Автоматизация технического диагностирования аналоговых устройств

В настоящее время в различных отраслях промышленности, на транспорте, в связи и военной технике широкое применение находят автоматизированные системы диагностирования радиоэлектронных устройств (РЭУ). Необходимость применения указанных систем и соответствующих информационных технологий обусловлена сложностью решаемых задач, требующих оперативного получения и обработки больших объемов разнообразной информации, а также экспертного анализа этой информации с использованием соответствующей базы знаний. Обычно решение задач усложняется ограниченностью времени, отводимого на поиск неисправностей и восстановление техники, которая в большинстве случаев оказывается автономной, стационарной и достаточно удаленной от сервисных центров контроля и диагностики.

При решении конкретных прикладных задач диагностики неисправностей необходима адаптация разработанных общих теоретических положений с учетом конкретной отраслевой специфики решаемых задач и конкретных критериев и ограничений.

Для цифровых схем описано много алгоритмов построения диагностических последовательностей. Это в первую очередь связано с относительно легкой формализацией и описанием функционирования логических элементов с использованием понятий булевой алгебры. Для аналоговой же техники описание ее функционирования несут системы дифференциальных уравнений, решение которых гораздо сложнее. Также становится более сложной интерпретация полученных результатов: значения сигналов становятся непрерывными и протяженными во времени. Поэтому решению вопросов диагностики аналоговых приборов уделяется гораздо меньшее внимание, хотя доля данных устройств в реальных устройствах велика.

Особенностью существующих решений является применение ручных способов диагностики отказов аналоговой техники с использованием функциональных и электрических схем с нанесенными эпюрами сигналов в контрольных точках. Решения по автоматизации процесса диагностики, с учетом ранее приведенных характеристик и ограничений, до настоящего времени полностью не исследованы. В то же время известны примеры, когда из-за недостаточной полноты и достоверности информационных ресурсов принимаются неправильные диагностические выводы, что приводит к временной задержке принятия решения.

Одним из эффективных путей повышения оперативности принятия диагностических решений является разработка практически приемлемых алгоритмических методов диагностирования аналоговых устройств, осуществляемых мобильными устройствами. Поскольку методы эти непросты и связаны с обработкой значительных объемов информации, возникает необходимость автоматизации процессов диагностирования. В практическом аспекте это сводится к созданию систем автоматизации диагностирования (САД).

Наиболее популярным на сегодня является программно-аппаратный способ построения системы диагностирования [1]. При его реализации данные с объекта диагностирования поступают на адаптер, который преобразует их в информацию, поступающую в персональный компьютер по стандартному интерфейсу, например, USB или LPT, для дальнейшей алгоритмической обработки. Здесь алгоритм диагностирования можно менять без изменения аппаратной части, что придает этому способу большую универсальность.

САД, построенные по программно-аппаратного способу диагностики, представляют собой взаимодействующие комплексы технических средств, программных средств и информационного обеспечения.

Технические средства САД обычно состоят из универсальной и специализированной частей. На современном этапе развития техники основа универсальной части строится на базе ПК, которая посредством модулей преобразования (АЦП), формирования (ЦАП) и коммутации унифицированных сигналов через специализированную часть позволяет реализовать алгоритмы диагностики объекта контроля. Специализированная часть по возможности должна быть минимальна, являясь пассивным переходником, либо (в идеале) вообще отсутствовать.

Высокая унификация САД достигается применением виртуальных приборов. Система виртуальных приборов организуется в виде программной модели некоторого реально существующего или гипотетического прибора, причем программно реализуются не только средства управления (рукоятки, кнопки, лампочки и т. п.), но и логика работы прибора. Связь программы с техническими объектами осуществляется здесь через интерфейсные узлы, представляющие собой драйвера внешних устройств – АЦП, ЦАП, контроллеров промышленных интерфейсов и т.п.

На современном рынке присутствует много таких приборов как отечественных, так и зарубежных производителей, которые позволяют получать данные для решения вопросов поиска неисправностей в большом диапазоне устройств (высоко- и низкочастотных, с одним и многими рабочими каналами, аналоговыми или цифровыми сигналами и др.) в реальном масштабе времени.

