Понятие и сущность комплексной механизации и автоматизации производства

Vобщ — общий объем работ;

• уровень автоматизации Yа на практике довольно часто определяют из выражения

где Kа — количество автоматического оборудования в штуках или его стоимость в рублях;

К — количество или стоимость неавтоматического оборудования.

Необходимо отметить, что этот показатель уровня автоматизации, определенный на основе сопоставления применяемого автоматического и неавтоматического оборудования, не совсем точно характеризует уровень автоматизации на предприятии.

В определенной мере уровень механизации производства характеризует и такой показатель, как техническая вооруженность труда (Кт.в.) который определяется из выражения

где Фа — среднегодовая стоимость активной части основных производственных фондов;

N — среднесписочная численность  работников предприятия или рабочих.

Надежность – свойство системы сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность системы выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации.

Показателями надежности называются количественные характеристики одного или нескольких свойств, составляющих надежность системы. Выбор тех или иных показателей продиктован видом исследуемой системы. В теории надежности различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые системы. К невосстанавливаемым относят системы, восстановление которых непосредственно после отказа считается нецелесообразным или невозможным, а к восстанавливаемым – в которых проводится восстановление непосредственно после отказа.

Для невосстанавливаемых систем, как правило, ограничиваются показателями безотказности. Эти же показатели описывают системы, в принципе подлежащие восстановлению после отказов, но поведение которых целесообразно рассматривать до момента первого отказа. К их числу, например, можно отнести системы, чьи отказы чрезвычайно редки и вызывают особо тяжелые последствия.

К показателям надежности невосстанавливаемых систем относятся:

• Интегральный закон распределения времени безотказной работы;
• Интегральный закон распределения времени до отказа;
• Дифференциальный закон распределения времени исправной работы устройства до первого отказа;
• Среднее время безотказной работы (средняя наработка до отказа);
• Интенсивность отказов.

Прежде чем перейти к показателям надежности, необходимо ввести понятие наработки до отказа.

Наработка до отказа (Т) – случайная величина, представляющая собой длительность работы невосстанавливаемой системы до наступления отказа. Для большей части систем наработка до отказа измеряется единицами времени, но она может измеряться и числом включений, срабатываний, циклов. Очевидно, что для систем, работающих без отключений (кроме отказов), наработка до отказа совпадает с временем безотказной работы.

Основным показателем для количественной оценки безотказности элемента, аппаратуры, приборов и АСУ является вероятность  безотказной работы P(t) в заданном интервале времени наработки t.

Например, Р (1000) =0,99 означает, что из множества элементов данного вида 1% откажет раньше 1000 ч, или что для одного элемента его шансы проработать безотказно 1000 ч составляют  99%. Чем меньше наработка, тем больше P(t). Показатель P(t) полностью определяет безотказность невосстанавливаемых элементов, но применим также и к восстанавливаемым элементам до первого отказа. Вероятность безотказной работы статистически определяется отношением числа элементов ni, безотказно проработавших до момента времени t, к числу элементов N  работоспособных в начальный момент времени t = 0

Pi=ni / N. (1)

При значительном увеличении числа элементов N статистическая вероятность Pi* сходится к вероятности

Р (t)=P{T.>t} (2)

где T— наработка до отказа.

Так как исправная работа и отказ — события противоположные, то они связаны очевидным соотношением:

Q(t)=l - P(t) (3)

где Q(t) —вероятность отказа, или интегральный закон распределения случайной величины — времени работы до отказа.

Статистическое значение вероятности отказа равно отношению числа отказавших элементов к начальному числу испытываемых элементов:

Qi*=1-ni/N= (N-ni)/N (4)

 Производная от вероятности  отказа f(t)=dQ(t)/dt=—dP(t)/dt есть дифференциальный закон, или плотность распределения случайной величины — времени исправной работы устройства до первого отказа и характеризует скорость снижения вероятности безотказной работы во времени.

Интенсивностью отказов l(t) называют отношение плотности распределения времени исправной работы к вероятности безотказной работы невосстанавливаемого устройства, которая взята для одного и того же момента времени t.                                          

l(t)=f(t)/P(t)=-dP/d(t!/P(t). (5)

   Статистическая формула:

l(t)*=2(N1-N2)/t(N1+N2) (6)

где N1— начальное количество исправных элементов; N2 — количество исправных устройств через время t.

Интенсивность отказов является наиболее удобной характеристикой безотказности систем и элементов. Как показывает опыт обработки статистических данных по эксплуатации различного оборудования, интенсивность отказов автоматических систем, а также отдельных элементов не может быть аппроксимирована аналитической зависимостью, соответствующей только одному теоретическому закону безотказности.

Обработка большого количества информации об отказах автоматических систем позволила получить общую качественную форму зависимости интенсивности отказов от времени (рис.1).

На кривой, приведенной на рис.1  можно выделить три характерные области:

1) начальных отказов П (область приработки); 2) случайных отказов С (область зрелости); 3)  отказов вследствие старения И (область стрости).

В области П интенсивность отказов сначала возрастает, достигает максимального значения и затем уменьшается.

 

Рисунок 1 Зависимость интенсивности отказов от времени.

 

Верхняя граница области определяется переходом интенсивности отказов зону постоянных значений. Начальные отказы могут быть обусловлены дефектами материалов, а также главным образом производственными дефектами и некоторыми другими факторами. Причины начальных отказов можно устранить опытной эксплуатацией системы, тренировкой в специальных условиях и режимах работы в течение периода времени, называемого периодом приработки. Продолжительность периода приработки, как показывает опыт, зависит от числа дефектов в системе.

В области случайных отказов интенсивность отказов остается величиной постоянной и определяется сложностью системы, качеством применяемых элементов и режимам их работы, условиями эксплуатации и некоторыми другими факторами. Интервал времени, в течение которого интенсивность отказов постоянна, представляет основной рабочий период систем. В некоторых случаях он совпадает с минимальным значением производственного ресурса системы. Начало роста интенсивности отказов определяет верхнюю границу области случайных отказов и нижнюю границу отказов из-за изношенности. С некоторым допуском возникновение  таких отказов может служить критерием долговечности.  Следует иметь в виду, что для некоторых систем долговечность может быть меньше, чем среднее время безотказной работы системы, рассчитанное как величина, обратная интенсивности отказов. Это обстоятельство следует учитывать при назначении гарантийного срока работы системы.

В области И интенсивность отказов сильно возрастает вследствие износа отдельных элементов. В восстанавливаемых системах в области И интенсивность отказов имеет колебательный характер, причем амплитуда и частота колебаний зависят от долговечности отдельных элементов и организации профилактических мероприятий при эксплуатации системы.

В расчетах надежности необходимо учитывать законы распределения случайной величины – времени работы системы до возникновения отказа. Для дискретных случайных величин применяются биномиальный закон распределения и закон Пуассона. Для непрерывных случайных величин применяются экспоненциальный закон, гамма-распределение, закон Вейбулла, нормальный закон.

Например, закон Пуассона определяет распределение числа m случайного события за время t. Используется для определения вероятности того, что в сложном устройстве за время t произойдет п отказов.

Экспоненциальный закон применяется для анализа сложных изделий, прошедших период приработки, а также для систем, работающих в тяжелых условиях под воздействием механических и климатических нагрузок. Типовые элементы радиоэлектроники аппаратуры подчиняется экспоненциальному закону распределения времени отказов в области внезапных отказов с l -кривой (рис. 2).

Для экспоненциального закона Тср=0=1/l и удовлетворяются начальные условия Р(0)=1; Q(0)=0, т. е. отчет времени t начинается с момента выяснения исправности изделия.

Графики изменения показателей надежности при экспоненциальном распределении представлены на рис. 2.

 

 

Рисунок 2. Показатели надежности при экспоненциальном (А) и нормальном (Б) законе распределения времени безотказной работы.

 

Основным характерным свойством экспоненциального распределения является то, что вероятность безотказной работы системы на любом интервале времени не зависит от длины этого интервала и не зависит от времени, предшествующей работы системы, т.е. от ее «возраста». 

Так как для экспоненциального распределения характерно постоянство интенсивности отказов во времени, то область применения этого закона – системы и элементы, где можно не учитывать ни период приработки, и участок старения и износа (например, многие средства вычислительной техники и регулирования).

 Нормальный закон распределения времени исправной работы изделия применяется дли области И l-кривой  (рис. 1). 3акон применяется, когда отказы системы зависят от большого числа однородных по своему влиянию факторов  в процессах износа, старения.  Отчет времени t при нормальном законе ведут с начала эксплуатации системы.

 где s - среднеквадратичное отклонение времени безотказной работы системы.

Графики изменения показателей надежности при нормальном распределении представлены на рис. 2.

Нормальное распределение, в принципе, описывает поведение случайных величин в диапазоне от (-¥ ; +¥), но так как наработка до отказа является неотрицательной величиной, то используют усеченное нормальное распределение.

Распределение Вейбулла-Гнеденко применяется для описания надежности ряда электронных и механических технических средств, включая период приработки. Это двухпараметрическое распределение, где параметр k определяет вид плотности распределения, m – его масштаб. Так, при k=1 распределение Вейбулла совпадает с экспоненциальным, когда интенсивность отказов постоянна; при k.>1 интенсивность отказов возрастет; при k<1 интенсивность отказов убывает.

 

3. Методика и конкретный расчет экономической эффективности комплексной механизации и автоматизации

Результатом внедрения механизации и  автоматизации является повышение эффективности функционирования производства.

Под эффективностью механизации и автоматизации понимается соотношение эффекта и затрат, вызвавших этот эффект. Под эффектом понимается положительный результат, который получается в результате внедрения изменений.

Эффект может быть:

- экономический (снижение  себестоимости продукции, рост прибыли, рост производительности труда  и так далее);

- политический (обеспечение  экономической независимости, укрепление  обороноспособности);

- социальный (улучшение условий труда, повышение материального и культурного уровня граждан и так далее);

- экологический (уменьшение загрязнения окружающей среды).

При определении экономической эффективности при внедрении различают единовременные и текущие затраты. Единовременные затраты - это капитальные вложения на создание новой техники. Текущие затраты - это издержки, которые осуществляются в течение всего срока эксплуатации новой техники.

Так как автоматизация и механизация являются одним из методов капитального оснащения предприятия, то и оценивать их экономическую эффективность стоит как эффективность капитальных вложений.

Различают абсолютную и сравнительную экономическую эффективность.

Абсолютная экономическая эффективность определяется, как отношение экономического эффекта ко всей сумме капитальных вложений, вызвавших этот эффект. По производству в целом абсолютная экономическая эффективность (Ээ.эф.н/х) определяется так: