Системы технической диагностики

Автоматический поиск и локализация неисправ­ностей (техническая диагностика) относится к автоконтролю, так как при этом устанавливает­ся соответствие между состоянием объекта кон­троля и заданной нормой. Однако в рассмот­ренных ранее системах автоконтроля устанавли­вался только факт работоспособного и нерабо­тоспособного состояния (параметры в норме или за границами нормы).

В системах технической диагностики ставит­ся более сложная задача: не только установле­ние факта работоспособности, но и нахождение местоположения отказа (локализация неисп­равностей). Это достигается специальными ме­тодами и способами поиска неисправностей, реализующимися алгоритмами диагностики. Восстановление отказавшей системы или уст­ройства в результате нахождения места повреж­дений достигается в современной аппаратуре заменой отказавшего модуля работоспособным. Разделение на типовые модули упрощает поиск неисправностей и эксплуатацию аппаратуры.

Общее число возможных состояний S объек­та контроля при разделении его на N функциональных элементов для принятых условий по­иска

.

Определение такого большого числа состоя­ний даже при N>7 связано с техническими трудностями.

Поэтому ограничиваются предпо­ложением, что отказал только один из N функциональных элементов, т.е. ограничиваются одиночными отказами, число которых

.

Функциональные модели являются удобной формой представление объекта контроля для поиска неисправностей во многих аналоговых и дискретных устройствахза исключением, на­пример, резервированных систем. В последнем случае используются логическая модель объекта контроля, которая строится также на основе структурной схемы. Отличие заключается в том, что входные и выходные сигналы рассматривают­ся как логические переменные, принимающие только два возможных значения “0” и “1”. Состояния объекта контроля определяются путем формального применения алгебры логики.

Для поиска неисправностей применяются последовательный, комбинационный и различные сочетания последовательно-комбинационного метода, в соот­ветствии с которыми разрабатывается программа поиска, последовательный метод заключается в таком построении процедуры поиска неисправностей, при котором информация о состоянии отдельных функциональных элементов вводится и логичес­ки обрабатывается последовательно. Реализация метода заключается в основном в определении очередности контроля выходных параметров функциональных элементов. Программа поиска при этом может быть жесткой или гибкой.

Жесткая программа предусматри­вает контроль выходных параметров функциональных элементов по заранее определенной последовательности. В отличие от этого по гибкой программе содержание и порядок после­дующих проверок зависят от предыдущих результатов.

Такая программа требует более сложной логи­ческой обработки результатов контроля и при­меняется в комплексе с более производительными ЭВМ.

Системы для автоматического поиска неисп­равностейотносят к отдельному классу систем технической диагностики, т.е. они отличаются более сложной логической частью, реализующей способы поиска неисправностей. Включение датчиков и структура системы технической диагностики в остальном существенно не отли­чается от систем автоконтроля или измери­тельных систем.

Рассмотрим способы поиска и локализации неисправностей. Прежде всего для автомати­ческого поиска неисправностей системы или устройства должны обладать следующими свойст­вами (условия для поиска):

- могут находиться только в двух взаимоисключающих различных состояниях; работоспо­собное и неработоспособном (1 или 0);

- могут быть разделены на отдельные функ­циональные элементы, каждый из которых может одновременно находиться только в работоспо­собном или неработоспособном состоянии (1 или 0).

В связи с неограниченным разнообразием подлежащих диагностике устройств задачи ав­томатического поиска неисправностей могут быть решены только путем составления их упрощенных моделей и разработкой методов диагностики на модели.

Наиболее часто устройства представляют в виде функциональных или функционально-логических моделей. Функциональная модель объекта контроля может отличаться от структурной схемы выбором функциональных уз­лов и элементов. Так, при построении обычной структурной схемы исходят из закономерностей процессов, описывающих работу устройства. В случае построения функциональной модели для поиска неисправностей выбор функциональных элементов (узлов) определяется точностью ло­кализации неисправностей (например, с точ­ностью до одного модуля).

Функциональная модель строится при опреде­ленных предположениях, которые в основном сводятся к тому, что для каждого функциональ­ного элемента заданы номинальные значения входных и выходных сигналов, их функциональная зависимость и способ контро­ля. Функциональный элемент модели считается неисправным, если при номинальных его входных сигналах выходные сигналы отличаются от номи­нальных.

При комбинационном методе поиска неисправ­ностей вначале вводятся все результаты контроля параметров, а затем они логически обрабаты­ваются. Естественно, что такой метод требует более сложной обработки.

Для реальных систем возможно большое разно­образие программ поиска неисправностей, требу­ется большой объем исходной информации о состоянии объектов контроля и сложная логическая обработка результатов контроля. Поэтому раз­работаны приближенные способы построения оптимальных программ поисканеисправностей. Эти программы в основном представляют собой много­шаговый процесс поиска с выбором на каждом ша­ге лучшего варианта по экстремуму заданной функции предпочтения.

Перечислим некоторые распространенные спо­собы построения программ поиска неисправнос­тей:

1) способ последовательного функционального анализа;

2) способ половинного разбиения;

3) способ время-вероятность;

4) способ с применением информационного контроля;

5) способ построения программ методом ветвей и границ;

6) способ построения программы поиска по иерархическому принципу;

7) инженерный способ.