Из всего многообразия программного обеспечения для реализации задач, которые должны выполнять программные средства САД, достаточно использовать инструментальное программное обеспечение с текстовым программированием, интегрированное с пакетами моделирования поведения объектов диагноза.

Одним из важных вопросов при применении САД в мобильном исполнении является доступность информации, применяемой в процессе поиска неисправности, при любом местоположении средств диагностирования. Это обеспечивается достаточно большими объемами существующих компактных устройств хранения данных (CD- и DVD-ROM, flesh-карты). Своевременное получение доступа к обновленным базам знаний и данных также является немаловажным аспектом более успешного применения мобильных САД, который возможно решить с применением ресурсов Internet.

На начальном этапе проведения диагноза технического состояния сложных непрерывных объектов широкое распространение получили допусковые способы. Они характеризуются тем, что заключение о техническом состоянии объекта диагностирования (ОД) делается по результатам оценки значений сигналов в контрольных точках, которые могут принимать два значения: «в норме» – «не в норме». Это дает основание использовать для описания поведения непрерывных объектов математические модели логического типа, в частности, графы причинно-следственных связей, а для их анализа – различные логические методы [2]. Впоследствии в [3, 4] была поставлена и решена задача определения минимального числа контрольных точек в объекте для проверки его исправности и поиска неисправностей.

В [5, 6] излагаются методы анализа и процедуры диагностики объектов, заданных функциональными схемами и моделями. Здесь любая радиоэлектронная система, являющаяся ОД, для технической диагностики ее состояния может быть разбита на функциональные элементы (ФЭ) большей или меньшей сложности. При этом ФЭ большей сложности могут, в свою очередь, расчленяться на более простые и т.д. Пределом такого расчленения являются первичные функциональные элементы (ПФЭ), которые определяют точность локализации места отказа. Обычно ФЭ представляют собой самостоятельные устройства, обеспечивающие решение некоторых частных задач.

В процессе поиска неисправностей алгоритм диагноза задает совокупность элементарных проверок, последовательность (или последовательности) их реализации и правила обработки результатов реализуемых элементарных проверок с целью получения результата диагноза.

К наиболее часто используемым элементарным проверкам можно отнести:

·                    Выяснение истории появления неисправности. Рассмотрение истории позволяет выяснить, не является ли неисправность результатом внешнего воздействия такого, как климатические факторы, механические воздействия, загрязнение различными веществами и т.д. В большинстве случаев этим методом нельзя получить точную информацию о локализации отказавшего элемента (из-за необходимости получения информации о событиях, растянутых во времени, неточности и недостоверности предоставляемой информации), но можно существенно облегчить выбор последующих методов диагностики, их количества и порядок следования.

·                    Внешний осмотр. Здесь следует искать следы тепловых повреждений электронных элементов, печатных проводников, проводов, разъемов, целостность изоляции на проводах, трещин, появившихся от времени или в результате механических воздействий. Особое внимание следует обращать на наличие загрязнений, пыли, вытекания электролита и запах. Этот метод позволяет достичь быстрого и высокоточного результата, когда диагностируется неисправность, носящая аварийный характер.

·                    Снятие внешних рабочих характеристик. Изделие включается в рабочих (или имитирующих рабочие) условиях и проверяются выходные характеристики, сравнением их с характеристиками исправного изделия или теоретически рассчитанными значениями. Этот метод позволяет примерно оценить расположение неисправности (выявить функциональный блок, работающий не правильно) без демонтажа изделия.

·                    Наблюдение прохождения сигналов по каскадам.При помощи измерительной аппаратуры наблюдают правильность распространения сигналов по каскадам и цепям устройства. Адекватность оценки состояния изделия в целом и по каскадам достигается высокой квалификацией исполнителя и возможностью анализа особых цепей (например, содержащих обратные связи).

·                    Сравнение с исправным блоком. Здесь сравниваются различные характеристики заведомо исправного изделия и не исправного. Сложность его применения заключается в необходимости присутствия «эталонного» блока и комбинации его применения с другими методами для оперативной диагностики.

