Средства автоматизации – основные понятия, диагностика и методы поиска неисправностей

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ, ДИАГНОСТИКИ И РЕМОНТА СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

неисправность ремонт диагностика автоматизация

Эксплуатация (от франц. exploitation -- использование, извлечение выгоды) сложных технических систем автоматизации, а также отдельных частей, узлов и элементов -- это стадия пребывания этих средств автоматизации у потребителя, на которой реализуется, поддерживается и восстанавливается их качество. Понятие эксплуатации может также включать в себя в общем случае использование по назначению, транспортирование, хранение, техническое обслуживание и ремонт. Любые технические объекты, и средства автоматизации в частности, после стадии проектирования проходят две основные стадии -- изготовление и эксплуатацию. В свою очередь, процесс изготовления можно разбить на следующие части: производство, наладка и сдача (внедрение) потребителю.

Требования, которым должен удовлетворять новый изготовленный эксплуатируемый объект, определяются соответствующей нормативно-технической документацией. Объект, удовлетворяющий всем требованиям нормативно-технической документации, является исправным или находящимся в исправном техническом состоянии. Также используют термин «работоспособность» -- способность объекта выполнять все заданные ему функции с сохранением заданных значений параметров или признаков в требуемых пределах.

Неисправное и неработоспособное техническое состояние, а также техническое состояние неправильно функционирующего объекта автоматизации, могут быть конкретно указаны путем перечисления соответствующих дефектов, нарушающих исправность, работоспособность или правильность функционирования и относящихся к одной или нескольким составным частям объекта автоматизации, либо к объекту в целом [1].

Дефект (от лат. defectus) -- изъян, недостаток, недочет. Обнаружение и поиск дефектов являются процессами определения технического состояния объекта автоматизации и называются общим термином «диагностирование».

Диагноз (от греч. diagnosis) -- распознавание, определение. В свою очередь, задачами диагностирования являются: проверки исправности, работоспособности и правильности функционирования объекта, поиск дефектов. Диагностирование, как процесс, осуществляется теми или иными средствами диагностирования. Эти средства могут быть аппаратурными или программными. Средства и объект диагностирования, взаимодействующие между собой образуют систему диагностирования. Различают системы тестового и функционального диагностирования [6]. При тестовом диагностировании на объект подают специально подготовленные тестовые воздействия. При функциональном диагностировании, диагностирование происходит в процессе применения объекта по назначению. При этом на объект поступают только рабочие воздействия, предусмотренные самим ходом его функционирования. В обеих системах средства диагностирования воспринимают и анализируют ответные реакции объекта на входные воздействия и выдают результат диагностирования -- диагноз.

Системы тестового диагностирования предназначены для проверки исправности и работоспособности, а также для поиска дефектов, нарушающих исправность и работоспособность объекта. Системы функционального диагностирования применяются для проверки правильности функционирования и для поиска дефектов, нарушающих правильное функционирование объекта.

Последовательность действий при диагностировании называется алгоритмом диагностирования и, как правило, включает в себя совокупность, так называемых, элементарных проверок объекта, а также правил, устанавливающих последовательность реализации элементарных проверок и правил анализа результатов. Каждая элементарная проверка определяется своим тестовым или рабочим воздействием, подаваемым или поступающим на объект, и составом контрольных точек, с которых снимается ответная информация с объекта. Результатом элементарных проверок являются конкретные значения ответных сигналов объекта в соответствующих контрольных точках.

Контроль -- процесс сбора и обработки информации с целью определения событий. Если событием является факт достижения некоторым параметром объекта определенного заданного значения (уставки), то можно говорить о контроле параметров. В связи с этим системы тестового диагностирования являются разновидностью систем управления, так как в них реализуется выработка и осуществление специально организованных тестовых (управляющих) воздействий на объект, с целью определения технического состояния последнего. Системы функционального диагностирования можно считать системами контроля, не требующими подачи на объект целенаправленных воздействий. Дефект -- отдельное несоответствие установленным требованиям.

В процессе технического обслуживания, как комплекса работ по поддержанию исправности и работоспособного состояния объекта, предусмотрены различные виды работ. В техническое обслуживание входят работы по непосредственному обеспечению работоспособности оборудования, такие как: профилактика, различные виды ремонтов, контрольные мероприятия; а также конкретные мероприятия и работы технической подготовки к эксплуатации объекта автоматизации, большая часть которых выполняется без снятия и разборки отдельных узлов и агрегатов объекта.

Профилактика -- совокупность технических мероприятий, предохраняющих объект от преждевременного износа, поломки.

Ремонт (от франц. remonte -- поправить, пополнить, снова собрать) -- совокупность организационных и технических мероприятий, осуществляемых с целью восстановления исправности и работоспособности технического устройства (изделия). Ремонт разделяется на текущий, средний и капитальный. Текущий ремонт направлен на устранение отказов и неисправностей, возникающих в процессе работы объекта; средний и капитальный -- на восстановление частично или полностью израсходованного ресурса средств системы автоматизации.

Ремонтопригодность -- свойство средств автоматизации, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, отысканию и устранению причин и последствий повреждений (отказов) путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Отказ -- одно из основных понятий надежности -- событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта, когда один или несколько рабочих параметров выходят за допустимые пределы. Отказы возникают вследствие отказов отдельных составляющих, расстройки, разрегулирования, разрушения или изменения структуры объекта, а также при воздействии внешних помех. Различают отказы внезапные и постепенные, полные и частичные, зависимые и независимые.

