Основы создания блок-схем

Лабораторная работа №2 по курсу "Анализ надежности и риска".

Цель работы

  • Приобрести первичные навыки для анализа надежности технических систем в SimInTech

Задачи работы

  • Изучить принцип работы модуля SARA
  • Разработать модель надежности простой технической системы
  • Исследовать надежность данной системы

Описание моделируемой системы

В данной лабораторной работе изучение модуля SARA базируется на основе моделирования простой технической системы, которая была рассмотрена в лабораторной работе №1. Структура нерезервированной одноканальной системы представлена на рисунке (Рисунок 1).


Рисунок 1. Структура технической системы.
Система содержит следующие компоненты:
  • TANK – бак, предназначенный для хранения рабочей среды, которая подается потребителю
  • CHECK – обратный клапан, через который жидкость из бака поступает на насос
  • PUMP – насос, обеспечивающий перекачку жидкости потребителю
  • VALVE1 – регулирующий клапан на линии рециркуляции. Данная линия используется для настройки режима работы насоса при пуске системы
  • VALVE2 – регулирующий клапан на линии подачи жидкости потребителю
  • ELEC – источник электроэнергии для насоса и регулирующих клапанов

Каждый из компонентов характеризуется показателями безотказности и ремонтопригодности. В качестве первого обычно используется интенсивность отказов, а в качестве второго – среднее время восстановления (ремонта). Показатели надежности компонентов системы приведены в таблице (Таблица 1).

Таблица 1. Показатели надежности компонентов системы.
Компонент канала Интенсивность отказов (час-1) Среднее время восстановления (час)
TANK 1E-6 30
CHECK 0.0001 15
VALVE1, VALVE2 0.0001 20
PUMP 0.0001 30
ELEC 0.001 30

В данной лабораторной требуется вычислить показатель надежности: коэффициент неготовности системы.

Выполнение лабораторной работы

В предыдущей лабораторной работе была разработана модель нерезервированной одноканальной системы на основе деревьев отказов и деревьев успехов. Данную модель возможно спроектировать также с помощью другого инструмента – блок-схемы.

Создание нового проекта

Для создания нового проекта в модуле SARA необходимо выполнить следующие действия:
  1. В главном окне SimInTech нажать кнопку Файл и выбрать пункт Новый проект
  2. В выпадающем меню выбрать пункт Модуль анализа надежности
  3. Откроется окно SARA – Новая модель, в котором будет проходить анализ надежности технической системы
Требуется сохранить созданный проект. Для этого:
  1. В главном окне модуля SARA нажать кнопку Сохранить как
  2. В появившемся окне выбрать или при необходимости создать папку, в которую будет сохранен данный проект
  3. В появившемся окне в поле Имя файла изменить имя проекта на "Лабораторная работа №2" и нажать на кнопку Сохранить

Создание блок-схемы

Модуль SARA позволяет создавать модель надежности с помощью различных инструментов, таких как блок-схемы, деревья отказов (ДО), деревья успехов (ДУ) и деревья событий (ДС). В предыдущей лабораторной работе были рассмотрены основы создания ДО и ДУ. Теперь будут рассмотрены основы создания блок-схем в соответствующей вкладке Блок-схемы.

Блок-схемы создаются на вкладке Блок-схемы, расположенной на панели вкладок с элементами модели. В верхней части окна отображается список всех доступных блок-схем, в нижней части находится редактор выбранной схемы. Окно проекта SARA с выделенной вкладкой Блок-схемы представлено на рисунке (Рисунок 2).


Рисунок 2. Окно проекта SARA с открытой и выделенной вкладкой "Блок-схемы".
Создать новою блок-схему, для этого необходимо нажать на панели редактора списка блок-схем кнопку Добавить блок-схему, которая выделена на рисунке (Рисунок 3).


Рисунок 3. Окно проекта SARA с выделенной кнопкой создания схемы.
После нажатия на кнопку создания схемы откроется окно Создание схемы (Рисунок 4), в котором требуется ввести идентификатор схемы. Ввести идентификатор "SYSTEM".


Рисунок 4. Окно "Создание схемы" с введенным идентификатором.
После нажатия на кнопку Ok в редакторе элемента модели - блок-схемы появится сетка (Рисунок 5).


