Диагностика электромеханических систем транспортного комплекса. Учебное пособие

но организуемые тестовые воздействия. В системах функционального диагностирования, которые работают в процессе применения объекта по назначению, подача тестовых воздействий, как правило, исключается; на объект поступают только рабочие воздействия, предусмотренные его алгоритмом функционирования. В системах обоих видов средства диагностирования воспринимают и анализируют ответы объекта на входные (тестовые или рабочие) воздействия и выдают результат диагностирования, т. е. ставят диагноз: объект исправен или неисправен, работоспособен или неработоспособен, функционирует правильно или неправильно, имеет такой-то дефект или в объекте повреждена такая-то его составная часть и т. п. Системы тестового диагностирования необходимы для проверки исправности и работоспособности, а также поиска дефектов, нарушающих исправность или работоспособность объекта. Системы функционального диагностирования необходимы для проверки правильности функционирования и для поиска дефектов, нарушающих правильное функционирование объекта.

Система диагностирования в процессе определения технического состояния объекта предусматривает некоторый алгоритм (тестового или функционального) диагностирования. Алгоритм диагностиро-

вания в общем случае состоит из определенной совокупности так называемых элементарных проверок объекта а также правил, устанавливающих последовательность реализации элементарных проверок, и правил анализа результатов последних. Каждая элементарная проверка определяется своим тестовым или рабочим воздействием, подаваемым или поступающим на объект, и составом контрольных точек, с которых снимаются ответы объекта на это воздействие. Результатом элементарной проверки являются конкретные значения ответных сигналов объекта в соответствующих контрольных точках. Диагноз (окончательное заключение о техническом состоянии объекта) ставится в общем случае по совокупности полученных результатов элементарных проверок.

Любая система диагностирования – это специфическая система управления или контроля. Специфика заключается в цели управления (контроля), состоящей в определении технического состояния объекта диагностирования. В соответствии с этим при разработке систем диагностирования должны решаться те задачи, которые решаются при разработке любых других систем управления или контроля. Это: изучение объекта, его возможных дефектов и признаков проявления последних, выбор или построение математического описания (модели)

11

поведения исправного объекта и его неисправных модификаций, анализ математической модели с целью получения реализуемого системой алгоритма диагностирования, внесение при необходимости изменений

вструктуру и конструкцию объекта для обеспечения требуемых условий диагностирования, выбор или разработка средств диагностирования, рассмотрение и расчет характеристик системы диагностирования

вцелом. Для разработки системы диагностирования сложных объектов могут потребоваться итерации, которые сопровождаются возвратами с данного этапа разработки на предшествующие и соответственно изменяют принятые ранее решения. Существенную роль при этом могут играть вопросы обеспечения контролепригодности объекта, в частности введение дополнительных контрольных точек, управляющих входов, изменение структуры объекта и др.

Под управлением понимают процесс выработки и осуществления целенаправленных (управляющих) воздействий на объект.

Контроль есть процесс сбора и обработки информации с целью определения событий. Если событием является факт достижения некоторым параметром объекта определенного заданного значения (уставки), то говорят о контроле параметров. Если фиксируемым событием будет установление факта пребывания объекта в исправном или неисправном, работоспособном или неработоспособном состоянии, или состоянии правильного или неправильного функционирования, то можно говорить о контроле технического состояния объекта. Более того, понятие контроля технического состояния можно распространить также на задачи поиска дефектов, если событие определить как факт указания местоположения в объекте того или иного дефекта.

Существуют следующие основные виды контроля.

По целевому назначению:

o контроль работоспособности, который проводится с целью определения, в каком состоянии находится объект – работоспособном или неработоспособном;

o диагностический контроль, который определяет не только состояние объекта, но и причину его неисправности, если он находится в неисправном состоянии;

o прогнозирующий контроль предназначен не только для того, чтобы определить состояние объекта, но также и для того, чтобы установить, какие отказы возможны в объекте в ближайший момент времени, с тем чтобы своевременно принять меры по их устранению.

12

По степени автоматизации:

o автоматический контроль, который осуществляется специальными устройствами и программой без вмешательства человека (оператора);

o автоматизированный контроль – с частичным вмешательством человека;

o ручной контроль – без средств автоматизации.

По временным характеристикам: o периодический контроль;

o непрерывный контроль.

По полноте контроля:

o полный контроль;

o частичный контроль.

По последовательности контрольных операций:

o последовательный контроль, при котором устройства объекта контролируются последовательно одно за другим;

o параллельный контроль, при котором устройства объекта контролируются одновременно.

По используемым методам:

o прямой контроль, который основан на непосредственном (прямом) измерении параметров, определяющих техническое состояние объекта. Он может быть программным и аппаратурным;

o косвенный, основанный на наблюдениях косвенных (побочных, сопутствующих) признаков, которые могут быть использованы для определения или прогнозирования технического состояния (повышенный нагрев, повышенный шум и т. д.).

По методике проведения:

o программный контроль, основанный на использовании специальных программ. Он в свою очередь подразделяется на контроль про- граммно-логический и тестовый;

o программно-логический контроль предназначен для контроля за правильностью функционирования системы и её отдельных частей. Правильность функционирования системы может быть проверена повторением операций переработки информации или повторной пересылкой информации, а также с помощью сравнения получаемых результатов с эталонными;

o тестовый контроль (тестирование) предназначен для проверки состояния аппаратуры и программ с помощью специальных испытательных (тестовых) программ. На вход проверяемого объекта подаётся

13

определённый набор входных данных, которому должен соответствовать определённый набор выходных данных. Анализ выходных данных позволяет определить состояние объекта и даже причину неисправного состояния;

o аппаратурный контроль – это контроль, выполняемый с помощью специальной контрольной аппаратуры, введённой в структуру объекта. Контрольная аппаратура работает одновременно с основной. Большое разнообразие контролируемых объектов и широкие возможности в выборе методов контроля, каждый из которых обладает своими недостатками и преимуществами в конкретных условиях применения, привели к тому, что в инженерной практике используются многочисленные методы аппаратурного контроля.

Системы тестового диагностирования являются системами управления, поскольку в них вырабатываются и осуществляются специально организованные тестовые (т. е. управляющие) воздействия на объект с целью определения технического состояния последнего. Системы функционального диагностирования – это типичные системы контроля (в широком смысле этого слова), не требующие подачи на объект целенаправленных воздействий. Это важно знать и учитывать разработчику систем диагностирования. Системы как тестового, так и функционального диагностирования пользователь, которого не интересует «внутренняя кухня» разработчика, может называть системами контроля технического состояния объекта. С рассмотренной точки зрения, например, системы, получившие название систем неразрушающего контроля, являются классом систем тестового диагностирования, а виброакустические системы контроля технического состояния – классом систем функционального диагностирования.

Задачи изучения физических свойств объектов и их возможных дефектов достаточно специфичны и вряд ли поддаются какому-либо обобщению из-за многообразия и различия отдельных классов объектов. Если предшествующего опыта по диагностированию изучаемого объекта нет или такой опыт недостаточен, то существенной становится роль технолога-разработчика, который работает со специалистом-диаг- ностом либо, что еще лучше, сам является таким специалистом. В результате должен быть определён (например, явно в виде списка или неявно через указание свойств классов) перечень дефектов, подлежащих обнаружению и поиску в условиях производства и эксплуатации объекта, а также определены признаки проявления дефектов, включаемых в перечень. При формировании перечня следует учитывать опыт производства и эксплуатации аналогичных или таких же объектов,

14

статистические данные по дефектам и т. п. Другим результатом изучения объекта должно быть установление требуемой или, точнее, желательной полноты обнаружения дефектов, а также желательной глубины их поиска, т. е. такой «точности» (выраженной в терминах конструктивных единиц объекта или в терминах групп, не требующих различения дефектов), с которой должны указываться при диагностировании места дефектов.

Формализованной моделью объекта (или процесса) является его описание в аналитической, графической, табличной или другой форме. Для простых объектов диагностирования удобно пользоваться так называемыми явными моделями, содержащими наряду с описанием исправного объекта описание каждой из его неисправных модификаций. Неявная модель объекта диагностирования предполагает наличие только одного описания, например исправного объекта, формализованных моделей дефектов и правил получения по заданному описанию и по моделям дефектов описаний всех неисправных модификаций объекта.

Модели объектов бывают функциональные и структурные. Пер-

вые отражают только выполняемые объектом (исправным или неисправным) функции, определённые относительно рабочих входов и рабочих выходов объекта, а вторые, кроме того, содержат информацию о внутренней организации объекта, о его структуре. Функциональные модели позволяют решать задачи проверки работоспособности и правильности функционирования объекта. Для проверки исправности (в общем случае) и поиска дефектов с глубиной, большей чем объект в целом, требуются структурные модели.

В некоторых случаях применяются модели, в которых используются зависимости (установленные опытным путем) между техническими состояниями объекта и такими его параметрами, которые не входят в общепринятые функциональные или структурные описания объекта.

Наконец, модели объектов диагностирования могут быть детерминированными и вероятностными. К вероятностному представлению прибегают чаще всего при невозможности или неумении описать детерминированное поведение объекта.

Модели объектов диагностирования нужны для построения алгоритмов диагностирования формализованными методами. Другим важным назначением моделей объектов диагностирования является их применение для формализованного анализа заданных (в том числе построенных интуитивно, вручную) алгоритмов диагностирования на

15

полноту обнаружения, на глубину поиска дефектов или на предмет построения диагностических словарей.

