5.3. Контроль и диагностирование объекта

В общем случае для решения задач контроля и диагностирования работоспособности объекта необходимо выполнить следующие действия:

• обеспечить получение информации о состоянии совокупности выходных параметров (сигналов) объекта, определяющих его работоспособность;

• произвести обработку поступающей информации, в результате которой фиксируется работоспособность или отказ объекта;

• обеспечить соответствующую индикацию состояния объекта, а в некоторых случаях и регистрацию текущих значений его параметров;

• подать сигнал на включение резервного объекта (при необходимости).

Иногда приходится осуществлять контроль работоспособности объекта, к которому не подводятся входные сигналы. Тогда последние заменяются испытательными сигналами, которые должны генерироваться в самой системе контроля. В этом случае говорят о проведении тестового контроля.

Если речь идет о диагностировании состояния объекта, то последовательность операций имеет следующий вид:

• обеспечение получения информации не только о параметрах, характеризующих работоспособность объекта в целом, но и о всех тех параметрах, которые необходимы для локализации места отказа;

• обработка поступающей информации, в результате которой не только фиксируется отказ объекта в целом, но и локализуется с заданной точностью место (при необходимости - и времени) возникшей или прогнозируемой неисправности;

• индикация отказавшего функционального элемента (при необходимости - регистрацию значений тех контролируемых параметров, по которым диагностируется состояние объекта);

• подача сигнала на включение резервного функционального элемента, если такое резервирование предусмотрено.

Таким образом, основные действия, выполняемые при контроле и диагностировании состояния объекта, в основном аналогичны. Основное различие состоит в том, что при диагностировании используется информация от значительно большего числа параметров объекта и осуществляется качественно другая обработка результатов контроля. Кроме того, в общем случае можно считать, что для диагностирования нужно больше время, чем для контроля объекта.

Элементами системы контроля, обеспечивающими поступление информации о значениях контролируемых параметров, являются датчики, чаще всего встроенные в объект или специально подключаемые к объекту к выбранным для решения задач контроля и диагностирования точках. Существуют два основных типа датчиков:

• датчики-преобразователи;

• пороговые датчики или датчики допускового контроля.

Датчики-преобразователи обеспечивают преобразование контролируемого параметра в величину, удобную для последующей логической обработки. Такое преобразование необходимо при контроле как электрических (напряжение, ток), так и неэлектрических (перемещения, вибрации и т.д.) выходных параметров. Последние, как правило, также преобразуются в электрические сигналы.

Обычно контролируемый параметр преобразуется в постоянное напряжение или амплитуду импульса, хотя встречаются и преобразование, например, величины перемещения в пространстве в величину сдвига по фазе двух синусоидальных сигналов (в датчиках типа «вращающийся трансформатор» или «индуктосин», широко используемых в системах числового программного управления металлорежущими станками). Закон преобразования контролируемого параметра в величину выходного сигнала преобразователя должен быть задан и обычно стараются, чтобы это был линейный закон, когда выходной сигнал преобразователя пропорционален величине контролируемого параметра. В этом случае датчик-преобразователь называется линейным. Естественно, как при линейном, так и при других преобразованиях оно должно происходить с погрешностями, не хуже допустимых.

Пороговым датчиком является такое устройство, которое самостоятельно оценивает контролируемый параметр по принципу «в норме» - «не в норме». Если контролируемый параметр находится в пределах установленного допуска, то пороговый датчик выдает сигнал «да» («1»), в противном случае - «нет» («0»). Примером таких пороговых датчиков могут быть конечные выключатели, датчики предельных давлений, выключатели-автоматы и т.д. Обычно сигналы в пороговых датчиках вырабатываются путем сравнения контролируемого сигнала с опорными сигналами, соответствующими граничным значениям допуска. Поэтому пороговый датчик реализует допусковый контроль параметра.

Как правило, как пороговые, так и датчики-преобразователи устанавливаются на контролируемом объекте и имеют с ним непосредственный контакт. Однако, есть и такие датчики, которые не требуют непосредственного контакта с объектом и реагируют на электромагнитное, рентгеновское или тепловое излучение, преобразуя их в световые или электрические сигналы. При этом часто закон преобразования не является линейным.

