Kształtowanie układów technicznych w aspekcie zapewnienia ich niezawodnego i bezpiecznego funkcjonowania 5

Transkrypt

1 Stanisław Młynarski 1 Politechnika Krakowska Robert Pilch 2 AGH w Krakowie Maksymilian Smolnik 3 AGH w Krakowie Jan Szybka 4 AGH w Krakowie Kształtowanie układów technicznych w aspekcie zapewnienia ich niezawodnego i bezpiecznego funkcjonowania 5 Wstęp Bezpieczeństwo eksploatacji obiektów i złożonych układów technicznych jest zadaniem priorytetowym dla konstruktorów i użytkowników tych systemów. Bezpieczeństwo bezpośrednio skorelowane jest z niezawodnością, którą w sposób ogólny możemy traktować jako miarę zaufania eksploatatora do obiektów technicznych, że spełnią jego oczekiwania w procesie realizacji wyznaczonych zadań, do których zostały przeznaczone. Użytkownik oczekuje, że będą poprawnie funkcjonowały w określonych warunkach oraz w określonym czasie i stąd wynika definicja niezawodności sformułowana w normach, traktowana jako ocena możliwości pracy obiektów technicznych. Niezawodność charakteryzuje możliwości poprawnej pracy obiektów technicznych i do jej oceny stosuje się wiele wskaźników oraz charakterystyk, z których wybrane przedstawiono w artykule. Pod pojęciem obiektu technicznego w niniejszym opracowaniu rozumie się każdą maszynę czy urządzenie techniczne, wytworzone przez człowieka, a także złożone układy i systemy, w których pracują. W literaturze [9] zdefiniowana jest również niezawodność bezpieczeństwa, która traktowana jest jako właściwość polegająca na niezaistnieniu uszkodzeń stwarzających naruszenie bezpieczeństwa, w wyniku których może nastąpić zagrożenie dla zdrowia, życia lub ekologii. Bezpieczeństwo najczęściej szacowane jest jako iloczyn prawdopodobieństwa wystąpienia zdarzeń stanowiących zagrożenie i konsekwencji ekonomicznych zajścia tych zdarzeń. O ile w niezawodności określa się prawdopodobieństwa poprawnej pracy obiektów to w bezpieczeństwie liczą się tylko te sytuacje, w których przerwanie pracy niesie za sobą groźne następstwa dla życia i zdrowia ludzi lub niepożądane ekologiczne skutki. W artykule przedstawiono najważniejsze elementy, które powinny być uwzględnione w procesie projektowania i eksploatacji obiektów technicznych w celu zapewnienia ich bezpiecznego i niezawodnego funkcjonowania S. Młynarski, adiunkt, Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Szynowych. R. Pilch, adiunkt, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn. M. Smolnik, asystent, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn. J. Szybka, profesor, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn. Artykuł recenzowany. 1210

2 Kształtowanie niezawodności i trwałości obiektów oraz układów technicznych w procesie ich projektowania Wymagania stawiane obiektom technicznym w zakresie ich niezawodności i trwałości związane są z pełnionymi przez te obiekty funkcjami. Żądana niezawodność obiektu technicznego wynika ze skutków jego ewentualnej awarii, a jego oczekiwana trwałość warunkuje przebieg procesu eksploatacji. Obiekt projektowany jest na określone warunki eksploatacji [2]. W określonym czasie użytkowania powinien on spełniać wymagania eksploatacyjne, spośród których niezawodność, trwałość i bezpieczeństwo stanowią jedne z najważniejszych kryteriów jego oceny. W procesie eksploatacji obiekt techniczny podlega rzeczywistym wymuszeniom związanym z warunkami pracy i sposobem jego użytkowania i obsługiwania. Jeżeli oddziaływania te istotnie odbiegają od założeń przyjętych przez projektanta maszyny lub urządzenia, niezawodność i trwałość mogą ulec zmianie względem założeń przyjętych przez producenta obiektu. Rolą eksploatatora obiektu technicznego jest dostarczenie projektantowi informacji na temat warunków, w których wykorzystywany ma być obiekt, a obowiązkiem projektanta pozostaje opracowanie istotnych zaleceń dotyczących użytkowania i obsługiwania projektowanego obiektu (co dokonywane powinno być m.in. za pośrednictwem dokumentacji techniczno-ruchowej). W ten sposób projektant maszyny powinien zadbać o jej bezpieczną i efektywną pracę, która rozpocznie się po jej dostarczeniu do docelowego systemu eksploatacji. Wobec tego, projektant obiektu technicznego praktycznie kształtuje jego niezawodność i trwałość, wybierając rozwiązania konstrukcyjne i systemowe obiektu [2], opracowując wytyczne mające wpływ na technologię jego wytwarzania oraz formułując zalecenia odnośnie do procesu jego eksploatacji. Poniżej, na rysunku 1, przedstawiono procedurę projektowania z wyróżnieniem tych elementów działań konstrukcyjnych, które są istotne ze względów niezawodnościowych. Na decyzje projektanta powinny mieć wpływ: cel budowy obiektu technicznego wynikający z potrzeby jego wykorzystania, założenia i wytyczne dotyczące sposobu i warunków eksploatacji maszyny, zasób wiedzy wynikający z doświadczeń i informacji uzyskanych podczas projektowania, wytwarzania, eksploatacji i likwidacji podobnych obiektów, informacje o możliwościach technologicznych w procesie wytwarzania obiektu, dążenie do racjonalnego wykorzystania zasobów i minimalizacji szkodliwego wpływu budowy obiektu i jego eksploatacji na człowieka i środowisko naturalne, przy zapewnieniu wymaganego poziomu bezpieczeństwa jego użytkowania. Uwzględnienie w procesie projektowym wymagań dotyczących niezawodności i trwałości obiektu technicznego (przy zachowaniu postulatów przedstawionych w poprzednim akapicie) wydaje się możliwe, jeżeli proces ten prowadzony jest według schematu pokazanego powyżej, na rysunku 1. Na rysunku tym, linią kreskową wyróżniono obszar działań, w którym zachodzi proces projektowania. Proces ten realizowany jest, między innymi, w oparciu o informacje związane z identyfikacją potrzeby, która warunkuje podjęcie całości działań projektowych, a także informacje dotyczące sposobu realizacji szczegółowych prac projektowych (pochodzące z odpowiednich baz wiedzy, por. [5]). 1211

3 Rys. 1. Działania projektanta związane z kształtowaniem niezawodności i trwałości obiektu technicznego na tle procesu projektowego (por. [7]) Źródło: opracowanie własne. 1212

4 Podczas projektowania istotna jest weryfikacja dotychczasowych decyzji, która może doprowadzić do konieczności ponownego rozpatrzenia pewnych kwestii, po wcześniejszej zmianie wybranych założeń. Przedstawiono to na rysunku 1 za pomocą pętli prowadzących od poszczególnych etapów projektowania do działań związanych z formułowaniem założeń. Konieczna jest również ocena procesów budowy i eksploatacji obiektu technicznego pod względem skutków ich przebiegu dla człowieka i środowiska. Wynik tej oceny powinien doprowadzić do wyboru (na etapie projektowania obiektu) najbardziej racjonalnych rozwiązań. Niezawodność i bezpieczeństwo w eksploatacji obiektów technicznych W teorii niezawodności przeprowadza się analizę uszkodzeń systemów, podsystemów i ich elementów, natomiast ze względów bezpieczeństwa interesujące są badania tych uszkodzeń i niezdatności, które stanowią zagrożenie bezpieczeństwa w wykonywaniu zadań przez system. Występujące uszkodzenia zazwyczaj są skutkiem wzajemnego oddziaływania takich czynników jak występujące zakłócenia w systemach sterujących i wykonawczych, negatywnych