Кратко рассмотрим только первый из них. Способ последовательного функционального анализа был одним из первых способов постро­ения программ поиска неисправностей. Прежде всего, при этом способе определяются основные функции диагностируемых устройств, выполнение которых позволяет считать, что и все устройст­во выполняет поставленные передним задачи. К таким функциям относят:

- функцию генерирования сигналов на выходе устройства;

- функцию приема и преобразования сигналов;

- функцию отображения сигналов,

- функцию управления,

- функцию электропитания и др.

Контроль работоспособности всего устройст­ва зависит от контроля за выполнением всех пе­речисленных функций, для этого выбираются и контролируются параметры, от которых зависит выполнение основных функций, И если одна из перечисленных функций не выполняется по одно­му из контролируемых параметров, то возникает задача поиска неисправностей. При этом пара­метр, вышедший за границы допусков, рассматри­вается как функция других аргументов. Схему поиска неисправностей называют дерево функций.

Автоматический поиск неисправностей в сложных системах относится к интересным и быстроразвивающимся направлениям в науке и технике.

Оценку и выбор диагностических программ можно производить, исполь­зуя информационные, минимаксные или другие критерии, в наибольшей степени соответствующие ха­рактеру объема и задач исследования.

При наличии большого количества элементов и сложных свя­зей между ними диагностические тесты существенно усложня­ются.

Системы технической диагностики (СТД) сложных технических
объектов, реализующие диагностические программы, которые по­зволяют выявлять и локализовать аппаратурные неисправности и программные ошибки, основываются на использование ЭВМ или УВМ, обладающих достаточной емкостью памяти, соответст­вующим быстродействием и другими характеристиками. В состав
таких СТД обязательно входят генераторы тестовых сигналов,
устройства сбора аналоговой и дискретной информации. По суще­ству, такие СТД выполняют не только функции диагностики, по и контроля и измерения, сопровождающиеся необходимыми вычис­лительными процедурами.

Особую сложность для диагностики представляют цифровые информационные устройства. Помимо огромного количества эле­ментов и связей между ними при диагностике необходимо учиты­вать, что в таких устройствах возможно проявление дефектов на определенных частотах и на различных последовательностях сиг­налов, что кроме аппаратных неисправностей имеются програм­мные ошибки. Все сказанное настоятельно потребовало создания новых методов и относительно простых и доступных средств диа­гностики, удовлетворяющих требованиям как разработчиков, так и потребителей цифровых устройств.

Такие методы и средства были созданы и реализованы в виде так называемых тестеров, которые могут быть как встроенными в ИИС, так и мобильными.

Широкое распространение цифровых информационных уст­ройств, особенно микропроцессоров и микро-ЭВМ потребовало разработки более простых и эффективных методов и средств вы­полнения диагностических процедур. В США был разра­ботан метод, названный сигнатурным анализом. Идея его основа­на на преобразовании (сжатии) длинной выходной двоичной последовательности контролируемого объекта в короткое слово, на­зываемое сигнатурой, или ключевым кодом. Сопоставление на­бора сигнатур, полученных в различных узлах (внутренних и внешних) контролируемого объекта, с аналогичным набором об­разцовых сигнатур, заранее рассчитанных или полученных с заве­домо исправного устройства, позволяет локализовать неисправ­ный элемент с точностью, определяемой структурой объекта и выбором контрольных точек.

В качестве ключевых кодов могут быть использованы различ­ные характеристики двоичных последовательностей – количеству единиц, количество переходов – изменений значений двоичных символов на противоположные значения и т. п.

Примером подобной разработки может служить система тестирования оборудования самолетов и вертолетов на базе PXI-платформы компании Beta-Air, перед которой стояла задача разработать гибкую надежную систему с открытой архитектурой для про­верки демонтированного бортового оборудования самолетов и вертолетов любых производителей.

Используя гибкую модульную PXI-платформу компании National Instruments создала надежную систему. Позволяющую проводить тестирования в автоматизированном режиме.

Система НАСКД-200 (рис. 5.26) используется при входном контроле бортового обору­дования, регламенте и при подозрении на отказ бортового оборудования по информации экипажа, техсостава или встроенных средств контроля. В про­цессе разработки компания Beta Air использовала следующее модульное оборудование: NI PXI-4070 – цифровой мультиметр для измерения электрических параметров тестируемого оборудования; NI PXI-5122 – высокочастотный осциллограф; NI PXI-6704 – модуль аналогового вывода; NI PXI-5421 – высокочастотный генератор сигналов произвольной формы; NI PXI-5660 – векторный анализатор РЧ сигналов; NI PXI-5671 – векторный генератор РЧ сигналов; NI PXI-6608 – модуль с высокочастотными 32-битными счетчиками и цифровым вводом-выводом.

Рис. 5.26. Система НАСКД-200 компании Beta Air для тестирования бортового оборудования самолетов и вертолетов на базе PXI-платформы

Разработанная система позволяет выполнять широкий спектр тестовых
испытаний, включая: тестирование топливной системы, противопожарного
оборудования, специального пожарного оборудования, радиоэлектронного
оборудования, светотехнического оборудования, противообледенительной
системы, системы обмыва и обогрева стекол летчиков, а также системы уп­равления. Использование PXI-оборудования компании National Instruments
позволило быстро и эффективно создать тестовую систему, удовлетворяю­щую современным.