Виды технической диагностики локомотивов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Техническая диагностика как дисциплина сложилась сравнительно недавно. В истории ее становления можно выделить три этапа:

Первый - относится ко времени создания первых машин, когда обслуживающий их персонал, ориентируясь только на свои ощущения, прежде всего слуховые и зрительные, стал обнаруживать дефекты и отклонения в работе машин. Точность диагноза определялась исключительно опытом обслуживающего персонала.

Второй - начался с момента появления первых измерительных приборов, характеристики которых стали превышать возможности осязательных органов человека. Стоимость этих приборов первоначально была достаточно высокой, поэтому широкого внедрения они не получили. Наиболее глубокие исследования в тот период проводились по заказам военной промышленности. Пик этих исследований в России приходится на 70-80-е годы прошлого столетия. На этом этапе сформировались две составляющие диагностического обслуживания машин: измерения параметров машин и интерпретация их экспертом.

Третий, начавшийся в 90-е годы, - характеризуется широким распространением микропроцессорной техники и как следствие этого снижением стоимости и повышением возможностей измерительного оборудования. Именно на этом этапе появилась реальная возможность отказаться от услуг эксперта, заменив его компьютерными программами.

Анализируя историю развития диагностики, можно отметить тенденции для каждого этапа:

Ш на первом этапе человек (оператор) совмещал в себе функции как измерителя, так и эксперта;

Ш на втором этапе наметилось разграничение: функции измерения стали выполнять с применением технических средств, а их трактовку выполняли люди (эксперты) с различной степенью подготовки;

Ш третьему этапу свойственно повышение степени автоматизации диагностических работ, когда не только измерения, но и их трактовка поручены техническим средствам. Конечно, такие системы сегодня строятся так, чтобы человек (эксперт) в любое время мог взять управление системой на себя. Важнейшей частью подготовки такого эксперта является освоение физических основ диагностики и ее математического аппарата. Именно решению этой проблемы и посвящено настоящее пособие.

Техническая диагностика как направление науки и техники находится на стыке многих областей знаний. Для грамотной эксплуатации систем диагностики необходимо иметь знания и практические навыки в следующих областях:

Ш теории машин и механизмов: для возможности описания работы объекта и выбора основных диагностических признаков при его работе;

Ш теории и технике измерений и анализа сигналов: чтобы оптимизировать качество диагностических измерений;

Ш методах автоматизации процессов: для автоматизации измерений, анализа и составления отчетной документации;

Ш компьютерной технике и операционных системах: для эффективной эксплуатации современных технических средств диагностики.



1. ЗАДАЧИ И ТЕРМИНЫ ДИАГНОСТИКИ

Диагностирование - процесс установления диагноза с определенной точностью с указанием места, вида и причины дефекта.

Метод диагностирования - статистический или инструментальный, основанный на физических, механических, химических и других явлениях, положенных в основу информации о состоянии объекта.

Средства диагностирования - измерительные приборы, пульты, стенды и другие механические устройства.

Технология диагностирования - последовательность и способы применения методов и средств диагностирования.

Система технического диагностирования - совокупность объектов, методов и средств, а также исполнителей, позволяющая осуществить диагностирование по правилам, установленным соответствующей документацией. Она должна быть обязательной составной частью системы планово-предупредительного ремонта подвижного состава железных дорог.

Системы технического диагностирования тепловозов предназначаются для решения следующих задач:

Ш проверки исправности;

Ш проверки работоспособности;

Ш проверки правильного функционирования;

Ш поиска дефектов;

Ш прогнозирование состояние объекта.

Устанавливаются следующие области применения систем диагностирования тепловозов:

Ш при испытании и наладке тепловозов в процессе производства;

Ш при техническом обслуживании в процессе эксплуатации;

Ш при ремонте тепловозов.

Выбор вида системы диагностирования должен осуществляться на основания технико-экономических расчетов и технических требований, отражающих специфику процесса диагностирования тепловозов в процессе производства, эксплуатации и ремонта.

В основу организации ремонта локомотивов положен принцип планово-предупредительного выполнения работ. Совершенствование системы ремонта предполагает научное обоснование объемов, периодичности, пробегов между ремонтами, закономерностей развития постепенных и внезапных отказов оборудования. Накопление знаний о причинах отказов, методах объективного контроля за состоянием деталей и сборочных единиц, гарантирующего их безотказную работу на определенный срок службы, неизбежно приведет к качественному изменению системы ремонта, целесообразному сочетанию принципов планово-предупредительного ремонта, определяющего плановые начала организации ремонта, с ремонтом по фактическому состоянию. Внедрение методов ремонта по фактическому состоянию связано с усовершенствованием методики и созданием средств технической диагностики.

Практикой определены следующие виды технической диагностики локомотивов:

Ш по назначению - техническая диагностика может быть специализированной и совмещенной с плановыми обслуживаниями и ремонтами (имеется в виду проведение отдельных обследований и комплексная оценка состояния при плановых ремонтах);

Ш по технологическому оборудованию - диагноз проводится специализированными устройствами или основными приборами;

Ш по режиму проведения - плановая диагностика и по потребности;

Ш по месту в системе технического обслуживания - на поточной линии комплексной технической диагностики при определении состояния или заключительная проверка после выполненного ремонта;

Ш по типу применяемых средств диагностирования - на стационарных пунктах, с помощью бортовых систем, с помощью переносных средств.

Для получения информации о состоянии той или иной части элементов или протекающих процессах может изучаться любая часть этих элементов. Тепловоз имеет несколько параметров, характеризующих качество его функционирования. Такими параметрами в первую очередь являются мощность при установленной частоте вращения коленчатого вала и экономичность. Поэтому диагностирование следует начинать с контроля именно этих функциональных параметров. В случае отклонения функционального параметра от нормальных значений необходимо проконтролировать функциональные параметры его подсистем и оценить их техническое состояние.

Техническое состояние - совокупность подверженных изменению в процессе производства или эксплуатации свойств объекта, характеризуемая в определенный момент времени признаками, установленными технической документацией на этот объект. В зависимости от фактических значений признаков видами технического состояния являются: исправность, работоспособность, неисправность, неработоспособность, правильное функционирование, неправильное функционирование.

В общем виде можно так сформулировать понятия исправности и работоспособности.

Исправность - характеризует такое техническое состояние объекта, при котором значения его основных и второстепенных структурных параметров, а также параметров сопутствующих выходных процессов находятся в допустимых пределах.

Работоспособность - характеризует такое техническое состояние объекта, при котором значения его основных структурных параметров обеспечивают выполнение рабочих функций в полном соответствии с совокупностью требований.

Из этих определений следует, что неработоспособность характеризуется выходом значений основных структурных параметров за пределы, не обеспечивающие выполнение объектом его рабочих функция в соответствии с установленными требованиями, а неисправность характеризуется недопустимыми значениями второстепенных структурных параметров или существенным изменением основных структурных параметров, но без достижения ими предельных значений.

Учитывая вышесказанное, объект (тепловоз, его сборочные единицы и детали) может находится в одном из трех основных состояний:

Ш исправен и работоспособен;

Ш неисправен, но работоспособен;

Ш неисправен и неработоспособен.

Отказ - основное понятие теории надежности - событие, заключающееся в том, что структурные параметры объекта выходят за предельные, заранее установленные значения, при которых дальнейшая его эксплуатация невозможна или неэффективна.

Диагностический сигнал - контролируемая характеристика объекта, используемая для выявления диагностических признаков. По диагностическому сигналу может классифицироваться вид мониторинга и диагностики. Так, например, различают вибрационную, акустическую, тепловую, газодинамическую и т. п. диагностику.

Диагностический признак - свойство объекта, качественно отражающее его состояние, в том числе и появление каких-либо отклонений и дефектов.

Диагностический параметр - количественная характеристика измеряемого диагностического сигнала, входящая в совокупность показателей состояния объекта.

Диагностическая система - совокупность аппаратных и программных средств для измерения, обработки и интерпретации диагностического сигнала. В простейших случаях диагностическая система может состоять из измерительного инструмента и набора правил, которыми надлежит пользоваться оператору при проведении диагностических работ. В других случаях, диагностическую систему может составлять несколько компьютеров (микрокомпьютеров), работающих под управлением специально разработанных программ.

Диагностический эксперимент - испытание объекта диагностики, спланированное и выполненное с целью получения диагностической информации (определения диагностических параметров). В зависимости от применяемых методов диагностики эксперимент может протекать как по специально разработанной программе, так и в условиях рядовой эксплуатации объекта диагностики.



2. БЛОЧНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ДЕКОМПОЗИЦИЯ ОБЪЕКТА

Тепловоз представляет собой сложную многофункциональную динамическую систему, которую можно разделить для целей диагностирования на ряд более простых элементов (объектов диагностирования). При проверке работоспособности и поиске дефектов разделение (декомпозиция) элементов тепловоза производится по блочно-функциональному принципу. На рис. 1 приведен пример блочно-функциональной декомпозиции тепловоза, как объекта диагностирования.

Рис. 1 - Блочно-функциональная декомпозиция тепловоза

По вертикали декомпозиции тепловоза выделено пять уровней:

I - секционный,

II - сборочных единиц,

III - системный,

IV - подсистемный,

V - элементный.

На каждом уровне декомпозиции тепловоза выделятся отдельная его составляющая (системы, агрегаты, узлы и т.д.) по основному признаку физического процесса или принципу технического исполнения, на которых основано их функционирование.

Эффективность диагностирования ОД достигается в том случае, когда задачи диагностирования учитываются на всех этапах жизни технического объекта (рис. 2). При проектировании решаются общие вопросы организации системы диагностирования. На основе анализа ОД составляется ее диагностическая модель, проектируются технические средства диагностирования (СД), а также оценивается эффективность диагностирования.

При изготовлении объекта целесообразно одновременно изготовлять и СД. При этом главной задачей является обеспечение всех требований, предъявляемых к ОД и СД. При сборке и наладке ОД может возникать задача поиска дефектов. На заключительной стадии осуществляется выходной контроль и производится проверка исправности объекта.

Рис. 2 - Этапы жизни объекта



3. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЗОВ

3.1 Классификация методов

Для диагностирования технического состояния тепловозов, его систем, узлов и агрегатов используются различные методы. Многообразие методов диагностирования тепловозов обусловлено в основном двумя причинами: сложностью структуры системы диагностирования, определяемой сложностью структуры тепловоза как объекта диагностирования (ОД) и разнообразием задач технической диагностики, вытекающим из требования, предъявляемых к системе обслуживания и ремонта тепловозов. Научная классификация методов диагностирования основывается на признаках, отражающих наиболее существенные отличия методов, основные классификационные признаки и разделение методов диагностирования технического состояния тепловозов приведены на рис. 3.

Методы диагностирования технического состояния тепловозов различаются в зависимости от комбинации признаков, характеризующих особенности структуры и взаимодействия трех основных частей системы технического диагностирования (СТД): объекта диагностирования, системы сбора, преобразования и передачи информации и системы обработки, накопления и отображения результатов диагностирования.

Чаще всего методы диагностирования тепловозов различают в зависимости от физической природы контролируемых процессов и диагностических параметров (параметрические, виброакустические, спектрометрические, рентгеноскопические, ультразвуковые, магнитные и т.д.).



Рис. 3 - Классификация методов диагностирования



4. ОСНОВНОЙ ПРИНЦИП ДИАГНОСТИКИ

Суть технической диагностики составляют оценка и прогноз технического состояния объекта по результатам прямых или косвенных измерений параметров состояния (диагностических параметров). При этом само по себе значение диагностического параметра еще не дает оценки технического состояния объекта. Чтобы определить состояние машины, необходимо знать не только фактические, но и соответствующие им эталонные значения. Разность между фактическим и_ф и эталонным и_эт значениями диагностических параметров называется диагностическим симптомом Д.

Д = и_ф - и_эт. (1)

Таким образом, оценка технического состояния объекта определяется отклонением  фактических значений его параметров от их эталонных значений. Любая система технической диагностики работает на принципе отклонений (принцип Солсбери).

Степень достоверности и качества диагноза определяется погрешностью, с которой оценивается величина диагностического симптома.

Функциональная схема технической диагностики представлена на рис. 4.



Рис. 4 - Функциональная схема диагностики

Эталонное значение указывает, какую величину будет иметь исправный, хорошо отрегулированный, механизм, работающий при такой же нагрузке и таких же внешних условиях.

Математическая модель объекта диагностики представляется набором формул, по которым рассчитываются эталонные значения всех диагностических параметров. Каждая формула должна учитывать условия нагрузки объекта и наиболее существенные параметры внешней среды. Измерительное оборудование в большинстве случаев используется не только для измерения диагностического сигнала, но и для оценки внешних воздействий.



5. КЛАССИФИКАЦИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Известные в настоящее время диагностические системы характеризуются большим разнообразием технических средств измерения и обработки диагностического сигнала, а также методов и правил решения диагностической задачи. Обобщенно, в зависимости от признака, классификация диагностических систем представлена схемой (рис. 5).

Вид диагностического сигнала определяет особенности исполнения измерительного оборудования. Так, например, если диагностическим признаком является температура на некоторой контролируемой поверхности машины, то и измерять необходимо температуру. В этом случае можно говорить о тепловой системе диагностики. Вместе с тем такое деление носит условный характер, так же, как и условно деление самих природных процессов, протекающих в действительности в сложной взаимосвязи друг с другом. Например, контроль температуры возможен и с применением тепловых красок, меняющих свой цвет в зависимости от температуры. В этом случае диагностическая система по праву может считаться как оптической, так и тепловой. Необходимо отметить, что перечень наименований диагностических систем по рассматриваемому признаку ограничен из методических соображений и легко может быть расширен.

В зависимости от степени автоматизации различают экспертные и автоматические системы диагностики. В первом случае решение о техническом состоянии объекта принимает человек (эксперт), во втором - техническая система, как правило, компьютерная программа.

Системы, у которых все оборудование (датчики, приборы для измерения и анализа диагностического сигнала и т.п.) расположено непосредственно на объекте принято называть бортовыми системами  диагностики.



Рис. 5 - Схема классификации диагностических систем

Если бортовая система была спроектирована и установлена на объекте в процессе его изготовления, то систему называют встроенной. Если бортовое диагностическое оборудование добавлено к объекту в ходе эксплуатационной модернизации, то систему называют встраиваемой. Бортовые системы, с одной стороны, удорожают стоимость технического объекта, но, с другой стороны, делают его наиболее контролепригодным.

Стендовые системы диагностики позволяют использовать диагностическое оборудование (стенд) для диагностики различных объектов одного или схожих видов. В зависимости от конкретного исполнения, они подразделяются на стационарные и переносные. Встречаются и комбинированные системы, в которых часть оборудования (обычно средства сбора данных) встроены в машину, а другое оборудование (анализаторы данных) является переносным или даже стационарным. Такой подход позволяет добиться компромиссного решения в выборе предпочтений между стоимостью и контролепригодностью объекта.

В зависимости от вида и формы проведения диагностического эксперимента можно выделить тестовые и функциональные системы диагностики. Тестовые системы диагностики предполагают проведение испытания (теста) по специальной программе. При этом, возможно, что воздействия, оказываемые на объект в ходе такого испытания, окажутся вне диапазона обычных условий эксплуатации. Подвергая машину работе на предельных нагрузках, удается получить ценную информацию диагностического характера и, следовательно, повысить эффективность эксперимента. Вместе с тем, в случае применения тестовых систем возрастает стоимость диагностических работ, прежде всего, за счет увеличения трудоемкости, а в ряде случаев и за счет дополнительного расхода энергоресурсов. Например, испытание силовой установки тепловоза на режиме номинальной мощности потребует непроизводительного расхода нескольких десятков килограммов топлива. При тестовых испытаниях изоляции электрических машин повышенным напряжением высока вероятность ее электрического пробоя. Этот метод относят к методам разрушающего контроля. Указанных недостатков лишены функциональные системы диагностики, для которых диагностическим экспериментом является обычная эксплуатация объекта, но чаще - некоторые особые режимы работы объекта, периодически возникающие в ходе его рядовой эксплуатации.



6. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ТЕСТЫ

Применение вычислительной техники для решения диагностических задач предполагает возможность формального математического описания любой сложной технической системы. Идеализированное представление технической системы с помощью математического аппарата называют математической моделью или просто моделью объекта. Для математических моделей типичным является представление объекта совокупностью элементов и связей между ними. При этом неизбежно приходится считаться с потерей некоторых реальных свойств системы, введением допущений и, как следствие этого, - неточностью модели. Важно, чтобы модель была способна выделить и правильно отразить наиболее существенные свойства объекта. Содержание этих свойств определяется целью моделирования. Для диагностической модели объекта такой целью является оценка технического состояния и отыскание неисправностей.

