Обеспечение запасными частями

Одним из компонентов внешней среды АСУ ТП и АТК, существенно влияющим на надежность, являются запасные части. Их наличие непосредственно влияет на ремонтопригодность: основной показатель — среднее время восстановления— существенно зависит от номенклатуры и количества запасных частей, их месторасположения и т. д. Поскольку в резервированных системах время восстановления существенно влияет на безотказность, то очевидно влияние на безотказность и количества запасных частей [7].

В последние годы получил широкое распространение термин «комплект ЗИП», расшифровываемый согласно ГОСТ 18322—78 «Система технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения» как запасные части, инструменты, принадлежности и материалы, необходимые для технического обслуживания и ремонта и скомплектованные в зависимости от назначения и особенностей использования. Запасные части входят в комплект ЗИП, и обеспечение запасными частями является основным содержанием задачи обеспечения ЗИП, так как обеспечение остальными составляющими ЗИП обычно вызывает существенно меньше трудностей.

Запасные части можно классифицировать следующим образом:

1 В зависимости от заменяемого изделия в соответствии с иерархией технических средств и их элементов в АСУ ТП (см., например, рисунок 1.1) можно различать запасные устройства (например, регулирующие приборы, оперативные запомина­ющие устройства), запасные блоки (блоки памяти, усилители), запасные ячейки (субблоки, кассеты, платы) и элементы (ин­тегральные схемы, резисторы).

В современных радиоэлектронных устройствах в микросхемном исполнении часто вводится понятие «типовой элемент замены» (ТЭЗ) различных уровней сложности (ТЭЗ1 — самый мелкий; ТЭЗ2 — более крупный, состоящий из ТЭЗ1; ТЭЗ3 — еще более крупный, состоящий из ТЭЗ2). При разработке ТЭЗ стремятся обеспечить максимальную степень унификации с тем, чтобы одинаковые ТЭЗ могли быть использованы для различных устройств.

2 Все указанные выше запасные части можно разделить на восстанавливаемые и невосстанавливаемые. Невосстанавливаемыми являются те, которые в силу своих конструктивных особенностей не могут быть использованы после отказа (например, интегральные схемы, конденсаторы, мембраны датчиков). Кроме того, к невосстанавливаемым относят изделия, которые в принципе могут быть восстановлены, но это экономически невыгодно. Из типовых элементов замены к невосстанавливаемым обычно относят ТЭЗ1. К восстанавливаемым запасным частям принадлежат, как правило, устройства, а также некоторые блоки; из типо­вых элементов замены подлежат восстановлению ТЭЗ2 (с по­мощью ТЭЗ1) и ТЭЗ3 (с помощью ТЭЗ1 и ТЭЗ2).

3 В зависимости от числа изделий, охватываемых запасом, комплекты ЗИП разделены на одиночные (индивидуальные) и групповые. Одиночный комплект (ЗИП-О) предназначен для обеспечения эксплуатации одного изделия (рисунок 5.2,а), групповой (ЗИП-Г) — для двух и более изделий (рисунок 5.2,б, где на k эксплуатируемых однотипных изделий приходится m запас­ных).

4 Различается ЗИП постоянного и переменного состава. Комплект ЗИП постоянного состава может поставляться эксплуатационникам вместе с устройством и для каждого типа устройств имеет фиксированный состав по номенклатуре и числу запасных элементов. Чаще всего этот ЗИП является одиночным, но может быть и групповым (при поставке группы однотипных устройств на одно предприятие). Состав этого ЗИП обычно определяет разработчик устройств.

а) б)

Рисунок 5.2 – Схемы одиночного (а) и группового (б) запаса

Комплект ЗИП переменного состава заказывается с той или иной периодичностью в зависимости от расхода ЗИП постоянного состава или иных обстоятельств. Величина заказа может отличаться от одного заказа к другому. Этот ЗИП чаще бывает групповым (заказ производится для всех однотипных устройств, имеющихся на эксплуатационном предприятии). Его состав определяется в процессе эксплуатации систем.

