Средства технического диагностирования

Средства технического диагностирования оценивают состояние объекта. Они включают в себя программные средства (ПСД), ремонтно-эксплуатационную документацию (РЭД) и аппаратурные (технические) средства (ТСД) (рис.10.1).

Программные средствадиагностирования - пакеты программ, используемые для диагностирования ЭВМ.

Ремонтно-эксплуатаци-онная документация – таблицы дефектов, методики поиска дефектов, ремонтные схемы, схемы электрических соединений, принципиальные электрические схемы.

Ремонтные схемы представляют собой наглядные пособия, где указаны основные сигнальные цепи, изображен вид сигналов в различных контрольных точках и приведено структурное разбиение системы, устройства на функциональные узлы (ФУ), а тех в свою очередь – на схемы (каскады) с указанием выполняемых ими функций. На ремонтной схеме (рис.10.2) каждый функциональный элемент (ФЭ) узла показан в виде буквенно-цифровым обозначением элементов схемы, на которых выполнен данный функциональный элемент (каскад). Направление прохождения основных сигналов указывается стрелками. Приводится вид сигналов на входах и выходах всех составляющих ФУ каскадов. Кроме того, на ремонтной схеме отмечены органы регулировки, устройства индикации и внутренние органы регулировки. У каждого каскада обозначаются входы и выходы, например, у транзистора: б – база, к – коллектор.

Ремонтные схемы даются для всех ФУ, входящих в систему или устройство. В некоторых случаях на все устройство приводится одна общая ремонтная схема.

Полезным видом технической документации для поиска дефектов в системе является схема электрических межсоединений (рис.10.3).

С ее помощью можно определить место в схеме системы, наиболее доступное для проверок. На схеме электрических межсоединений изображаются кабельные соединения между отдельными ФУ системы. Для удобства чтения схемы на нее наносят условные обозначения кабельных разъемных соединений. С помощью такой схемы можно определить прохождение от ФУ к ФУ сигнальных и управляющих линий, а также шин питания.

При проверке узлов, не показанных на ремонтных схемах, а также для определения подлежащей восстановлению ветви в локализованной неработоспособной схеме (каскаде) крайне полезны принципиальные электрические схемы. На них изображаются компоненты с помощью условных графических обозначений, образующих законченные схемы какого-либо устройства или оборудования (рис.10.4). Рядом с каждым компонентом дается его буквенно-цифровое обозначение и указывается тип или номиналы компонентов.

Для поиска причины отказа ОД – элемента с помощью принципиальных электрических схем необходимы таблицы напряжений и сопротивлений. В них приводятся рабочие значения напряжений и сопротивлений относительно корпуса (или другой точки схемы), измеренные на всех выводах транзисторов (интегральных схем). Кроме того, здесь же указываются условия, при которых следует выполнять измерения. Это могут быть, например, требования установки органов управления в определенное положение или же описание необходимых условий эксплуатации устройства. При этом бесконечное сопротивление свидетельствует о наличии обрыва, а нулевое – о коротком замыкании на корпус или опорную точку, приведенную в таблице сопротивлений.

Технические средства диагностирования представляют собой приборы или устройства, предназначенные для решения различных задач, возникающих при определении технического состояния объектов диагностирования. Состав и принцип построения ТСД определяются решаемыми задачами диагностирования, степенью воздействия на оборудование, степенью встраивания, способами получения информации, способами обработки информации о состоянии оборудования, степенью автоматизации, степенью универсальности и подвижности.

В зависимости от решаемых задач диагностирования можно выделить следующие виды ТСД:

контроль работоспособности;

поиск дефектов;

прогнозирование изменения состояния;

контроль работоспособности и прогнозирование изменения состояния;

контроль работоспособности и поиск дефектов;

контроль работоспособности и прогнозирование изменения состояния, поиск дефектов.

По степени воздействия на оборудование ТСД разделяются на активные и пассивные. Пассивные ТСД выполняют анализ информации о состоянии оборудования, для чего воспринимают, обрабатывают и оценивают диагностические признаки. Активные ТСД воздействуют на оборудование, подавая на входы, отведенные для целей диагностирования, сигналы, стимулирующие реакцию оборудования, которая затем оценивается.

Конструктивно ТСД могут полностью или частично относиться к объекту (встроенные) или выполняться отдельно от конструкции объекта (внешние). То или другое конструктивное исполнение ТСД определяется в основном особенностями эксплуатации оборудования. Степень встраивания может быть определена как отношение интенсивности отказов встроенных в объект частей ТСД к интенсивности полностью внешних частей ТСД, т.е.,

.

