Устройство для определения оптимального периода технического обслуживания изделия

 

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к контрольным устройствам. Целью изобретения является расширение области применения устройства. Устройство содержит блоки 1, 2, 3, 17 умножения, сумматоры 4, 18, 19, 20, 24, интегратор 5, блок 6 нелинейности, блок 7 деления, датчики 8, 29 времени, элементы 9, 11, 21, 27 задержки, компараторы 10, 26, 28, элементы 12, 13, 16, 30 памяти, одновибратор 14, ключ 15, триггеры 22, 25, элементы ИЛИ 23. В изобретении определяется оптимальный период технического обслуживания изделия по критерию минимума удельного непроизводительного расхода ресурса, приходящегося на единицу времени полезного функционирования. 1 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к контрольным устройствам, и может быть использовано в научных исследованиях и технике, где требуется находить оптимальный период контроля и технического обслуживания изделия по критерию минимума удельного непроизводительного расхода ресурса, приходящегося на единицу времени полезного функционирования изделия, в условиях изменения надежностных характеристик изделия в процессе его эксплуатации.

Известно устройство [1] позволяющее определять оптимальный период технического обслуживания изделия по критерию максимума среднего значения времени полезного функционирования в условиях изменения надежностных характеристик в процессе эксплуатации.

Однако оно обладает низкой точностью и быстродействием, так как не учитывает расхода ресурса изделием на восстановление работоспособности, а определение оптимального периода технического обслуживания осуществляться за несколько циклов работы устройства. Кроме того, оно не позволяет определять оптимальный период технического обслуживания (ТО) по критерию минимума удельного непроизводительности расхода ресурса, приходящегося на единицу времени полезного функционирования.

Известно также устройство [2] , позволяющее определять оптимальный период ТО изделия по критерию минимума среднего значения непроизводительного расхода ресурса в условиях изменения надежностных характеристик изделия в процессе эксплуатации. Однако оно не определяет оптимальный период ТО изделия по критерию минимума удельного непроизводительного расхода ресурса, приходящегося на единицу времени полезного функционирования, не учитывает время на восстановление работоспособности изделия в случае обнаружения отказа, что снижает его точность и обладает низким быстродействием, так как вычисление оптимального периода ТО изделия осуществляется за несколько циклов работы устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство [3] , содержащее блок нелинейности, датчик времени, интегратор, три элемента памяти, три сумматора, четыре блока перемножения, два блока деления, три элемента задержки, три ключа, одновибратор, компаратор. Оно позволяет определять оптимальный период технического обслуживания изделия по критерию минимума среднего значения удельно непроизводительного расхода ресурса.

Недостатком устройства является невозможность определения оптимального периода ТО изделия по критерию минимума удельного непроизводительного ресурса, приходящегося на единицу времени полезного функционирования в условиях изменения надежностных характеристик изделия в процессе эксплуатации, что ограничивает область его применения.

Целью изобретения является расширение области применения устройства за счет обеспечения минимума удельного непроизводительного расхода ресурса, приходящегося на единицу времени полезного функционирования в условиях изменения надежностных характеристик изделия в процессе эксплуатации.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее первый датчик времени, первый блок умножения, первый сумматор, первый вход которого является первым входом устройства, а выход - соединен с первым входом блока деления, второй вход которого подключен к выходу интегратора, а выход - неподсредственно и через первый элемент задержки ко входам первого компаратора, первые входы первого, второго и третьего элементов памяти и ключа объединены, выход первого датчика времени подключен ко входу второго элемента задержки, выход которого соединен со вторым входом второго элемента памяти, вход которого подключен ко второму входу ключа, выход которого является выходом устройства, выход третьего элемента задержки соединен со вторым входом третьего элемента памяти, выход второго блока умножения подключен к первому входу сумматора, второй вход которого и первый вход второго блока умножения являются соответственно вторым и третьим входами устройства, выход блока нелинейности подключен к первым входам интегратора и первого блока умножения, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, а второй вход первого блока умножения является четвертым входом устройства, выход первого датчика времени соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого подключен к выходу интегратора, а выход - к первому входу третьего блока умножения, выход которого соединен с третьим входом первого сумматора, а второй вход третьего блока умножения является пятым входом устройства, третий сумматор, третий элемент задержки и одновибратор, введены первый и второй триггеры, второй и третий компаратчетвертый блок умножения, четвертый элемент задержки, четвертый элемент памяти, второй датчик времени, четвертый и пятый сумматоры и элемент ИЛИ, выход первого сумматора подключен к первому входу пятого сумматора, выход которого соединен со входом четвертого элемента задержки, выход которого подключен ко второму входу первого элемента памяти, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора, выход которого подключен к первому входу третьего компаратора, выход которого является вторым выходом устройства, а второй вход третьего компаратора является шестым входом устройства, выход первого компаратора соединен с первым входом второго триггера, вход которого подключен ко входу одновибратора, выход которого соединен со вторым входом четвертого сумматора, к первому входу третьего элемента памяти, к первому входу первого триггера и ко входу второго датчика времени, выход которого соединен с первым входом второго компаратора, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента памяти, а выход к первому входу элемента ИЛИ, выход которого соединен со вторым входом первого триггера, выход которого подключен ко второму входу интегратора, ко второму входу второго триггера, ко входу первого датчика времени и к первым входам блока нелинейности и четвертого элемента памяти, выход которого соединен со вторым входом блока нелинейности, выход которого подключен ко второму входу второго блока умножения, вторые входы четвертого элемента памяти и элемента ИЛИ являются соответственно седьмым и восьмым входами устройства, выход второго сумматора соединен со входом третьего элемента задержки, выход интегратора соединен с первым входом четвертого блока умножения, выход которого подключен ко второму входу пятого сумматора, второй вход четвертого блока умножения является девятым входом устройства.