2.ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ И ОТКАЗОВ В РАБОТЕ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

Неисправность, неисправное состояние -- состояние системы, устройства, при котором имеет место несоответствие одному или нескольким требованиям, предъявляемым как в отношении основных параметров, так и в отношении удобств эксплуатации, внешнего вида, комплектности и т.п. Неисправность -- более общее понятие, чем неработоспособность (нерабочее состояние). Неисправность возникает вследствие повреждения. Повреждение -- событие, заключающееся в нарушении исправности изделия. Повреждение может являться одной из причин нарушения работоспособности, т.е. отказа, причем при этом оно (повреждение) считается существенным. Несущественным повреждением считается такое повреждение, при котором работоспособность системы сохраняется [4].

Исправность -- состояние системы, при котором его основные рабочие и второстепенные параметры (внешний вид, работоспособность дополнительных и обеспечивающих удобство эксплуатации устройств) соответствуют техническим требованиям и, кроме того, система не имеет отказов резервных узлов и агрегатов. Отказы элементов системы можно разделить наследующие группы:

- отказы элементов, не влияющие на отказ системы в целом;

- отказы элементов, вызывающие частичный отказ системы;

- отказы, вызывающие полный отказ системы.

Отказы также бывают полные и перемежающиеся. Полный отказ характеризуется тем, что параметры системы выходят за установленные пределы и пока он (отказ) не будет устранен, использование системы невозможно. Перемежающиеся отказы (сбои) возникают на короткий промежуток времени, после которого система вновь восстанавливает свои свойства. Отказы также могут быть предсказываемыми (закономерными) и случайными. Для предсказываемых отказов можно с некоторой степенью вероятности установить время (момент) их появления. Случайные отказы являются результатом (следствием) большого количества факторов и сложных процессов. Вместе с тем не всегда можно установить причину отказа. В зависимости от характера изменения параметра при отказе, различают постепенные и внезапные отказы. Внезапный отказ -- мгновенно (скачкообразно) система не обеспечивает нормальной работы. Постепенный отказ -- медленное изменение параметров системы, после которого она не обеспечивает нормальной работы. Оба этих отказа условны, т.к. время, в течение которого выходной параметр выходит из допускаемых пределов, не регламентировано. Также необходимо отметить, что часто внезапный отказ системы обусловлен постепенным накоплением изменений физического состояния элементов системы или их взаимосвязей. Постепенный отказ, в свою очередь, может быть следствием накопления небольших изменений, вызываемых внезапными отказами, происходящими на более низком уровне системы. Постепенные отказы являются результатом монотонного изменения параметров от самых различных причин. Этими причинами могут быть изменения внешних самых различных физических воздействий или любое разнообразное изменение состояния элементов системы в результате внутренних физических процессов. К таким необратимым процессам можно отнести процессы естественного старения материалов или элементов, а также механический и электрохимический износ (коррозию). Большинство отказов взаимозависимо.

Интенсивность отказов элементов -- статистическая оценка. Ее нельзя рассчитать, а можно найти, имея статистические данные эксплуатации или специальных экспериментов (испытаний).

Сложные системы, к которым относятся системы автоматизации, состоящие из значительного количества простых элементов испытывать на надежность трудно или невозможно.

Кроме отказов различают также сбои систем. Сбой -- кратковременная самоустраняющаяся утрата системой работоспособности (кратковременный отказ).

Основными внешними физическими факторами, приводящими к неисправностям и отказам, являются:

- изменение температуры внутренней и внешней среды системы;

- наличие влажности;

- наличие агрессивных сред (газы, жидкости, пары, пыль, насекомые);

- влияние вибрации и ударов.

Все эти факторы приводят к естественному ухудшению параметров состояния элементов системы (естественному старению материалов) вследствие протекания различных физико-технических процессов.

Повышение температуры вызывает как постепенные, так и внезапные изменения в материалах [3]. При этом, как правило, ускоряются химические реакции. При периодических изменениях температуры, особенно около 0°C, происходят механические деформации элементов конструкций, вызывающие механические повреждения. При высоких рабочих температурах некоторые изоляционные материалы разлагаются, изменяют свою внутреннюю структуру, выделяют из себя различные газы. С изменением температуры нелинейно изменяются величины электрического сопротивления и магнитной проницаемости для многих материалов. При низких температурах у большинства пластиков и резин сильно снижается прочность на удар и повышается хрупкость. При длительном воздействии тепла происходят нежелательные изменения параметров материалов за счет медленно протекающих химических процессов, называемых тепловым старением, которое существенно ускоряется под действием других физических факторов, например, ионизирующих излучений, вибраций, ультрафиолетового излучения, механических воздействий, электрических полей. Также, при этом происходит изменение (чаще всего уменьшение) объема материалов, что приводит к растрескиванию, отслаиванию от других элементов конструкции. При низких температурах, вода, заполняя трещины, поры и зазоры, замерзает и, расширяясь на 10% в объеме, вызывает дальнейшее увеличение дефектов.

Громадное различие температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) различных материалов затрудняет конструирование и изготовление соединений и герметизации элементов систем.

Алюминий 23,8

Бронза 17,6

Железо 12,2

Золото 14,3

Инвар 0,9…1,2

Латунь 17…18

Медь 16…17

Олово 23,8

Свинец 29,1

Серебро 19,7

Титан 7,5…8,5

ТКЛР (х 10 1/°С) при (20...200°С)

Текстолит 20…40

Гетинакс 17…25

Стеклотекстолит 50…80

Керамика 6…12

Оргстекло 80…140

Полиэтилен 100…180

Фторопласт 50…110

Лавсан 50

Стекло 60…120

Кварц 0,5

Инвар (invariabilis -- неизменный) -- ферромагнитный сплав Fe(36%) и Ni; суперинвар -- 32% Ni + 4% кобальта, ТКЛР 1 Ч 10 1/єС при 80…100єС.

