УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ ПЕРИОДИЧНОСТИ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ИЗДЕЛИЯ
APPARATUS FOR DETERMINING OPTIMUM FREQUENCY OF INSPECTING CONDITION OF ARTICLE

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам контроля. Оно может использоваться в научных исследованиях и практике эксплуатации для определения оптимальных сроков технического обслуживания изделий и соответствующих значений показателей надежности.
Существуют устройства [3, 4, 5, 6], позволяющие определять оптимальные периоды технического обслуживания изделий. Область их применения ограничена изделиями, постоянно функционирующими в рабочем режиме. Использование этих устройств применительно к изделиям с переменным режимом работы не обеспечивает необходимой точности определения значений выходных параметров.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство [7], содержащее сумматоры, блок перемножения, блок нелинейности, элементы памяти, интегратор, таймеры, блок деления, элементы задержки, триггеры, элемент ИЛИ, компараторы и ключи. Этому устройству свойственны те же недостатки, что и аналогам [3, 4, 5, 6].
Каждое изделие непрерывно расходует свой надежностный потенциал, причем скорость расходования зависит от режима его применения [1]. Изменение режима проявляется в изменении интенсивности отказов. Это необходимо учитывать при определении параметров стратегии технического обслуживания изделий.
Целью заявляемого технического решения является повышение точности и расширение области применения устройства.
Цель достигается путем реализации математической модели, отражающей различие значений интенсивности отказов соответственно изменениям режима функционирования изделия.
Процесс применения многих изделий имеет циклический характер. Каждый цикл может включать работу изделия в номинальном режиме, в облегченном режиме, а также режим отдыха. Диаграмма процесса применения представлена на рис.1.
1
н
1
Здесь τ - длительность одного цикла применения изделия (например, одни сутки); t - длительность функционирования изделия в номинальном режиме с коэффициентом нагрузки k, равным единице. При этом интенсивность отказов изделия имеет значение λ.
2
1
На интервале t=τ-t различные изделия, в зависимости от технологии их применения и реальной нагрузки, могут находиться в одном из следующих режимов:
а) облегченный режим в связи с уменьшением нагрузки (например, средства энергосистем непрерывного использования);
б) отдых после применения (например, технические средств предприятий, работающих в одну или в две смены; средства радио и телевизионных студий и многое другое).
2
2
2
1
н
н
н
н
В связи с этим на интервале времени t интенсивность отказов λ будет иметь разные значения λ=λk в соответствии с изменением коэффициента k нагрузки. Отметим, что согласно [2], в случае облегченного режима работы изделия k<1, а в режиме отдыха, согласно [1], 0<k<<1.
обс
k1
В
k2
k1
k2
1
2
Для поддержания изделия в работоспособном состоянии периодически осуществляется его техническое обслуживание и затрачивается время τ. При этом выполняется углубленный контроль состояния в течение времени τ, проведение регламентных работ и восстановление работоспособности изделия в случае обнаружения отказа, на что расходуется время τ, а после окончания этих работ проводится контрольная проверка работоспособности изделия в течение времени τ. Отметим, что контроль технического состояния выполняется в условиях номинального режима работы изделия. Поэтому на интервалах времени τ и τ интенсивность отказов будет равной λ. Для проведения ремонтно-восстановительных работ изделие переводится в режим отдыха, что соответствует интенсивности его отказов λ. В связи с этим, общая продолжительность технического обслуживания выражается так:
k1
B
k2
k1
B
k2
где Р(Т), P(τ), Р(τ), Р(τ) - вероятность безотказной работы изделия на соответствующем интервале времени, т.е. Т, τ, τ, τ.
Длительность периода обслуживания T включает в себя множество  циклов применения изделия длительностью τ каждый, т.е.
1
Суммарная продолжительность Т работы изделия в номинальном режиме на интервале времени Т будет
а продолжительность нахождения изделия в другом режиме (отдых или пониженная нагрузка) выражается так:
Длительность цикла обслуживания составляет
Подставив (1) в выражение (5), получим
Вероятность безотказной работы изделия на интервале времени Т определяется соотношением
Для многих изделий характерным является преобладание внезапных отказов и применим экспоненциальный закон распределения времени их возникновения. В связи с этим имеют место следующие соотношения:
На любом интервале времени изделие может находиться в одном из двух состояний:
,
ф
o
где t - время работоспособного состояния; t - время пребывания в отказе.
