Показатели диагностирования

 

Для оценки эффективности и сравнения различных вариан­тов диагностирования устанавливается номенклатура показа­телей диагностирования, которые следует определять при про­ектировании, испытании и эксплуатации систем диагностиро­вания.

Система технического диагностирования СЭО и ЭСА пред­назначена для оценки технического состояния и поиска дефек­та, поэтому важными показателями системы диагностирования являются достоверность диагноза и глубина поиска дефекта.

Достоверность диагноза характеризует правиль­ность результатов, выдаваемых СТД, и может быть определе­на как вероятность правильного диагностирования, т. е. вероятность того, что система диагностирования определяется то техническое состояние, в котором действительно находится объект диагностирования

где Pi,i -вероятность правильного определения технического состояния iобъекта диагностирования; -вероятность сов­местного наступления двух событий: объект диагностирования находится в техническом состоянии i, а в результате диагности­рования считается находящимся в состоянии j; количество различных состояний объекта диагностирования.

Обычно при диагностировании СЭО и ЭСА различаются два технических состояния (m= 2) объектов диагностирования (ра­ботоспособное, неработоспособное).

Одним из путей, позволяющим повысить достоверность оцен­ки технического состояния СЭО и ЭСА, является многократное диагностирование. Повторное диагностирование необходимо после фиксации маловероятного состояния (если два раза под­ряд фиксируется неработоспособное состояние объекта, то объ­ект можно считать неработоспособным). Трехкратное диагно­стирование проводится в том случае, когда при первом диагно­стировании зафиксировано неработоспособное состояние, а при втором - работоспособное.

Глубина поиска дефекта представляет собой ха­рактеристику поиска дефекта, задаваемую указанием состав­ной части объекта диагностирования или ее участка, с точ­ностью до которой определяется место дефекта. Система тех­нического диагностирования может осуществлять поиск дефек­та до элемента, узла, блока и др. Чем подробнее указывается место дефекта, тем больше глубина поиска дефекта.

Глубина поиска дефекта оценивается коэффициентом глу­бины поиска дефекта, определяемым по диагностической мо­дели объекта:

(4.1)

где F - число однозначно различимых составных частей объ­екта на принятом уровне деления, с точностью до которых оп­ределяется место дефекта; R-общее число составных частей объекта на принятом уровне деления, с точностью до которых требуется определение места дефекта.

Из формулы (4.1) следует, что изменяется в пределах

Достижение требуемых значений D_Ии связано с опре­деленными затратами на выполнение операций по диагности­рованию. В связи с этим система технического диагностирова­ния характеризуется также показателями времени (средняя оперативная продолжительность диагностирования _д), стоимо­сти (средняя стоимость диагностирования Сд) трудоемкости средняя оперативная трудоемкость диагностирования Sд) ди­агностирования.

При создании систем технического диагностирования следу­ет стремиться увеличивать показатели Dи и и снижать Показатели диагностирования взаимосвязаны: с повы­шением достоверности определения технического состояния и глубины поиска дефекта растут затраты времени, труда и стои­мость диагностирования, поэтому необходим комплексный под­ход к нормированию показателей диагностирования. Важное значение для повышения эффективности СТД имеет автомати­зация процесса диагностирования.

 

Классификация отказов

Виды отказов. Основные виды отказов классифицируют по следующим признакам:

характеру изменения параметров объекта - внезапный, по­степенный;

связи с отказами других объектов - независимый, зависи­мый;

стадии возникновения причины отказа - конструкционный, производственный, эксплуатационный;

устойчивости неработоспособности - самоустраняющийся, перемежающийся;

возможности предупреждения отказа - предотвращаемый, непредотвращаемый.

Внезапный (или постепенный) отказ характе­ризуется скачкообразным (или постепенным) изменениям зна­чений одного или нескольких заданных параметров объекта.