Изделие в процессе эксплуатации может находиться в различных состояниях: работоспособном состоянии, в состоянии скрытого отказа, контроля и восстановления работоспособности. Считаем, что возникающие отказы обнаруживаются только во время плановых сеансов контроля, которые проводятся с периодом τ . Если в результате контроля обнаруживается отказ, то проводятся мероприятия по восстановлению работоспособности изделия.

Все изделия обладают ограниченными ресурсами (ресурсами "жизнедеятельности"), которые они расходуют в процессе функционирования. При этом скорость расходования ресурсов может быть различной в зависимости от технического состояния изделия.

Пусть { C_x} - множество средних расходов ресурса в единицу времени, соответствующее множеству рассматриваемых состояний изделия, причем С_ф - в работоспособном состоянии; С_о - в состоянии скрытого отказа; С_к - во время контроля работоспособности; С_в - во время восстановления работоспособности.

= C_вτ^-_в - есть среднее значение ресурса, затрачиваемого на восстановление работоспособности изделия в случае обнаружения отказа, = C_кτ^-_к - среднее значение ресурса, затрачиваемого на проведение одного сеанса контроля, = C+C - среднее значение ресурса, затрачиваемого на проведение одного сеанса контроля и восстановления работоспособности изделия, если в случае контроля обнаружится, что изделие находится в нерабочем состоянии. Тогда по ресурсу изделия R можно записать балансное соотношение следующего вида: R = NC+C+C+C[1-P(τ)] , (1) где { { } } - множество средних интервалов времени нахождения изделия в различных состояниях: работоспособном - , скрытого отказа - , контроля работоспособности - и восстановления - , за время одного цикла обслуживания изделия, = +++[1-P(τ)] , N - число циклов обслуживания, которое может быть выполнено при полном израсходовании ресурса R;
1-Р( τ ) - вероятность отказа изделия на периоде τ обслуживания,
τ = +
= + - среднее значение времени, необходимого для проведения одного сеанса контроля и восстановления работоспособности будем называть непроизводительным ресурсом, Значение этого ресурса, расходуемого за время одного цикла обслуживания изделия будет:
C_cp= C+C+ C[1-P(τ)] = C++ [1-P(τ)] (2)
Важнейший характеристикой изделия и системы его эксплуатации является средний удельный непроизводительный расход ресурса, приходящийся на единицу времени безотказного функционирования изделия. Значение этого ресурса, используя (2), можно определить по формуле C_уд= . (3)
Так как момент наступления отказа случаен, то среднее время безотказной работы изделия на периоде обслуживания можно определить по формуле:
= P(t)dt (4) где Р(t) - вероятность безотказной работы изделия.

Среднее время нахождения изделия в состоянии скрытого отказа будет
= τ- (5) Как известно, для обслуживаемых изделий разрабатывается стратегия их обслуживания. Важным параметром такой стратегии является период обслуживания, который может быть постоянным (жесткие по периодичности стратегии) или переменным (гибкие стратегии).

