СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

2.1. Задачи контроля и диагностирования

Наиболее общим стандартизированным понятием в области контроля в машино- и приборостроении является технический контроль. Объектами технического контроля являются: продукция, процессы ее создания, при­менения, транспортирования, хранения, технического обслуживания и ре­монта, а также соответствующая техническая документация. Фактически объектами контроля служат человеко-машинные системы (ЧМС), поскольку производственный персонал - это непосредственный участник производст­венных процессов, а техническая документация - продукт деятельности людей.

Всякий контроль осуществляется в два этапа:

1) получение первичной информации о фактическом состоянии объекта посредством измерений показателей его свойств,

2) получение вторичной информации о расхождении или соот-ветствии фактических и требуемых данных на основе сопоставления первичной информации с заранее установленными нормами.

Контролируемые параметры могут измеряться автоматически или опе­ратором с помощью средств измерения. В ряде случаев при контроле про­цесс измерения может отсутствовать, например, при органо-лептическом контроле, при котором первичная информация от объекта воспринимается только посредством органов чувств без учета значений параметров. Про­цесс измерения может отсутствовать при применении неразрушающих методов контроля деталей технических объектов.

Процесс измерения в ряде случаев может быть довольно сложным,, в частности, при косвенных методах измерения, когда значения искомого па­раметра определяется не непосредственно, а вычисляется по результатам измерений других параметров. В общем случае определение характеристик динамических объектов является одной из задач, решаемых методами тео­рии идентификации.

Полученная вторичная информация используется для выработки регулирующих воздействий на объект в соответствии с заданной целью управления.

Важнейшими понятиями в теории надежности технических систем являются контроль технического состояния и техническое диагностирова­ние, причем первое понятие всегда содержит второе (рис.1.).

Объект диагностирования всегда есть и объект контроля, поскольку диагностирование является составной, но не всегда обязательной частью контроля. Объект контроля в определенных условиях может и не быть объ­ектом диагностирования.

Рис.1. Взаимосвязь диагностирования с другими этапами

процесса контроля

Основное назначение контроля и диагностирования состоит в повыше­нии надежности объектов на всех этапах их жизненного цикла (разработка, изготовление, эксплуатация), причем диагностирование наиболее важно при эксплуатации. Повышение надежности обеспе-чивается улучшением таких показателей как коэффициенты готовности и технического ис­пользования, время восстановления, наработка на отказ и других за счет решения следующих задач:

1) своевременного обнаружения неисправностей,

2) сокращения времени локализации дефектов,

3) предотвращения отказов.

Результаты контроля и диагностирования сложных объектов используются для прогнозирования их технического состояния, что позволяет реализо­вать гибкую систему технического обслуживания и профилактического ремонта (СТОиПР). Указанная система, учитываю-щая реальное техническое состояние объекта, внедряется вместо традиционной системы планово­-предупредительных ремонтов по времени наработки, что способствует исключению большинства отказов при дальнейшей эксплуатации. Предотвра­щение производственного брака достигается правильной организацией диаг­ностирования на операциях входного контроля комплектующих изделий и материалов и контроля технологических процессов изготовления объектов, включая выходной контроль последних. Дефекты могут появиться и на эта­пе разработки объекта. Ошибки проектирования представляют собой особый класс дефектов, также подлежащих устранению методами и средствами контроля.

Строгая постановка указанных задач предполагает, во-первых,, зада­ние класса возможных дефектов, и, во-вторых, наличие формализованных методов построения алгоритмов контроля и диагностирования, реализация которых обеспечивает обнаружение дефектов из заданного класса с требу­емой полнотой или поиск дефектов с требуемой глубиной.

2.2. Классификация средств диагностирования

Объекты контроля и диагностирования могут быть непрерывными, дискретными и комбинированными, вследствие чего к ним применяются раз­личные виды диагностирования: тестовое и функциональное.

Тестовое диагностирование предусматривает подачу на объект из системы контроля специальных тестовых воздействий, причем в этом случае объ­ект обычно не используется по прямому назначению. Каждое очередное воздействие назначается в зависимости от ответов объекта на предыдущие воздействия, которые подаются как на основные, так и на дополнительные входы, организованные для целей диагностирования. Ответы объекта конт­роля снимаются с основных и дополнительных выходов, называемых конт­рольными точками.

Функциональное диагностирование осуществляется в процессе непос­редственного использования объекта контроля по назначению, когда на него поступают только рабочие воздействия. Это позволяет немедленно реагировать на нарушения в функционировании объекта контроля и изме­нять режим его работы. Недостатком этого вида диагностирования являет­ся то, что рабочие воздействия не всегда обеспечивают как оптимальность процесса контроля, так и необходимую глубину диагностирования.

Отдельное тестовое или рабочее воздействие и снимаемый с объекта ответ называются элементарной проверкой объекта.

Совокупность предписаний о проведении контроля (диагностиро-вания) называется алгоритмом контроля (диагностирования). Алгоритм задает со­вокупность элементарных проверок, последовательность их реализации и правила обработки результатов контроля. В результате реализации алгоритма контроля по значениям ряда параметров получают информацию о работоспособности или неработос­пособности объекта. При сопоставлении значений диагностических параметров с допустимыми при нормальном функционировании получают информацию о характере и месте дефекта, то есть о причине отказа.

Отказы деталей и узлов в разных объектах и в различных условиях могут иметь совершенно разные последствия. Последствия отказов универ­сальных станков, имеющихся в цехе в нескольких экземплярах, при нали­чии ремонтной группы достаточно легко устраняются, а работа на время ремонта распределяется между другими станками. Отказ станка или робота, встроенного в автоматизированный комплекс, приводит к остановке пос­леднего, вызывает большие убытки из-за невыполнения задания. Отказ де­талей автомобиля или самолета может привести к аварии или катастрофе.

Задачи изучения физических свойств объектов и их возможных дефек­тов достаточно специфичны из-за многообразия различия отдельных клас­сов объектов. Если предшествующего опыта по диагностированию изучаемо­го объекта нет, то существенной становится роль конструктора и техно­лога разработчиков, работающих со специалистом-диагностом. В результа­те должен быть определен перечень дефектов, подлежащих обнаружению в период разработки и в условиях производства и эксплуатации, а также определены признаки проявления этих дефектов. При формировании перечня следует учитывать опыт эксплуатации аналогичных объектов, статистичес­кие данные по дефектам и их признакам, физику отказов и т.п. Другим результатом изучения объекта должно быть установление требуемой точ­ности обнаружения дефектов, т.е. глубины поиска, что необходимо для оценки уровня контролепригодности объекта и сложности СКД.

Эффективность процессов контроля определяется не только качеством алгоритмов диагностирования, но и качеством средств контроля и диагнос­тирования, которые могут быть следующих видов:

- по степени охвата объекта - общие и локальные,

- по структурной принадлежности - внешние и встроенные,

- по степени автоматизации - ручные, автоматизированные, автома-ти­ческие,

- по специфике применения - универсальные и специализиро-ванные.

Традиционные подходы к организации диагностирования не могут быть применены к вновь создаваемым объектам высокой сложности в связи с приме­нением в них как элементов высокого уровня интеграции, так и принципи­ально новых конструкторских и технологических решений отдельных узлов. Для таких объектов существенно важным становится вопрос повышения их контролепригодности.

Уровень контролепригодности объектов определяет степень эф-фектив­ности решения задач диагностирования, влияет на производи-тельность производства и качество изделий, а при эксплуатации опре-деля­ет их коэффициенты готовности, время и затраты на ремонт. Требо-вание обеспечения высокой контролепригодности усложняет, однако, проектиро­вание объектов и может привести как к неоправданному их усложнению, так и необходимости больших дополнительных затрат, свя-занных только с аппаратными средствами диагностирования. Допол-нительная аппаратура, кроме того, снижает надежность объекта в целом.

Контролепригодность обеспечивается вводом в объект еще на этапе проектирования дополнительной аппаратуры - встроенных средств диагностирования, созданием дополнительных входов для подачи тестовых сигналов и дополнительных контрольных точек. Из-за отсутствия в ряде случаев регулярных и экономичных достаточно формализованных методов повышения контролепригодности объектов на практике широко используются неформальные рекомендации, облегчающие диагностирование. Следовательно, нужны разнообразные подходы и методы для повышения контролепригодности объектов до различного уровня, с тем чтобы выбрать приемлемый вариант в каждом конкретном случае.

Таким образом, диагностическое обеспечение закладывается на этапе проектирования объекта, обеспечивается на этапе изготовления и под­держивается на этапе эксплуатации.