В течение одного цикла применения изделия в номинальном режиме последнее соотношение имеет вид
Аналогично на интервале облегченного режима или режима отдыха будет
Время работоспособного состояния изделия на интервале τ одного цикла применения определяется по формуле
а на интервале времени T его значение будет
С учетом изложенного возможное время пребывания изделия на том же интервале Т в состоянии отказа выражается так:
Время, в течение которого изделие не может быть применено по назначению (время простоя), составляет
Важной количественной характеристикой качества изделия является коэффициент простоя. Его значение с учетом (1), (6) и (14) определяется по формуле
Организация эксплуатации изделий предусматривает определение сроков технического обслуживания, обеспечивающих требуемое качество их функционирования, выраженное допустимым значением  коэффициента простоя.
Задачу определения периодичности технического обслуживания изделия запишем в следующем виде:
Предложенная математическая модель может быть реализована аппаратурно с помощью устройства, схема которого показана на рис.2.
Устройство содержит: блок памяти 1, первый 2, второй 5, третий 28, четвертый 33, пятый 40 и шестой 43 вентили, мультивибратор 3, работающий в ждущем режиме, первый 4, второй 12, третий 13, четвертый 25, пятый 34 и шестой 37 сумматоры, схему ИЛИ 6, первый 7 и второй 18 триггеры, аттенюатор 8, первый 9, второй 14, третий 19 и четвертый 24 блоки нелинейностей, первый 10 и второй 11 накапливающие сумматоры, первый 15, второй 16, третий 22 и четвертый 29 блоки умножения, компаратор 17, первый 20, второй 21 и третий 36 вычитатели, первый 23 и второй 35 интеграторы, первый 26, второй 31, третий 38 и четвертый 41 элементы задержки, первый 27, второй 32, третий 39 и четвертый 42 элементы памяти, блок деления 30.
Отметим следующее:
а) Все вентили - эквиваленты соответствующих ключей прототипа.
б) Незадействованные элементы памяти 4 и 17 прототипа не являются эквивалентами блока памяти 1 заявляемого устройства, т.к. не позволяют реализовать его возможности.
в) Сумматор 6 прототипа реализует функцию вычитания, поэтому в заявляемом устройстве рассматривается как вычитатель.
г) В формуле изобретения заявляемого устройства часть связей второго триггера 18 соответствуют аналогичным связям первого триггера 12 прототипа.
Схемы функциональных элементов устройства представлены в [8]. Кроме того, схемы и порядок работы накапливающих сумматоров показаны в патентах РФ №2233481 и №2233482, 2004 г., G07C 3/08.
1
1
k1
k2
B
н
Перед началом работы устройства исходные данные λ, t, τ, τ, τ, τ,  вводятся в блок памяти 1 через его входы с 1 по 7, соответствующие входам устройства с 2 по 8. Значение коэффициента нагрузки k задается посредством аттенюатора 8 через его первый вход, являющийся первым входом устройства.
1
2
обс
П
Процесс определения оптимального решения имеет итерационный характер. Последовательно в каждом i-ом цикле работы устройства осуществляется дискретное увеличение периода обслуживания Т согласно (2). Аналогично, согласно (3) и (4) увеличиваются значения величин T и T, а согласно (1) вычисляется значение величины τ. Соответственно этому вычисляется значение критериальной функции К(T) и сравнивается с заданным значением . Процесс поиска решения прекращается при .
Устройство работает следующим образом. По сигналу «Пуск», поступающему с девятого входа устройства, второй триггер 18 переключается в нулевое состояние и закрывает выходные вентили 28, 33, 40, 43 устройства, первый триггер 7 переводится в единичное состояние, обеспечивая этим поступление на выходы блока памяти 1 значений хранимых данных. Кроме того, сигнал «Пуск», пройдя через схему ИЛИ 6, поступает на вход мультивибратора 3, в результате чего мультивибратор 3 генерирует одиночный импульс, передает его на управляющие входы первого 2 и второго 5 вентилей и открывает их на время, равное длительности этого импульса. Одиночный сигнал мультивибратора 3 поступает также на управляющие входы первого 10 и второго 11 накапливающих сумматоров, обеспечивая реализацию ими процесса накопления и передачи результатов суммирования в сопряженные с ними элементы схемы устройства.
1
1
2
1
H
Со второго выхода блока памяти 1 через первый вентиль 2 в первый накапливающий сумматор 10 поступает значение величины t, а с третьего выхода блока памяти 1 через второй вентиль 5 во второй накапливающий сумматор 11 поступает значение величины τ. С первого выхода блока памяти 1 сигнал, соответствующий величине λ, передается на вторые входы аттенюатора 8, второго 14 и третьего 19 блоков нелинейностей. В аттенюаторе 8 формируется сигнал, соответствующий значению интенсивности отказов λ=λK и передается на первые входы первого 9 и четвертого 24 блоков нелинейностей.
Рассмотрим первый цикл работы устройства.
1
1
1
1
Выходной сигнал T=t первого накапливающего сумматора 10 поступает на первые входы третьего блока нелинейности 19, первого интегратора 23 и первого вычитателя 20. В блоке нелинейности 19, согласно (8), вычисляется значение величины P(T) и передается на вторые входы первого интегратора 23 и четвертого блока умножения 29.
2
2
2
2
ф1
ф1
ф2
ф2
Значение параметра Т=τ с выхода второго накапливающего сумматора 11 передается на вход первого элемента задержки 26, на вторые входы первого вычитателя 20, четвертого сумматора 25 и третьего вычитателя 36. Разностный потенциал T=t с выхода первого вычитателя 20 передается на вторые входы четвертого блока нелинейности 24 и второго интегратора 35. В четвертом блоке нелинейности 24 согласно (8) вычисляется значение вероятности Р(T) и передается на первый вход второго интегратора 35 и на первый вход четвертого блока умножении 29. В первом 23 и во втором 35 интеграторах формируются значения времени работоспособного состояния изделия Т=t и T=t соответственно. Выходной сигнал первого интегратора 23 передается на первый вход, а выходной сигнал второго интегратора 35 на второй вход пятого сумматора 34. Результат сложения, полученный согласно (11), с выхода пятого сумматора поступает на первый вход третьего вычитателя 36 и на вход четвертого элемента задержки 41. В четвертом блоке умножения 29 в соответствии с (7) вычисляется вероятность безотказной работы Р(Т) и передается на второй вход третьего блока умножения 22.
обс
k1
В то же время происходит формирование величины τ согласно (1). При этом с четвертого выхода блока памяти 1 на первый вход первого сумматора 4 передается значение величины τ.
k2
B
k1
k2
B
k1
k2
B
k2
B
k2
B
k1
k2
k1
k2
B
обс
С пятого выхода блока памяти 1 на вторые входы первого 4 и третьего 13 сумматоров поступает значение величины τ. С шестого выхода блока памяти 1 на второй вход первого блока нелинейности 9 и на первые входы второго 12 и третьего 13 сумматоров передается значение величины τ. Выходной сигнал (τ+τ) первого сумматора 4 поступает на второй вход второго сумматора 12 и на первый вход второго блока нелинейности 14. Выходные сигналы первого 9 и второго 14 блоков нелинейностей передаются соответственно на первый и второго входы первого блока умножения 15. Результат перемножения Р(τ)·Р(τ+τ) с выхода первого блока умножения 15 поступает на второй вход второго блока умножения 16. В третьем сумматоре 13 реализуется сложение значений величин τ и τ. Полученный результат передается на первый вход второго блока умножения 16. Выходной сигнал второго блока умножения 16 передается на первый вход третьего блока умножения 22. В блоке 22 реализуется перемножение его входной величины Р(Т), поступающей с выхода четвертого блока умножения 29, и произведения величин (τ+τ)Р(τ)Р(τ+τ), поступающего с выхода второго блока умножения 16. Результат перемножения с выхода третьего блока умножения 22 передается на второй вход второго вычитателя 21, на первый вход которого с выхода второго сумматора 12 поступает сигнал, соответствующий сумме (τ+τ+τ). Выходной сигнал второго вычитателя 21 соответствует согласно (1) вычисленному значению τ. Он передается на первые входы четвертого 25 и шестого 37 сумматоров. На второй вход сумматора 37 с выхода третьего вычитателя 36 поступает разностный сигнал, выражаемый соотношением (13).
П
Сигнал, соответствующий значению числителя соотношения (15), с выхода шестого сумматора 37 передается на второй вход блока деления 30 и на вход третьего элемента задержки 38. В четвертом сумматоре 25 формируется сигнал, соответствующий знаменателю соотношения (15), и передается на первый вход блока деления 30. Результат деления, соответствующий вычисленному значению К коэффициента простоя, с выхода блока деления 30 поступает на вход второго элемента задержки 31 и на второй вход компаратора 17, на первый вход которого с седьмого выхода блока памяти 1 подается сигнал, соответствующий заданному значению  коэффициента простоя.