Рисунок 5. Окно проекта SARA с пустой блок-схемой SYSTEM и выделенной кнопкой "Режим создания блоков".
Блок-схема, как правило, состоит из следующих элементов:
  • Блоков – объектов, обозначающих отказ или работоспособность компонента системы (например, насоса, клапана и других)
  • Узлов – блоков, которые изображаются в виде кружков и обеспечивают связь между блоками в более удобной для восприятия форме
  • Связей между блоками, которые обозначаются на схеме стрелками. Для удобства чтения схемы стрелкам присваивается определенный цвет
  • Базисных или постулируемых событий
  • Верхних гейтов деревьев отказов и успехов
Добавить блок в редакторе блок-схемы следующим образом:
  • Активировать режим создания блоков, нажав на кнопку Режим создания блоков, которая выделена на рисунке (Рисунок 5). Схема перейдет в режим добавления блоков, при котором при нажатии на свободный участок схемы будет добавляться новый блок с назначенным идентификатором
  • Установить блок, нажатием на свободное пространство схемы. В появившемся окне Выбор элемента установить идентификатор "CONSUMER"
  • Подтвердить создание нового элемента нажатием на кнопку Да
  • Выйти из режима добавления блоков, нажатием на кнопку Режим выделения. В редакторе блок-схемы отобразился блок с идентификатором "CONSUMER" (Рисунок 6)


Рисунок 6. Окно проекта SARA с установленным блоком "CONSUMER" и выделенной кнопкой "Режим выделения".

Модуль SARA позволяет добавлять один и тот же блок несколько раз – как на одну схему, так и на разные схемы. При этом каждый раз будет использоваться один и тот же блок, а связи с другими блоками будут "суммироваться".

Чтобы добавить базисные события с заранее выбранной картинкой, необходимо указать идентификатор картинки из библиотеки блоков в соответствующем поле, которое обозначено на рисунке (Рисунок 7).


Рисунок 7. Окно проекта SARA с введенным идентификатором картинки "TANK".
Добавить на схему блок "TANK" с заданной картинкой "TANK" (Рисунок 8) для этого необходимо:
  1. Ввести "TANK" в поле выбора картинки, которое выделено на рисунке (Рисунок 7)
  2. Активировать режим создания блоков, нажав на кнопку Режим создания блоков
  3. Указать место на блок-схеме, где будет размещен блок
  4. В открывшемся окне Выбор элемента ввести идентификатор "TANK"
  5. Подтвердить создание нового элемента нажатием на кнопку Да
  6. В редакторе блок-схемы отобразится размещенный блок
  7. Нажатием на кнопку Режим выделения, выйти из режима добавления новых блоков


Рисунок 8. Окно проекта SARA с размещенным базисным событием "TANK".
Расположение блока, а также их подписи на схеме возможно изменять с помощью мыши. Для этого необходимо выбрать блок или подпись блока, удерживая левую кнопку мыши, перетащить их в нужное место (Рисунок 9).


Рисунок 9. Окно проекта SARA с измененным положением блока "CONSUMER".
Добавить аналогично базисному событию "TANK" следующие базисные события с идентификаторами картинок из библиотеки блоков:
  • Базисное событие "CHECK" с идентификатором картинки "CHECKVALVE"
  • Базисное событие "PUMP" с идентификатором картинки "PUMP"
  • Базисное событие "VALVE1" с идентификатором картинки "VALVE"
  • Базисное событие "VALVE2" с идентификатором картинки "VALVE"
  • Базисное событие "ELEC" с идентификатором картинки "GENERATOR"
Разместить базисные события согласно рисунку (Рисунок 10).


Рисунок 10. Окно проекта SARA с добавленными блоками.
Далее необходимо внести изменения в схему, добавив несколько узлов. Данная операция выполняется аналогично добавлению блоков, однако с использованием режима создания узлов:
  1. Активировать режим создания узлов, нажатием на кнопку Режим создания узлов, после чего схема перейдет в режим добавления узлов, при котором при нажатии на свободный участок схемы будет добавляться узел с автоматически присвоенным идентификатором. При необходимости их возможно изменять
  2. Разместить на схеме два узла, как показано на рисунке (Рисунок 11)


    Рисунок 11. Окно проекта SARA с добавленными узлами на блок-схему и выделенной кнопкой добавления узлов.
  3. Выйти из режима добавления узлов

Последний этап создания схемы – соединение блоков и узлов связями.

Связи обозначают функциональные зависимости между блоками. Связи могут быть разных типов, но в данной лабораторной рассматриваются самые простые связи. Главная характеристика связи – это вид ресурса. Под ресурсами обычно обозначают среду (вода, пар, масло), информацию (управляющий сигнал от оператора или системы управления), источник энергии (механической, электрической) или другие функциональные связи (охлаждение от системы вентиляции). Предполагается, что блок функционирует, если он обеспечен необходимыми ресурсами от смежных блоков. Если один вид ресурса поставляется несколькими блоками, то считается, что имеет место резервирование.

Для добавления связи необходимо выполнить следующие действия:
  1. Активировать режим создания связей, нажав на кнопку Режим создания связей, которая обозначена на рисунке (Рисунок 12). Схема перейдет в режим добавления связей, при котором при нажатии на объекты схемы будет добавляться новая связь с назначенным идентификатором


    Рисунок 12. Окно проекта SARA с выделенной кнопкой "Режим создания связей".
  2. В поле "Ресурс", которое обозначено на рисунке (Рисунок 15), ввести название ресурса "WATER"
  3. В появившемся окне Выбор ресурса нажать на кнопку Да для подтверждения создания нового ресурса (Рисунок 13)


    Рисунок 13. Окно подтверждения создания нового ресурса.
  4. Слева от поля "Ресурс" обозначен текущий отображаемый цвет связи, для его изменения необходимо дважды нажать левой кнопкой мыши на черный квадрат с отображаемым цветом связи для вызова окна выбора цвета из палитры цветов. Установить цвет ресурса "WATER" согласно рисунку (Рисунок 14). Нажать на кнопку Ok для установки выбранного цвета


    Рисунок 14. Палитра цветов ресурса с выбранным цветом.
  5. Левой кнопкой мыши нажать на блок "TANK", на блок схеме появится стрелка, которая должна указывать на блок "CHECK". Для этого необходимо нажать на блок "CHECK", после чего установится связь между блоком "TANK" и "CHECK" (Рисунок 15)


    Рисунок 15. Окно проекта SARA с установленной связью между блоками "TANK" и "CHEK", с выделенной кнопкой "Режим добавления связей" и выделенным полем "Ресурсы".
  6. Выйти из режима добавления связей, нажатием на соответствующую кнопку выхода из режима добавления элементов

Далее требуется установить связи с ресурсом "WATER" для блоков "CHECK", "PUMP", "VALVE1", "CONSUMER" и двух узлов.

Далее необходимо создать ресурс "RECIRC" (в примере использован фиолетовый цвет, чтобы отличать его от синего цвета воды) и добавить связи от узла между "PUMP" и "VALVE2" до "VALVE1", а также связь от "VALVE1" до узла между "CHECK" и "PUMP". Для создания промежуточных точек при создании связи, как на рисунке (Рисунок 16), необходимо нажать левой кнопкой мыши в пустое место схемы, после чего стрелка станет прямоугольной. В дальнейшем эти промежуточные узлы связи возможно перемещать; также как и добавлять и удалять через контекстное меню связи.


Рисунок 16. Окно проекта SARA с установленными между блоками связями с ресурсом "RECIRC".
Добавить последний ресурс "POWER" (оранжевый цвет) и провести связи от "ELEC" до "PUMP", "VALVE1" и "VALVE2", как показано на рисунке (Рисунок 17).


Рисунок 17. Окно проекта SARA с установленными между блоками связями с ресурсом "POWER".
Для изменения расположения промежуточных точек связей необходимо подвести курсор мыши к точке линии связи, при этом курсор изменит свое отображение на "Переместить", а линия будет выделена пунктирной рамкой (Рисунок 18).


Рисунок 18. Окно проекта SARA с измененным отображением курсора.
Далее требуется, зажимая правую кнопку мыши, переместить курсор на 1 клетку выше для изменения расположения линии (Рисунок 19).


Рисунок 19. Окно проекта SARA с измененным положением промежуточной точки линии связи.
Также изменить расположение подписи блока "ELEC" согласно рисунку (Рисунок 20).


Рисунок 20. Окно проекта SARA с измененным расположением подписи блока "ELEC" и начальной точки линии связи.
Выделить блок "PUMP". В правой части окна отображаются основные свойства, параметры надежности и уравнения для выделенного блока (Рисунок 21). В разделе Уравнение отображается, что насос получает два ресурса: ресурс "WATER" от узла "@8" (идентификатор возможно будет отличаться в зависимости от порядка установки узла) и ресурс "POWER" от блока "ELEC" . В данной лабораторной работе нет необходимости менять автоматически заполненные значения.


