Диагностика и надежность автоматизированных систем. Учебное пособие

рия отказов 4 на рис. 57), партию бракуют. Если оно опустилось ниже границы приемки (траектория 3) или была достигнута правая граница наработки, т. е. траектория отказов пересекла вертикальный участок границы 1, партию принимают.

8. ДИАГНОСТИКА СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Целями диагностики являются:

-контроль технического состояния элементов системы управления;

-прогнозирование технического состояния системы;

-локализация места отказа, определение отказавшего элемента и причины отказа.

При контроле осуществляется проверка соответствия значений параметров элементов системы требованиям технической документации. Контроль может осуществляться непрерывно в процессе эксплуатации или в перерывах работы при остановке оборудования. Результатом контроля является заключение о -ра ботоспособности системы и возможности продолжения её -экс плуатации, либо о необходимости проведения технического обслуживания оборудования или ремонта. Принятие заключения о продолжении эксплуатации связано с прогнозированием сохранения технического состояния оборудования и его работоспособности в течение ближайшего заданного интервала времени.

Вслучае установления факта отказа системы необходимо уточнить место отказа в системе, определить отказавший элемент и, по возможности, причину его отказа. В системах управления отказ может произойти как в средствах измерения и управления (датчиках, исполнительных устройствах, преобразователях, контроллерах, регуляторах), так и в линиях питания и связи между устройствами. Установление причины необходимо для предотвращения повторного отказа замененного при ремонте элемента или разрушения восстановленной линии связи.

131

8.1. Методы диагностики

Методы по применяемым средствам условно можно разде-

лить:

-на аппаратные;

-программные;

-программно-аппаратные;

-по подходу к диагностике:

-диагностика элементов в составе системы;

-диагностика с извлечением элементов из системы;

-по виду воздействия на диагностируемое устройство:

-диагностика при обычном функциональном воздействии, формируемом в процессе работы объекта;

-диагностика с тестовыми целенаправленными воздействиями, вырабатываемыми для активизации определенных функций или свойств диагностируемого устройства;

-по методам и средствам оценки состояния:

-визуальный осмотр и анализ состояния элементов, линий связи, разъемов, соединений элементов и креплений по их внешнему виду;

-измерение основных показателей;

-сигнатурный анализ;

-оценка и анализ косвенных показателей: температуры корпусов элементов и устройств, дополнительных шумов в работе средств, значений управляемых параметров объектов управления.

8.2. Средства диагностики

Средства диагностики можно разделить на группы:

-универсальные измерительные и стимулирующие приборы для измерения и индикации физических и временных параметров: мультиметры, измерители емкости и индуктивности, частотомеры, измерители временных интервалов, осциллографы, генераторы синусоидальных и импульсных сигналов;

-специализированные переносные приборы для исследования цифровых сигналов: логические пробники, логические анализаторы, сигнатурные анализаторы;

-специализированные диагностические средства для рабо-

132

ты с контроллерами, находящимися в составе системы управления; специализированное стендовое оборудование для диагностики элементов систем управления, отдельных модулей контроллеров;

- встраиваемые элементы обеспечения самодиагностики. Мультиметры. Наиболее распространенные приборы для

измерения сопротивления, напряжения постоянного и переменного тока, величины постоянного и переменного тока. Различаются стрелочные и цифровые приборы. Могут обладать дополнительными функциями проверки транзисторов, измерения температуры, измерения емкости конденсаторов и индуктивности катушек.

Частотомеры. Приборы для измерения частоты периодических гармонических и импульсных сигналов. Могут также иметь функции измерения длительности импульсов или пауз.

Осциллографы. Электронные приборы для индикации и оценки параметров электрических сигналов. Цифровые современные осциллографы позволяют производить и измерение -па раметров с достаточно высокой точностью.

Делятся осциллографы по способу представления в них сигналов на два больших класса: аналоговые и цифровые; по количеству одновременно отображаемых сигналов– на одноканальные, двухканальные и четырехканальные; по быстродействию – на низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.