1
1
Для многих типов обслуживаемых изделий справедливо утверждение, что в первом цикле работы устройства (τ=T) вычисленное значение коэффициента простоя будет меньше заданного. Потому в результате их сравнения в компараторе 17 на его первом выходе появится управляющий сигнал, который, пройдя через схему ИЛИ 6, поступит на вход мультивибратора 3. Одиночный выходной импульс мультивибратора 3 откроет первый 2 и второй 5 вентили. В результате этого значения выходных величин первого 10 и второго 11 накапливающих сумматоров увеличится на t и τ соответственно. Далее процесс вычисления коэффициента простоя  и сравнение его с  повторится. Число циклов работы устройства будет увеличиваться, пока будет сохраняться неравенство  В каждом очередном цикле содержание накапливающих сумматоров 10 и 11 будет увеличиваться на t и τ соответственно и сохраняться в этих сумматорах до очередного цикла вычислений. Это увеличение сопровождается изменением значений всех других расчетных величин.
П
пр
ф
Вычисленные значения периода обслуживания Т, коэффициента простоя К(Т), времени простоя Т и времени работоспособного состояния изделия Т, задержанные элементами задержки 26, 31, 38, 41 на время одного цикла вычислений, передаются, соответственно, в первый 27, во второй 32, в третий 39 и в четвертый 42 элементы памяти. После каждого очередного цикла работы устройства значения данных этих элементов памяти обновляются.
П
пр
ф
Как только в компараторе 17 окажется, что , управляющий сигнал появится на его втором выходе и поступит на вторые входы первого 7 и второго 18 триггеров. При этом первый триггер 7 переключится в нулевое состояние и его выходной потенциал, поступив на девятый вход блока памяти 1, закроет все выходы этого блока. Второй триггер 18 переключится в единичное состояние, его выходной потенциал откроет вентили 28, 33, 40, 43, а также поступит на управляющие входы элементов памяти 27, 32, 39, 42. Вычисленное согласно (2) значение периода обслуживания T*, соответствующее условию (16), с выхода первого элемента памяти 27 через открытый третий вентиль 28 поступает на первый выход устройства. Значение коэффициента простоя К(T*) с выхода второго элемента памяти 32 через открытый четвертый вентиль 33 поступит на второй выход устройства. Вычисленное в соответствии с (14) время простоя Т(T*) с выхода третьего элемента памяти 39 через открытый пятый вентиль 40 поступит на третий выход устройства, а на четвертый его выход из четвертого элемента памяти 42 через открытый шестой вентиль 43 будет передано значение времени Т(T*) безотказной работы изделия, вычисленное в соответствии с (12). На этом работа устройства заканчивается.
Положительный эффект, который может быть получен от использования предлагаемого технического решения, состоит в получении расчетных значений периода обслуживания, коэффициента простоя, времени безотказной работы и времени простоя изделия, вычисленных с учетом переменного режима использования изделия и соответствующих изменений интенсивности его отказов.
Вычисленные значения выходных величин позволяют обоснованно планировать применение и техническую эксплуатацию изделия.
Источники информации
1. Седякин Н.М. Об одном физическом принципе теории надежности. - Известия АН СССР, ОТН, Техническая кибернетика, 1996, №3.
2. Половко A.M. Основы теории надежности. - М.: Наука, 1964.
3. Гришин В.Д., Мануйлов Ю.С., Щенев А.Н. Патент RU №2206123, МПК G07C 3/08, 2001.
4. Гришин В.Д., Павлов А.Н., Михайлов Е.П. Патент RU №2343544, МПК G07C 3/08, 2009.
5. Гришин В.Д., Кудряшов А.Н., Тимошенко Д.В. Патент RU №2347272, МПК G07C 3/08, 2009.
6. Гришин В.Д., Мышинский Д.А., Таганов И.Ю. Патент RU №2361217, МПК G07C 3/08, 2009.
7. Гришин В.Д., Шульгин А.Е., Петров А.А. Патент RU №2361276, МПК G07C 3/08, 2009.
8. Тетельбаум И.М., Шрейдер Ю.Р. 400 схем для АВМ. - М.: Энергия, 1978.