Если обслуживание изделия проводить редко, с большим периодом, то изделие длительное время может находиться в состоянии скрытого отказа, расходуя при этом ресурс непроизводительно. Если же обслуживание проводить часто, с малым периодом, то время пребывания изделия в состоянии отказа уменьшается, но возрастает доля времени, затрачиваемая на контроль и восстановление работоспособности изделия. При этом изделие не способно функционировать по назначению, а потребляемый им ресурс расходуется непроизводительно. В том и другом случае средний удельный непроизводительный расход ресурса оказывается завышенным. Существует некоторый оптимальный τ ^* период обслуживания изделия при котором С_уд( τ ^*) принимает минимальное значение. Поэтому задача определения оптимального периода обслуживания изделия может быть записана в следующем виде:
τ^*= argin C_уд(τ) (6)
Из (3), (4), (5) видно, что средний удельный непроизводительный расход ресурса в значительной степени зависит от безотказности изделия. Важнейшей характеристикой безотказности является интенсивность отказов, которая в процессе эксплуатации изделия может изменяться. В связи с этим оптимальное значение периода обслуживания изделия на различных этапах функционирования изделия будет различным. Исходя из этого, соотношение (1) приобретает вид
R = C+C+C+C[1-P(τ)] (7) где i = - номер цикла обслуживания изделия.

Задача (6) обоснования оптимального по выборному критерию периода обслуживания изделия в этих условиях с учетом (3), (4) (5) приобретает следующий вид: τ^*_i = arin (8)
Непрерывная функция λ (t) интенсивности отказов с необходимой степенью точности может быть аппроксимирована кусочно-постоянной функцией.

Пусть на некотором интервале (О, t₁) интенсивность отказов изделия λ (t) = λ ₁, тогда вероятность безотказной работы изделия будет Р₁(t). При этом оптимальное значение периода обслуживания изделия определим следующим образом τ^*₁ = arin В этом случае на интервале (О, τ₁^*) изделие расходует согласно (7) величину R₁ ресурса
R_cp1= C+C+C+C[1-P₁(τ₁)^*]
Если на следующем интервале ( τ₁^*, t₂), λ(t) = λ₂, P(t) = P₂(t) то новое оптимальное значение τ₂^* периода обслуживания будет τ^*₂ = arin
Значение ресурса, израсходованного изделием на интервале (0, τ₂^*) согласно (7) составит
R_cp2= C+C+C+C[1-P_i(τ^*_i)]
Если на интервале ( τ₂^*, t₃), λ (t) = λ ₃, P(t) = P₃(t) то τ₃^* определим аналогично τ₁^* и τ₂^*, т. е. τ^*₃ = arin
Процесс поиска τ_i^* и R_срi будет продолжаться до тех пор, пока R-R_срi > 0, т. е. не израсходуется весь запас ограниченного ресурса изделия. При i = N, R_срN = R_э, R-R_э ≅0
Изделие прекращает целевое функционирование, наступает отказ по ресурсу. Для планирования применения изделия по назначению важно знать момент времени, когда ресурс будет израсходован полностью.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства. Оно содержит первый 1, второй 2 и третий 3 блоки умножения, первый сумматор 4, интегратор 5, блок 6 нелинейности, блок 7 деления, первый датчик 8 времени, первый элемент 9 задержки, первый компаратор 10, второй элемент 11 задержки, первый 12 и второй 13 элементы памяти, одновибратор 14, ключ 15, третий элемент 16 памяти, четвертый блок 17 умножения, второй 18, третий 19 и четвертый 20 сумматоры, третий элемент 21 задержки, первый триггер 22, элемент 23 ИЛИ, пятый сумматор 24, второй триггер 25, второй компаратор 26, четвертый элемент 27 задержки, третий компаратор 28, второй датчик 29 времени и четвертый элемент 30 памяти.