Для внешних ТСД = 0, для полностью встроенных = 1 и для частично встроенных 0< <1.

По способу получения информации о состоянии оборудования ТСД делятся: на средства для определения состояния по совокупности параметров ТСД-П и для оценки состояния по сигналам ТСД-С. В первом случае обрабатывается информация, снимаемая в контрольных точках, специально предусмотренных в оборудовании. Во втором случае для возможности оценки реакции на рабочем выходе в состав ТСД включают эквивалентную модель, а диагноз устанавливается путем сравнения реакции оборудования и модели на одинаковые входные воздействия.

По способу обработки информации ТСД могут быть последовательного, параллельного и параллельно-последовательного действия.

ТСД последовательного действия осуществляют последовательный прием, измерение, контроль и обработку информации. Они отличаются простотой, использованием минимального числа преобразований, средств измерения и контроля. Однако при этом способе результат формируется по отдельному признаку после каждой проверки.

ТСД параллельного действия осуществляют одновременно измерение и контроль всех параметров, что сокращает время формирования общего диагностического признака, по которому осуществляется оценка и прогнозирование состояния оборудования. Их обычно используют при жестких ограничениях на время диагностирования.

ТСД параллельно-последовательного действия осуществляют одновременный прием и обработку информации по нескольким каналам. При этом анализ результатов выполняется после реализации группы проверок, т.е., измерения или контроля группы показателей. Подобные ТСД сложнее ТСД последовательного действия, но более эффективны. По степени автоматизации ТСД разделяются на ручные, автоматизированные и автоматические. ТСД, требующие активного участия оператора при их использовании, относятся к ручным. Это – все используемые в процессе диагностирования измерительные приборы (осциллографы, генераторы синусоидальных, импульсных сигналов и др.). ТСД, при использовании которых роль человека-оператора сводится к выполнению отдельных, достаточно простых операций (включение, переключение, выключение и т.д.), относятся к автоматизированным ТСД. ТСД, которые функционируют без участия человека-оператора, считаются автоматическими. Условной границей между этими ТСД может быть доля времени, затрачиваемого на выполнение операций автоматически , в общем времени диагностирования , т.е. К_a = / . Если время на автоматическое выполнение операций составляет до 0.1 , то ТСД ручные, а если не менее 0.9 , то ТСД автоматические.

По степени универсальности ТСД разделяются на специализированные и универсальные.

Специализированные ТСД предназначены для диагностирования однотипных элементов, универсальные – для диагностирования элементов различного назначения и конструктивного исполнения.

Универсальные ТСД могут быть использованы для оценки состояния оборудования после изготовления и в период эксплуатации. Такие ТСД часто строятся с применением ЭВМ. В этом случае переход от одного типа оборудования к другому осуществляется путем смены внешней программы диагностирования без изменения структуры ТСД. Универсальные ТСД, как правило, проектируются с "открытыми входами" под унифицированные сигналы первичных измерительных преобразователей. Универсальные ТСД отличаются гибкостью, т.е. возможностью ввода новых программ диагностирования. Следует заметить, что универсальные ТСД достаточно сложны и дорогостоящи, а для их обслуживания требуются специалисты высокой квалификации.

Так, универсальными средствами диагностирования являются ТСД, предназначенные для анализа вибрационных полей вращающихся механизмов или определения металлических включений в смазочном масле. К специализированным ТСД относятся, например, ТСД для диагностирования энергетических установок или систем автоматического управления ими, замера электромагнитных полей.

В зависимости от степени подвижности ТСД могут быть выполнены переносными, передвижными и стационарными. Стационарные ТСД чаще всего размещаются на диагностических станциях, испытательных и контрольных центрах. Передвижные ТСД монтируются на самоходных или несамоходных транспортных средствах.

В общем виде структурная схема ТСД представлена на рис.10.6. Оценка состояния при рабочем диагностировании осуществляется по совокупности признаков {х_i}, преобразуемых в принятый вид сигналов { } с помощью датчиков. При этом диагностирование может выполняться как по результатам измерений, полученных в блоке коммутации и измерений БКИ, так и непосредственно по сигналам с датчиков в случае допускового контроля и поиска дефектов. В результате обработки полученных с БКИ и поступающих с блока памяти БП сигналов в блоке обработки БО формируется "диагноз", который фиксируется в блоке индикации БИ, включающем схемы управления и световую (звуковую) индикацию, и в блоке регистрации БР в виде шлейфного осциллографа, печатающей машинки или принтера.

При тестовом диагностировании предполагается воздействие на объект с помощью тестов Т, формируемых в блоке генерирования БГТ и коммутируемых при необходимости коммутатором тестов. Программа диагностирования реализуется с помощью команд управления , вырабатываемых в блоке управления БУ. С целью повышения достоверности вводится режим самоконтроля. Самоконтроль ТСД осуществляется подачей собственного тестового сигнала на вход БКИ и сравнением с известным результатом. При возможных сбоях необходимо предусмотреть повторение программы самоконтроля.

Управление работой ТСД обеспечивает организацию процесса диагностирования на различных технических средствах, заключающихся в согласовании во времени работы отдельных частей ТСД, переключении режимов работы, управлении потоками диагностической и управляющей информации. Управление может осуществляться вручную с пульта управления оператора ПО, автоматически по командам блока управления и автоматически по программе, хранящейся в памяти. Каждой отдельной проверке соответствует группа команд, выполнение которых обеспечивает образование необходимых соединений в БКИ, требуемую настройку БГТ, выдачу диапазонов измерительных схем и допусков схем сравнения.

В качестве устройств индикации используются различные табло, цифровые индикаторные приборы, электронные лучевые трубки, которые позволяют визуально оценивать, измерять и анализировать контролируемые параметры и характеристики различной физической природы, что позволяет оператору принимать решения о состоянии объекта. Регистрирующие устройства, как правило, фиксируют дату диагностирования, номер объекта, шифр операции, номер оцениваемого признака, его измеренное значение и обобщенную оценку состояния объекта (работоспособен или не работоспособен; место дефекта и т.д.).

Процессом диагностирования управляет человек-оператор, который с пульта оператора включает и выключает средства диагностирования, выбирает режим диагностирования, обеспечивает самоконтроль электроустановок диагностирования.

Показатели технических средств диагностирования. ТСД выбирают или разрабатывают в процессе проектирования систем диагностирования. Эффективность ТСД оценивается совокупностью показателей, основными из которых являются показатели надежности, метрологические показатели и массогабаритные показатели.

Показатели надежности ТСД характеризуют:

вероятность безотказной работы Р_т(t), т.е., вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ ТСД не возникает. Величина вероятности безотказной работы рассчитывается по различным формулам в зависимости от закона распределения отказов элементов. Для экспоненциального закона ,где – интенсивность отказов ТСД;

коэффициент готовности К_г представляет собой вероятность того, что ТСД окажутся работоспособными в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование их по назначению не предусматривается, и характеризует как безотказность, так и ремонтопригодность ТСД. Коэффициент готовности рассчитывается по формуле:

,

где Т_Т – наработка на отказ; Т_в – среднее время восстановления;

вероятность правильной работы ТСД

Р_ф = К_ГР_т(t).

Метрологические показатели характеризуют точность измерения ТСД, которая в большой степени влияет на инструментальную достоверность. Точность можно определить так называемой мерой точности

,

где – среднеквадратичная погрешность.

Поскольку составляющие погрешности отдельных функциональных элементов ТСД можно считать независимыми, то, применив предельную теорему вероятности, можно предположить, что закон распределения погрешности близок к нормальному

.

Мера точности зависит от сложности ТСД и определяется точностью отдельных операций в процессе диагностирования.

При постановке диагноза могут возникать случайные и систематические погрешности, обусловленные погрешностями измерительного тракта ТСД и нестабильностью метода измерения. Систематические погрешности, характер изменения которых известен, учитываются при выборе допуска на параметры. Случайные же погрешности всегда будут вносить неопределенность при оценке результата диагностирования. Погрешности метода измерения приводят к ошибкам в оценке состояния объекта, определяемыми при вероятности ошибки первого и второго рода. Иногда кроме статической погрешности следует учитывать и динамическую погрешность измерения, влияние которой весьма существенно при изменении переменной величины. Причем чем быстрее изменяется параметр, тем больше погрешность измерения в данном интервале времени.

Значительный вклад в ошибки при постановке диагноза вносят датчики, первичные преобразователи, коммутаторы и элементы измерительного тракта. В общем случае погрешность складывается из погрешности датчиков , нормализаторов и коммутаторов , т.е.

,

которая составляет единицы процентов.

При проектировании ТСД необходимо учитывать, что неразумное завышение требований относительно точности приводит к усложнению средств, а следовательно, и к снижению их надежности и увеличению стоимости. Цифровым измерительным устройствам свойственна более высокая точность, достигающая 0.01%.

Массогабаритные показатели ТСД можно охарактеризовать величиной компактности

W = G/V,

где G – масса; V – занимаемый объем.

Требования минимально возможной стоимости, малой массы, габаритов являются общими для любых технических средств.

Человек-оператор

Третьим элементом в системе диагностирования является человек-оператор (ЧО). На рис.10.6 приведена схема, характеризующая деятельность ЧО. Из рисунка видно, что для ЧО присуще наличие приемных устройств ПУ (органов восприятия информации), решающей системы РС и выходных устройств ВУ.

Основнымисредствами приема информации у ЧО являются зрение и слух.

В обычной жизни по зрительному каналу человек получает 80% всей информации. Условно все поле зрения глаза человека разбивается на три зоны: зону наиболее четкого видения (2⁰); зону ясного видения (22⁰ по вертикали, 30⁰ по горизонтали), когда при неподвижном глазе можно опознать предмет, не различая мелких деталей, и зону периферического зрения, где предметы не опознаются. Зона периферического зрения играет важную роль в ориентации по внешней обстановке. Число точечных объектов, которое может быть одновременно воспринято, 7. Пропускная способность зрительного тракта составляет 20...70 бит/c.

Через слуховой канал человек воспринимает около 15 % информации. Звук характеризуется звуковым давлением, выраженным в децибелах, от исходного уровня, равного 0.0002 дин/cм или силой звука от уровня 10^-9 эрг/(см∙c). Пороговые значения зависят от времени предъявления сигнала и положения человека. Для практической деятельности достаточно 75 % разборчивой речи, что имеет место при повышении громкости голоса над уровнем шума более чем в 6 раз.

Основной характеристикой решающей системы ЧО является надежность. Надежность ЧО определяют как его способность сохранять качество работы не ниже допустимого уровня при заданных условиях трудовой деятельности. Количественными показателями надежности функционирования ЧО являются:

вероятность безошибочно-безотказного выполнения предписанного способа функционирования А_f при условии, что учитывается возможность возникновения как ошибок F, так и устойчивых отказов S, но отсутствует их восстановление,

;

вероятность правильного выполнения способа функционирования А_f при условии, что учитывается как возможность возникновения ошибок F и устойчивых отказов S, так и возможность их устранения,

;

вероятность правильного выполнения способа функционирования А_f при условии, что учитывается как возможность возникновения ошибок F и устойчивых отказов S, так и возможность их устранения c ограничениями на время устранения ошибок и отказов ,

.

Выходными устройствами ЧО являются речь и органы движения. С помощью речи можно решать только ограниченное число задач. Наиболее эффективными средствами являются управляющие движения рук, с помощью которых ЧО воздействует на ОД и управляет работой ТСД через панель оператора ПО. Руки человека могут двигаться со скоростью от 5 до 80 см/c. Важнейшей чертой двигательного развития человека является функциональное разделение левой и правой рук. По моторным функциям в 90 % случаев правая рука оказывается ведущей, но по уровню различения статических напряжений, по осязанию – левая.

Характеристики человека-оператора взаимосвязаны. Время прохождения сигнала через схему (см. рис.10.6), складывается из интервалов времени задержек в каждом элементе

,

где – время задержек в i-м элементе; n – число функциональных элементов.

Наиболее существенной составляющей в этой сумме является время ответной реакции ЧО, которое составляет 0.11–10 с. Это время складывается из двух частей: времени от появления сигнала до начала ответного движения и времени самого движения. Первая составляющая зависит от того, на какой анализатор он воздействует, а также от характера обработки информации ЧО. Время ответной реакции также зависит от состояния ЧО, его обученности и тренированности. В реальных условиях ЧО приходится реагировать на множество сигналов, производя при этом операции выбора. Время ответной реакции в этом случае увеличивается.

Изменить характеристики ЧО в сторону их улучшения можно путем обучения и тренировок. Эти же меры приводят к сокращению времени ответной реакции и уменьшению ошибок. Ниже приведены усредненные данные о скорости моторных реакций, наиболее характерных для ЧО.

Моторная реакция ЧО оценивается размерами моторного поля, формами траектории движения, скоростью, силовыми усилиями, точностью движений, энергетическими затратами.

Под моторным полем подразумевается пространство, в котором осуществляется моторная деятельность ЧО. В моторном поле различают оптимальную и максимальную зоны. Границей максимальной зоны является поверхность, которой может достигнуть человек ростом 162 см кончиками пальцев рук и ног при фиксированном положении туловища. Оптимальная зона определяется как область с минимальными затратами энергии и времени. Для оптимальной зоны характерна и наибольшая точность движений. Оптимальная зона располагается на уровне груди и на удалении от нее до 30 см. Траектории движений могут быть самыми разнообразными, однако наиболее предпочтительны плавные эллиптические и круговые движения.

Виды движения Скорость