Как отмечалось ранее, проведение диагностических работ неизбежно связано с измерениями фактических величин параметров диагностики. Эти измерения могут выполняться как непосредственно на объекте (во время обычной его работы), так и на специальных стендах в ходе специально спланированных тестов. В настоящем разделе пособия под тестом будем понимать испытание объекта с целью решения диагностической задачи. задачи различают в зависимости от их уровня.

Проверяющий тест - тест, выполняемый для оценки работоспособности или неработоспособности объекта в целом.

Локализующий тест - тест, выполняемый для местонахождения неисправности объекта.

Диагностический тест - тест, выполняющий функцию проверяющего и локализующего теста.

Как правило, тест может включать несколько измерений, например проверок функциональности ряда элементов системы. Каждую такую проверку будем называть элементарной проверкой. Тест, в общем случае, состоит из ряда элементарных проверок.

6.1 Тесты диагностирования

Объект диагноза ОД представляют в виде устройства (рис. 6), имеющего входы и доступные для наблюдения выходы. Процесс диагностирования представляет собой последовательность операций, каждая из которых предусматривает подачу на входы объекта некоторого воздействия и определения на выходах реакции на это воздействие. Такую элементарную операцию называют проверкой. В качестве выходов наблюдения могут служить основные или рабочие выходы системы, а также и дополнительные (контрольные) выходы.

Совокупность проверок, позволяющую решать какую-либо из задач диагноза, называют тестом: Т = _{1 2}…._n. Под длиной теста L понимают число входящих в него проверок.

По назначению тесты делят на проверяющие и диагностические. Проверяющий тест Т_п - это совокупность проверок, позволяющая обнаружить в системе любую неисправность из заданного списка (множества). Проверяющий тест решает задачи проверки исправности системы (в этом случае в список неисправностей включают все возможные в системе неисправности) и проверки работоспособности (в список включают только те неисправности, которые приводят к отказу системы).

Диагностический тест Т_д - это совокупность проверок, позволяющая указать место неисправности с точностью до классов эквивалентных неисправностей. Он позволяет решать задачу поиска неисправностей.

Важной характеристикой процедур диагностирования является полнота обнаружения неисправностей, задающая долю гарантированно обнаруживаемых неисправностей относительно всех заданных или рассматриваемых неисправностей объекта диагноза. Любая диагностическая процедура (а также и тест диагноза) обязательно связывается с определенным, строго фиксированным списком неисправностей, обнаружение которых обеспечивается при ее проведении. Это фактически определяет ограничение, накладываемое на процесс обнаружения неисправностей, и в конечном итоге определяет глубину диагностирования.

По полноте обнаружения неисправностей различают одиночный, кратный и полный тесты.

Одиночный тест обнаруживает в устройстве все одиночные повреждения входящих в него элементов.

Кратный тест обнаруживает все возможные совокупности из к одиночных неисправностей элементов, причем тест кратности к должен фиксировать не только все совокупности из к одиночных неисправностей, но и все неисправности меньшей кратности, в том числе все одиночные неисправности.

Полный тест обнаруживает неисправности любой кратности. Использование того или иного теста определяется решаемой задачей диагноза. Так, при исследовании устройства, в котором неисправность возникла в процессе функционирования, как правило, используют одиночные тесты, так как вероятность возникновения одновременно нескольких неисправностей невелика. По сравнению с одиночными полные тесты имеют гораздо большую длину и поэтому требуют для испытания устройства больше времени. Их применяют при контроле устройств в процессе изготовления, когда вероятность одновременного существования нескольких повреждений повышается из-за дефектов комплектующих изделий и ошибок в монтаже и настройке.

В зависимости от длины различают тривиальный, минимальный и минимизированный тесты.

Тривиальный тест, содержащий все возможные для данной системы проверки, имеет максимальную длину. Применение тривиального теста предусматривает полное моделирование работы устройства.

Наименьшее число проверок имеет минимальный тест. Он обеспечивает решение заданной задачи диагноза, при этом для данного устройства не существует другого теста с меньшим числом проверок.

Построение Т_min требует больших вычислений, поэтому на практике чаще строят минимизированные тесты, имеющие длину, близкую к длине минимальных тестов.

С помощью теста строится процедура диагностирования, в основе которой лежат алгоритм диагностирования, представляющий собой последовательность элементарных проверок, составляющих тест, и правила анализа результатов этих проверок. Алгоритм диагностирования реализуется средствами диагностирования.



7. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ ДИАГНОЗА

Объекты диагноза подразделяют на два класса. Непрерывные (аналоговые) объекты имеют такие входные, внутренние и выходные сигналы, которые могут принимать значения из некоторых непрерывных множеств значений, а время, в котором дается описание объекта, от- считывается непрерывно. Дискретные объекты имеют такие сигналы, значения которых задаются на конечных множествах, а время отсчитывается дискретно. Возможны также гибридные системы, в которых одни сигналы являются непрерывными, а другие - дискретными.

Кроме того, объекты диагноза делят на комбинационные и последовательные. Комбинационные, или объекты без памяти, характеризуются взаимно однозначным соответствием между входными и выходными сигналами. Последовательные, или объекты с памятью, имеют выходные сигналы, значения которых зависят не только от значений входных сигналов, но и от времени./

Для построения тестов и алгоритмов диагноза необходимо иметь формальное описание объекта и его поведения в исправном и неисправном состояниях. Такое формальное описание называют математической моделью объекта диагноза. Различают модели с явным и неявным описанием неисправностей. Явная модель объекта диагноза состоит из описаний его исправной и всех неисправных модификаций. Неявная модель содержит описание исправного объекта, математические модели его физических неисправностей и правила получения по ним всех неисправных модификаций объекта. Выбор модели является важным элементом процесса организации процедуры диагноза.



7.1 Функциональные схемы систем диагностирования

При решении какой-либо задачи диагностирования исследуемый объект подвергается некоторым испытаниям. В общем случае процесс диагностирования представляет собой многократную подачу на объект (рис. 6) определенных входных воздействий, многократное измерение и анализ ответов (выходных сигналов или реакций) на эти воздействия, которые могут поступать на входы объекта от средств диагностирования (СД) или являться внешними (рабочими) сигналами, определяемыми алгоритмом функционирования устройства. Измерение и анализ ответов объекта всегда осуществляется средствами диагностирования. Взаимодействующие между собой ОД и СД образуют систему диагностирования.

Различают два вида систем диагностирования (рис. 6).

Система тестового диагностирования (рис. 6а) предусматривает подачу воздействий на ОД со стороны СД. Других воздействий на ОД не поступает. Поэтому как состав, так и последовательность подачи этих воздействий можно выбирать исходя из условий эффективной организации процесса диагностирования. При этом каждое очередное воздействие можно назначать в зависимости от ответов объекта на предыдущие воздействия. Воздействия в такой системе называют тестовыми.

Рис. 6 - Системы диагностирования технического состояния ОД: а - тестовое диагностирование; б - функциональное диагностирование



В системе функционального диагностирования (рис. 6б) СД не формирует воздействий на ОД. На ОД и СД поступают рабочие воздействия, предусмотренные алгоритмом функционирования объекта. Система диагностирования действует в процессе рабочего функционирования ОД и решает задачи правильности функционирования и поиска неисправностей, нарушающих нормальное функционирование.

7.2 Функциональное диагностирование

Представим схему системы функционального диагностирования (рис. 6б) в виде схемы из двух блоков (рис. 7). В ней вся дополнительная аппаратура объединена в едином блоке - схеме контроля (СК). Результатом диагностирования является сигнал ошибки, который формируется при возникновении дефекта в ОД, а также, может быть, и в самой СК.

Для оценки эффективности функционального диагностирования используется специальная характеристика -- достоверность

вероятность, с которой оценивается истинность результата, получаемого на выходе ОД. Достоверность D отражает как надежностные характеристики ОД и СК, так и информационные возможности используемого метода контроля.

Рис. 7 - Блок-схема функционального диагностирования

В общем случае могут иметь место три возможных события:

ОД с контролем работает правильно; ОД с контролем показывает наличие ошибки (ошибки могут обнаруживаться либо только в ОД, либо как в ОД, так и в СК); о работе ОД с контролем нельзя сказать ничего определенного (неопределенный результат). В самом деле, если объект работает правильно или используемый метод контроля позволяет обнаружить ошибку, то такой результат правильно отражает истинное состояние ОД. Если ошибка произошла, а используемый метод контроля не смог ее обнаружить, или если ошибки нет, а схема контроля показывает наличие ошибки, то об истинном состоянии ОД с контролем ничего сказать невозможно. В этом случае имеет место неопределенность.

7.3 Тестовое диагностирование

При организации тестового диагностирования основной является задача построения тестов. Для дискретных объектов можно выделить три этапа в развитии теории построения тестов. Для первого этапа характерно стремление получить минимальные или оптимизированные тесты на основе представления комбинационных объектов таблицами истинности, а последовательных объектов - таблицами переходов и выходов. Основные методы построения тестов основаны на переборе вариантов, в большинстве случаев использованы таблицы функций неисправностей.

Второй этап теории построения тестов характерен переходом к структурным и структурно-аналитическим моделям дискретных объектов, разработкой новых методов обработки этих моделей и отказом от задач получения минимальных тестов. Расширяется класс рассматриваемых неисправностей, в том числе исследуются вопросы обнаружения коротких замыканий в схемах на функциональных элементах, а также проблемы обнаружения неисправностей в программируемых логических матрицах. Развитие новых методов в теории построения тестов вызывалось главным образом увеличением размерности практических задач.

Третий этап теории построения тестов связан с появлением больших и сверхбольших интегральных схем, микропроцессорных наборов и других элементов высокого уровня интеграции.

В настоящее время широко применяют тесты, представляющие собой псевдослучайные последовательности входных воздействий. Такие псевдослучайные тесты генерируются регистром (Р) сдвига с обратными связями (рис. 8а), что существенно сокращает затраты на аппаратуру для реализации генератора тестов, так как не требуется память для хранения последних. Однако анализатор (А) ответов ОД в системе вероятностного диагностирования имеет такую же сложность, что и в системе детерминированного диагностирования (рис. 8а).

Рис. 8 - Схема систем вероятностного диагностирования

С целью его упрощения осуществляется сжатие длинных выходных последовательностей, формируемых на выходах ОД, при помощи специальных сигнатурных анализаторов СА (рис. 8б), которые представляют собой также регистры сдвига с обратными связями или счетчики. Применение СА позволяет эффективно тестировать сложные вычислительные системы.

Для непрерывных объектов существует гораздо более широкое многообразие физических принципов реализации по сравнению с дискретными объектами. Это затрудняет разработку общих теоретических и методических подходов к построению тестов для непрерывных систем. Для каждого типа последних по этой причине используются собственные математические модели и методы построения тестов.