Основным достоинством аналоговых осциллографов по сравнению с цифровыми, является возможность достижения большего быстродействия и непрерывность отображаемого сигнала, основным недостатком – трудности анализа непериодических сигналов. Данный недостаток преодолен в цифровых осциллографах, поскольку они запоминают оцифрованный сигнал, а затем его воспроизводят на экране дисплея. Помимо этой прямой функции, цифровые осциллографы осуществляют фильтрацию и оценку амплитудных и временных параметров анализируемых сигналов, могут получать и отображать их частотный спектр, передавать цифровую информацию через последовательные порты

133

другим цифровым устройствам или записывать её во внешнюю флэш-память. Использование вычислительных средств в структуре осциллографа делает его возможности по обработке сигналов практически неограниченными.

Логические пробники – это устройства для индикации логического состояния дискретных(цифровых) сигналов. Имеют два или три светодиодных индикатора, отображающих уровень логического нуля, логической единицы и свободного входа. Используются при диагностике цифровых устройств.

Логические анализаторы предназначены для исследования временной структуры дискретных сигналов в цифровых вычислительных и управляющих системах. Они позволяют производить одновременную регистрацию логических состояний сигналов во многих точках схемы в течение определенных промежутков времени и отображать результаты регистрации в форме, удобной для восприятия. Могут осуществлять регистрацию на интервале времени, привязанном к моменту появления заданной комбинации логических состояний анализируемых сигналов, производить сравнение состояний сигналов в различных участках схемы и т. д. Максимальное количество одновременно фиксируемых сигналов (количество входных каналов) для различных типов отечественных и зарубежных ЛА находится в пределах от 8 до 128, тактовая частота регистрации достигает гигагерц.

Регистрация состояний сигналов может производиться в асинхронном и синхронном режимах. При асинхронном режиме импульсы записи вырабатываются внутри самого анализатора, имеют стабильную частоту, превышающую максимальную частоту исследуемых сигналов из условия малых их искажений не менее чем в 5-10 раз. В синхронном режиме тактовый сигнал берется из самой диагностируемой схемы, и частота фиксации может быть несколько ниже, чем при асинхронном режиме.

Сигнатурные анализаторы – это устройство для формирования двоичных кодов (сигнатур) путем сжатия последовательности логических состояний сигнала, зафиксированных в определенные моменты времени на заданном временном интервале.

134

Сжатие временной последовательности обычно проводится до 16-разрядного двоичного кода выполнением логических операций с группами бит последовательности и фиксации результатов операции в регистрах или оперативной памяти. Сигнатуры получают для контрольных точек диагностируемой схемы и сравнивают с эталонными, приведенными в технической документации устройства или полученными для таких же точек заведомо работоспособного устройства. Метод диагностики с помощью сигнатур называется методом"сигнатурного анализа". Он позволяет распространить на дискретные устройства преимущества, свойственные методам проверки аналоговых устройств. Дело в том, что в аналоговой схеме можно четко указать эталонные значения напряжений и осциллограммы основных сигналов. Сравнивая реальные значения напряжений и осциллограмм с эталонными, можно определить точку, где схема начинает неправильно работать.

Помимо цифровых термин«сигнатурные анализаторы» применяют также к аналоговым анализаторам, реализующим метод «стимул - реакция». Данные анализаторы формируют импульсные или гармонические сигналы напряжения, которые с помощью зондов подаются на участки устройства с отключенным напряжением питания, а с помощью измерительного зонда снимается реакция участка на стимулирующее воздействие в виде токового сигнала. Анализ реакции или сравнение отклика с эталоном позволяет оценить состояние диагностируемого участка схемы или параметры элемента без его извлечения. Таким методом можно обнаружить место разрыва в линии связи или короткого замыкания между линиями, параметры пассивных радиокомпонентов и т. д.

Специализированные диагностические средства, стенды –

оборудование для диагностики средств управления автомобилей, подъемных кранов, универсальных управляющих контроллеров и их модулей, в том числе блоков питания, программирования и диагностики микроконтроллеров и т. п.

135

8.3. Диагностика основных элементов систем управления

Основные элементы систем управления:

-устройства управления: регуляторы, контроллеры, промышленные станции;

-датчики;

-исполнительные механизмы;

-преобразователи;

-устройства или элементы защиты;

-средства передачи и приема информации.