·                    Моделирование поведения исправного и неисправного устройства. Моделируется поведение исправного и неисправного устройства, затем выдвигается гипотеза о возможной неисправности, которая позже проверяется измерениями. Для создания математического аппарата моделей и управления ими требуется высокая квалификация исполнителя, а достижение лучших результатов – в комбинации с другими методами. Этот метод позволяет выявлять с достаточной точностью периодически исчезающие неисправности.

·                    Сигнатурный анализ. Нахождение неисправностей с высокой точностью, выполняемое путем исследования или сравнения импедансных сигнатур (вольтамперных характеристик) исследуемых компонентов с эталонными значениями. Этот метод может выполняться специалистом невысокой квалификации с обязательным доступом к выводам элементов схемы.

·                    Выполнение тестовых программ. На работающей не демонтированной системе выполняется тестовая программа, которая взаимодействует с различными компонентами системы и предоставляет информацию об их отклике, по которому делается вывод о его исправности. Точность локализации неисправности зависит от «глубины» диагностического теста. Этот метод получил большее распространение для дискретных систем, которые по сравнению с аналоговыми более легко формализуются.

Характеристики вышеописанных элементарных проверок приведены в таблице 1.

Как видно из таблицы 1 достижение 100% результата поиска неисправности (т.е. нахождение неисправного элемента) возможно лишь при использовании некоторых элементарных проверок (таких как моделирование поведения устройства, сигнатурный анализ и выполнение тестовых программ), но при достаточно больших временных затратах, или применении той или иной комбинации элементарных проверок.

Таким образом, для решения вопросов автоматизации процесса технического диагностирования с применением САД наиболее подходит математическое мысленное детерминированное и стохастическое моделирование, которое включает модели, являющиеся средством для проверки реальных устройств. Это имитационные модели схем электрических принципиальных и элементов электроники, алгоритмы и программы для ПЭВМ. Они позволяют просчитывать множество вариантов и являются эффективным средством анализа и прогноза явлений. В свою очередь применение метода моделирования поведения устройства связано со сложностью математического описания элементов и функционирования системы в целом, а также с необходимостью обработки большого объема информации. Это приводит к большим временным затратам. Развитие специального программного обеспечения по моделированию радиоэлектронных устройств и рост вычислительных мощностей ПЭВМ позволяют избавиться от этих недостатков.

Литература:

1.      Сускин В.В., Дубов А.В., Капранов А.П. Обзор современных средств автоматизации поиска неисправностей в электронных устройствах // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2010, №2.

2.      Согомонян Е.С. Контроль работоспособности и поиск неисправностей в функционально связанных системах. // «Автоматика и телемеханика», 1964, №6, с. 980-990.

3.      Карибский В.В., Пархоменко П.П., Согомонян Е.С. Техническая диагностика объектов контроля. М., «Энергия», 1967. 80с.

4.      Карибский В.В. Анализ систем для контроля работоспособности и диагностики неисправностей. – «Автоматика и телемеханика», 1965, №2, с. 308-314.

5.      Сердаков А.С. Автоматический контроль и техническая диагностика. – «Технiка», 1971. – 244с.

6.      Верзаков Г.Ф. и др. Введение в техническую диагностику. М., «Энергия», 1968.

7.      Ицкович Э.Л., Трахтенгерц Э.А. Алгоритмы централизованного контроля и управления производством. М., «Советское радио», 1967. 352с.

8.      Маркович З.П., Осис Я.Я. Порядок составления граф-модели сложного объекта технической диагностики. – В кн.: Кибернетика и диагностика. Рига, «Зинатне», 1968, вып. 2, с. 19-32.

9.      Мэзон С., Циммерман Г. Электронные цепи, сигналы и системы. М., Изд-во иностр. лит., 1963. 151с.

10.  Методы машинного моделирования в проектировании электронной аппаратуры / М.Ф. Бабаков, А.В. Попов. – Учеб. пособие – Харьков: Нац. аэрокосмический ун-т "Харьк. авиац. ин-т", 2001. – 90с.

Таблица 1 Характеристики элементарных проверок