Системы тестового диагностирования, представленные на рис. 9, используются в те промежутки времени, когда ОД не выполняет своих основных функций. При этом решаются задачи контроля исправности и поиска дефектов. Однако тестовое диагностирование может также применяться для контроля ОД в процессе функционирования, если в этом процессе можно выделить такие моменты, когда на входы ОД не поступают рабочие входные воздействия и выходы могут быть отключены от объектов управления.

Структурная схема тестового диагностирования приведена на рис. 9. Запоминающее устройство (ЗУ) хранит тесты и эталонные реакции, которые поступают на входы ОД и анализатора по командам со стороны схемы управления.

Рис. 9 - Структурная схема тестового диагностирования

7.4 Алгоритмы диагностирования и методы их построения

Любая задача диагноза решается при помощи реализации соответствующей процедуры, в основе которой лежит алгоритм диагностирования, который представляет собой совокупность представляет собой совокупность предписаний в виде последовательности проверок и правил обработки их результатов. Для получения общего результата диагностирования. Различают алгоритмы проверки исправности, работоспособности и поиска неисправности. Их строят на основе соответствующих тестов и словарей неисправностей. На рис. 10 приведена классификация алгоритмов диагностирования, в соответствии с которой можно выделить три вида алгоритмов: безусловный с безусловной остановкой, безусловный с условной остановкой и условный с условной остановкой.

Рис. 10 - Классификация алгоритмов диагностирования

Безусловный алгоритм задает одну фиксированную последовательность проведения проверок, при этом информация о техническом состоянии объекта фиксируется и обрабатывается последовательно независимо от результатов предыдущих проверок. В условном алгоритме предусматривается назначение каждой последующей проверки в зависимости от результата анализа предыдущих проверок.

Если заключение о техническом состоянии объекта может быть сделано только после проведения всех проверок, предусмотренных алгоритмом, то такой алгоритм называют алгоритмом с безусловной остановкой. Если выдача результата диагностирования возможна после выполнения каждого или некоторых промежуточных шагов алгоритма, то последний называют алгоритмом с условной остановкой. Условный алгоритм всегда является алгоритмом с условной остановкой.

Наиболее распространенными формами представления алгоритмов диагностирования являются таблицы и древовидные графы. Безусловные алгоритмы с безусловной остановкой представляются в виде таблиц, в качестве которых, например, выступают словари неисправностей (табл. 1). В этом случае поиск неисправного элемента требует выполнения всего множества проверок, включенных в тест, с фиксацией их результатов. На основе анализа полной совокупности этих результатов делается вывод о месте неисправности.

Безусловный алгоритм с условной остановкой представляется в виде графа. Рассмотрим, например, граф (рис. 11а), который моделирует алгоритм поиска неисправности по табл. 1. Корневая вершина графа представляет множество S={S₁,S₂,...,S₇} всех рассматриваемых технических состояний объекта, а остальные вершины - подмножества состояний, выделяемые в результате деления множества S и его подмножеств по результатам элементарных проверок. Висячие вершины соответствуют подмножествам эквивалентных состояний. Исходящими из вершин дугами изображаются элементарные проверки, а заходящими дугами -- результаты этих проверок.

Рис. 11 - Схемы безусловного (а) и условного (б) алгоритмов диагностирования

Заданный алгоритм предусматривает подачу проверок в фиксированной последовательности - _{1 2 6 7} (так, как они расположены в табл. 1). Однако выполнение алгоритма может быть остановлено на любом этапе, если выделилось подмножество состояний, соответствующее висячей вершине. Так, на первом этапе алгоритма при выполнении проверки ₁, получение результата 0 останавливает алгоритм, так как выделено подмножество эквивалентных состояний {S₁, S₄}. В противном случае применяют проверку ₂ и алгоритм продолжается.

Таблица 1

Условные алгоритмы также представляются в виде графов. Построение условного алгоритма начинается с выбора первой проверки. В зависимости от исхода первой проверки ₁ множество возможных состояний S делится на два подмножества, после чего выбираются проверки (они могут быть разными), разделяющие эти подмножества. Выбор проверок продолжается до тех пор, пока множество S не будет разделено на отдельные подмножества эквивалентных состояний. На рис. 11б приведен условный алгоритм, построенный по табл. 1.

Для одного и того же словаря неисправностей может быть построено значительное количество безусловных и условных алгоритмов диагностирования. Каждый из них будет обладать определенными особенностями. Например, условный алгоритм (рис. 11б) имеет преимущество по сравнению с безусловным алгоритмом (рис. 11а), которое состоит в том, что в первом любая неисправность может быть обнаружена не более чем за три шага алгоритма, в то время как во втором может потребоваться выполнение и четырех шагов алгоритма. Но, с другой стороны, безусловный алгоритм дает возможность обнаружить неисправность уже при выполнении первого шага, а в условном алгоритме такой возможности нет.

При решении практических задач возникает проблема выбора оптимального алгоритма диагностирования. При этом формулируются либо ограничения на алгоритм, либо критерий оптимальности, в которых отражаются конкретные практические условия применения алгоритма. В качестве ограничения на алгоритм могут выступать: заданное время, в течение которого должна быть обнаружена любая неисправность; максимально допустимое число шагов алгоритма; ограничения, определяющие необходимость обнаружения на первых шагах алгоритма некоторых указанных неисправностей и т.п. В качестве критерия оптимальности может рассматриваться средняя стоимость обнаружения отказавшего элемента, вероятность обнаружения при ограниченной стоимости или стоимость с заданной вероятностью и т.д. В этом случае каждый алгоритм, заданный соответствующим графом, характеризуется определенным значением критерия оптимальности.



8. АНАЛИЗ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА

К настоящему времени разработан мощный математический аппарат, позволяющий проводить диагностические тесты оптимальным образом. Как правило, критерием оптимальности является минимизация числа элементарных проверок. Наибольшее практическое применение этот аппарат нашел в диагностике электрических цепей, когда сколь угодно сложная  техническая система может быть представлена совокупностью элементов с четко обозначенными связями. Одной из первых моделей, применяемой для целого класса технических систем, стала модель, предложенная в 1961 г. Брюле, Джонсоном и Клетским в работе «Отыскания неисправностей в технических системах».

При построении этой модели предполагается, что объект диагностики может быть представлен совокупностью связанных между собой функциональных элементов. При этом под функциональным элементом понимают часть системы, которая может находиться только в одном из двух несовместимых состояний: работоспособном или неработоспособном. В работоспособном состоянии элемент должным образом реагирует на некоторое внешнее воздействие, в противном случае элемент неработоспособен.

Наиболее наглядное представление такой диагностической модели может быть выполнено графически. Для простоты изучения на рис. 5 техническая система представлена пятью элементами (показаны прямоугольниками).

Рис. 12 - Схема объекта диагностики

Внешние воздействия обозначены символами Z₁, Z₄, Z₅. Реакции элементов обозначены символами Y₁, Y₂, Y₃, Y₄, Y₅. Обратите внимание, что каждый элемент имеет соответствующую ему реакцию (в противном случае, его нельзя было бы выделять как отдельный функциональный элемент). Реакции могут быть одновременно воздействиями для соответствующих элементов. Например, реакция Y₁ является воздействием для элемента 4, а реакция Y₃ - для элемента 2.

При графическом представлении объекта, сравнительно легко анализируются возможные причины отсутствия должной реакции элемента. Так, отсутствие  реакции Y₄, является следствием неработоспособности одного из элементов 4 или 1, или обоих одновременно.

После выявления числа элементов и установления связей можно определить все возможные состояния системы. Для этого достаточно перечислить все необходимые комбинации отказавших элементов. Если система состоит из N элементов, то каждую такую комбинацию представляют N-мерным вектором состояния S. Принято обозначать единицей работоспособный элемент, а нулем - неработоспособный. Обозначение S=(01011) означает, что 1-й и 3-й элементы системы отказали, а 2-й, 4-й и 5-й - работоспособны. Исходному (исправному) состоянию соответствует так называемый нулевой вектор состояния S₀=(11111). Максимальное число состояний, включая исправное, равно 2^N. Очевидно, что вариантов неисправностей будет на единицу меньше 2^N-1. Рассмотрим задачу поиска минимального числа проверок, необходимых для постановки диагноза. Наиболее просто эта задача решается применительно к оценке состояния системы в целом. Для этого достаточно подать внешние воздействия и если реакции Y₃, Y₅ допустимы, то система исправна, в противном случае - неисправна. Как видно, для этого понадобился всего один тест (состоящий из двух элементарных проверок).

Несколько сложнее выглядит задача идентификации неисправностей.

Каждая проверка устанавливает работоспособность или отказ группы из m элементов (m?1). При этом остальные N-m элементов остаются непроверенными. Теоретически число возможных проверок равно числу вариантов неисправностей 2^N-1. Однако на практике их меньше. С одной стороны, чтобы к элементу 2 приложить воздействие от отказавшего элемента 1 необходимо физически разорвать связь между ними, что не всегда возможно. С другой стороны, на практике не часто встречается система, у которой отказали одновременно несколько элементов, и тем более все. Большинству реальных систем свойственно появление отказа отдельного элемента, после чего дальнейшее функционирование системы невозможно.

Рассмотрим задачу идентификации неисправностей в предположении, что одновременно возможен отказ только одного элемента. При этом число возможных неисправных состояний системы равно числу элементов. Будем полагать, что проверка предполагает контроль реакции одного из элементов системы в ответ на все приложенные внешние воздействия Z₁, Z₄, Z₅. Обозначим рⁱ проверку реакции i-го элемента. Если реакция допустима, то рⁱ = 1, в противном случае рⁱ = 0.

Заполним таблицу неисправностей (табл. 2)

Таблица 2 - Таблица неисправностей к рис 12.

Неисправный элемент	Вектор состояния, S	Результаты проверок, р
		р1	р2	р3	р4	р5
все исправны	11111	1	1	1	1	1
первый	01111	0	0	0	0	0
второй	10111	1	0	0	1	1
третий	11011	1	0	0	1	1
четвертый	11101	1	1	1	0	0
пятый	11110	1	1	1	1	0

Первая строка таблицы соответствует работоспособному состоянию системы (проверки реакции всех элементов дают положительный результат). Предположим, что отказал второй элемент, тогда реакции Y₂, Y₃ будут недопустимыми. При отказе элемента 1, недопустимой будет его реакция Y₁, которая является воздействием на элементы 2 и 4. Следовательно, недопустимыми будут реакции Y₂, Y₄ и связанные с ними Y₃, Y₅. Таким образом, занося исходы проверок в соответствующие графы, получим таблицу неисправностей для заданной схемы объекта. Обозначим множество проверок  р={р₁, р₂, р ₃, р₄, р₅}. По значению вектора р можно однозначно определить неисправность некоторых элементов. Например, вектору р={00000} соответствует единственная строка в таблице - неисправен третий элемент, а вектору р={11101} - соответствует неисправность четвертого элемента.

Рис. 13 - Устранение неразличимой ситуации

тепловоз тест идентификация неисправность

Вместе с тем, неисправностям второго и третьего элемента соответствует одинаковый вектор р={10011} (строки в таблице выделены). Такую ситуацию называют неопределенной или неразличимой, а неисправности - неразличимыми. Одним из способов устранения неопределенных ситуаций является ввод дополнительной проверки. В нашем случае, принудительная подача допустимого воздействия Y₃ на второй элемент (если это возможно конструктивно) и проверка его реакции Y₂ позволит оценить исправность второго элемента. В случае его отказа, локализация неисправности была бы выполнена за 2 теста, в противном случае понадобится большее число тестов.

Другой способ позволяет обойтись без ввода дополнительных тестов. В этом случае требуется изменение существующей структуры объекта. Это может быть выполнено устранением (на время теста) обратной связи между элементами 3 и 2 (рис. 13). Отсутствующее воздействие Y₃ придется при проведении теста имитировать, подавая его на вход элемента 2 как внешнее воздействие Z_2-Y3.

Как видно (рис. 13), в таблице неисправностей измененной структуры объекта нет повторяющихся векторов проверок. Для идентификации отказа любого элемента достаточно одного теста.

Следует отметить, что рассмотренные способы устранения неразличимых ситуаций могут быть осуществлены на практике только при соответствующих конструктивных исполнениях системы. Очевидно, что условия контролепригодности необходимо учитывать еще на этапе проектирования технических систем.

Анализируя диагностическую модель, представленную на рис. 5 и 6 можно прийти к выводу, что как для оценки  работоспособности объекта в целом, так и для локализации неисправностей, число элементарных проверок может быть сокращено. Одной из задач рассматриваемых методов диагностики является планирование минимальных тестов. Применение математического аппарата позволяет эффективно решать эту задачу для систем имеющих значительно большее число элементов и связей, чем было принято в наших примерах.



9. АНАЛИЗ ГРАФ-МОДЕЛЕЙ

Для рассматриваемого класса моделей объект может быть представлен граф-моделью. Перечислим условия, при которых возможно представление функциональной модели объекта ориентированным графом с петлями у каждой вершины:

Ш в системе состоящей из произвольного числа N элементов одновременно возможен отказ только одного элемента;

Ш в системе возможна проверка реакции каждого элемента на допустимые внешние воздействия, приложенные к системе в целом;

Ш реакция каждого элемента принимает одно из двух взаимоисключающих значений - 1 или 0 (элемент работоспособен или неработоспособен);

Ш для любых двух, связанных элементов отрицательная реакция (реакция со значением 0) первого элемента приведет к отрицательной реакции второго элемента.

На рис. 7 изображен граф системы, функциональная модель которого показана на рис. 5. Вершинам графа соответствуют элементы. Внешние воздействия и внешние реакции не указывают, а связи между элементами должны совпадать. Кроме того, каждой вершине соответствует петля - связь к самой себе. Для математического описания граф-моделей используют два типа матриц: матрицы дуг и матрицы путей.



Рис. 14 - Граф системы

Матрица дуг B = ¦b_ij¦ графа G, содержащего N вершин, - это квадратная матрица с N строками и N столбцами, в которой число b_ij, стоящее на пересечении i-й строки и j-го столбца, равно единице, если в графе имеется дуга, ведущая из i-й вершины в j-ю, и равно нулю, если такой дуги нет. Поскольку каждая вершина имеет дугу, то все числа, стоящие на главной диагонали матрицы равны единице, т. е. b_ij=1, если i=j.

Матрица дуг графа, изображенного на рис. 14, имеет вид:

(2)

Матрица путей D=¦d_ij¦ графа G, содержащего N вершин, - это квадратная матрица с N строками и N столбцами, в которой число d_ij, стоящее на пересечении i-й строки и j-го столбца, равно единице, если в графе существует путь, ведущий из i-й вершины в j-ю, и равно нулю, если такого пути нет.

Матрица путей может быть получена не только анализом путей графа (что просто для человека), но и вычислениями на основании матрицы дуг (так делает машина). При этом справедливы следующие соотношения:

(3)

где  - знак булевого сложения;

 - знак булевого умножения.

Определяя последовательно матрицы B₁, B₂, ..., B_k, можно увидеть, что для некоторого k будет выполняться равенство B_k+1=B_k. Матрица B_k и есть матрица путей этого графа: B_k =D.

Матрица путей графа, заданного матрицей (2), имеет вид:

(4)

Номер столбцов матрицы путей можно отождествлять с номерами проверок, а числа d_ij рассматривать как результат этих проверок (при положительном исходе d_ij=0, а при отрицательном d_ij=1). Таким образом, рассматривая i-ю строку матрицы путей, можно определить те проверки, которые будут иметь отрицательный исход при отказе i-й вершины графа (i-го элемента системы), или наоборот, зная исходы всех проверок, можно определить те вершины, отказ которых влечет эти исходы.

Если инвертировать матрицу путей (заменить 1 на 0 и наоборот), то получим таблицу неисправностей.

Для определения перечня неразличимых отказов необходимо найти в матрице путей вершины, которым соответствуют попарно тождественные строки (или столбцы). В матрице (4) это 2-я и 3-я вершины.

Для построения минимального проверочного теста выполним следующие преобразования исходного графа G:

Объединим в одну вершину все вершины, принадлежащие к одному подмножеству неразличимых (в нашем примере таких подмножеств одно, в него входят вершины 2 и 3). При этом все дуги, соединяющие вершины из подмножества между собой опускаются. Получим приведенный граф G' (рис. 15)