oddziaływań z otoczenia systemu oraz błędów człowieka [8]. W teorii bezpieczeństwa istotne są skutki uszkodzeń i błędów popełnianych przez operatorów. Ocena bezpieczeństwa jest możliwa wtedy, kiedy będą sprecyzowane kryteria i wskaźniki ilościowej oceny na poszczególnych etapach: projektowania, wytwarzania i eksploatacji, ale zazwyczaj przeprowadzana jest na podstawie analizy wskaźników niezawodnościowych. Dane ilościowe dla potrzeb wyznaczenia tych wskaźników niezawodności przydatnych do oszacowania bezpieczeństwa sytemu, zbierane są w trakcie eksploatacji obiektu. Przeprowadzane są również badania laboratoryjne lub pół eksploatacyjne, a dane uzyskiwane w trakcie nich, wykorzystywane są do wyliczania wskaźników charakteryzujących rodzaj i poziom bezpieczeństwa obiektu technicznego [8]. Jednym z najważniejszych i najczęściej stosowanych w projektowaniu maszyn wskaźników bezpieczeństwa jest tzw. współczynnik bezpieczeństwa x, który jest ilorazem wartości uogólnionego obciążenia obiektu O n do uogólnionej wytrzymałości obiektu W n i przedstawia się następująco [11]:. (1) Zależność ta uwzględnia fakt, że projektant nie dysponuje wszystkimi informacjami dotyczącymi właściwości obiektu, obciążeń i zjawisk, jakie występują w procesie eksploatacji. Wynika z niego niezawodność obiektu R n, wyrażająca, że obiekt jest zdatny wtedy, gdy uogólniona wytrzymałość W n jest większa lub co najmniej równa uogólnionemu obciążeniu O n :. (2) Współczynnik bezpieczeństwa x może być wyrażony w funkcji tych parametrów i w związku z tym można wyznaczyć relację między niezawodnością, a współczynnikiem bezpieczeństwa. Sformułowano w [8] definicję bezpieczeństwa, że: bezpieczeństwo obiektu lub systemu technicznego jest to możliwość jego funkcjonowania bez występowania stanów niezdatności zagrażających otoczeniu. Bezpieczeństwo ma charakter probabilistyczny. Czynniki wymuszające działające na obiekt oraz związane z nimi stany obiektu zależne są od czasu, więc miarę bezpieczeństwa w funkcji czasu zapisać można w postaci: (3) 1213

5 X zdarzenie niezaistnienia niebezpiecznego uszkodzenia, B x miara bezpieczeństwa. Jeżeli zostanie przyjęty poziom bezpieczeństwa określający dopuszczalną liczbę uszkodzeń niebezpiecznych Y (zagrożenie) to może być ono zapisane w następujący sposób [12]: (4) Y xi (t) zdarzenie niebezpiecznego uszkodzenia obiektu, N liczności uszkodzeń. Miarą bezpieczeństwa może być prawdopodobieństwo nie wystąpienia uszkodzenia:. (5) Do oceny bezpieczeństwa mogą być wykorzystywane inne wskaźniki bezpieczeństwa, do których należą zawodność bezpieczeństwa- Q B (t), niezawodność bezpieczeństwa- R B (t) czy też intensywność uszkodzeń λ B (t) [6]:, (6) Funkcja wiodąca rozkładu bezpieczeństwa określana jest wzorem:. (7). (8) Dane wejściowe do wyliczenia wskaźników niezawodności, które następnie wykorzystywane są do oszacowania ryzyka uszkodzenia, sprowadzają się do techniczno-konstrukcyjnych wartości parametrów elementów konstrukcji układów technicznych. Obliczenia powinny być prowadzone z wykorzystaniem wiedzy o konstrukcji, zastosowanych materiałach oraz obciążeń wynikających z warunków pracy analizowanych układów. Istotna jest identyfikacja i oszacowanie parametrów, które wpływają na utratę zdatności elementów. Zmiana parametrów wejściowych następuje w wyniku postępowania procesu zużycia w czasie i zdeterminowana jest środowiskiem pracy układu. Jeżeli do oceny poprawnej pracy układu występuje kilka parametrów, które są niezbędne i niezależne oraz ustalone zostały ich wartości graniczne, to do wyznaczenia niezawodności stosowany jest iloczyn