Контроллеры относятся к программно-аппаратным устройствам. С одной стороны, это достаточно сложные устройства для диагностики, но с другой – имеют большие возможности для автоматизации самодиагностики и диагностики связанных с ними устройств управления. Контроллеры проводят диагностику своих узлов и внешних устройств при запуске(включении) и периодически в процессе работы. При обнаружении неисправности на устройство отображения информации выдается сообщение о неисправности и ее код, позволяющий локализовать место отказа или неисправный узел. При необходимости более детального анализа состояния узлов контроллера или внешних устройств, с которыми взаимодействует контроллер, к контроллеру, снабженному портом для подключения внешних интеллектуальных устройств и имеющему соответствующее программное обеспечение, подключается диагностический компьютер. Он позволяет получать информацию об уровнях сигналов с выходов датчиков технологических параметров, о состоянии управляющих сигналов, формируемых контроллером, состоянии внутренних регистров, ячеек памяти и т. д.

Основными узлами контроллера являются: микропроцессор, перепрограммируемая память для хранения редко изменяемых параметров (ППЗУ), модули ввода и вывода аналоговых и дискретных сигналов, модуль последовательного интерфейса, блок питания, блок индикации и отображения информации, блок ввода информации.

В свою очередь, микропроцессор включает: генератор тактовых сигналов, блок дешифрирования команд и управления, арифметико-логическое устройство, регистровое запоминающее устройство (РЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянную память программ и констант(ПЗУ), блок специаль-

136

ных регистров (счетчики-таймеры, сторожевой таймер), параллельные и последовательный порты ввода-вывода.

Модуль ввода аналоговых сигналов содержит входные уси- лители-нормализаторы сигналов, элементы защиты входов, коммутатор аналоговых сигналов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Модуль вывода аналоговых сигналов содержит регистры, цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), усилители мощности сигналов выхода, элементы защиты выходов, могут иметь элементы гальванической развязки.

У контроллеров с малым количеством аналоговых входов и выходов АЦП, коммутатор аналоговых сигналов и ЦАП могут

знать, как работает устройство, отдельные его узлы и элементы из которых они состоят. Процесс диагностики, как правило, заключается в прогнозировании реакции(состояния выходов) объекта на оказываемое воздействие, оценку действительной реакции и сопоставление ее с прогнозируемой. При совпадении принимается решение о работоспособности объекта(по данному воздействию), при несовпадении - об отказе.

Пример 28. При включении контроллера должен засветиться индикатор наличия питания. Появится соответствующее изображение на панели индикации или экране дисплея, изменяющееся в процессе самодиагностики. Отсутствие изображения может говорить о неисправности блока отображения информации, операционного блока, об отсутствии напряжения в сети и т. д.

Пример 29. При подаче на вход инвертора(элемента НЕ) сигнала низкого уровня, соответствующего данной серии интегральных схем (ИС), на выходе работоспособного элемента дол-

137

жен установиться сигнал высокого уровня. Если же при правильно подключенном питании ИС и ненагруженном исследуемом выходе уровень сигнала на нем не будет соответствовать интервалу допустимых значений сигналов высокого уровня, то исследуемый элемент неработоспособен.

Проверка работоспособности блока управления и дешифратора команд наиболее сложна, т. к. при отказе этого узла возникает проблема с выполнением программы процессором и переходом ее на выдачу сообщения об ошибке. Зачастую для этих целей используют дополнительный аппаратный таймер, выставляющий признак ошибки, если после включения контроллера по истечении заданного времени не происходит сброс этого таймера. Этот же сторожевой таймер следит за отсутствием зацикливания программ. Дальнейшая проверка осуществляется путем выполнения тестовых команд, реакции на которые определяют ход выполнения тестовых программ, при его нарушении контроллер выводит сообщение об ошибке.

Диагностика арифметико-логического устройства производится путем выполнения операций и сравнения результатов с эталонными, записанными в программе.

Оперативная и перепрограммируемая память, регистровое ЗУ проверяются путем записи, чтения тестовых кодов и сравнения результатов. Поскольку в постоянное запоминающее устройство писать информацию невозможно, сохранность информации проверяется по контрольным суммам единиц в блоках памяти.

Проверка портов процессора производится только на уровне регистров методом записи, чтения тестовых кодов. Ключевые выходные элементы можно проверить путем взаимной коммутации портов, подключения их к тестовым источникам или приемникам информации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Основной

1.Шишмарев, В. Ю. Диагностика и надежность автоматизированных систем. [Текст] : учеб. для вузов /И. Ю. Шишмарев. – М. Академия, 2013. - 351 с.

