3. Основные термины и определения
До настоящего момента уже достаточно интенсивно использовались многие понятия технической диагностики, смысл которых в большей степени можно было понять интуитивно, основываясь на опыте и логике. Пришло время определить эти понятия, основываясь на положениях ГОСТов и основополагающих источников, к которым относятся труды патриархов технической диагностики. Однако прежде, чем приступить к этому, необходимо уяснить, что в любой отрасли знаний, и особенно развивающейся, может одновременно существовать несколько определений одного и того же понятия. Это может привести, и зачастую приводит, к путанице. Вместе с этим имеются незыблемые ориентиры, знание, изучение и использование которых обязательно. Таковыми ориентирами являются ГОСТы. Одними из основных из них, к которым периодически в процессе изложения материала мы будем обращаться, являются:
ГОСТ 20911 – 89. Техническая диагностика. Термины и определения [42].
ГОСТ 27518 – 87. Диагностирование изделий. Общие требования [19].
ГОСТ 23564 – 79. Техническая диагностика. Показатели диагностирования [38].
В жизненном цикле любого технического объекта всегда можно выделить следующие этапы:
этап производства, когда объект создается,
этап эксплуатации, когда объект поддерживается в готовности или применяется по назначению (выполняет предписанный ему рабочий алгоритм функционирования);
этап хранения объекта.
Ключевым понятием в технической диагностике является понятие объекта диагностирования. Что же понимается под объектом технического диагностирования?
Объект технического диагностирования (контроля технического состояния) – это изделие и (или) его составные части, подлежащие (подвергаемые) диагностированию (контролю) [42].
Для любого объекта на каждом этапе его жизни задаются определенные технические требования. Желательно, чтобы объект всегда соответствовал этим требованиям. Однако в объекте могут возникать неисправности, нарушающие указанное соответствие. Тогда возникает необходимость оценки технического состояния объекта. А, поэтому необходимо знать, что это такое.
Техническое состояние объекта – состояние, которое характеризуется в определенный момент времени, при определенных условиях внешней среды, значениями параметров, установленных технической документацией на объект [42].
Наряду с данным, «гостовским» определением, существуют и другие определения, которые по своей сути не противоречат ему, но в большей степени отражают совокупность свойств определяемого понятия. Следует привести здесь определение, предложенное в работах [21, 22]. Под техническим состоянием объекта понимается совокупность подверженных изменениям в процессе производства и эксплуатации свойств объекта, характеризующих степень его функциональной пригодности в заданных условиях целевого применения или место неисправности в нем, в случае несоответствия хотя бы одного из свойств установленным требованиям. Ценность данного определения по сравнению с предыдущим состоит в том, что оно в явном виде определяет зависимость качественных характеристик объекта диагностирования от внутренних свойств.
Зачастую следующие понятия – исправность, работоспособность отождествляются. В действительности подобное отождествление недопустимо. В технической диагностике между этими понятиями существует большая разница. Для того, чтобы разобраться, в чем отличие между отмеченными понятиями, необходимо уяснить, что же такое в конечном итоге техническое диагностирование и каковы его задачи.
Техническое диагностирование – это определение технического состояния объекта [42].
При этом задачами технического диагностирования являются:
контроль технического состояния:
поиск места и определение причин отказа (неисправности);
прогнозирование технического состояния.
Термин «Техническое диагностирование» применяют в наименованиях и определениях понятий, когда решаемые задачи технического диагностирования равнозначны или основной задачей является поиск места и определение отказа (неисправности).
Термин «Контроль технического состояния» применяется, когда основной задачей технического диагностирования является определение технического состояния.
И здесь мы опять сталкиваемся с новыми понятиями – контроль технического состояния и вид технического состояния. Определим их.
Контроль технического состояния – это проверка соответствия значений параметров объекта требованиям технической документации и определение на этой основе одного из заданных видов технического состояния в данный момент времени [42].
Видами технического состояния являются, например, исправное, работоспособное, неисправное, неработоспособное и т.п. в зависимости от значений параметров в данный момент времени.
Контроль функционирования – это контроль выполнения объектом части или всех свойственных ему функций [42].
А теперь разберемся во взаимосвязи данных понятий.
Во многих случаях необходимо убеждаться в том, что объект исправен, т.е. в нем нет ни одной неисправности. Это – проверка исправности объекта. На этапе производства, например, проверка исправности позволяет узнать, содержит ли созданный объект дефектные компоненты (детали, элементы, блоки, узлы и т. п.), а их монтаж – ошибки. Заметим, что проверка исправности лежит в основе деятельности производственных отделов технического контроля. В условиях ремонта проверка исправности позволяет убедиться, действительно ли устранены при ремонте все имевшиеся в объекте неисправности, а в условиях хранения – не возникли ли какие-либо неисправности за время хранения объекта.