prawdopodobieństw osiągnięcia wartości dopuszczalnych. Układy techniczne w których wymagane jest małe ryzyko uszkodzenia charakteryzują się tak zwanym zapasam niezawodności każdego z parametrów istotnych dla wykonania zadania. Podczas eksploatacji występuje funkcjonalna zależność parametrów elementów układu. Wielkość niezbędnego nadmiaru niezawodności stanowi również funkcyjną zależność między stanem technicznym poszczególnych elementów i parametrami wyjściowymi całego układu technicznego:. (9) Wybór wskaźników niezawodności dla całego układu związany jest z wymaganiami użytkownika lub jest określony przez projektanta. Wymagania dotyczące niezawodnych układów technicznych jak np. 1214

6 układy sterowania, dla których żądana jest bardzo wysoka niezawodność, gdzie P P (t) 1, powinny uwzględniać nadmiarowość niezawodności. Oczywistym jest że prawdopodobieństwo poprawnej pracy P P i trwałość T są wzajemnie zależne. Wartość T B powinna być zgodna z osiągnięciem przez układ granicznej akceptowanej wartości P P =P gr. Im wyższe są wymagania dla układu tym większą dopuszczalną wartość ma P p (t). Normowanie P P przeprowadzane jest dla założonego czasu bezpiecznej pracy układu T B i wprowadzenia klas niezawodności wg [10] podanych w tabeli nr 1. Tab. 1. Klasy niezawodności układów technicznych Klasa niezawodności Dopuszczalna wartość P P (t) Źródło: [10] Klasa 0 grupuje mało odpowiedzialne elementy i układy techniczne, których uszkodzenie nie powoduje następstw. W klasie 5 zgrupowane są elementy i układy techniczne, których uszkodzenie w określonych warunkach pracy i zadeklarowanym czasie jest praktycznie niedopuszczalne. Zapewnienie akceptowalnego ryzyka i poziomu bezpieczeństwa eksploatacji układów technicznych Bezpieczeństwo eksploatacji układów technicznych w znacznej mierze zależy od niezawodności ich elementów. Projektanci dążą więc do zapewnienia możliwie wysokiej niezawodności, którą będą się charakteryzowały elementy w przewidywanym przedziale czasu. Wymagania w zakresie niezawodności funkcjonowania stawiane współczesnym urządzeniom i instalacjom przemysłowym są bardzo wysokie i sprostanie im wymaga często projektowania układów o strukturach nadmiarowych. W wielu przypadkach, gdy awaria układu stanowi zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi lub środowiska, ważniejsze od zapewnienia ciągłości funkcjonowania układu jest uniknięcie zdarzenia powodującego zagrożenie. W związku z tym, w celu zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa eksploatacji, do układów przemysłowych wprowadza się tzw. układy związane z bezpieczeństwem. Ich zadaniem jest odpowiednio wcześnie doprowadzić do wyłączenia układu lub innej zaprogramowanej akcji pozwalającej na uniknięcie zdarzenia niebezpiecznego. Znajduje to zastosowanie w przemyśle: wydobycia, przeróbki, magazynowania oraz przesyłu ropy i gazu; chemicznym; spożywczym; papierniczym; jak również związanym z wytwarzaniem i przesyłem energii elektrycznej i innych. Zapewnienie wymaganego poziomu bezpieczeństwa (ograniczenie ryzyka do poziomu akceptowalnego) będzie zależało od niezawodności zastosowanych układów związanych z bezpieczeństwem. Sposób obniżenia ryzyka w układach przemysłowych przedstawiono poglądowo na rysunku 2 [1]. 1215