Деление отказов на внезапные и постепенные носит доста­точно условный характер и определяется в основном возможно­стями контроля параметров объекта. Отказ классифицируется как внезапный, если ему не предшествует направленное изме­нение какого-либо из наблюдаемых эксплуатационных парамет­ров и, значит, практически невозможно прогнозировать время возникновения такого отказа. Постепенному отказу предшеству­ет закономерное изменение заданного эксплуатационного пара­метра, что позволяет прогнозировать время возникновения от­каза. Для ряда элементов постепенные отказы составляют зна­чительную часть всех отказов (табл. 3.1).

Независимый (или зависимый) отказ - отказ объекта, не обусловленный (или обусловленный) отказом дру­гого объекта. Такое разделение отказов позволяет установить зависимость (или независимость) отказа элемента электриче­ской системы (или СЭО) от отказов элементов этой же си­стемы.

Отказы подразделяют на конструкционные, производствен­ные и эксплуатационные, в зависимости от стадии создания или существования объекта, на которой следует провести мероприя­тия по устранению их причины.

Таблица3.1.

Вероятность появления постепенных и внезапных отказов

 

Элемент	Отказы, %
полупроводниковые приборы трансформаторы, реле резисторы конденсаторы	постепенные 70…80   50…60 20…30 7…10	внезапные 20…30   40…50 70…80 90…93

Конструкционные отказы возникают в результате несовершенства или нарушения установленных правил и (или) норм конструирования объекта.

Производственные отказы возникают в результате несовершенства или нарушения установленного процесса изго­товления или ремонта объекта, выполняющегося на ремонтном предприятии.

Эксплуатационные отказы возникают в результа­те нарушения установленных правил и (или) условий эксплуа­тации объекта.

В СЭО и ЭСА могут возникать отказы, после которых рабо­тоспособность самовосстанавливается. Отказы такого типа на­зываются самоустраняющимися. Например, при вклю­чении аварийный дизель-генератор (АДГ) может не запустить­ся после реализации всех трех попыток пуска - отказ системы пуска АДГ, а при повторном включении АДГ запускается - са­мовосстановилась работоспособность системы пуска АДГ. Са­моустраняющийся отказ одного и того же характера может воз­никать в СЭО и ЭСА несколько раз через относительно корот­кие интервалы времени. Многократно возникающий самоустра­няющийся отказ одного и того же характера называется пере­межающимся.

В процессе эксплуатации представляется возможным обна­ружить и устранить ряд повреждений, которые могли бы при­вести к отказам (предотвращаемые отказы). Некоторые повре­ждения СЭО и ЭСА не могут быть обнаружены и в конечном итоге приводят к отказам (непредотвращаемые отказы) (табл. 3.2).

К предотвращаемым отказам относятся в основном постепенные отказы, при которых удается контролировать предшествующее им изменение характеристик СЭО и ЭСА,

К непредотвращаемым отказам относятся те внезапные отказы, статистические закономерности возникнове­ния которых неизвестны.

 

Таблица 3.2.

Соотношение между предотвращаемыми инепредотвращаемыми отказами элементов

Элемент	Доля отказов, %
предотвращаемых	непредотвращаемых
Электродвигатели Реле, переключатели Полупроводниковые приборы Резисторы, конденсаторы	40...60 50...60 40...60 20...30	40...60 40...50 40...60 70...80

 

Следует иметь в виду, что не все постепенные отказы можно предотвратить, так как часто весьма трудно определить медлен­ные изменения параметров ТС различных элементов СЭО и ЭСА. Не все внезапные отказы принадлежат к непредотвращаемым, так как появление некоторых внезапных отказов может быть предсказано на основе изучения статистических законо­мерностей их возникновения во времени. Например, известно, что время безотказной работы для реле, полупроводниковых приборов подчиняется закону распределения Вейбулла, а для ряда электромеханизмов - нормальному закону распределения.

Совершенствование методов и средств контроля приводит к тому, что все большая часть изменений параметров ТС может быть обнаружена, а значит и предупреждена. В связи с этим деление отказов на предотвращаемые и непредотвращаемые в определенной степени условно и вводится главным образом для оценки эффективности работ по техническому обслуживанию.

Признаки и причины отказов. При отказе объект переходит в неработоспособное состояние, поэтому отказ определяется по признакам этого состояния (выход значений параметров за пре­делы допуска, нарушение признаков нормальной работы и т. д.), установленным в нормативно-технической документации. На­пример, отказ судовых ЭСА может произойти в результате:

несрабатывания - выходной сигнал не достигает заданного уровня при подаче на вход соответствующего сигнала;

ложного срабатывания - выходной сигнал достигает задан­ного уровня при отсутствии соответствующего сигнала на входе;

ухода сигнала - выходной сигнал выходит за допустимые пределы при допустимом сигнале на входе, снижается сопро­тивление изоляции ниже допустимого уровня, искажается или неустойчив выходной сигнал выше допустимого уровня при со­ответствующем входном сигнале, контролируемый сигнал изме­ряется с погрешностью выше допустимой.

Причинами отказов СЭО и ЭСА могут быть нарушения пра­вил и норм, допущенные при конструировании, производстве и технической эксплуатации, а также естественные процессы износа и старения. К последствиям отказа относятся явления, процессы, события и состояния, возникшие при отказе и нахо­дящиеся в непосредственной причинной связи с ним. Следует различать отказ элемента объекта (электрической системы) и отказ объекта в целом. При этом возможны случаи, когда отказ элемента будет одновременно означать и отказ объекта и когда отказ элемента не приводит к отказу объекта.

Внезапные отказы СЭО и ЭСА происходят в основном в ре­зультате короткого замыкания или обрыва электрической цели (обмоток электрических машин и аппаратов, жил кабеля и при­водов, резисторов, конденсаторов, полупроводниковых приборов, электроламп и др.). Общими причинами внезапных отказов СЭО и СЭА являются конструктивные недостатки, низкое каче­ство изготовления, неправильные действия судового обслужи­вающего персонала.

Постепенные отказы вызываются износом и старением эле­ментов СЭО и ЭСА, особенно изоляции токоведущих частей и подвижных электрических и механических соединений. Старе­ние изоляции, т. е. необратимое изменение структурного и хи­мического состава изоляции, происходит под действием различ­ных эксплуатационных факторов: температуры, влажности, вибрации, электродинамических сил и др. Износ элементов под­вижных электрических контактов электрических машин (кол­лекторов, контактных колец и щеток) вызывается механическим трением, биением рабочих поверхностей, нагревом в контакте и искрением. На износ контактов электрических аппаратов (кон­такторов, реле и др.) оказывают влияние ток и напряжение, род тока, частота включения, вибрация, окружающая среда и др. Одним из наиболее важных факторов, влияющих на износ кон­тактов аппаратов, является действие электрической дуги.

Статистические данные показывают, что наиболее частыми причинами отказов вращающихся электрических машин явля­ются нарушения работоспособности изоляции обмоток и под­шипников; у электрических аппаратов приблизительно 60°/о от­казов приходится на контакты, а остальные 40% распределяет­ся примерно поровну между обмоткой и механической частью. Отказы электрорадиоэлементов, входящих в состав средств ав­томатизации, распределяются следующим образом: резисто­ры - 23% всех отказов электрорадиоэлементов средств авто­матизации, конденсаторы - 3...6%, элементы с обмотками (трансформаторы, дросселы, катушки индуктивности и др.) - 3...7%, электрические реле и переключатели - 12 %.

Самоустраняющиеся отказы могут возникать вследствие кратковременного воздействия на некоторый элемент (или эле­менты) устройства или системы внешних помех, а также в ре­зультате кратковременного изменения параметров элементов (кратковременное нарушение контактов, подвижных связей и т. п.). После такого отказа объект может длительное время работать нормально.

Самоустраняющиеся и перемежающиеся отказы особенно опасны Для средств автоматизации с ЭВМ и диагностических систем. Установлено, что для цифровой вычислительной техники самоустраняющиеся отказы превышают другие виды отказов в 4...6 раз при использовании устройств на электровакуумных приборах и в 10...15 раз - при использовании полупроводниковых устройств.

Самоустраняющийся отказ ЭВМ сопровождается искажени­ем информации при операциях передачи, хранения и обработки, поэтому, если не устранить последствия такого отказа, то за­дача может оказаться неправильно решенной из-за искажений данных, промежуточных результатов или непосредственно программ. При самоустраняющемся отказе ЭВМ нужно восста­навливать достоверность информации, например, путем повтор­ного пуска программы или ее части; ремонт или регулировка аппаратуры не требуется.

Анализ отказов аппаратуры показывает, что примерно 40...45 % всех отказов происходит из-за ошибок, допущенных при конструировании; 20%- из-за ошибок в процессе производст­ва; 30% - в результате неправильной эксплуатации и 5...10 % - вследствие естественного износа и старения.

Классификация отказов имеет важное значение в практике эксплуатации СЭО и ЭСА, так как способствует правильному определению отказа и его устранению.

 

Диагностические модели

 

Под диагностической моделью (моделью объекта диагностирования) понимается другой объект любой природы (мысленно представляемый или материально реализованный), способный замещать реальный объект при исследовании и поз­воляющий получить информацию, необходимую для осущест­вления технического диагноза.

Различают две группы диагностических моделей непрерывных объектов: аналитические и симптомные.

Аналитические модели обычно представляются в в виде уравнений (алгебраических, дифференциальных, интегральных), задающих зависимости между входными, внутренними переменными и выходными функциями СЭО и ЭСА. В практических задачах при разработке аналитических моделей возникают трудности, связанные с отсутствием информа­ции по математическому описанию работы многих устройств электрических систем.

К симптомным моделям относятся функционально-структурные, функциональные граф-модели, матричные и логи­ческие модели,в которых основными носителями информации являются признаки (симптомы), характеризующие выходные функции.

При составлении симптомных моделей сложный объект диагностирования разбивают на относительно небольшое количество обобщенных функциональных элементов (блоков), с точностью до которых осуществляется поиск дефекта. Значение переменных внутри каждого элемента не учитывается и производится качественная допусковая логическая оценка признаков состояния („работоспособное- неработоспособное" или „в норме — не в норме"). Это приводит к снижению точ­ности оценки состояния объекта диагностирования.

В решении практических задач технического диагностиро­вания конкретных видов СЭО и ЭСА, которые могут быть от­несены к непрерывным объектам, широко используются наи­более простые и легко автоматизируемые допусковые способы оценки технического состояния по результатам контроля диаг­ностических параметров объекта.

В этих случаях наибольшее применение для описания непрерывных объектов находят отно­сительно простые симптомные функционально-структурные, функциональные граф-модели и логические модели.

Функционально-структурная модель объекта диагностирова­ния строится на основе функциональной схемы объекта. Каж­дый функциональный элемент (блок) функциональной схемы заменяется в модели функциональными элементами, имеющими по одному выходу (одной выходной функции) и существенные для данного выхода входы (входные параметры). В модели связь функциональных элементов соответствует связям функ­циональной схемы объекта. При этом связи, обеспечивающие резервирование функциональных элементов объекта, в модели обычно не учитываются (ввиду сложности) и рассматривается нерезервированная схема.

Количество функциональных элементов в диагностической модели может отличаться от количества элементов в соответ­ствующей функциональной схеме, так как в последней функ­циональные элементы выбираются для описания процессов функционирования объекта, а в модели количество функцио­нальных элементов приближенно определяется заданной глу­биной поиска дефекта. В модели каждый функциональный эле­мент представляет собой такую часть объекта, которую в зави­симости от ее выходной функции, изменяющейся под действием входных переменных, можно оценивать как работоспособную или неработоспособную. В частном случае, когда все функцио­нальные элементы схемы имеют по одному выходу, каждый из которых характеризуется одним физическим параметром, структурно-функциональная модель может совпадать с функциональной схемой объекта.