Поступающие от датчиков сигналы должны быть обработаны в устройствах обработки информации, которые в общем случае содержат средства измерения или контроля и средства логической обработки его результатов. При измерении осуществляется сравнение преобразуемого контролируемого параметра с величиной, принятой за единицу измерения. В устройстве контроля производится сравнение преобразованного параметра с номинальным значением с учетом поля допуска. В первом случае результат измерения представляется числом, показывающим во сколько раз контролируемый параметр отличается от выбранной единицы измерения. Во втором случае результат контроля представляется в виде сигналов «в норме» - «не в норме» или «норма», «больше», «меньше».

Если применяются пороговые датчики, то средства контроля и измерения в устройстве обработки отсутствуют, так как каждый из пороговых датчиков уже осуществляет допусковый контроль соответствующего параметра.

Измерения производятся либо с помощью аналоговых или цифровых измерительных приборов, либо с помощью специальных сравнивающих схем, образующих устройство, называемое компаратором (от английского слова «to compare» - «сравнивать»). Компаратор может использоваться и при контроле параметра. Средства логической обработки, используя результаты измерения или контроля выбранной совокупности параметров, решают следующие основные логические задачи:

• определение исправен ли объект контроля в целом или в нем есть отказ (задача контроля работоспособности);

• локализация, если объект отказал, места (времени) возникшей неисправности (задача диагностирования).

В результате решения этих задач средства обработки информации вырабатывают соответствующие сигналы, которые поступают к индикаторным и регистрирующим устройствам.

Наряду с рассмотренными основными элементами системы контроля, которые называются так потому, что они обеспечивают решение основных задач контроля, существуют и дополнительные устройства. Они не являются принципиально необходимыми, но в современных системах контроля практически всегда присутствуют. Кстати, по своему значению и сложности они часто не только не уступают основным устройствам, но даже и превосходят их. К таким дополнительным устройствам относятся:

• коммутаторы, служащие для поочередной подачи сигналов от датчиков (своеобразное уплотнение каналов связи) в случаях невозможности их одновременной подачи из-за, например, громоздкости каналов связи;

• аналого-цифровые преобразователи, осуществляющие преобразование непрерывных величин, пропорциональных значению контролируемых параметров, в цифровой код;

• генераторы имитационных и стимулирующих сигналов, подающих на объект контроля определенные входные сигналы, реакция на которые исправного объекта известна (обычно при тестовом контроле) - импульсы, заданные перемещения механических частей и т.д.;

• устройства управления самой системой контроля, которые могут быть на основе специальных схем или с использованием компьютеров;

• устройства самоконтроля, необходимые для определения работоспособности самой системы контроля.

Принципы построения системы контроля, реализующей жесткую программу поиска отказов, иллюстрирует схема рис.5.2.

Датчики Д₁ - Д_n , встроенные в объект контроля, являются линейными датчиками-преобразователями. Выходные напряжения датчиков, соответствующие значениям выходных параметров объекта контроля, подводятся через коммутатор к коммутатору-распределителю. Встроенный коммутатор не является обязательной принадлежностью схемы контроля, а служит только для уменьшения числа линий связи между объектом контроля и схемой контроля. Если число датчиков невелико, то возможно прямое подключение датчиков к коммутатору-распределителю.

При осуществлении контроля работоспособности объекта коммутатор-распределитель по жесткой программе подключает датчики к компаратору, где производится сравнение значения контролируемого в данный момент параметра объекта контроля с его номинальным значением с учетом поля допуска. Так, например, для объекта, изображенного на рис.5.1, достаточно было бы подключить датчики, связанные с выходами z₃ , z₅ ,z₈ .

Если выходной контролируемый параметр выходит за пределы поля допуска, то компаратор выдает сигнал «отказ» на программное устройство, которое при необходимости передает эту информацию на индикационное и регистрирующее устройства. После получения сигнала «отказ» программное устройство изменяет режим работы коммутатора таким образом, что к компаратору подключаются те датчики, сигналы с которых необходимы для определения места отказа (отказавшего функционального элемента). Порядок подключения также определяется жесткой программой. Логическая обработка сигналов оказывается очень простой и сводится к остановке переключения датчиков в случае обнаружения выхода контролируемого параметра за пределы поля допуска.

Пусть, например, жесткая программа контроля объекта, изображенного на рис.5.1, определяется последовательностью подключения датчиков z₁ , z₂ , z₃ , z₆ , z₇ , z₈ , z₄ , z₅ . Отказ первого функционального элемента в этом случае приведет к остановке процесса диагностирования на первом шаге, отказ второго - на втором шаге и т.д. Таким образом, фиксация шага, на котором произошла остановка переключения датчиков из-за выхода значения соответствующего контролируемого параметра за пределы поля допуска, равносильно указанию отказавшего функционального элемента. Номер отказавшего элемента регистрируется и индицируется. Перед началом работы система контроля может быть подвергнута самоконтролю для того, чтобы быть уверенным в правильном ее функционировании. Для этого в схему вводится блок самоконтроля, который по команде программного устройства подает на входы коммутатора-распределителя сигналы, имитирующие выходные напряжения датчиков, соответствующие как номинальным значениям контролируемых параметров, так и их отклонениям.

Рассмотренная схема осуществляет обработку аналоговых сигналов. Может быть использована и цифровая обработка сигналов. При этом функциональная схема контроля имеет вид, изображенный на рис.5.3. Дополнительно в схему вводится аналого-цифровой преобразователь (АЦП), осуществляющий преобразование выходных напряжений датчиков в дискретную (цифровую) форму. Сравнение преобразованных параметров с их номинальными значениями осуществляется в этом случае цифровым компаратором. Остальные функциональные связи и устройства аналогичны описанным выше.

Описанные выше принципы построения систем контроля и диагностирования обладают определенными достоинствами, заключающимися в следующем:

• возможность очень простой логической обработки результатов контроля без применения сложных устройств, содержащих большое число элементов;

• применение для осуществления контроля и диагностирования одного и того же измерительного устройства и аналогового или цифрового компаратора.

Эти достоинства обусловили широкое применение таких схем. Однако, им присущи и некоторые недостатки:

• жесткие требования к стабильности и точности используемых датчиков-преобразователей;

• трудности, возникающие при использовании оптимальной гибкой программы контроля в процессе обнаружения отказов.

Рассмотрим случай использования гибкой программы поиска отказов, в которых могут быть применены как датчики-преобразователи, так и пороговые датчики. Этот случай иллюстрируется рис.5.4, на котором представлена схема контроля с использованием пороговых датчиков.

Каждый датчик встроен в объект контроля в выбранной точке, но в отличие от предыдущих схем осуществляет допусковый контроль соответствующего параметра. Будем считать, что датчик выдает высокий потенциал, обозначаемый далее «1», если контролируемый параметр находится в поле допуска, и низкий потенциал («0»), если контролируемый параметр выходит из поля допуска.

Непрерывно в ходе работы контролируются основные выходные параметры, определяющие работоспособность объекта. Пока эти параметры находятся в поле допуска, устройство логической обработки выдает сигнал «отказа нет». При потере работоспособности по любому из основных выходных параметров выдача сигнала «нет отказа» прекращается и одновременно разрешается поступление информации от датчика, контролирующего тот из выходов, который в соответствии с заданной гибкой программой поиска отказа должен проверяться первым. Если этот датчик выдает «1», то устройство логической обработки разрешает контроль следующего выхода, который предусматривает сплошная ветвь графа, отражающего гибкую программу. При выдаче первым датчиком «0» устройство логической обработки разрешает контроль того выхода, который предусматривается пунктирной ветвью графа. Аналогичные операции осуществляются на втором, третьем и т.д. шагах процесса контроля до тех пор, пока не будет локализовано место отказа.

В схеме предусмотрена возможность контроля тех параметров, которые требуют подачи на вход объекта дополнительных внешних воздействий. Для этого введен генератор имитационных сигналов.

Достоинства представленной схемы:

• возможность реализации гибкой оптимальной программы поиска отказа (диагностирования);

• применение унифицированных логических элементов.

Однако, схема не свободна и от недостатков:

• возможность осуществления только допускового контроля;

• некоторая сложность схемы.