7 Rys. 2. Obniżenie ryzyka przez układ związany z bezpieczeństwem Źródło: [1]. Stosowanie układów zmniejszenia ryzyka ma miejsce w sytuacji kiedy występuje potrzeba obniżenia ryzyka bezpieczeństwa (R ZB ) do poziomu akceptowalnego (R ZA ). Układ zastosowany do zmniejszenia ryzyka może mieć średnią wartość prawdopodobieństwa jego uszkodzenia na poziomie nie większym niż PFD. Wartość ta wynika z zależności:. (10) Ze względu na wagę zagadnienia zapewniania wymaganego poziomu bezpieczeństwa eksploatacji opracowane zostały międzynarodowe normy w zakresie oceny niezawodności i możliwego stopnia obniżenia ryzyka przez układy związane z bezpieczeństwem norma IEC i normy związane. Przyjmuje się cztery tzw. poziomy nienaruszalności bezpieczeństwa (Safety Integrity Level SIL). Określają one zakresy dopuszczalnych średnich prawdopodobieństw uszkodzenia układu związanego z bezpieczeństwem (PFD, PFH) warunkujące uzyskanie określonego stopnia obniżenia ryzyka wynikającego z eksploatacji układu [1,3]. Układ związany z bezpieczeństwem składa się zazwyczaj z szeregowo połączonych podukładów: czujnikowego, logicznego i wykonawczego (rysunek 3), z których każdy posiada określoną strukturę niezawodnościową. Są to struktury typu kzn, których odpowiedni dobór gwarantuje uzyskanie wymaganego poziomu niezawodności i redukcji ryzyka. Podukład czujnikowy Podukład logiczny (L) Podukład wykonawczy Rys. 3. Typowa struktura układu związanego z bezpieczeństwem Źródło: opracowanie własne. Układy te funkcjonują z samo diagnostyką, a ich elementy są odnawialne. Stąd też przyjęto specyficzną metodykę obliczeń niezawodności i poziomów nienaruszalności bezpieczeństwa SIL zapewnianego przez dany układ. Testy diagnostyczne wykonywane są w czasie pracy układu (w odstępie czasu T 2 ) i pozwalają na szybkie wykrycie i usuwanie powstałych uszkodzeń elementów, ale mogą wykrywać tylko część z nich. Charakteryzowane jest to przez pokrycie diagnostyczne DC. Uszkodzenia niewykryte testem diagnostycznym usuwane są po przeprowadzeniu testu okresowego (w odstępie czasu T 1 ) gwarantującego wykrycie i usunięcie wszystkich uszkodzeń, ale związanego zazwyczaj z wymaganą przerwą w funkcjonowaniu układu. 1216

8 Przyjęta metodyka obliczeniowa zawiera szereg założeń i uproszczeń, przyjmowanych jednak zawsze w sposób zapewniający wyższe bezpieczeństwo układu, co jest słusznym podejściem z punktu widzenia bezpieczeństwa eksploatacji. Stosowanie innych, bardziej dokładnych, metod obliczeniowych jest możliwe, jednak może skutkować otrzymaniem różniących się znacznie wyników i wskazywać na inne zakresy poziomów SIL zapewnianych przez dany układ [4,13]. Stąd też w procesie kontroli i certyfikacji układów w przemyśle najczęściej wymagane jest odnoszenie się do metodyki obliczeniowej zgodnej z zaleceniami normy IEC Występujące w przemyśle układy są jednak często bardziej złożone niż te prezentowane w normie. Może to powodować trudności w poprawnym wyznaczeniu dla nich poziomów SIL i wskazuje na potrzebę opracowania uogólnionych zależności do obliczeń dla dowolnych układów kzn. Wnioski Przedstawiona w artykule analiza wskazuje na wyraźny związek niezawodności i bezpieczeństwa eksploatacji obiektów technicznych. Istotną rolę w projektowaniu obiektów i układów technicznych, spełniających wymagania w zakresie minimalizacji zagrożeń wynikających z ich użytkowania, odgrywają dobrze zorganizowane bazy wiedzy w systemach eksploatacji. Konieczna jest wymiana wiedzy i doświadczeń między poziomami projektowania, wytwarzania i eksploatacji, ponieważ warunkuje ona prawidłowe kształtowanie obiektów i układów technicznych. Dostępne są metody umożliwiające szacowanie niezawodności nawet złożonych układów technicznych i wyznaczanie dopuszczalnych poziomów ryzyka gwarantujących ich bezpieczną eksploatację. Streszczenie W artykule przedstawiono wybrane zagadnienia związane z zapewnianiem niezawodnego i bezpiecznego funkcjonowania