Устройство работает следующим образом. По сигналу "Пуск", поступающему с восьмого входа устройства, первый триггер 22 переводится в единичное состояние. По единичному управляющему сигналу с выхода первого триггера 22 второй триггер 25 переводится в нулевое состояние, четвертый элемент 30 памяти запоминает значение интенсивности отказов изделия λ _i в момент пуска устройства λ = 1 для момента пуска устройства, поступающее с седьмого входа устройства и одновременно (синхронно) начинают работать блок 6 нелинейности, первый датчик времени 8 и интегратор 5. Первый датчик времени 8 генерирует на выходе сигнал U_вых = t. Блок нелинейности 6 формирует функцию вероятности безотказной работы изделия P_i(t) = e ^-λi ^t за время t. Сигнал λ_i с выхода четвертого элемента 30 памяти поступает на первый вход блока 6 нелинейности. Сигнал Р_i(t) с выхода блока 6 нелинейности поступает на первый вход интегратора 5, на второй вход второго блока 2 умножения и на первый вход первого блока 1 умножения. Значение параметра С_ф с девятого входа устройства поступает на второй вход четвертого блока 17 умножения. Значение параметра С_о с пятого входа устройства поступает на второй вход третьего блока 3 умножения. Значение параметра , соответствующее среднему значению расхода ресурса изделием за среднее время восстановления работоспособности изделия в случае обнаружения отказа, с четвертого входа устройства поступает на второй вход первого блока 1 умножения. Значение параметра с третьего входа устройства поступает на первый вход второго блока 2 умножения, значение параметра с второго входа устройства поступает на второй вход второго сумматора 18, значение параметра с первого входа устройства поступает на первый вход первого сумматора 4. Значение параметра R, соответствующее заданному значению ограниченного ресурса, с шестого входа устройства поступает на второй вход третьего компаратора 28. Значение R_в ˙Р_i(t) с выхода первого блока 1 умножения поступает на второй вход первого сумматора 4. Сигнал t с выхода первого датчика времени 8 поступает на первый вход третьего сумматора 19 и через второй элемент задержки 11 поступает на второй вход второго элемента 13 памяти. Сигнал = P_i(x)dx , соответствующий среднему значению времени полезного функционирования изделия за время t, если изделие обслуживать с периодом t, с выхода интегратора 5 поступает на второй вход третьего сумматора 19, на второй вход блока 7 деления и на первый вход четвертого блока 17 умножения. Сигнал = t-, соответствующий среднему значению времени нахождения изделия в отказе за время t, если изделие обслуживать с периодом t, с выхода которого сигнал C поступает на третий вход первого сумматора 4. Сигнал R_cpi(t) = C+C_кτ_к+C[1-P_i(τ_i)] с выхода первого сумматора 4 поступает на первый вход блока 7 деления и на первый вход пятого сумматора 24. Сигнал C_удi(t) = C+C+C_вτ_в[1-P_i(t)] , соответствующий удельному непроизводительному расходу ресурса, приходящемуся на единицу времени полезного функционирования изделия, если изделие обслуживать с периодом t. с выхода блока 7 деления поступает на первый вход первого компаратора 10 и через первый элемент 9 задержки - на второй вход компаратора 10. Сигнал C с выхода четвертого блока 17 умножения поступает на второй вход пятого сумматора 24, с выхода которого сигнал R_cpi(t) = CC+C+C[1-P_i(t)] , соответствующий среднему значению расхода ресурса изделием за период регенерации t++[1-P_i(t)] через четвертый элемент 27 задержки поступает на второй вход первого элемента 12 памяти. Значение P_i(t) с выхода второго блока умножения 2 поступает на первый вход второго сумматора 18, с выхода которого значение + [1-P_i(t)] через третий элемент задержки 21 поступает на второй вход третьего элемента 16 памяти. В первом компараторе 10 сравниваются между собой два значения С_удi(t) и С_{уд i}(t- Δ t), ( Δ t - время задержки элементов задержки 9, 11 и 21). Как только момент времени t_o, C_удi(t_o) станет больше либо равно С_удi (t_o- Δ t), на выходе первого компаратора 10 появится управляющий сигнал, который переведет второй триггер 25 в единичное состояние. Этот сигнал означает, что найден оптимальный период технического обслуживания изделия τ^*_i = t_o- Δ t, имеющего интенсивность отказов λ_i. Сигнал с выхода второго триггера 25 поступает на первые входы первого 12, второго 13 и третьего 16 элементов памяти, первого триггера 22, на вход второго датчика времени 29 и на вход одновибратора 14. В результате, во втором элементе памяти запоминается значение сигнала τ*_i = t_o- Δ t, соответствующее оптимальному периоду технического обслуживания изделия с интенсивностей отказов λ _i, которое через ключ 15 поступает на первый выход устройства. Одновибратор 14 выдает одиночный импульс, по которому значение R_cpi(τ^*_i) = R_cpi(t_oΔt) с выхода первого элемента 12 памяти поступает в сумматор 20. На первый вход второго компаратора 26 поступает значение сигнала t с выхода второго датчика времени 29, а на второй вход поступает значение сигнала +[1-P_i(τ^*_i)] с выхода третьего элемента 16 памяти. Как только сигналы на входах второго компаратора 26 станут равны, на его выходе появится управляющий сигнал, который переведет первый триггер 22 в единичное состояние. Таким образом, через время τ^*_i++[1-P_i(τ^*_i)] после пуска устройства, т. е. через время, равное периоду регенерации изделия имеющего интенсивность отказов λ_i; начнется новый (i + 1 цикл вычисления оптимального периода технического обслуживания изделия, имеющего интенсивность отказов в момент времени +[1-P_i(τ^*_i)] после пуска устройства λ_i+1. После вычисления τ_i*_i+1 начнется вычисление τ*_i+2 и т. д. В каждом цикле вычислений τ*_i в четвертый сумматор 20 будет добавляться значение R_срi( τ*_i), а на выходе четвертого сумматора 20 будет среднее значение израсходованного ресурса изделием за время эксплуатации, начиная с момента пуска устройства R= R_cpi(τ^*_i) , где N - число обслуживания изделия за время эксплуатации. Как только значение R_э станет больше или равно R, т. е. весь запас ресурса R будет израсходован, на втором выходе устройства появится управляющий сигнал, свидетельствующий об окончании эксплуатации изделия и окончании работы устройства.

