Материал: Методы проверки надежности протоколов судовой СЭУ

Методы проверки надежности протоколов судовой СЭУ

Введение

датчик управляющий резервирование

Системы электроснабжения относятся к классу сложных технических систем и определяются множеством свойств, из которых к числу важнейших относится свойство надежности технической системы.

Надежная работа устройств системы электроснабжения является необходимым условием обеспечения качественной и устойчивой работы транспорта. Анализ и обеспечение работоспособного состояния систем электроснабжения на этапах проектирования и эксплуатации - сложная задача, для решения которой используется математический аппарат теории надежности.

Термины и определения, используемые в теории надежности, регламентированы ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Термины и определения».

Надежность - свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени и в заданных пределах значения всех эксплуатационных параметров.

Надежность объекта характеризуется следующими основными состояниями и событиями:

Ø Исправность - состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией.

Ø  Работоспособность - состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров, установленных НТД.

Ø  Предельное состояние - состояние объекта, при котором его применение (использование) по назначению недопустимо или нецелесообразно.

Ø  Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении его работоспособного состояния.

Ø  Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Ø  Критерий отказа - отличительный признак или совокупность признаков, согласно которым устанавливается факт возникновения отказа.

Для некоторых объектов предельное состояние является последним в его функционировании, т.е. объект снимается с эксплуатации, для других - определенной фазой в эксплуатационном графике, требующей проведения ремонтно-восстановительных работ. В связи с этим объекты могут быть разделены на два класса:

ü   невосстанавливаемые, для которых работоспособность в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению, или по каким-либо причинам нецелесообразна;

ü   восстанавливаемые, работоспособность которых может быть восстановлена, в том числе и путем замены элементов.

К числу невосстанавливаемых объектов можно отнести, например, электронные и электротехнические детали (диоды, сопротивления, конденсаторы, изоляторы и другие элементы конструкций). Объекты, состоящие из многих элементов, например, трансформатор, выключатель, электронная аппаратура, являются восстанавливаемыми, поскольку их отказы связаны с повреждениями одного или нескольких элементов, которые могут быть отремонтированы или заменены. В ряде случаев один и тот же объект в зависимости от особенностей, этапов эксплуатации или назначения может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым.

Введенная классификация играет важную роль при выборе моделей и методов анализа надежности.

Надежность является комплексным свойством, включающим в себя, в зависимости от назначения объекта или условий его эксплуатации, ряд

Составляющих (единичных) свойств, в соответствии с ГОСТ 27.002-89:

·              безотказность;

·              долговечность;

·              ремонтопригодность;

·              сохраняемость.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторой наработки или в течение некоторого времени.

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.

Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, поддержанию и восстановлению работоспособности путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

Сохраняемость - свойство объекта непрерывно сохранять требуемые эксплуатационные показатели в течение (и после) срока хранения и транспортирования.

В зависимости от объекта надежность может определяться всеми перечисленными свойствами или частью их.

Наработка - продолжительность или объем работы объекта, измеряемая в любых неубывающих величинах (единица времени, число циклов нагружения, километры пробега и т.п.).

Показатель надежности количественно характеризует, в какой степени данному объекту присущи определенные свойства, обусловливающие надежность.

Одним из основных показателей надежности является функция надежности

где T - наработка до отказа; t - заданная наработка. Таким образом, функция надежности есть вероятность безотказной работы (ВБР) объекта на интервале (0, t).

Функция ненадежности определяется как вероятность отказа (ВО) объекта на интервале (0, t)

При анализе системы, состоящей из однотипных элементов с большим сроком службы, в большинстве практических случаев полагают, что вероятность безотказной работы элементов одинакова для всех элементов и подчиняется экспоненциальному закону

где λ - интенсивность отказов (ИО) одного элемента: условная плотность вероятности возникновения отказа невосстанавливаемого объекта на бесконечно малом интервале времени при условии, что до этого момента отказ объекта не произошел. Напомним, что для экспоненциального закона ИО постоянна, что позволяет получить простые расчетные выражения.

При условии независимости отказов элементов, ВБР цепи из l последовательно соединенных элементов определится на основе теоремы умножения вероятностей

где  - интенсивность отказов цепи.

При параллельном соединении n элементов (блок «один вход - один выход») ВО блока определяется следующим выражением:

Методика расчетов надежности, применяемая для систем электроснабжения, основывается на общей теоретической базе. При этом учитываются существенные, с точки зрения анализа и расчета показателей надежности, структурные и функциональные особенности рассматриваемых систем.

1. Передачи информации датчиков и управляющей аппаратуры СЭУ. Протоколирование передачи данных СЭУ

В данной курсовой работе мы будем отталкиваться от использовании для судовой СЭУ протокола NMEA2000. Аббревиатура NMEA означает National Marine Electronics Association (Национальная ассоциация морской электроники), и это всего лишь наименование северо-американского объединения производителей и дистрибьюторов морской электроники.