Рисунок 21. Окно проекта SARA с выделенными свойствами блока "PUMP".
На этом процесс создания блок-схемы завершен. Полный перечень созданных элементов модели отображается во вкладке Элементы. Перейти на вкладку Элементы и в раскрывающемся списке, который выделен на рисунке (Рисунок 22) выбрать "Все элементы". В таблице отобразится перечень всех элементов системы.


Рисунок 22. Окно проекта SARA с открытой вкладкой "Элементы".
Перечень созданных ресурсов отображается на вкладке Ресурсы. Чтобы изменить цвет ресурса необходимо открыть вкладку Ресурсы. В этой вкладке цвет ресурса можно изменить двумя способами:
  1. С помощью кнопки палитры, которая выделена на рисунке (Рисунок 23)


    Рисунок 23. Окно проекта SARA с открытой вкладкой "Ресурсы" и выделенной кнопкой изменения цвета ресурса.
  2. Путем двойного нажатия левой кнопкой мыши по ячейке Цвет
Далее следует перейти на вкладку Блок-схемы. При необходимости ресурс уже созданной связи возможно поменять в свойствах связи. Для этого необходимо выделить нужную связь, в правой части окна появятся свойства связи, в разделе Основные свойства необходимо дважды нажать на поле "Значение" свойства "Ресурс", очистить содержимое, после чего отобразится перечень доступных ресурсов или возможно при необходимости создать новый ресурс указав новое имя (Рисунок 24).


Рисунок 24. Окно проекта SARA с выделенным свойством связи "Ресурс".

Задание параметров надежности элементов

Каждый блок, как и базисное событие характеризуется набором параметров надежности. В данной лабораторной работе рассматриваются параметры:
  • "Наработка на отказ"
  • "Время восстановления"
Эти параметры задаются вероятностными распределениями: первое – временем до отказа, второе – временем ремонта. Данные параметры отображаются в правой части окна проекта SARA, под разделом Основные свойства в разделе Надежность, при выборе блока. Процесс задания параметров надежности для блока аналогичен настройке базисных событий. Данный процесс был детально рассмотрен в лабораторной №1. Для каждого блока нужно заполнить соответствующие поля. В таблице (Таблица 2) представлены идентификаторы для распределений.
Таблица 2. Идентификатор распределений для базисных событий.
Компонент канала Наработка на отказ Время восстановления
TANK F_TANK R_TANK
CHECK F_CHECK R_CHECK
PUMP F_PUMP R_PUMP
VALVE1, VALVE2 F_VALVE R_VALVE
ELEC F_ELEC R_ELEC
Выделить блок "TANK" и в правой части окна в разделе Надежность установить в поле "Значение" следующие значения для свойств (Рисунок 25):
  • "Наработка на отказ" − "F_TANK"
  • "Время восстановления" − "R_TANK"


Рисунок 25. Окно проекта SARA с измененными свойствами блока TANK.
Аналогично заполнить для каждого указанного в таблице (Таблица 1) блока свойства "Наработка на отказ" и "Время восстановления". В итоге должно быть создано 10 распределений, по два на каждый тип компонента. Созданный перечень распределений отображается на панели вкладок на вкладке Распределения. На вкладке Распределения задаются параметры распределения (Рисунок 26).


Рисунок 26. Окно проекта SARA с открытой вкладкой "Распределения".
Каждое распределение характеризуется типом и параметрами. Для распределений "Наработки на отказ" (начинаются с "F_") оставить установленный по умолчанию тип "Экспоненциальное λ", а для "Время восстановления" (начинаются с "R_") необходимо установить тип "Экспоненциальное T". Установить для идентификаторов "R_TANK", "R_CHECK", "R_PUMP", "R_VALVE" и "R_ELEC", тип распределения "Экспоненциальное T". После выбора типов распределения окно проекта SARA будет иметь следующий вид (Рисунок 27).