На этапе эксплуатации при профилактике объекта, перед применением его по назначению или после такого применения в ряде случаев необходимо убеждаться в том, что объект в состоянии выполнять все функции, предусмотренные его рабочим алгоритмом функционирования. Это – проверка работоспособности или контроль технического состояния объекта. Проверка работоспособности может быть менее полной, чем проверка исправности, т.е. может оставлять необнаруженными неисправности, не препятствующие применению объекта по назначению. Например, резервированный объект может быть работоспособным, несмотря на наличие неисправностей в резервных компонентах или связях.
В процессе выполнения объектом его рабочего алгоритма функционирования часто целесообразно осуществлять проверку правильности функционирования объекта, т.е. следить за тем, не появились ли в объекте неисправности, нарушающие его нормальную работу в настоящий момент времени. Проверка правильности функционирования дает возможность исключить недопустимое для нормальной работы объекта влияние неисправностей, возникающих в процессе применения объекта по назначению. Проверка правильности функционирования, вообще говоря, менее полна, чем проверка работоспособности, так как позволяет убеждаться только в том, что объект правильно функционирует в данном режиме работы в данный момент времени. Иными словами, в правильно функционирующем объекте могут быть неисправности, которые не позволят ему правильно работать в других режимах. Работоспособный объект будет правильно функционировать во всех режимах и в течение всего времени его работы. Таким образом, исправный объект всегда работоспособен и функционирует правильно, а неправильно функционирующий объект всегда неработоспособен и неисправен. Правильно функционирующий объект может быть неработоспособным, и значит, неисправным. Работоспособный объект также может быть неисправным.
Одной из важнейших задач диагностирования состояния объекта является поиск неисправностей, т.е. указание мест и, возможно, причин возникновения имеющихся в объекте неисправностей. Поиск неисправностей необходим для выявления и замены дефектных компонент или связей объекта, для устранения ошибок монтажа и т.п. После устранения неисправности объект становится исправным, работоспособным или правильно функционирующим.
ГОСТ 20911 – 89 оперирует понятиями исправное, работоспособное состояния и т.п., но определены эти понятия в ГОСТ 27.002-83 «Надежность в технике. Термины и определения».
Исправное состояние – это состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.
Неисправное состояние – это состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской документации.
Работоспособное состояние – это состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.
Неработоспособное состояние – это состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.
Исправное и все неисправные состояния объекта образуют множество Е его технических состояний. Задачи проверки исправности, проверки работоспособности, проверки правильности функционирования и поиска неисправностей представляют собой частные случаи общей задачи диагностирования технического состояния объекта.
На рис. 4 множество технических состояний объекта диагностирования условно ограничено замкнутой кривой, причем исправное состояние обозначено малым кружком, а неисправные состояния – крестиками.
Представление задач диагностирования через разбиения множества технических состояний объекта
Результатами проверки исправности (рис. 4, а), проверки работоспособности (рис. 4, б) и проверки правильности функционирования (рис. 4, в) является получение подмножеств технических состояний. Одно из них (левое на рис. 4) содержит либо только исправное состояние (при проверке исправности), либо, кроме исправного состояния, те состояния, находясь в которых объект остается работоспособным или правильно функционирующим. Второе подмножество содержит либо все неисправные состояния (при проверке исправности), либо такие, пребывание в которых делает объект неработоспособным или неправильно функционирующим. Результатами поиска неисправностей (рис. 4, г, д, е) являются разбиения на классы не различаемых между собой неисправных состояний вторых подмножеств. Число классов и, следовательно, числа входящих в них неисправных состоянии (мощности классов) определяют достигаемую при поиске степень детализации мест и состава имеющихся (или подозреваемых на наличие) в объекте неисправностей. Эту степень детализации принято называть глубиной поиска или глубиной диагностирования.
Заметим, что при проверке правильности функционирования и при поиске неисправностей, нарушающих правильное функционирование объекта, разбиения относятся к определенному (настоящему) моменту времени и поэтому могут быть разными для разных моментов временили разных режимов работы объекта.
Диагностирование технического состояния объекта осуществляется при помощи тех или иных средств диагностирования. Взаимодействующие между собой объект и средства диагностирования образуют систему диагностирования. Протекающий в системе диагностирования процесс в общем случае представляет собой многократную подачу на объект определенных воздействий (входных сигналов) и многократное измерение и анализ ответов (выходных сигналов) объекта на эти воздействия. Воздействия на объект либо поступают от средств диагностирования, либо являются внешними (по отношению к системе диагностирования) сигналами, определяемыми рабочим алгоритмом функционирования объекта. Измерение и анализ ответов объекта всегда осуществляются средствами диагностирования.