Функциональный элемент модели считается неработоспособным, если при допустимых входных сигналах его выходной сигнал (выходная функция) находится вне допустимых пределов.

В качестве примера на рис.4.3. приведена схема функционально-структурной модели, состоящей из пяти функциональных элементов. В схеме имеются две внешние входные переменные x₁₁,x₄₁ и две внешние выходные функции z₃,z₅. Остальные входные переменные и выходные функции являются внутренними. Выходные функции z₁,z₂ и z₄ являются входными переменными соответственно для элементов Э₂,Э₃ и Э₅.Элемент Э₃ имеет обратную связь.

 

 

Рис. 4.3.Схема функционально-структурной диагностической модели объекта.

 

 

Рис. 4.4.Схема функциональной граф -модели диагностируемого объекта.

Для функционально-структурной модели может быть составлена матрица взаимозависимости выходных функций, для функционально-структурной модели, приведенной на рис.4.3,такая матрица дана в табл.4.4.

Матрица содержит одинаковое количество столбцов и строк, равное числу функциональных элементов модели; каждый столбец соответствует одному элементу Э_i, а строка-одному выходу элемента z_i. В матрице знаком «+» отмечена зависимость выходов z_iот техническогосостояния соответствующего функционального элемента; при этом внешние входные переменные x₁₁ и x₄₁ модели полагаются имеющими всегда номинальное значение.

 

Таблица 4.4. Матрица взаимозависимости выходных функций

выходные функции	элементы модели
z1 z2 z3 z4 z5	Э1	Э2	Э3	Э4	Э5
+ + + - -	- + + - -	- - + - -	- + + + +	- - - - +

 

Так, согласно табл. 4.4 выходная функция Z₁зависит толь­ко от состояния элемента Э₁, выходная функция z₂- от состоя­ния элементов Э₁, Э₂и Э₄ и т. д.

Анализируемая функциональная диагностическая модель в виде структуры может быть представлена граф-моделью в виде ориентированного графа (рис. 4.4). Для этого входы и выходы элементов заменяются вершинами, а связи между элемента­ми-ребрами при условии сохранения направленной передачи сигналов в схеме соединения элементов. С помощью ориенти­рованного графа формальное составление матрицы взаимозави­симости выходных функций выполняется следующим образом. От каждой вершины графа осуществляют поочередное движе­ние по всем ребрам связей графа в противоположных стрелкам направлениях. В табл.4.4встречающиеся номера вершин отмечаются знаком„+". Движение вдоль ребер графа осуще­ствляется до тех пор, пока не будет достигнут внешний вход или не образуется замкнутая петля.

Преимущество граф-модели состоит в том, что при ее по­строении не накладываются ограничения на количество выход­ных сигналов проверяемых узлов. Граф-модель обычно исполь­зуется для определения в первом приближении минимизиро­ванной совокупности контролируемых параметров.

Логическая модель объекта диагностирования строится на основе принципиальной или функциональной схемы объекта, его структурно-функциональной или матричной модели.

В логической модели входные переменные и выходные функ­ции выделенных функциональных элементов объекта рассмат­риваются как логические переменные и функции, принимающие значения из двухэлементного множества {0,1}. Значение 1 со­ответствует величине входной переменной (выходной функции), имеющей номинальное или допустимое значение, а значение 0- входной переменной (выходной функции), имеющей значе­ние, выходящее за допустимые переделы. В этом случае выход­ные функции z₁, z₂,...,z_кявляются булевыми функциями вход­ных переменных х₁, х₂,.., х_nи по аналогии с формулой (4.2) Для систем передаточных функций исправного объекта диагно­стирования можно записать:

(4.6)