Построение алгоритмов диагностирования заключается в выборе такой совокупности элементарных проверок, по результатам которых в задачах обнаружения дефектов можно отличить исправное, или работоспособное, состояние или состояние правильного функционирования объекта от его неисправных состояний, а также в задачах поиска дефектов различать неисправные состояния (или группы неисправных состояний).

При построении алгоритмов диагностирования по явным моделям объектов элементарные проверки выбирают попарным сравнением тех описаний, технические состояния которых требуется различать. В задачах тестового диагностирования составы контрольных точек объекта часто определены предварительно и они одинаковы для всех элементарных проверок. В таких случаях выбирают только входные воздействия элементарных проверок – это задачи построения тестов. В задачах функционального диагностирования, наоборот, входные воздействия элементарных проверок определены заранее рабочим алгоритмом функционирования объекта и выбору подлежат только составы контрольных точек.

Формализованные методы построения тестов нашли широкое применение для дискретных объектов и редко применяются для аналоговых объектов. Последнее объясняется тем, что для аналоговых объектов не является естественным ни выделение значительного числа различных входных воздействий, ни, главное, определение значений ответов на эти воздействия исправного объекта и его неисправных модификаций.

Построение алгоритмов функционального диагностирования со-

стоит в определении условий работы средств, реализующих эти алгоритмы. Средства функционального диагностирования, как правило, встроены в объект диагностирования и часто называются средствами встроенного контроля. Обычно стремятся к тому, чтобы при нормальном функционировании объекта в условиях применения его по назначению средства встроенного контроля на своих выходах выдавали известные постоянные значения сигналов и меняли эти значения при нарушении правильности функционирования объекта. На этом принципе строятся схемы встроенного контроля дискретных объектов (схемы сравнения, схемы контроля по модулю и др.). Эту же идею применяют при построении средств встроенного контроля методом избыточных переменных для аналоговых объектов. При организации проверки

16

правильности функционирования или поиска дефектов, нарушающих правильное функционирование аналоговых объектов, на основе допускового способа контроля параметров задача построения алгоритмов диагностирования сводится к выбору составов контрольных точек.

Эффективность процессов диагностирования, оцениваемая, например, временем диагностирования или затратами аппаратуры на хранение и реализацию алгоритмов диагностирования, в некоторых случаях существенно зависит от качества последних.

Оптимизация алгоритмов диагностирования возможна тогда, когда число элементарных проверок, достаточных для решения конкретной задачи диагностирования, меньше числа всех допустимых (т. е. физически возможных и реализуемых) элементарных проверок данного объекта. Для разных элементарных проверок могут требоваться разные затраты на их реализацию; эти проверки могут давать разную информацию о техническом состоянии объекта. Кроме того, одни и те же элементарные проверки могут быть реализованы в различной последовательности.

Поэтому для решения одной и той же задачи диагностирования (например, проверки исправности) можно построить несколько алгоритмов, различающихся либо составом элементарных проверок, либо последовательностью их реализации, либо, наконец, тем и другим вместе и поэтому, возможно, требующих разных затрат на их реализацию.

Необходимость увеличивать производительность труда на операциях диагностирования, сокращать время обнаружения, поиска и устранения неисправностей, уменьшать объёмы и сложность средств диагностирования вызывает интерес к разработке методов построения оптимальных алгоритмов, требующих минимальных затрат на их реализацию. Построение оптимальных алгоритмов во многих случаях сопряжено с трудностями вычислений, и поэтому зачастую ограничи-

ваются оптимизированными алгоритмами диагностирования, затра-

ты на реализацию которых как-то уменьшены, но не обязательно минимальны.

Задачи построения оптимальных алгоритмов диагностирования при невысокой размерности могут успешно решаться методами обработки таблиц покрытий (для безусловных алгоритмов) и методами теории вопросников (для условных алгоритмов).

Эффективность процессов диагностирования определяется не только качеством алгоритмов диагностирования, но и не в меньшей степени качеством средств диагностирования. Последние могут быть

аппаратурными или программными, внешними или встроенными,

17

ручными, автоматизированными или автоматическими, специализированными или универсальными.

Наличие объективных статистических данных о вероятностях возникновения дефектов, а также о средних затратах на обнаружение, поиск и устранение дефектов расширяет возможности эффективной организации процессов диагностирования. Для сбора таких данных необходимо применять надёжно работающие внешние и встроенные средства диагностирования, обеспечивающие получение объективной и полной информации.

Выбор или разработка средств тестового диагностирования должны осуществляться с учетом многих факторов: наличия серийного выпуска требуемых средств, наличия подходящих средств на заводеизготовителе объекта, массовости выпуска объекта и его сложности, требуемой производительности средств и т. п.

Средства функционального диагностирования являются, как правило, встроенными и поэтому разрабатываются и создаются одновременно с объектом.

Традиционные подходы к организации диагностического обеспечения не могут быть успешно применены для объектов высокой сложности, в том числе для объектов вычислительной техники, построенных на элементах высокого уровня интеграции. Для таких объектов важными становятся проблемы повышения их контролепригодности.

1.2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Термин «диагностика» произошёл от греческого слова «диагнозис», означающего «распознавание, определение». Отсюда следует, что термин «техническая диагностика» обозначает определение состояния технических объектов. Вместе с тем согласно ГОСТ 20911–89 техническая диагностика определяется как «область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов». Следовательно, основные цели технической диагностики – это:

определение технического состояния объекта;

разработка методов определения технического состояния объекта;

разработка средств определения технического состояния объекта. При определении технического состояния объекта выделяются три

типа задач.

18

Первая задача: диагностика – определение состояния, в котором объект находится в настоящий момент времени.

Вторая задача: прогностика – предсказание состояния, в котором объект окажется в наперёд заданный момент времени.

Третья задача: генетика – определение состояния, в котором объект находился в некоторый момент времени в прошлом.

В состав задач технического диагностирования, нормированных ГОСТ 20911– 89, входят также:

определение располагаемого (остаточного) на момент диагностирования ресурса работоспособности устройства (изделия);

поиск места и установление причины отказа, а именно:

o поиск (распознавание) дефектов и мест их нахождения;

o распознавание причин возникновения и развития дефектов; o создание модели развития дефекта;

o управление развитием выявленных дефектов;

o определение состава дефектов, устранение которых необходимо для восстановления требуемого ресурса работоспособности;

прогнозирование технического состояния, имеющее цель определить с заданной вероятностью интервал времени (ресурса), в течение которого сохранится работоспособное (исправное) состояние объекта, или вероятность сохранения работоспособного (исправного) состояния объекта на заданный период времени.

1.3. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИКИ ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА

Методы и средства диагностирования ПС используются для имитации режимов их работы, измерения диагностических параметров и служат основой для постановки диагноза.

По видам измеряемых диагностических параметров методы и средства диагностирования подразделяются на две группы [3]:

функциональные, соответствующие параметрам эффективности работы транспортного средства (мощность, тормозной путь и т. д.);

локальные, соответствующие параметрам процессов, сопутствующих функционированию объекта (нагрев, вибрация и т. д.), или же структурным, геометрическим параметрам.

Первая группа методов и средств предназначается главным образом для определения работоспособности объекта в целом, т. е. для

19

общего (комплексного) диагностирования. Локальные методы и сред-

ства обеспечивают поэлементное диагностирование.

По способу исполнения диагностические средства разделяются на стендовые и портативные. На транспортных предприятиях применяют стенды для диагностирования тяговых качеств подвижного состава, для диагностирования тормозов, ходовых частей и комбинированные. К портативным средствам диагностирования относятся приборы, обеспечивающие диагностирование по изменению акустических параметров, по периодически повторяющимся процессам и циклам, по тепловому состоянию, по геометрическим размерам и т. д.

Принципиальное значение приобретает классификация методов и средств диагностирования по схеме их применения – в стационарных условиях или в движении. Ходовое диагностирование проводится во время движения при помощи встроенных датчиков и портативных диагностических устройств. Ходовые испытания по своему характеру являются наиболее ответственными, так как при этом ПС подвергается одновременному воздействию целого ряда факторов, имитация которых при стендовых испытаниях либо практически невозможна, либо трудновыполнима. Вместе с тем при ходовых испытаниях затруднительно выявить влияние отдельных факторов на работу двигателя, трансмиссии, ходовой части и т. д.

Стационарное диагностирование обеспечивает техническое обслуживание и ремонт транспортного средства в производственных помещениях предприятий. Стендовые испытания позволяют уменьшить, а иногда и полностью исключить влияние различного рода случайностей на процесс диагностирования и более достоверно выявить степень влияния того или иного фактора как на объект диагностирования в целом, так и на различные его элементы. Кроме того, стендовые испытания имеют следующие преимущества перед ходовыми: высокую точность результатов испытаний, безопасность их проведения на любых скоростях, малые затраты на проведение испытаний, возможность стандартизации условий испытаний.

Методы и средства диагностирования должны отвечать следующим требованиям [4]:

обладать достоверностью измерений;

иметь высокую надёжность;

отвечать требованиям технологичности;

обладать минимальным энергопотреблением.

Перечисленные требования связаны между собой и зависят от целей и объекта диагностирования (вида транспортного средства).

20