2.ГОСТ 27.002-2015. Надежность в технике. Термины и определения.

3.Долгин, В. П. Надежность технических систем. [Текст] : учеб. пособие

/В. П. Долгин, А. О. Харченко; Севастопольский гос. универ. - М. : Инфра-М, 2017. - 167 с

138

4.Тетеревков, И. В. Надежность систем автоматизации. [Текст] : учеб. пособие / И. В. Тетеревков. – Москва; Вологда : ИНФРА-Инженерия, 2019. -356 с.

5.Бржозовский, Б. М. Диагностика и надёжность автоматизированных систем. [Текст] : учеб. для вузов / Б. М. Бржозовский, В. В. Мартынов, А. Г. Схиртладзе ; под ред. Б. М. Бржозовского. – 2-е изд., перераб. и доп. – Старый Оскол : ТНТ, 2017. - 351 с.

6.Дорохов, А. Н. Обеспечение надежности сложных технических систем. [Текст] : учеб. для вузов /А. Н. Дорохов, В. А. Керножицкий, А. Н. Миронов, О. Л. Шестопалова. – СПб. : Изд-во «Лань», 2011. - 352 с.

7.ГОСТ 27.301-95. Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения.

8.Викторова, В. С. Модели и методы расчета надежности технических систем. [Текст] / В. С. Викторова, А. С. Степанянц - 2-е изд., испр. - М. : Ле-

нанд, 2016. - 256 с.

9.Барметов, Ю. П. Электронно-цифровые элементы и устройства. Лабораторный практикум [Текст]: учеб. пособие / Ю. П. Барметов; Воронеж. гос. ун-т инж. технол. - Воронеж : ВГУИТ, 2017. -84 с.

10.Потехин, В. А. Схемотехника цифровых устройств. [Текст]: учеб. пособие для вузов / В. А. Потехин. –Томск :В-Спектр, 2012. – 250с.

11.ГОСТ Р 27.607-2013. Надежность в технике(ССНТ). Управление надежностью. Условия проведения испытаний на безотказность и статистические критерии и методы оценки их результатов.

12.ГОСТ Р 50779.21-2004. Статистические методы. Правила определения и методы расчета статистических характеристик по выборочным данным. Часть 1. Нормальное распределение.

13.Вентцель, Е. С. Теория вероятностей. [Текст] :учеб. / Е. С. Вент-

цель. - 12-е изд., стер. – М. : ЮСТИЦИЯ, 2018. - 658 с.

14.ГОСТ Р 50779.26-2007, МЭК 60605-4_2001. Статистические методы. Точечные оценки, доверительные, предикционные интервалы.

15.ГОСТ Р 27.403-2009. Надежность в технике. Планы испытаний для контроля вероятности безотказной работы.

16.ГОСТ 27.402-95. Надежность в технике. Планы испытаний для контроля средней наработки до отказа(на отказ). Часть 1. Экспоненциальное распределение

17.ГОСТ Р27.404-2009. Надежность в технике. Планы испытаний для контроля коэффициента готовности

Дополнительный

18.Половко, А. М. Основы теории надежности: Практикум. [Текст] : учеб. пособие для студ. вузов/А. М. Половко, С. В. Гуров - СПб. : БХВ-

Петербург, 2006. -560 с.

19.Ястребенецкий, М. А. Надежность автоматизированных систем управления технологическими процессами: учеб. пособие для вузов./ М. А. Ястребенецкий, Г. М. Иванова - М.: Энергоатомиздат, 1989. -264 с.

139

ПРИЛОЖЕНИЕ

Решение задач в системе Mathcad Prime

1. Задание и ввод матриц. Для задания матрицы необходимо указать имя матрицы, например t0, записать символ присвоения, затем выбрать в разделе меню «Матрицы/таблицы» процедуру «Вставить матрицу»,

выделить поле соответствующего размера и переместить его на соответствующую позицию после символа присвоения, щелкнув левой клавишей мыши:

Лишние ячейки можно просто удалить, недостающие – дополнить командами «Вставить строку выше», «Вставить строку ниже», «Вставить столбец слева», «Вставить столбец справа», «Удалить строку», «Удалить столбец»:

140