, выход пятого элемента задержки 25 соединен с входом шестого элемента задержки 26 и входами второго блока элементов И 18, выходы которого соединены с входами пятого регистра 16, выходы пятого регистра 16 соединены с входами блока сравнения 20 и с входами третьего блока элементов И 19, выходы которого соединены с входами шестого регистра 17, выход шестого элемента задержки 26 соединен с управляющим входом блока сравнения 20, выход которого соединен с вычитающим входом счетчика 2 и входом останова генератора импульсов 1, выходы шестого регистра 17 соединены со вторыми входами блока сравнения 20 и являются вторыми выходами устройства 29.
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии накапливающий сумматор 13, регистры 16, 17 находятся в нулевом состоянии. В регистр 3 заносится вычисленное значение коэффициента . В регистр 4 - значение длительности временного интервала Δτ. В регистр 5 заносится вычисленное значение коэффициента , а в регистр 6 - значение коэффициента .
При подаче на управляющий вход импульса запуска устройства блок элементов И 7 открывается и из регистра 3 значение коэффициента Z через блок элементов ИЛИ 10 поступит в накапливающий сумматор 13. Пройдя элемент задержки 21, входной импульс запускает генератор импульсов 1.
Элементы задержки 21-26 служат для исключения конфликтов, а длительность задержки определяется длительностью переходных процессов устройства. С генератора 1 импульсы последовательно поступают на суммирующий вход счетчика 2, на выходе которого будет код времени. Код времени поступает на вход устройства умножения 8, на второй вход которого поступает значение длительности временного интервала Δτ. С устройства умножения 8 текущее значение времени поступает на вход устройства расчета, хранения и выдачи вероятности безотказной работы изделия 9, вход сумматора 14 и выход устройства 28. Устройство расчета, хранения и выдачи вероятности безотказной работы изделия 9 в зависимости от исходных данных работает в различных режимах. Например, если заданы вероятности безотказной работы изделия в виде гистограммы статистических данных, то данное устройство выполнено в виде блока памяти, в которой записаны данные по вероятностям безотказной работы изделия. При подаче на вход текущего времени на выходе будет вероятность безотказной работы изделия, соответствующая данному времени. Если вероятность безотказной работы изделия задана в виде зависимости от времени, то исходя из поступившего кода времени проводится расчет вероятности безотказной работы изделия на данное время. При поступлении с выхода элемента задержки 22 на управляющий вход устройства расчета, хранения и выдачи вероятности безотказной работы изделия 9 вероятность безотказной работы изделия поступит на вход устройства умножения 11, на второй вход которого поступает значение Δτ из регистра 4. Одновременно вероятность безотказной работы изделия поступит и на вход устройства умножения 12, на второй вход которого поступает значение коэффициента G из регистра 5.
Пройдя элемент задержки 23, импульс поступит на управляющий вход выдачи результата устройства умножения 11. По этому сигналу результат умножения из устройства 11 через элементы ИЛИ 10 поступит на вход накапливающего сумматора 13. В результате в накапливающем сумматоре 13 будет значение  - числитель выражения (13).
На входы сумматора 14 поступают текущее время с выхода устройства умножения 8, значение с выхода устройства умножения 12 и значение коэффициента из регистра 6. В результате в сумматоре 14 будет значение τ+GP(τ)+L - знаменатель выражения (13).
С выхода элемента задержки 24 сигнал поступит на управляющие входы сумматоров 13, 14, которые выдадут результаты суммирования. На вход блока деления 15 в качестве делимого поступит значение с выхода накапливающего сумматора 13, а в качестве делителя поступит значение с выхода сумматора 14. На выходе блока деления 15 будет текущее значение коэффициента технического использования, которое запишется по сигналу с выхода элемента задержки 25 через блок элементов И 18 в регистр текущего значения коэффициента технического использования. Ранее по сигналу с выхода элемента задержки 24 через блок элементов И 19 в регистр предыдущего значения коэффициента технического использования запишется значение из регистра 16. Текущее и предыдущее значения коэффициента технического использования сравниваются в блоке сравнения 20. Если текущее значение коэффициента технического использования больше предыдущего, то на выходе блока сравнения 20 не будет сигнала, и работа устройства будет продолжена описанным выше способом. Если текущее значение коэффициента технического использования меньше или равно предыдущему, то на выходе блоке сравнения 20 появится сигнал, который поступит на вход останова генератора импульсов 1 и вычитающий вход счетчика 2. На этом работа устройства будет завершена. В результате на выходе 28 устройства будет код оптимального периода технического обслуживания изделия, а на выходе 29 - соответствующее значение коэффициента технического использования.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1990.
2. Авторское свидетельство СССР №1837338, кл. G07C 3/08, 1993. Бюл. №32.
3. Авторское свидетельство СССР №1679512, кл. G07C 3/02, 1991. Бюл. №35.
4. Патент РФ №2342706, кл. G07C 3/08, G06F 17/00, 2008.
5. Патент РФ №2429543, кл. G07C 3/08, G06F11/30, G06F17/00, 2011.
6. Патент РФ №2310913, кл. G07C, 2007.
7. Авторское свидетельство СССР №1059593, кл. G07C 3/10, 1983. Бюл. №45.
8. Авторское свидетельство СССР №1439644, кл. G07C 3/08, 1988. Бюл. №43.
9. Авторское свидетельство СССР №1580414, кл. G07C 3/08, 1990. Бюл. №27.
10. Авторское свидетельство СССР №1661812, кл. G07C 3/08, 1991. Бюл. №25.
11. Патент РФ №2071118, кл. G07C, 1996.
12. Патент РФ №2279712, кл. G06F, G07C, 2006.
13. Патент РФ №2228541, кл. G07C, 2003.
14. Авторское свидетельство СССР №1617453, кл. G07C 3/08, 1990. Бюл. №48.
15. М.Я. Выгодский. Справочник по элементарной математике. М.: Наука, 1975.