Но вернёмся к определениям, которые будут использоваться в данной части:

Для успешной передачи информации мы должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ определения длины сообщений, договориться о методах контроля достоверности и т.п. Другими словами, соглашения должны быть приняты для всех уровней, начиная от самого низкого уровня передачи битов, до самого высокого уровня, детализирующего, как информация должна быть интерпретирована. Такие формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколами.

Иерархически организованная совокупность протоколов, решающих задачу взаимодействия узлов сети называется стеком коммуникационных протоколов.

Протоколы соседних уровней, находящихся в одном узле, взаимодействуют друг с другом также в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор услуг, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему.

Стандартизированный протокол передачи данных также позволяет разрабатывать интерфейсы (уже на физическом уровне), не привязанные к конкретной аппаратной платформе и производителю.

Вернёмся к нашему базисному протоколу, который в дальнейшем будет фигурировать как приоритетный.2000 (IEC 61162-3) является сетевым протоколом верхнего уровня, использующим стандарт передачи Controller Area Network (CAN). Этот протокол в отличие от использовавшегося ранее NMEA 0183 (IEC 61162-1) позволяет объединить множество приборов в одну сеть и передавать информацию одновременно. Этот стандарт работает сегодня в международной морской индустрии. NMEA 2000 - сложнее стандарта NMEA 0183, позволяет объединить множество элементов в одну сеть и передавать информацию одновременно. При подключении в сетевую систему многофункциональных дисплеев, пользователь может самостоятельно выбрать любую комбинацию получения данных, которые ему необходимы в конкретном случае и данной ситуации. NMEA 2000 сделал возможным развитие интегрированных навигационных систем и контрольных систем управления, которые теперь можно использовать на судах любого размера и стандарта.

У NMEA 2000 есть существенное преимущество перед предшественником - NMEA 0183: кабели передают поток данных, на который не влияют телеграфные ограничения и электромагнитные помехи. Устройства связаны через CAN-технологию (диспетчерскую сеть), благодаря которой NMEA 2000 не только может вести передачу данных на скорости большей, чем у NMEA 0183 (250 000 бит/секунду против 4 800 бит/сек), но и передает их в сжатом виде, что позволяет адаптировать передачу под работающий комплекс мульти-устройств. Наконец, как единый стандарт, NMEA 2000 позволяет владельцу судна коммутировать и интегрировать оборудование от различных производителей.:- это широко используемая кабельная технология для передачи большого количества электронной информации между приемниками-передатчиками в пределах одной LAN (локальной сети) и может комбинировать любые формы современных вычислительных технологий.

Способность системы передавать данные со скоростью 10 Mбит/сек и более (против 0.25 Mбит/сек в NMEA 2000) активно используется в морской электронике, которая способна обрабатывать большие объемы данных, (например - для радаров, для передачи электронных диаграмм и погодной информации и т.д.), и объединять системы, которые используют Ethernet и NMEA 2000. Однако для Ethernet не создано морских стандартов, поэтому часто оборудование различных производителей не в состоянии адаптироваться друг к другу. Кроме того, в отличие от NMEA 2000, это оборудование не умеет расставлять приоритеты при передаче данных и не дает ответов на вопросы, требующие первоочередного ответа.

2. СЭУ. Кратко о ней и о причинах столь высоких требований к надёжности её и всех связанных с ней элементов (в том числе и протоколов обмена информацией)

Эксплуатационная готовность судовой энергетической установки (СЭУ) имеет решающее значение для эффективного использования судна как транспортного средства. Проблема эффективного использования судна неразрывно связана с проблемой обеспечения его эксплуатационной надёжности, что указывает на очевидную экономическую направленность последней.

Эксплуатационная надёжность проявляется в частоте возникновения отказов, поэтому при эксплуатации необходимо знать, какой промежуток времени СЭУ проработает безотказно. Это позволит назначить величину времени безвахтенного (необслуживаемого) периода, которая будет определять штаты экипажа судна, степень автоматизации СЭУ, организационные формы работы экипажа и береговых служб.

Следует отметить, что одной и той же эксплуатационной готовности можно достичь при разной величине затрат, поэтому необходимо нормировать величину показателей надёжности(безотказности) и время безвахтенного периода.

Решение этой проблемы с помощью натурного эксперимента практически нереально. Остаётся единственно возможный на данном этапе путь решения проблемы - с помощью аналитических методов, т.е. методом моделирования процесса функционирования СЭУ. Результаты могут казаться приближёнными, однако можно будет сделать качественные и количественные оценки и выбрать правильный путь практического решения задачи. Решая задачу аналитически, можно исключить заведомо нереальные варианты и, таким образом, снизить степень экономического риска. Это станет возможным при достаточно достоверной модели процесса. Задачей моделирования является нахождение зависимостей: надёжность (безотказность) - продолжительность периода безвахтенной работы; эксплуатационная готовность судна - надёжность (безотказность) СЭУ.