Средство технического диагностирования (контроля технического состояния) – это аппаратура и программы, с помощью которых осуществляется диагностирование (контроль) [42].
Система технического диагностирования (контроля технического состояния) – это совокупность средств, объекта и исполнителей, необходимая для проведения диагностирования (контроля) по правилам, установленным в технической документации [42].
На рис. 5 представлена обобщенная структура системы технического диагностирования.
Структура системы технического диагностирования
Будем различать системы тестового диагностирования, отличительная особенность которых состоит в возможности подачи на объект диагностирования специально организуемых (тестовых) воздействий от средств диагностирования, и системы функционального диагностирования в которых подача воздействий на объект от средств диагностирования не производится (поступают только рабочие воздействия, предусмотренные рабочим алгоритмом функционирования объекта). Системы тестового диагностирования обычно решают задачи проверки исправности, проверки работоспособности и поиска неисправностей (всех или только нарушающих работоспособность) и работают тогда, когда объект не применяется по прямому назначению. Использование систем тестового диагностирования при работающем объекте также возможно, но при этом тестовые воздействия могут быть только такими, которые не мешают нормальному функционированию объекта. Системы функционального диагностирования используются, как правило, для решения задач проверки правильности функционирования и поиска неисправностей, нарушающих нормальное функционирование. Эти системы работают обычно тогда, когда объект применяется по назначению. В противном случае требуется имитация условий функционирования объекта (в частности, имитация рабочих воздействий).
Процесс диагностирования может состоять из отдельных частей, каждая из которых характеризуется подаваемым на объект тестовым или рабочим воздействием и снимаемым с объекта ответом. Будем называть такие части элементарными проверками объекта. Результатом элементарной проверки является полученное при ее реализации значение ответа объекта. Тогда формальное описание процесса диагностирования, т.е. алгоритм диагностирования технического состояния объекта, представляет собой безусловную или условную последовательность элементарных проверок и правил анализа результатов последних.
На рис. 6 представлены обобщенные функциональные схемы системы тестового диагностирования и системы функционального диагностирования технического состояния. Системы содержат объект диагностирования ОД и средства диагностирования СД. Схемы даны в «однолинейном» изображении. Физически каждая линия схемы, снабженная стрелкой на конце может представлять несколько каналов передачи информации. Условимся, что при рассмотрении задач проверки исправности, проверки работоспособности или проверки правильности функционирования объекта можно говорить не о системе, объекте и средствах диагностирования, а о системе, объекте и средствах проверки, и при рассмотрении задач поиска неисправностей – о системе, объекте и средствах поиска.
Как видно из рис. 6, а, в системах тестового диагностирования воздействия на объект поступают от средств диагностирования. Поэтому как состав, так и последовательности подачи этих воздействий можно выбирать, исходя из условий эффективной организации процесса диагностирования. Более того, каждое очередное воздействие в процессе диагностирования может назначаться в зависимости от ответов объекта на предыдущие воздействия. Воздействия в системах тестового диагностирования будем называть тестовыми.
Тестовые воздействия могут подаваться как в периоды времени, когда объект не используется по прямому назначению, так и в процессе выполнения им его рабочего алгоритма функционирования. Во втором случае, однако, тестовыми воздействиями могут быть только такие сигналы, которые не мешают нормальной работе объекта. Например, при инерционных исполнительных механизмах некоторого функционирующего объекта возможна подача кратковременных импульсных тестовых воздействий на схемы управления этими механизмами.
а) б)
Функциональные схемы систем диагностирования:
а) системы тестового диагностирования,
б) системы функционального диагностирования
Тестовые воздействия могут подаваться как на основные входы объекта, т.е. на его входы, необходимые для применения объекта по назначению, так и на дополнительные входы, организованные специально для целей диагностирования.
В системах функционального диагностирования (рис. 6, б) воздействия, поступающие на основные входы объекта, заданы его рабочим алгоритмом функционирования и поэтому, как правило, не могут выбираться, исходя из условии эффективной организации процесса диагностирования. Эти воздействия будем называть рабочими.
Указанная на рис 6, б подача рабочих воздействий и на средства диагностирования, часто имеет место в системах функционального диагностирования, хотя и не является обязательной.
Отметим, что системы функционального диагностирования могут использоваться также в режимах имитации функционирования объекта. При этом, естественно, должна быть обеспечена имитация рабочих воздействий. Такое использование систем функционального диагностирования целесообразно при наладке или ремонте объекта.
Ответы объекта (на тестовые или на рабочие воздействия) в обоих видах систем диагностирования поступают (рис. 6) на средства диагностирования. Ответы могут сниматься как с основных выходов объекта, т.е. с выходов, необходимых для применения объекта по назначению, так и с дополнительных выходов, организованных специально для целей диагностирования. Эти основные и дополнительные выходы часто называют контрольными точками.
Как отмечалось, элементарные проверки объекта характеризуются воздействиями, подаваемыми или поступающими на объект, и его ответами на соответствующие воздействия, результатами элементарных проверок являются значения ответов.
Обратимся теперь к средствам диагностирования систем, приведенных на рис. 6. Средства диагностирования реализуют некоторый алгоритм диагностирования, задающий состав и очередность реализации, а также способ анализа результатов элементарных проверок объекта.
Реализация элементарных проверок заключается в выработке и подаче на объект входных сигналов (воздействий) и в приеме и измерении соответствующих выходных сигналов (ответов). Указанные операции общеприняты и не нуждаются в каких-либо специальных пояснениях. Естественно, что для реализации этих операций средства диагностирования должны содержать, вообще говоря, источники воздействий (в системах тестового диагностирования), измерительные устройства и устройства связи источников воздействий и измерительных устройств с объектом.
Целью анализа результатов элементарных проверок является получение результатов диагностирования, т.е. определение технических состояний, в одном из которых фактически находится объект.
Как было сказано выше, результаты элементарных проверок представлены в виде значений сигналов в контрольных точках. Результаты же диагностирования должны быть представлены в иной форме, более удобной для практического их использования. Например, при проверке исправности результатом диагностирования должен быть один из ответов: «объект исправен» или «объект неисправен», а при поиске неисправностей – «в объекте неисправна такая-то конкретная компонента (узел, блок, деталь)». Другими словами, требуется расшифровка (анализ, преобразование) результатов элементарных проверок, полученных в процессе реализации алгоритма диагностирования.
В простейшем случае такая расшифровка может представлять собой обычное сравнение физических значений сигналов в контрольных точках с заданными эталонными значениями этих сигналов. В других случаях операции расшифровки являются более сложными. Заметим, что при недостаточном уровне автоматизации процесса диагностирования, в частности при использовании ручных средств диагностирования, функции расшифровки результатов элементарных проверок возлагаются на человека.
Так или иначе, для выполнения операций анализа результатов элементарных проверок средства диагностирования должны располагать определенной информацией о поведении исправного (работоспособного, правильно функционирующего) объекта, а также, возможно, о его поведении в неисправных состояниях. Аппаратуру средств диагностирования, хранящую информацию о поведении объекта, или другой носитель этой информации будем называть физической моделью объекта. Наглядным примером физической модели объекта является эталонный, заведомо исправный его экземпляр. Однако во многих случаях такая физическая модель информационно избыточна и зачастую трудно реализуема. В широко распространенных системах централизованного контроля, являющихся системами проверки правильности функционирования, физическая модель объекта представляет собой аппаратуру для задания допустимых значений (уставок) контролируемых параметров, а также средства коммутации и подключения этой аппаратуры к устройствам сравнения допустимых значений параметров с фактическими.
Средства, осуществляющие сопоставление информации об объекте, хранящейся в физической модели последнего, с фактическими результатами элементарных проверок и вырабатывающие сигнал «результаты диагностирования», назовем блоком расшифровки результатов. Как и физическая модель объекта, блок расшифровки результатов может быть реализован различными способами и средствами в зависимости от задач и характеристик конкретных систем диагностирования.
Наконец, средства диагностирования должны иметь тот или иной носитель алгоритма диагностирования. Носителем жестких или редко изменяемых алгоритмов диагностирования обычно является аппаратура, конструктивно объединенная с остальной аппаратурой средств диагностирования.
Итак, по завершении процесса определения технического состояния объекта средства диагностирования вырабатывают сигнал «результаты диагностирования». Знание технического состояния объекта может быть использовано для различных целей, в том числе, например, для выбора применения другого алгоритма диагностирования, позволяющего более точно определить техническое состояние объекта, или же для организации других специальных воздействий на объект.
В настоящем разделе мы рассмотрели предмет и задачи науки и учебной дисциплины «Техническая диагностика», выяснили ее роль в процессе эксплуатации технических объектов, познакомились с определенными историческими сведениями ее развития, дали нормативно обоснованную систему понятий и определений. Последующий материал учебного пособия будет посвящен более подробному рассмотрению принципов, математических моделей и методов технической диагностики.