Рассмотрим связь между применением комплекта ЗИП и ре­зервированием.

Комплект ЗИП считается одним из способов структурного ре­зервирования. Особенность ЗИП по сравнению с рассмотренными выше методами резервирования заключается в том, что резервные изделия составляют с основными единую систему (или конструкцию), они «встроены» в систему, обозначаются на ее схеме, спецификации. Комплект ЗИП не составляет с основными изделиями единой конструкции, он не «встроен» в систему, не обозначается на схеме и приведен в отдельной спецификации. Комплект ЗИП влияет и на временное резервирование — наличие ЗИП в полном объеме (не только запасных частей, но и материалов, инструментов, принадлежностей), позволяя уменьшить время восстановления, способствует повышению безотказности.

ЗИП рассматривается как резервирование замещением (так как ЗИП не работает совместно с рабочим изделием).

ЗИП, как правило, считается ненагруженным резервом.

ЗИП считается скользящим резервом (если в изделии несколько однотипных элементов, тогда запасная часть может заменять любое из них).

ЗИП соответствует как резервированию без восстановления, так и с восстановлением.

ЗИП может быть и общим, и поэлементным резервом для технических средств и только поэлементным резервом для систем, так как запас систем в целом не применяется.

Организация пополнения запаса. В зависимости от того, относятся ли запасные части к невосстанавливаемым или восстанавливаемым, применяют различные способы пополнения запаса.

При поставке технических средств заводом-изготовителем на предприятие, эксплуатирующее АСУ ТП, каждое из этих технических средств обычно комплектуют одиночным ЗИП-О, а при групповой поставке — иногда и групповым ЗИП-Г. Для невосстанавливаемых запасных частей необходимо их попол­нение, так как отказавшие изделия далее не используются. Одна из возможных схем пополнения запаса показана на рисунке 5.3, а. Пополнение запаса на складе эксплуатационного предприятия осуществляется периодически (обычно 1 раз в год). В некоторый неслучайный момент времени t₁ (рисунок 5.3,б) со­ставляется заявка на следующий плановый период (обычно один год), начинающийся в момент t₂ и заканчивающийся в момент t₅ (1-й период). Обозначим m₁ наличное число запаса определенного типа в момент t₁, т₃₁ — число заказываемых в момент t₁ изделий. Заказанные изделия поступают один раз за период в количестве т₃₁ в некоторый момент t₃. За отрезок времени (t₁,t₃) запас убывает случайным образом. Запас расходуется на восстановление после отказов и на проведение технического обслуживания (профилактических и капитальных ремонтов). К моменту t₃ запас т₃ может быть не только положительный, но и отрицательный, соответствуя дефициту запаса (при простое каких-либо изделий из-за отсутствия запаса остальные могут продолжать работать).

В момент t₃ запас пополняется, а затем вновь убывает по случайному закону. В момент t₄ составляется заявка на новый период планирования, который начинается в t₅ и заканчивается в t₇ (2-й период). Запас т_з2 по этой заявке поступает в мо­мент t₆ и т. д.

Величина т_з1 должна быть достаточной для эксплуатации изделий на отрезке времени (t₃, t₆) и определяется как раз­ность m₃₁ = m— т₁, где т — требуемый уровень, до которо­го происходит пополнение за­паса.

Рассмотренная стратегия пополнения запаса является не единственно возможной: кроме планируемого пополнения возможно и внеплановое с экстренными доставками запаса с централизованного склада отрасли или с завода-изготовителя. Затраты на экстренную доставку существенно больше, чем на плановую.

Восстанавливаемые изделия в случае отказа либо ремонтируются на месте, либо поступают на ремонт в мастерские цеха автоматики или в специализированное сервисное предприятие. После ремонта изделие возвращается в запас. Запас должен рассчитываться с учетом времени нахождения изделия на ремонте: если бы ремонт продолжался бесконечно малое время, то никакого запаса не нужно было бы иметь. Приближенно можно принять, что запас для восстанавливаемых изделий может быть создан один раз на время, соответствующее сроку службы технических средств, и в течение этого срока службы запас не пополняется.

а)

а – схема пополнения, б – график поступления и расхода запаса при случайном запаздывании моментов поступления заказа, в – график поступления и расхода запаса при отсутствии запаздывания момента поступления заказа

Рисунок 5.3 – Запас с периодическим пополнением

Показатели достаточности запаса. Если наступил отказ системы, потребовавший для восстановления некоторой запасной части, а этой части нет в наличии, то такая ситуация приводит к значительному ущербу (например, из-за простоя системы до момента доставки нужной запасной части). С другой стороны, излишнее количество ЗИП приводит к неоправданному замораживанию материальных ценностей, что также экономически не оправдано. Задача расчета ЗИП и заключается в выборе оптимальной (или рациональной) номенклатуры и числа запасных частей так, чтобы были невелики и убытки от простоев, и замораживание ценностей, вложенных в ЗИП. Вследствие этого число запасных частей в принципе правильнее всего определять из экономических критериев. Однако отсутствие сведений о стоимости простоя изделия из-за отсутствия запасной части вынуждает в большинстве случаев использовать вероятностные критерии.

Так как число запасных изделий ограничено, то ясно, что запас может обеспечить эксплуатацию только с определенной вероятностью, называемой вероятностью достаточности. Вероятность достаточности Q_Д(t) – вероятность того, что изделие не будет простаивать из-за отсутствия запаса, – может быть показателем, описывающим запас как восстанавливаемых, так и невосстанавливаемых изделий. Следует учесть, что Q_Д(t) задается на определенное фиксированное время t. Это время для запаса с периодическим пополнением целесообразно принимать равным периоду пополнения, например одному году. В случае одиночного запаса рассматривается вероятность достаточности для одного изделия, в случае группового запаса – вероятность того, что соответствующая группа изделий обеспечена запасом.

Для запаса восстанавливаемых изделий возможен и иной критерий: коэффициент обеспеченности запасом k₃ – вероятность того, что в любой произвольно выбранный момент вре­мени изделие не будет простаивать из-за отсутствия запасных частей. Коэффициент обеспеченности запасом аналогичен коэффициенту готовности.

Далее рассмотрим несколько вариантов расчетов числа за­пасных частей.

Расчет числа невосстанавливаемых запасных частей с пе­риодическим пополнением по вероятности достаточности. Рассмотрим задачу определения числа невосстанавливаемых запасных частей при схеме пополнения запасом, несколько упрощенной по сравнению с рисунком 5.3,а — имеется только одно место хранения запасных частей – склад на эксплуатационном предприятии (т. е. задача распределения запасных частей между рабочими местами внутри предприятия не рассматривается). Предположим, что запас пополняют через постоянное время t=t₅-t₂=t₇-t₅= …, причем задержки между моментами составления заявок и поступления заказа отсутствуют. Зафиксируем некоторый вид невосстанавливаемых изделий и по аналогии с рисунком 5.2 примем, что число этих изделий равно k. Обозначим m=m₁+m_з1. Расчет запаса сводится копределению такого минимального значения m, при котором имеет место неравенство [7]

(5.4)

где η(t) – число требований на замену на интервале (t₂, t₅) длиной t.

Примем следующие допущения: запасные части при хранении не отказывают; поток отказов, потребовавших запасных частей для восстановления, стационарный; запасные изделия после замены имеют ту же надежность, что и основные.

Рассмотрим сначала соотношения, применяемые в том случае, когда запасные части расходуются только на восстановление после отказов. При произвольном стационарном потоке отказов неравенство (5.4) можно переписать в виде

(5.5)

где p(j, t) —вероятность отказа j изделий за время t.

Данная ситуация соответствует резервированию без восста­новления ненагруженным резервом с дробной кратностью.

В простейшем потоке

(5.6)

где ω — параметр потока отказов одного изделия. С учетом (5.6) неравенство (5.5) приобретает вид

(5.7)