2.3. Этапы разработки системы контроля

и диагностирования сложного технического объекта

2.3.1. Понятие о системном подходе к разработке СКД

Сложные технические системы (СТС) практически всегда могут быть предс­тавлены в виде иерархической структуры, каждый уровень которой содер­жит одну или несколько составных частей, выполняющих в рамках системы свои локальные функции. Принцип декомпозиции на уровни (подсистемы) может быть различным: функциональный, конструктивный, организационный. Указанные системы характеризуются многомерностью, многосвязностью, разнообразной природой элементов, составляющих систему и обуславливающих разнородность информа-ционных и энергетичес­ких потоков, относительной самостоятельностью функций подсистем, нап­равленных на достижение заданной цели функционирования системы в целом.

Для решения проблемы создания СКД сложной системы целесообразным является применение системного подхода как методологической основы, отличительные признаки которого следующие: формулировка цели, декомпо­зиция (в общем случае многоуровневая), установление связей между под­системами, анализ и последующий синтез фрагментов, направленные на достижение поставленной цели. В приложении к созданию СКД системный подход означает согласованный выбор альтернатив между современными конструкторскими решениями и технологическими возможностями, уровнем автоматизации и слож-

Рис.2. Взаимосвязь научных дисциплин при решении проблемы организации контроля, диагностирования и испытаний МРС

ностью программного обеспечения, глубиной диагностирования, надежностью и ценой. Здесь следует отметить, что надежность работы объекта выступает как целевая функция и ей подчинены все характеристики и параметры СКД.

При разработке СКД сложных объектов необходимо решить комп­лекс взаимосвязанных задач (конструкторских, системотехнических, техно­логических, математических, программных и др.). Это возможно только в рамка системного подхода, поскольку он позволяет представить взаимос­вязь различных направлений решения проблемы, а также выявить пути ре­шения задач междисциплинарного характера и определить конкретные тех­нические решения.

Теоретические основы проблемы организации контроля, диагнос-тирования и испытаний органично взаимосвязаны в рамках системного подхода с комплексом научных дисциплин, обеспечивающих решение практически всех возникающих задач. Пример такой взаимосвязи в приложении к контролю и диагностированию МРС приведен на рис.2.

Практическое решение проблемы достигается путем разработки методического, аппаратного, программно-математического и метрологи-ческого обеспечения, учитывающего особенности конкретного объекта.

2.3.2. Последовательность разработки СКД

При разработке СКД решается комплекс взаимосвязанных задач, кото­рые выполняются в несколько этапов:

1) исследование объекта контроля, то есть принципа его работы, струк­туры, конструкции, выполняемых функций и т.п.,

2) разработка перечня или классов возможных дефектов, условий и признаков их проявления, передачи признаков в контрольные точки (для малоизученных объектов может потребоваться физическое моделиро-вание дефектов),

3) при необходимости формализованного решения задач диагнос-тирования выбор известной или построение новой математической модели объекта и соответствующей ей диагностической модели,

4) выбор метода и построение алгоритма диагностирования на основе анализа диагностической модели или при отсутствии модели - интуитивно на основе опыта,

5) оценка качества полученного алгоритма диагностирования с точки зрения полноты и глубины обнаружения дефектов, разработка программно-математического обеспечения (ПМО), выбор из известных или разработка новых средств диагностирова­ния, которые реализуют алгоритм диагностирования,

7) оценка характеристик выбранных или разработанных средств диаг­ностирования (габариты, масса, надежность, стоимость, глубина диагностирования и другие),

8) исследование, в том числе экспериментальное, СКД в целом, при необходимости модернизация системы и доработка ПМО,

9) приемо-сдаточные производственные испытания.

При разработке СКД реального объекта отдельные этапы могут быть выполнены не в полном объеме или вообще исключены.

2.4. Организация системы контроля и диагностирования

2.4.1. СКД как система распознавания образов

При разработке принципов организации контроля и диагности-рования СТС в их структуре выделяется несколько уровней иерархии подсистем. Это служит основой для исследования объекта с целью создания СКД. При диагностировании возникает задача распознавания состояния СТС, для решения которой необходимо построить диагностическую модель и алгоритм диагностирования. Основная трудность при этом связана со сложностью математического описания объекта, так как СТС содержат большое число разнородных узлов и элементов и отличаются сложными функциональными связями между ними. В подсистемах объекта реализуются различные алгоритмы функционирования, поэтому для их описания требуются различные математические модели. При этом возникает проблема сопряжения этих моделей между собой. В итоге модель всей системы получается весьма сложной и малопригодной для построения диагностической модели.