Под действием влаги меняются цвет, шероховатость, электропроводность, поверхностная прочность многих материалов.

Скорость проникновения коррозии вглубь металлов, мкм/год:

Pb -- 4; Cu -- 12; Zn -- 50; Al -- 8; Ni -- 32; Fe -- 200.

Также, скорость зависит от величины относительной влажности, температуры, наличия активных газов и частиц (пыли органического и минерального происхождения) как в атмосфере, так и на поверхности материала. Различают также контактную коррозию из-за различия электрохимических потенциалов различных металлов (Al -- - 1,3; Cu -- + 0,34).

Непроводящие окисные пленки на контактных поверхностях существенно снижают надежность коммутационных узлов.

Механические воздействия на системы автоматизации могут возникать как в процессе эксплуатации, так и при транспортировке, и подразделяются на удары и вибрации. Удар -- быстрое изменение ускорений. Удары вызывают механические разрушения элементов и затухающие колебательные движения отдельных элементов конструкции. Вибрация -- сложные периодические колебания, которые воздействуют продолжительное время с более низкими значениями ускорений, но в большом частотном диапазоне, что в свою очередь приводит к разрушению элементов за счет усталости и механического резонанса.

Пыль и песок интенсифицируют коррозию и ухудшают изоляционные свойства материалов, проникая в подшипники, увеличивают коэффициент трения, вызывают повышенный износ.

Старение и износ являются процессами постепенного, необратимого изменения элементов и конструкции систем, и, действуя совместно, в некоторых случаях, могут вызывать резкое изменение параметров. Старение происходит непрерывно и не зависит от того, в рабочем или нерабочем состоянии находится система. Износ наблюдается только в рабочем состоянии системы.

Искусственное или естественное старение может как улучшать, так и ухудшать отдельные свойства материала. У пластичных материалов из-за старения появляются остаточные деформации, а у упругих материалов теряются упругие свойства. Процессы старения и износа являются неизбежными. Их нельзя полностью предотвратить, можно только в некоторой степени уменьшить вызываемые ими последствия.

3.ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

3.1 Взаимосвязь диагностики с надежностью и качеством функционирования средств автоматизации

Качество системы автоматизации есть совокупность ее свойств, обусловливающих пригодность системы удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением [5]. Одним из показателей качества является показатель надежности как безотказности, долговечности, сохраняемости, ремонтопригодности. Наиболее важными принципами, методами и средствами обеспечения надежности являются:

- выбор, совершенствование и создание новых материалов;

- поиск и реализация новых физических принципов работы систем автоматизации;

- реализация новых видов энергии и способов ее преобразования;

- создание защитных условий применения систем в условиях тяжелых внешних воздействий;

- совершенствование технологий производства;

- применение различных видов резервирования и избыточности;

- реализация мероприятий, повышающих эффективность получения, обработки и использования информации (применение защитных и помехозащищенных кодов, разработка качественного математического обеспечения).

Необходимо отметить, что мероприятия аппаратурного и информационного направления по повышению надежности имеют своей целью устранение дефектов, которые приводят к неправильной работе. Такие мероприятия «маскируют» дефекты из-за аппаратурной и информационной избыточности. Обнаружить дефекты при этом весьма трудно. По мере увеличения количества дефектов возможно проявление различного вида отказов системы. При этом безотказность системы будет ниже, чем безотказность при отсутствии избыточности. Вместе с тем необходимо осуществлять поиск неисправностей в условиях резервирования системы с целью поддержания ее защитных свойств.

Резервирование (от лат. reservo -- сберегаю, сохраняю) -- метод повышения надежности системы путем применения структурной, функциональной, информационной и временной избыточности по отношению к минимально необходимой и достаточной для выполнения системой заданных функций.

Избыточность -- наличие у системы возможностей сверх минимально необходимых для нормального функционирования. При диагностике систем должны решаться вопросы определения технического состояния объекта за счет определения исправности, работоспособности, правильности функционирования и поиска дефектов на всех этапах производства и эксплуатации систем.

Диагностическое обеспечение должно закладываться на стадии проектирования, обеспечиваться на стадии производства и поддерживаться на стадии эксплуатации. Идеальная полнота обнаружения и глубина поиска дефектов систем не всегда достижимы из-за невозможности получения необходимой информации, либо по технико-экономическим соображениям. Особенно нежелательна бесконтрольная неполнота обнаружения дефектов, когда неизвестно, какие возможные дефекты не обнаруживаются.

Современным средством проверки является моделирование поведения системы как в исправном состоянии, так и при наличии в ней дефектов. Такое моделирование называется диагностическим.

3.2 Тестовое диагностирование

Тест (англ. test -- проба, испытание, исследование) -- задание с известным решением, предназначенное для проверки качества системы. Задача построения теста состоит в том, чтобы найти такую совокупность и последовательность входных воздействий, при подаче которой на объект диагностирования получаемые ответы объекта в заданных контрольных точках позволяют делать заключение о его техническом состоянии. Проверяющие тесты предназначены для проверки исправности или работоспособности объекта, а тесты поиска дефектов -- для указания места и, возможно, причин дефектов, нарушающих исправность и работоспособность объекта диагностирования. Для дискретных объектов тесты (их алгоритмы) строятся либо по структурным, либо по функциональным моделям. Тесты могут быть как строго определенными (детерминированными) так и вероятностными (псевдослучайные входные воздействия также относятся к последним). В качестве тестовых могут быть использованы входные воздействия, являющиеся рабочими при применении системы по назначению. Такие тесты называют функциональными. Однако необходимо помнить, что функциональные тесты пригодны только для проверки работоспособности объектов, так как обеспечиваемая ими полнота обнаружения и глубина поиска дефектов явно недостаточны для проверки исправности и поиска дефектов. Другой стороной тестового диагностирования являются задачи выбора и разработки средств реализации тестов. Средства тестового диагностирования содержат две основные части -- генератор тестовых воздействий и анализатор ответов объекта на тестовые воздействия. Чаще всего генератор и анализатор функционально и конструктивно выполняют отдельно друг от друга. Генератор хранит и создает (генерирует) тесты и подает их на объект диагностирования. Анализатор хранит полученные ответы, сравнивает фактические ответы с ожидаемыми и выдает результат -- диагноз. Часто анализатор представляет собой совокупность эталона (исправная копия объекта) и схему сравнения. Также часто часть функций генератора и анализатора возлагается на человека.

3.3 Функциональное диагностирование

Функциональное диагностирование может осуществляться как непрерывно, так и периодически или эпизодически. При функциональном диагностировании необходимо четко определить:

- понятия исправности, работоспособности, правильности функционирования по отношению к конкретным функциям и условия применения объекта;

- типы и перечни дефектов, подлежащих обнаружению и поиску при диагностировании;

- распределение задач диагностики по периодам жизненного цикла объекта;

- алгоритм функционального диагностирования и его виды;

- глубину функционального диагностирования;

- средства (аппаратурные, программные, автоматические или ручные, специализированные или универсальные, внешние или встроенные) функциональной диагностики.

Для формирования алгоритмов систем функционального диагностирования (СДФ) используются математические модели, как самого объекта, так и его неисправностей. Устанавливается связь между степенью развития неисправностей и дефектов и поведением измеряемых нужных параметров. Как правило математические модели (ММ) элементов системы -- это совокупность дифференциальных и алгебраических уравнений, эмпирические формулы, таблицы, графики, описывающие элемент, а также связи между внутренними и внешними управляющими и возмущающими параметрами. Различают ММ с заложенной в них информацией об неисправности, так и без нее.

3.4 Технические средства диагностики

Средства, с помощью которых осуществляется диагностирование технического состояния объекта, называются техническими средствами диагностирования [7]. Средства могут быть аппаратурными или программными, внешними или встроенными, ручными, автоматизированными или автоматическими, специализированными или универсальными и т.д. В качестве средств диагностирования может выступать оператор -- человек, контролер, наладчик. Выбор и разработка средств тестового диагностирования должны осуществляться с учетом многих факторов: наличия серийного выпуска требуемых средств, наличия подходящих средств на заводе-изготовителе, массовости выпуска объекта и его сложности, требуемых качеств средства (точности, производительности, надежности и т.д.).

Средства функциональной диагностики являются, как правило, встроенными и создаются одновременно с объектом. Для сложных объектов существенными становятся проблемы повышения контролепригодности. Контролепригодность -- свойство объекта, характеризующее его приспособленность к проведению контроля заданными средствами (ГОСТ 19919--74). Уровень контролепригодности объектов определяет степень эффективности решения задач тестового диагностирования их технического состояния, влияет на производительность процесса их производства и качество. При эксплуатации уровень контролепригодности определяет их коэффициент готовности и затраты, связанные с ремонтом. Коэффициент готовности -- показатель надежности ремонтируемых объектов, характеризующий вероятность того, что объект будет работоспособен в произвольно выбранный момент времени в промежутках между выполнениями планового технического обслуживания.

Кг = Т/(Т+Тв)

где Т -- наработка на отказ; Тв -- среднее время восстановления работоспособности.

Вместе с тем дополнительные технические средства диагностирования делают объект более дорогим и менее надежным и тоже должны диагностироваться. Контролепригодность обеспечивается преобразованием структуры проверяемого объекта к виду, удобному для проведения диагностирования. Для этого в объект еще на этапе его проектирования и конструирования вводят дополнительные элементы (аппаратуру) -- встроенные средства тестового диагностирования. К встроенным средствам тестового диагностирования можно отнести:

- дополнительные контрольные точки;

- дополнительные входы для блокировки сигналов и задания требуемых значений сигналов;

- аппаратные средства, которые при диагностике изменяют структуру объекта;

- аппаратные средства, которые генерируют тесты и анализируют результаты.

Технические средства для диагностики сложного автоматизированного технологического оборудования в зависимости от назначения подразделяются на встроенные и внешние. Внешние системы (средства) диагностики в свою очередь могут быть мобильными и стационарными. Мобильные средства предназначены для контроля параметров и диагностирования объектов при приемосдаточных испытаниях, при эксплуатации и ремонте. Стационарные (стенды) используются в основном для исследования и испытания объектов в процессе их создания.

При разработке и использовании технических средств диагностики (ТСД) важное значение имеет метрологическая подготовка и обеспечение метрологического обслуживания средств, включающие проверки (аттестацию), юстировку и ремонт этих средств. Юстировка (от нем. justieren -- выверять, регулировать; от лат. justus -- правильный) -- совокупность операций по доведению погрешностей средств измерений, приборов, механизмов до значений, соответствующих техническим требованиям. Таким образом, основная цель применения ТСД -- обеспечение качества оборудования систем автоматизации при его выпуске и эксплуатации путем своевременного и достоверного контроля технического состояния, качества сборки, наладки и регулировки, качества выполнения основных функций при эксплуатации, а также обнаружение, локализация и последующее исправление дефектных состояний агрегатов, модулей, узлов и элементов изделия и установления причин их появления. Назначение ТСД -- определение с заданной достоверностью, регистрация и принятие решения о соответствии или несоответствии текущего технического состояния контролируемого оборудования номинальному. Наиболее часто ТСД используются для реализации следующих методов диагностирования:

- метод временных интервалов;

- метод контрольных осциллограмм;

- метод контроля параметров.

Метод временных интервалов направлен на контроль времени цикла работы системы автоматизации, а также его отдельных составляющих. Для диагностирования сложных систем автоматизации применяют метод контрольных (эталонных) осциллограмм. Метод основан на использовании графиков функций различных параметров во времени, на основании анализа которых делается заключение о работоспособности и техническом состоянии системы и ее отдельных элементов. Метод контроля параметров сводится к определению (измерению) тех или иных параметров, нахождение которых в установленных границах определяет работоспособность системы или ее отдельных элементов.

4.МЕТОДЫ ПОИСКА НЕИСПРАВНОСТЕЙ

4.1 Общие принципы

Метод (гр. methodos) -- способ, прием, образ действий. Способ теоретического или практического исследования или осуществления. Основой эффективной деятельности по поиску неисправностей в сложных технических объектах должны являться достаточно глубокие знания об объекте, в котором осуществляется поиск дефектов и неисправностей, а также логический подход к самому процессу поиска. Такой подход к поиску неисправностей еще называют системным. Логика (гр. logike) -- наука о законах и формах мышления. Ход рассуждений, умозаключений. Наука о формальных принципах рассуждения. Системный подход к поиску неисправностей в системах автоматизации позволяет существенно сократить время простоя систем и затраты на проведение технического обслуживания и ремонта [6]. Формально процедуру поиска неисправностей можно разбить на шесть этапов.

Первый этап -- выявление признаков неисправности. Перед тем как принять решение о необходимости ремонта системы, следует проверить правильность функционирования. Для выполнения этого этапа необходимо детально знать объект, его рабочие характеристики, возможности, устройство, назначение, правильное функционирование.

Второй этап -- углубленный анализ признака неисправности. На этом этапе более или менее явный признак следует подвергнуть более детальному анализу. Большинство технических систем автоматизации имеют органы регулировки, встроенные или внешние средства диагностики как дополнительные или основные средства проверки правильности функционирования. Необходимо проверить, влияют ли дополнительные воздействия на наблюдаемый признак неисправности и не могут ли предоставить дополнительную информацию, которая поможет точнее определить этот признак.

Третий этап -- составление перечня возможных неисправных функций системы. Это этап оценивания, основанный на использовании сведений, полученных на двух предыдущих этапах, а также знаний о правильном функционировании обслуживаемой системы и ее функциональных узлах. Функция (лат. functio -- исполнение) -- обязанность, круг деятельности, назначение, роль.

Четвертый этап -- локализация неисправной функции. На этом этапе осуществляется выбор одной из включенных в перечень неисправных функций для дальнейшего анализа. При выборе для проверки первой потенциально неисправной функции следует принимать во внимание уровень понимания функционирования проверяемого объекта, сложность выполнения необходимых проверок и возможность исключения из рассмотрения одного или нескольких других предположений в результате проверки. Большинство реальных технических объектов может быть подвергнуто разбиению на отдельные функциональные узлы (части, каждая из которых выполняет определенную функцию). Этот этап включает в себя грамотное использование и понимание показаний контрольно-измерительных средств.

Пятый этап -- локализация неисправности на уровне элементов. Заключается в выработке правильных предположений и грамотного применения процедур анализа различной информации, которые позволяют определить отдельный неисправный элемент или их совокупность.

Шестой этап состоит из подтверждения правильности определения неисправности. Прежде чем заменять подозрительный элемент следует проанализировать всю совокупность показаний и измерений, чтобы убедиться, что выявленный элемент действительно является причиной признаков неисправности и отклонений от нормального режима функционирования. Также необходимо выявить на этом этапе, был ли вызван отказ элемента какой-либо другой неисправностью или сам элемент является единственной причиной нерабочего состояния системы. Локализовав неисправный элемент и убедившись в правильности определения причины неисправности, можно приступить к его замене. Этот этап включает в себя также анализ отказов. На этом этапе также осуществляется ремонт с повторной проверкой системы на восстановление нормального функционирования, что в свою очередь не относится к процессу поиска неисправностей. Необходимо также отметить особенность процедуры поиска неисправностей, которая состоит в возможности возврата к предыдущим этапам. Причиной такого возврата может служить ошибка в определении вероятной причины неисправности или некорректное выполнение проверок и т.д.

Признак неисправности -- внешнее или внутреннее проявление неполадки или неисправности системы автоматизации. Задача выявления признака неисправности заключается в распознавании этого проявления при его появлении, а также в осознании наличия нежелательных изменений в работе системы. Так как признак неисправности -- свидетельство того, что в работе системы произошли нежелательные изменения, необходимо иметь показатели его нормального (номинального или штатного) функционирования, служащие в качестве эталона. Сравнивая показатели текущего и нормального функционирования, можно обнаружить признак неисправности и принять решение о том, что он собой представляет. Вместе взятые признаки нормальной и ненормальной работы точнее определяют собственно признак неисправности, чем рассмотренные отдельно. Знание внешних проявлений нормальной штатной работы системы позволяет заметить нежелательные изменения с помощью как встроенных так и внешних средств диагностики. Вместе с тем необходимо собрать как можно больше предварительной информации, прежде чем приступить к необходимым проверкам.

Отказ системы полный или частичный -- это наиболее распространенный, но вместе с тем и простейший вид признака неисправности. Отказ системы -- это предельный случай нештатного функционирования. Когда система функционирует, но ее работа не соответствует техническим требованиям -- имеет место ухудшение функционирования. Причем степень ухудшения функционирования может быть самой различной -- от почти штатной работы до почти полного отказа. Вместе с тем подобные недостатки следует устранять как можно быстрее как и полный отказ системы, так как отдельные отказы могут быть причиной других более сложных и как следствие более трудоемких в устранении отказов.

Углубленный анализ -- это процесс более подробного описания определения признака неисправности. Многие сходные признаки неисправности могут быть вызваны многочисленными и самое главное разнообразными повреждениями. Для успешного поиска неисправности необходимо принять правильное решение о том, какое повреждение или повреждения скорее всего вызывает наблюдаемый признак неисправности. Для этого как правило необходима дополнительная информация. Первоначальный признак неисправности, как правило не содержит достаточной информации для принятия решения о том, какова возможная причина (или причины) этого симптома, поскольку одни и те же признаки неисправности могут быть вызваны самыми различными повреждениями (причинами). Чтобы дальше исследовать обнаруженный признак неисправности, необходимо произвести дополнительные воздействия, оказывающие влияние на этот признак. Часто для этого используются органы регулировки, которые входят в состав системы. По самой своей сути органы регулировки вносят некоторые изменения в режим функционирования системы. Органы отображения информации (измерительные приборы, устройства индикации) позволяют визуально наблюдать изменения, происходящие в системе при использовании органов регулировки. Еще один способ поиска повреждения состоит в искусственном усугублении признака неисправности. Процесс углубленного анализа признака неисправности нельзя считать завершенным до тех пор, пока не будут всесторонне оценены наблюдаемые его проявления. Принимаемое решение должно быть технически обосновано. Удачное разбиение системы на функциональные узлы крайне важно для эффективного осуществления этого этапа поиска неисправностей. Функциональная схема системы представляет собой символическое представление входящих в нее функциональных узлов и соединяющих их связей. Вид представления и расположение узлов и связей зависит от сложности устройства. Каждый узел выполняет определенную функцию и подчиняется правилу преобразования вход-выход. В функциональной схеме не показано, каким образом реализован каждый функциональный узел. Функциональные схемы отражают связи между функциональными узлами системы. Они дают общее представление о функциях, которые система должна выполнять, чтобы соответствовать своему назначению.

Функциональная схема наряду с зарегистрированной информацией о признаке неисправности и знанием принципов работы системы составляют основу для технически обоснованного выбора потенциально неисправного функционального узла.

На следующем (четвертом) этапе осуществляется локализация неисправного функционального узла. На этом этапе применяются контрольно-измерительные средства. Также необходимо знание штатных рабочих характеристик и расположение контрольных точек. На этом этапе производится контроль входных и выходных сигналов функциональных узлов. Как правило, на общих функциональных схемах показаны виды сигналов информации на входах и выходах каждого функционального узла. Также на этом этапе полезным видом технической документации являются схемы различных соединений. Еще одним фактором, который следует принимать во внимание, является накопленный опыт поиска неисправностей за время эксплуатации системы и регитрируемые сведения о повторных отказах. При выборе контрольной точки следует опираться на прошлый опыт выявления похожих признаков неисправности и ремонта подобных устройств, а также принимать во внимание вероятность возникновения повторных отказов в системе. Однако выбор должен базироваться главным образом на логических умозаключениях, основанных на информации, полученной на предыдущих этапах, без излишнего доверия к прошлому опыту поиска неисправностей в подобных системах. С другой стороны, предыстория несомненно должна оказывать некоторое влияние на выбор первой контрольной точки. Если имеются два возможных источника неисправности, причем вероятность отказа в одном из них выше, то при выборе первой контрольной точки, прежде всего следует принять во внимание информацию о повторных отказах.

Факторы, которые следует принимать во внимание при выборе первой контрольной точки:

- функциональный узел, представляющий максимум информации для одновременного исключения из рассмотрения отдельных потенциально неисправных узлов, перечень которых был составлен на основании информации, полученной на первых трех этапах, если, конечно, этот узел сам исправен;

- доступность контрольных точек;

- накопленный опыт и сведения о повторных отказах.

После обнаружения неисправного функционального узла, необходимо убедиться, что он действительно является источником выявленного признака неисправности и согласуется с информацией, полученной в процессе углубленного анализа этого признака.

Чтобы выявить неисправный функциональный узел, от сбора информации о признаке неисправности переходят к ее фактическому местонахождению. Чтобы подтвердить правильность определения неисправного функционального узла, следуют в обратном направлении. В этом случае знание принципов работы системы крайне важно. Новая информация, получаемая в очередной контрольной точке позволяет сужать область поиска неисправностей, до тех пор, пока не будет обнаружен неисправный функциональный узел. На пятом этапе локализации неисправности в узле системы выполняются всесторонние проверки, целью которых является локализация конкретного элемента, содержащего неисправность. Для этого следует выделить внутри узла группу элементов, каждый из которых выполняет определенную функцию. Этот этап также базируется на общем принципе построения умозаключений, состоящем в непрерывном сужении области поиска местонахождения неисправности путем принятия логических решений и выполнения рациональных проверок. После завершения этапа 4 известно, что все воздействия на вход неисправного функционального узла правильны, а один или несколько выходных сигналов неверны или вообще отсутствуют. Для получения информации, которая может указать возможное местонахождение неисправности в функциональном узле, следует проанализировать неверные выходные сигналы, обнаруженные на этапе 4. Большую помощь при поиске неисправности может оказать метод заключения в скобки, позволяющий сузить область поиска до неисправного элемента. После проверки части схемы, произвольно заключенной в скобки, выполняется их последовательное перемещение, а затем осуществляется очередная проверка, чтобы определить, не находится ли неисправность в новой области, заключенной между скобками. Этот процесс продолжается до тех пор, пока между скобками не окажется неисправный элемент.

Наиболее важным в этом методе является определение места в схеме, куда должны быть помещены скобки при сужении области поиска неисправности. Это решение зависит от результатов анализа схемы и предыдущих проверок, типа схемных цепей, по которым проходит сигнал, а также от доступности контрольных точек. Всякие перемещения скобок должны иметь своей целью решение задачи локализации неисправности при минимальном числе проверок.

Сигналы в системах проходят по сигнальным цепям трех типов:

- последовательным;

- разветвленным;

- переключаемым.

Последовательная цепь включает в себя группу составляющих элементов, расположенных таким образом, что выход одного элемента соединен со входом другого. В результате сигнал проходит напрямую через группу элементов без возвратов в обратном направлении и без разветвлений.

Рис.4.1.Расходящаяся сигнальная цепь

Разветвленная цепь может быть двух видов: - расходящаяся (рис.4.1);

- сходящаяся (рис.4.2).

Рис.4.2.Сходящаяся сигнальная цепь

Переключаемая цепь (рис.4.3) содержит в своем составе элемент, с помощью которого для каждой конкретной ситуации образуется своя конфигурация сигнальной цепи.

Рис.4.3.Переключаемая сигнальная цепь

Процедура заключения в скобки начинается с расположения открывающей скобки у входа (входов) с штатным сигналом и закрывающей скобки у выхода (выходов) с нештатным сигналом функционального узла. После того как определен перечень возможных неисправных групп элементов, скобка перемещается к входу или выходу одной из групп, а затем выполняется проверка соответствующих контрольных точек. Скобки перемещаются попеременно до тех пор, пока между ними не окажется лишь одна группа элементов. Группа элементов заключается в скобки в том случае, если открывающая скобка указывает на наличие правильного сигнала на входе группы элементов, а закрывающая скобка указывает на присутствие неверного сигнала или его отсутствие на выходе. После обнаружения неисправной группы элементов определяется тип сигнальной цепи, проходящей через эту группу элементов. Эта информация чрезвычайно важна при выборе следующего места для скобок и выполнения проверки. Для последовательных цепей применяют метод деления пополам (рис.4.4).

Рис.4.4.Метод деления пополам

При выполнении процедуры заключения в скобки разветвляющихся цепей следует локализовать неисправность до одной сигнальной цепи. Необходимо проверять разветвленные цепи до тех пор, пока неисправность не будет локализована в одной из сигнальных цепей. Затем в последовательной цепи может быть применен метод деления пополам. Для локализации неисправных элементов в переключаемой цепи вначале необходимо проверить сигнал на выходе разветвленной цепи после переключающего элемента. Если переключающий элемент является многоконтактным устройством, то каждый контакт может быть соединен со своей цепью. В этом случае необходима установка переключателя во все положения и проверка сигнала на выходе разветвленной цепи, соединенной с каждым из контактов. Если признаки неисправности и собранная инормация указывают на вполне определенную цепь, то далее не проверяют каждое положение переключателя. После выполнения этой проверки и локализации неисправности в одной или нескольких разветвленных цепях, следует проверить последовательные цепи и выявить неисправность методом деления пополам.

На последнем 6 этапе -- этапе анализа отказа компонентов, для выявления местонахождения неисправного компонента понадобится проверить определенные ветви неисправной схемы. После выполнения этого этапа будет получена вся необходимая информация для замены или ремонта неисправных компонентов, что позволяет восстановить нормальное функционирование устройства.

Вместе с тем важно выяснить и причину неисправности. Также, вполне возможно, что в системе остались другие не выявленные неисправности, и если их не устранить, то система вновь выйдет из строя. На этом этапе применяются принципиальные схемы узлов и блоков систем. После того как неисправный элемент системы локализован, необходимо измерить параметры состояния в различных ветвях системы, чтобы выявить неисправные компоненты. Измеренные значения должны быть оценены путем сравнения со штатными заранее известными значениями контролируемых параметров. Эти значения параметров приводятся в соответствующих таблицах на принципиальных схемах или отдельных листах технической документации. Например, в таблицах напряжений и сопротивлений приводятся рабочие значения и сопротивлений относительно общего провода (или другой точки электрической схемы Независимо от типа признака неисправности причина отказа в конце концов будет локализована в одном или нескольких компонентах устройства. Отказ компонента можно классифицировать по степени ухудшения его работы. Различают полный отказ, нештатное функционирование компонентов и перемежающийся (попеременно прекращается, то снова начинается). Последняя неисправность легко себя обнаруживает, однако местонахождение конкретного неисправного компонента определить трудно. Во время проверки схемы, содержащей компонент с подобным типом неисправности, он может функционировать нормально, а через некоторое время неисправность снова даст о себе знать.

Локализация неисправных компонентов: для локализации неисправных компонентов или ветвей чаще всего необходимо проанализировать выходной сигнал [2]. Отклонения параметров выходного сигнала по напряжению, длительности и форме могут быть признаками обрывов или коротких замыканий в компонентах, а также выхода их номиналов за пределы допусков. На этом этапе обнаружения неисправностей решается две задачи: сокращения до минимума количества необходимых проверок и определение, в случае обнаружения неисправного элемента, является ли он единственной причиной неисправной системы. Затем приступают к визуальному контролю доступных компонентов и элементов связи и соединений. Внешний осмотр довольно часто позволяет обнаружить неисправность, а также ознакомиться с расположением элементов системы.

Проверка питающих напряжений: часто много времени тратится на поиски несуществующих повреждений и отказов в одних частях системы, в то время как неисправность находится в других частях, чаще всего в источниках питания. Поэтому первой электрической проверкой чаще всего бывает контроль уровней напряжения от всех источников питания под номинальной рабочей нагрузкой. При проверке аналогового оборудования нужно начинать проверку питающих напряжений без подачи входных сигналов. Такой режим проверки называется статическим режимом. Дискретное (цифровое оборудование) проверяют на правильность при начальных условиях без изменения состояний на входах.

Метод «от конца к началу»: при этом методе первоначально динамические измерения проводят на выходной части системы, а затем постепенно перемещаются по схеме в сторону входа, пока не будет обнаружен нормальный сигнал (правильный код).

Метод имитации промежуточных сигналов: метод заключается в подаче на схему после неисправного каскада или узла с помощью специального дополнительного устройства, как правило, не входящего в систему -- имитатора (генератора) сигналов, имитирующего отсутствующие сигналы с неисправного узла. Если нормальная работа схемы системы при этом восстанавливается, делают вывод о неисправности узла, блока или компонента, сигнал которого имитируется.

Метод размыкания цепи обратной связи: отыскать неисправность в системах с обратными связями очень трудно. Поэтому производят размыкание цепи обратной связи. В точку, где разомкнута обратная связь, нужно подать соответствующее постоянное напряжение или необходимый сигнал. Затем по всей схеме проверяются уровни параметров и их форма. Параметры сигнала, подаваемого в точку разрыва, можно изменять для проверки изменения реакции всей системы.

Метод замены блоков, элементов и компонентов: метод основан на элементарной замене отдельных подозреваемых блоков, элементов и компонентов системы на аналогичные. Если при такой замене восстанавливается штатная работоспособность системы, делают заключение о неисправности замененного блока, элемента или компонента. Применение этого метода требует разработки специальных типовых элементов замены (ТЭЗ), что приводит к усложнению, удорожанию аппаратуры и снижению ее надежности, в первую очередь за счет большого числа разъемных соединений.

Метод исключения: основан на временном исключении неисправного узла (компонента) из системы посредством отсоединения при утечках и электрическом пробое или перемыкании (соединении входа с выходом) при возможном обрыве (разрушении связей) в неисправном узле или компоненте.

Все методы можно условно разделить на активные и пассивные.

4.2 Методы поиска неисправностей в аналоговых системах

Поиск неисправностей в гидравлических и пневматических системах: на первом этапе поиска неисправностей в таких системах обращают внимание на сопряжение электрических частей с исполнительными гидро и пневмо элементами. При наличии необходимых электрических сигналов считают этот этап законченным и приступают к следующему этапу. На втором этапе анализируют состояние рабочей среды (жидкости или воздуха). В гидравлическую систему может попасть воздух, что приводит к потерям мощности и «жесткости» исполнительной системы, т.к. газ сжимаем и, в свою очередь, к снижению точности позиционирования систем. Вода (конденсат) в гидросистемах обычно вызывает коррозию отдельных элементов. Особенно вредное влияние конденсата имеет место в пневматических системах, когда ржавчина попадает в золотниковые соединения. На третьем этапе проверяют наличие и степень утечек рабочих тел.

Поиск неисправностей в контактных сопряжениях: большинство отказов контактных сопряжений происходит в результате загрязнения или повреждения контактов [8]. Единственным способом устранения любых неисправностей в герметизированной коммутационной аппаратуре является только замена аппарата. Контакты, доступ к которым возможен, очищаются механическим воздействием с обычными органическими растворителями (спирт, ацетон). Вместе с тем, необходимо исключить использование волокнистых материалов. Волокна могут загрязнять контакты и препятствовать протеканию электрического тока. Некоторые электрические аппараты имеют сменные контакты.

Поиск неисправностей в электронных компонентах:

- резисторы: наиболее часто встречаемая неисправность -- сгорание токо-проводящего резистивного слоя, вследствие чрезмерно большого тока, протекающего через резистор. При этом в резисторе возникает обрыв, но иногда может иметь место и короткое замыкание из-за расплавления и создания из расплавленного материала перемычки. У резисторов в высоковольтных цепях возможно разрушение резистивного слоя без особых внешних признаков, что приводит к резкому изменению сопротивления, как в сторону его уменьшения, так и в сторону его увеличения.

- конденсаторы: с помощью омметра можно определить наличие или отсутствие короткого замыкания в конденсаторе (рис.4.5).

Рис.4.5.Схема проверки конденсатора

Для этого омметр на самом высокоомном пределе измерений подключают к выводам конденсатора. Если конденсатор электролитический, соблюдают полярность включения. Измеряемое сопротивление конденсатора должно постепенно увеличиваться до очень большого значения и затем должно оставаться постоянным. Емкость конденсаторов проверяют специальными приборами LC-метрами.

- индуктивности и трасформаторы: с помощью омметра определяют наличие обрывов и коротких замыканий в цепях первичных и вторичных обмоток и между ними и сердечником. Если сопротивление катушки равно бесконечности, то в катушке имеет место обрыв. Если сопротивление катушки индуктивности меньше значения, указанного изготовителем, возможно, что часть витков короткозамкну-та. Сопротивление между выводами обмоток должно быть пропорционально числу витков. Наиболее полно трансформатор проверяется при работе на номинальном входном напряжении при рабочей нагрузке.