Рисунок 27. Окно проекта SARA с измененным типом распределения для идентификаторов свойства "Время восстановления".
Далее следует задать значения параметров распределения. Каждое значение параметра в программе также является именованным объектом со своим идентификатором. В правой части окна проекта SARA в разделе Параметры распределения задаются идентификаторы параметров, и изменяются их значения. В таблице (Таблица 3) приведены рекомендуемые названия и значения параметров.
Таблица 3. Показатели надежности компонентов системы.
Идентификатор распределения Тип параметра Идентификатор параметра Значение
F_CHECK λ (час-1) F_CHECK 1E-4
R_CHECK T (час) R_CHECK 15
F_ELEC λ (час-1) F_ELEC 1E-3
R_ELEC T (час) R_ELEC 30
F_PUMP λ (час-1) F_PUMP 1E-4
R_PUMP T (час) R_PUMP 30
F_TANK λ (час-1) F_TANK 1E-6
R_TANK T (час) R_TANK 30
F_VALVE λ (час-1) F_VALVE 1E-4
R_VALVE T (час) R_VALVE 20
Для задания значений параметров распределения требуется выполнить следующие действия:
  1. Выбрать распределение "F_CHECK" одинарным нажатием по его идентификатору, описанию или типу распределения
  2. В таблице раздела Параметры распределения, расположенной в правой части окна проекта SARA, ввести в поле "Параметр" идентификатор "F_CHECK"
  3. Нажать клавишу "Enter" клавиатуры. Подтвердить создание нового параметра для выбранного распределения, нажав кнопку Да
  4. В открывшемся окне Создание нового параметра в основных свойствах для поля "Ед. изм" отобразится по умолчанию значение "0.0000E+00"
  5. В поле "Значение" ввести значение "1.0000E-04" из таблицы (Таблица 3) изменяемого параметра "F_CHECK" (Рисунок 28)


    Рисунок 28. Окно проекта SARA с выделенными параметрами распределения "F_CHECK".
  6. Нажать клавишу "Enter" клавиатуры
  7. Подтвердить создание и изменения нового параметра "F_CHECK", нажав кнопку Ok
Аналогичным образом задать значения параметров распределения "F_ELEC", "F_PUMP", "F_TANK", "F_VALVE", "R_CHECK", "R_ELEC", "R_PUMP", "R_TANK", "R_VALVE" согласно таблице (Таблица 3). После всех внесенных изменений в значения параметров распределения все добавленные параметры и их значения отобразятся на панели вкладок на вкладке Параметры главного окна (Рисунок 29).


Рисунок 29. Окно проекта SARA с открытой вкладкой "Параметры".
Блок "CONSUMER" не является настоящим техническим компонентом и призван изобразить потребителя среды на схеме. В связи с этим блок не имеет возможности отказать, поэтому для него нет необходимости задавать показатели надежности. Чтобы блок не проявлялся в результатах расчета, необходимо выделить блок "CONSUMER" и в правой части окна проекта SARA в поле "Значение" свойства "Может отказать" выбрать пункт "Нет", как показано на рисунке (Рисунок 30).


Рисунок 30. Окно проекта SARA с выделенным свойством "Может отказать" блока "CONSUMER".

Перед тем, как приступать к выполнению расчетов параметров надежности элементов, необходимо сохранить проект.

Выполнение расчетов

Процесс выполнения расчетов для схем такой же, как и для деревьев отказов или деревьев успехов. Этот процесс и виды расчетов были детально рассмотрены в лабораторной №1. Чтобы создать расчет, необходимо выполнить следующие действия:
  1. В редакторе блок-схемы выбрать элемент "CONSUMER" открыть его контекстное меню и выбрать пункт Расчёт (Рисунок 31)


    Рисунок 31. Окно проекта SARA с выделенным пунктом контекстного меню блока "CONSUMER".
  2. Автоматически откроется вкладка Расчеты на панели вкладок, а также откроется окно Создание расчета, поскольку не было произведено ни одного расчета этого элемента
  3. В окне Создание расчета ввести идентификатор "U", затем нажать кнопку Ok для создания нового расчета
  4. Далее откроется окно выбора типа расчета, в котором требуется выбрать "Расчет стационарного риска"
  5. В таблице расчетов отобразиться созданный расчет с идентификатором "U" для объекта "CONSUMER" с выбранным типом расчета "Расчет стационарного риска", а также в правой части окна проекта SARA отобразятся свойства расчета выбранного созданного расчета "U" (Рисунок 32)


    Рисунок 32. Окно проекта SARA с открытой вкладкой "Расчет" и открытыми свойствами созданного расчета "U".
Чтобы провести расчет, требуется нажать на кнопку Расчёт. Если в модели не было допущено ошибок, то будет запущен процесс расчета (Рисунок 33).


Рисунок 33. Окно "SARA math".
После завершения необходимо нажать кнопку Закрыть, после чего откроется окно с результатами. Полученные результаты совпадают с результатами, полученными в лабораторной работе №1 (Рисунок 34).


Рисунок 34. Окно "Результаты расчета" с результирующей таблицей.

Заключение

В данной лабораторной работе была разработана модель и проведен расчет надежности простой системы с помощью инструмента блок-схем.