В настоящее время в теории систем выделилась методологическая концепция, называемая концепцией пространства состояний. Состояние системы описывается совокупностью переменных, которые в каждый рассматриваемый момент времени адекватно отражают ее поведение. Исходя из этого, СТС можно представить как математический объект в виде упорядоченного множества

S = {T,U,X,Y,F,L}, (2.1)

где T - множество моментов времени, U(t), Y(t) - векторы входных и выходных переменных, соответственно, X(t) - вектор переменных состояния, F - оператор переходов, отражающий изменение состояния системы под воздействием возмущений, L - оператор выходов, описы-вающий механизм формирования выходного сигнала.

Выражение (2.1) является общим и недостаточно определенным. Для конкретного описания рассматриваемой задачи необходимо наложить ограничения на его элементы, которые вытекают из особенностей данного объекта диагностирования (ОД).

Состояние ОД есть вектор, составляющие которого не позволяют установить работоспособен или неработоспособен объект в данный момент времени. Для этого необходимо задать виды технического состояния ОД, указав граничные условия по каждой переменной состояния x_i(t) и проверив их выполнимость. Условие работоспособности по некоторой переменной x_i(t) представляется обычно в виде неравенства

x_iн £ x_i £ x_iв , (2.2)

где x_iн, x_iв - нижнее и верхнее допустимые значения переменной x_i(t). Выход значений x_i(t) за указанные пределы фиксируется как отказ, а соответствующее состояние ОД как неработоспособное.

Таким образом, задача диагностирования заключается в определе-нии состояния объекта (задача наблюдения) и отнесении его к одному из заданных видов технического состояния (задача классификации). Сформулированная в таком виде задача диагностирования СТС является задачей распознавания образов, причем объектами распознавания являются состояния ОД.

Формально распознаваемое состояние (изображение) представля-ется в виде упорядоченного набора некоторых переменных, называемых признаками. В качестве признаков используются значения измеряемых параметров (сигналов с ОД). При диагностировании могут быть исполь-зованы самые разнообразные физические параметры: температура, уровень вибраций, ток, напряжение и многие другие. Граничные значения перечисленных параметров могут быть довольно просто заданы для различных состояний ОД. При автоматизированном распознавании очень часто используются бинарные признаки, когда значение 1 соответствует нахождению значения параметра в допустимых пределах (работоспособное состояние), а значение 0 – значению параметра в недопустимых пределах (неработоспособное состояние).

2.4.2. Структура СКД

Обобщенная структура СКД, отражающая основную задачу диагностирования, представлена на рис.3. Состояние ОД определяется с помощью системы датчиков, формирующих сигналы о функциональных и параметрических отказах на различных уровнях подсистем. Далее сигналы поступают в многоканальное устройство измерения, которое нормализует сигналы и преобразует их в код. Кодированная информация поступает в устройство сравнения, где производится соответствующая

Рис.3. Обобщенная структура СКД

обработка и сравнение с эталонными значениями параметров. На основании сравнения осуществляется распознавание состояния ОД. При выявлении отказа устройство сравнения выдает управляющее воздействие на ОД и соответствующее сообщение на устройство индикации. Так организуется функциональное диагностирование. Для повышения степени локализации отказов и контроля управляющей подсистемы применяется тестовое диагностирование. В качестве устройства сравнения в СКД используется микроЭВМ или микропроцессор (МП).

Обобщенная структура СКД устанавливает также конструктивную принадлежность средств диагностирования (СД). Часть СД, с помощью которых оценивается состояние объекта в реальном времени, встраивается в ОД. Эти СД называются встроенными (рис.4). Другая

Рис.4. Конструктивная принадлежность средств диагностирования

часть СД конструктивно выполняется в виде отдельных блоков и предназначена для выявления некоторых отказов на верхнем уровне иерархии, вычисления интегральных оценок, формирования и обработки сигналов при тестовых воздействиях, а также при углубленном диагностировании. Эти СД называются внешними. Встроенные СД управ-ляются от МП самого объекта, а внешние СД – от дополнительного МП.

Встроенные и внешние СД целесообразно также классифицировать по функциональному назначению на отдельные информационно-измерительные каналы в соответствии с применяемыми методами контроля и диагностирования, например, канал вибродиагностирования, канал термоконтроля, канал контроля износа инструмента и другие.

Таким образом, обобщенная функция СКД включает в себя следующие процедуры:

- измерение диагностического параметра,

- сравнение с нормой и обнаружение отклонения от нее,

- определение причин и места отклонения,

- формирование решения по результатам анализа характера откло-нения, места и причины отказа,

- реализация решения.

Конкретное техническое решение по структуре СКД определяется на стадии проектирования объекта и уточняется в период его испытаний и опытной эксплуатации.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: