Если человек в силу своих высоких способностей к адаптации может в широких пределах самостоятельно обеспечивать операции, необходимые для осуществления того или иного процесса, то применяемые для разгрузки человека-оператора устройства автоматизации должны быть специально разработаны, применительно к определенным задачам.
При проектировании любой автоматической системы необходимо исходить из типа установки, подлежащей автоматизации, и вида функций, которые должна выполнять автоматическая система.
Ожидаемые свойства автоматических систем можно рассматривать как совокупность следующих комплексов требований.
Функционирование системы. Функции устройств автоматизации определяются, с одной стороны, их целевым назначением. Последнее может быть сформулировано, например, в виде критерия качества, состоящего из определенных требований к точности, к реализации определенной последовательности операций и т. д. С другой стороны, функция устройств автоматизации существенно зависит от свойств той части системы, которая должна рассматриваться в качестве заданной, т. е. установки (объекта автоматизации). Для решения функциональных задач при проектировании устройств автоматизации в первую очередь важно знать передаточные функции объекта. Для их описания служит математическая модель объекта.
Составление математической модели объекта во многих случаях связано с трудностями, так как для этого часто требуются значительные затраты труда и средств на проведение измерений и обработку их результатов (экспериментальная идентификация системы) или на математическое описание и анализ физико-технических процессов (теоретическая идентификация системы). В последнем случае необходимы также дополнительные сведения, характеризующие состояние установки и особенности протекания в ней рабочего процесса.
К третьей группе факторов, которые должны быть учтены при решении функциональных задач в процессе проектирования, следует отнести свойства воздействующий на систему сигналов, и в первую очередь, возмущающие воздействия. Наряду с амплитудой и продолжительностью действия важное значение имеет также место их приложения к системе.
Затем с учетом предъявляемых требований и существующих условий можно приступить к разработке функциональной схемы устройства автоматизации на основе методов теории управления.
Если свойства системы могут с достаточной точностью рассматриваться как неизменные во времени, то идентификация и проектирование системы могут быть выполнены в одном варианте. В случае изменяемой во времени системы эти процессы должны повторяться.
Заданная функция системы вовсе не обязательно должна приводить к одной определенной ее структуре. Наоборот, часто одна и та же функция может быть реализована несколькими различными структурами. Благодаря этому существуют еще степени свободы, позволяющие при проектировании системы учитывать дополнительные условия, наиболее важные из которых рассматриваются в нижеследующих разделах.
После произведенного таким путем выбора определенной структуры, а следовательно, и расчленения ее на отдельные функциональные блоки, из требований, предъявляемых к системе в целом, формируются требования функционального характера к самим блокам. Эти требования относятся прежде всего к статическим и динамическим характеристикам, точности, числу подлежащих обработке входных и выходных величин и т. д.
Обеспечение функциональной надежности. В своем исходном виде функция любого устройства автоматизации представляет собой нечто нематериальное; лишь технические структуры реализуют ее. Однако в материальных системах могут иметь место отказы, которые приводят к полному или частичному выходу ее из строя, т. е. к полному или частичному прекращению функционирования.
По понятным причинам мы заинтересованы в том, чтобы автоматическая система максимально надежно выполняла возложенные на нее функции. Ввиду многообразия возможных причин отказов точно предсказать момент времени их возникновения в системе невозможно. Поэтому отказы систем должны рассматриваться как случайные события и данные о надежности, естественно, могут носить только вероятностный характер.
То же самое справедливо и для часто применяемой в качестве характеристики интенсивности отказов А,. Поэтому для установления требований к надежности необходимо произвести оценку уровня нагрузок.
Так как автоматические системы по своему характеру являются ремонтопригодными, то одним из предъявляемых к ним требований должна быть возможность быстрой локализации поврежденного элемента и его последюущего ремонта или замены другим способным функционировать элементом. Тем самым обеспечивается восстановление работоспособности системы после кратковременного ее перерыва.
Еще на стадии проектирования решается вопрос о том, в какой степени система будет удовлетворять предъявляемым требованиям надежности. Однако в сравнении с функциональным аспек-“ том проекта пути для решения этого вопроса^ здесь менее ограничены.
Существенное влияние на надежность системы в стадии проектирования можно оказать правильным выбором структуры для реализации заданных функций, в которой в зависимости от специфики исследуемой системы может быть предусмотрено «горячее» или «холодное» резервирование. При этом сперва необходимо разработать несколько вариантов структур, из которых затем выбирается оптимальный.
Естественно, что существенное значение имеет выбор таких функциональных модулей (стандартных элементов, узлов), которые сами по себе обладают высокой надежностью и долговечностью.
Часто не учитывается, что эксплуатационная надежность систем определяется не только вероятностью отказов технических устройств, но и надежностью действий обслуживающего персонала и персонала, осуществляющего уход за оборудованием.
Создание так называемых саморемонтирующихся систем является дальнейшим средством повышения их надежности. Однако необходимые для этого операции входят в функцию системы.
Выполнение условий применения. Для пригодной к использованию автоматической системы еще недостаточно выбрать техническуюструк-туру, обеспечивающую выполнение системой своих функций с приемлемой точностью и надежностью. Надо еще выполнить требования, предъявляемые практическими условиями применения системы. Эти условия можно разбить на три группы: условия взаимосвязи, условия, обусловливаемые рабочим агентом, и условия окружающей среды.
а) Условия взаимосвязи. Под условиями взаимосвязи следует понимать требования, выполнение которых должно обеспечить нормальное взаимодействие всех связанных между собой конструктивных узлов системы. Это касается, с одной стороны, приспособления связи между устройством автоматизации и установкой и взаимного приспособления функциональных модулей. Так как человек, участвующий в процессе эксплуатации судна, должен рассматриваться как элемент системы, необходимо, с другой стороны, создать благоприятные условия для взаимосвязи между автоматом и обслуживающим персоналом. Однако на этой проблеме мы уже останавливались. Связь между объектом и устройствами автоматизации осуществляется в местах измерения и действия исполнительных органов. Поэтому при проектировании системы должны быть выбраны оптимальные места измерения и измерительные устройства с соответствующими диапазонами измерения и подавлением нуля. В системе управления должны быть выбраны наиболее подходящие места приложения управляющих воздействий и целесообразные исполнительные органы с необходимыми диапазонами изменения управляемых величин, достаточно большими силой (моментом) и скоростью перемещения исполнительных органов. Ряд требований вытекает из геометрических условий, т. е. пространственного расположения измерительных и исполнительных устройств в технологической установке. Кроме того, расположение устройств управления также должно быть приспособлено к данным пространственным (габаритным) условиям. К устройствам, предназначенным для встраивания в пульты и посты управления, предъявляются дополнительные требования к их внешнему виду, конфигурации, условиям расположения и т. д.
б) Условия, обусловливаемые рабочей средой. К условиям, обусловливаемым рабочей средой, относят факторы, которые вызывают воздействие со стороны рабочей среды на измерительное или исполнительное устройство (например, корродирующее воздействие мореной воды на чувствительные элементы измерительных датчиков или на исполнительные органы).
в) Условия окружающей среды. Ряд требований вытекает из действия окружающей среды на соответствующее устройство в месте его установки на судне. Основными влияющими факторами являются температура и влажность воздуха, атмосферное давление, постоянные и переменные магнитные поля, механические вибрации и толчки, колебания параметров подводимой вспомогательной энергии (напряжения, частоты, давления воздуха) и нагрузки. При определенных условиях сюда относятся также и такие дополнительные воздействия, как агрессивность атмосферы (морского воздуха), выпадение росы, биологические вредители и т. п.
Для обеспечения учета требований, вытекающих из влияния окружающей среды, необходим правильный метрический анализ и классификация. В ГДР эти требования учитываются посредством так называемых показателей техноклимата (от ТК1 до ТКЗ) и степенями защиты, против случайных прикосновений, попадания посторонних тел и воздействия воды (от 1Р00 до IP68).
Выполнение прочих условий. Под этим собирательным названием обобщается ряд дополнительных требований к устройствам автоматизации, вызываемых самыми разнообразными причинами.
К ним относятся:
а) Правила. Эксплуатация автоматизированных установок требует выполнения установленных в законодательном порядке правил, рекомендаций и стандартов. Важное значение для автоматизации судов в условиях ГДР имеют, в частности, правила DSR К х. Такие правила касаются прежде всего разработки измерительных и исполнительных устройств, исполнения функциональных устройств, а также выполнения требований техники безопасности и надежности. В качестве примера можно привести требование, чтобы автоматическое управление курсом судна в любое время допускало возможность независимого ручного управления.
б) Обслуживание и ремонт. Из численности и квалификации персонала судна, осуществляющего обслуживание оборудования, вытекают требования к затратам на технические средства для обслуживания и ремонта применяемых устройств автоматизации. Однако в условиях возрастающей автоматизации не всегда можно найти решения, которые в достаточной мере отвечали бы этим требованиям. Тогда предпочтение следует отдавать таким устройствам, которые дают возможность легко обнаруживать неисправности и просто заменять неисправные детали и узлы. Кроме того, следует ориентироваться на такие изделия, фирмы-изготовители которых путем соответствующего представительства в наиболее важных портах обеспечивают достаточную сеть обслуживания.
в) Возможность расширения. При построении той или иной системы автоматизации заранее должна учитываться возможность дальнейшего расширения или переоборудования соответствующих ее устройств. В качестве примера можно привести устройства для регистрации и контроля данных измерений. Их следует выполнять так, чтобы можно б£лло бы применить вычислительное устройство или же заменить их более производительным, если оно окажется недостаточным в результате увеличения объема решаемых задач.
г) Традиции и образ мышления. При применении технических систем также нельзя недооценивать влияния традиций и образа мышления всех участвующих в них людей. В особой мере это относится к мореплаванию. Существующие традиции и привычки должны учитываться, в частности, при разработке элементов обмена информацией между человеком и автоматом. Часто в качестве особых требований к устройству автоматизации высказываются также индивидуальные взгляды, выработанные в результате первого положительного опыта применения некоторой системы.