Положительный эффект состоит в том, что оно позволяет определять оптимальный период технического обслуживания изделия по критерию минимума удельного непроизводительного расхода ресурса, приходящегося на единицу времени полезного функционирования в условиях изменения надежностных характеристик изделия в процессе эксплуатации. Отклонение периода контроля от оптимального приводит к увеличению среднего удельного непроизводительного расхода ресурса изделия, что сокращает время полезного функционирования изделия и, следовательно, к уменьшению экономического дохода, получаемого от применения изделия по целевому назначению. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 968835, кл. G 07 С 3/08, 1981.

2. Авторское свидетельство СССР N 1309063, кл. G 07 C 3/08, 1985.

3. Авторское свидетельство СССР N 1688266, кл. G 07 C 3/08, 1989.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ПЕРИОДА ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ИЗДЕЛИЯ, содержащее первый датчик времени, первый блок умножения, первый сумматор, первый вход которого является первым входом устройства, а выход соединен с первым входом блока деления, второй вход которого подключен к выходу интегратора, а выход непосредственно и через первый элемент задержки к входам первого компаратора, первые входы первого, второго и третьего элементов памяти и ключа объединены, выход первого датчика времени подключен к входу второго элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом второго элемента памяти, выход которого подключен к второму входу ключа, выход которого является выходом устройства, выход третьего элемента задержки соединен с вторым входом третьего элемента памяти, выход второго блока умножения подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого и первый вход второго блока умножения являются соответственно вторым и третьим входами устройства, выход блока нелинейности подключен к первым входам интегратора и первого блока умножения, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, а второй вход первого блока умножения является четвертым входом устройства, выход первого датчика времени соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого подключен к выходу интегратора, а выход - к первому входу третьего блока умножения, выход которого соединен с третьим входом первого сумматора, а второй вход третьего блока умножения является пятым входом устройства, третий сумматор, третий элемент задержки и одновибратор, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения устройства за счет обеспечения минимума удельного непроизводительного расхода ресурса, в него введены первый и второй триггеры, второй и третий компараторы, четвертый блок умножения, четвертый элемент задержки, четвертый элемент памяти, второй датчик времени, четвертый и пятый сумматоры и элемент ИЛИ, выход первого сумматора подключен к первому входу пятого сумматора, выход которого соединен с входом четвертого элемента задержки, выход которого подключен к второму входу первого элемента памяти, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора, выход которого подключен к первому входу третьего компаратора, выход которого является вторым выходом устройства, а второй вход третьего компаратора является шестым входом устройства, выход первого компаратора соединен с первым входом второго триггера, выход которого подключен к входу одновибратора, выход которого соединен с вторым входом четвертого сумматора, к первому входу третьего элемента памяти, к первому входу первого триггера и к входу второго датчика времени, выход которого соединен с первым входом второго компаратора, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента памяти, а выход к первому входу элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом первого триггера, выход которого подключен к второму входу интегратора, второму входу второго триггера, входу первого датчика времени и к первым входам блока нелинейности и четвертого элемента памяти, выход которого соединен с вторым входом блока нелинейности, выход которого подключен к второму входу второго блока умножения, вторые входы четвертого элемента памяти и элемента ИЛИ являются соответственно седьмым и восьмым входами устройства, выход второго сумматора соединен с входом третьего элемента задержки, выход интегратора, соединен с первым входом четвертого блока умножения, выход которого подключен к второму входу пятого сумматора, второй вход четвертого блока умножения является девятым входом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1