układów technicznych poprzez podejmowanie stosownych działań na etapach projektowania i eksploatacji takich układów. Wyróżniono działania projektowe związane z kształtowaniem niezawodności i trwałości obiektów technicznych. Zestawiono wybrane wskaźniki charakteryzujące niezawodność i bezpieczeństwo eksploatacji układów technicznych. Pokazano metodę ograniczania ryzyka związanego z ich eksploatacją. Wykorzystanie przedstawionych metod i narzędzi ułatwia racjonalne kształtowanie układów technicznych, co warunkuje bezpieczeństwo ludzi i środowiska. Słowa kluczowe: bezpieczeństwo eksploatacji układów technicznych, niezawodność, trwałość, poziomy nienaruszalności bezpieczeństwa, wskaźniki niezawodności, projektowanie obiektów technicznych. Abstract Developing technical systems in order to attain their reliable and safe functioning The article presents selected issues in ensuring reliable and safe functioning of technical systems through taking proper actions during designing and maintaining such systems. Different actions taken within the designing process, referring to developing reliability and durability of technical objects, were described as well as a selection of indexes characterising reliability and safety of the technical systems. A method for reducing the risk associated with technical systems operation was shown. The use of presented methods and tools facilitates rational development of technical systems which determines the safety of people and the environment. 1217

9 Key words: safety of technical systems operation, reliability, durability, safety integrity levels, SIL, reliability indexes, technical objects designing. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. IEC Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems. [2]. Dietrych J.: System i konstrukcja. WNT. Warszawa, [3]. Fuchs P., Zajicek J.: Safety integrity level (SIL) versus full quantitative risk value. Eksploatacja i Niezawodność Maintenance and Reliability. 2013; 15 (2): [4]. Guo H., Yang X.: A simple reliability block diagram method for safety integrity verification. Reliability Engineering and System Safety. 2007; 92: [5]. Heinrich M.: Badania eksploatacyjne jednostkowych złożonych obiektów technicznych w celu podniesienia ich niezawodności konstrukcyjnej. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn. 1993; 1-2 (93-94): [6]. Jaźwiński J.: Bezpieczeństwo systemów. PAN. Warszawa, [7]. Lenkiewicz W., Machowski B.: Zmodernizowane procedury projektowania i konstruowania LEMACH 3 i 4. Prace Naukowe Instytutu Cybernetyki Technicznej Politechniki Wrocławskiej. Projektowanie III. Badania, kształcenie, praktyka. Tom 2. Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej. Wrocław, [8]. Magiera J., Młynarski S.: Jakość, niezawodność i bezpieczeństwo systemu eksploatacji transportu szynowego. Problemy Eksploatacji. 2002; 1 (44): [9]. Oprzędkiewicz J., Młynarski S.: Transport szynowy. Ekologia ekonomika bezpieczeństwo. Problemy Ekologii. 2006; 1: [10]. Oprzędkiewicz J., Stolarski B.: Technologia budowy samochodów; część 11 Podstawy niezawodności maszyn i urządzeń. Politechnika Krakowska. Kraków, [11]. Słowiński B.: Podstawy badań i oceny niezawodności obiektów technicznych. Politechnika Koszalińska. Koszalin, [12]. Szopa T.: Podstawy racjonalnego oddziaływania na niezawodność obiektu mechanicznego w fazie jego konstruowania. Politechnika Warszawska. Warszawa, [13]. Zhang T., Long W., Sato Y.: Availability of systems with self-diagnostic components - applying Markov model to IEC Reliability Engineering and System Safety. 2003; 80: