Автоматическое управление процессом диагностирования и поиском неисправностей в электрических цепях с релейными элементами

Основные понятия о технической диагностике. Техническая диагностика — это область науки, разрабатывающая теорию, методы и средства определения видов технического состояния различных устройств и поиска неисправностей в них. Устройства и их составные части, техническое состояние которых подлежит определению, называются объектами технического диагностирования. Различают следующие виды технического состояния: исправное и неисправное, работоспособное и неработоспособное, а также состояния правильного и неправильного функционирования. Под функционированием объекта следует понимать выполнение предписанного ему алгоритма функционирования при использовании этого объекта по прямому назначению. Исправность устройств и изделий необходимо контролировать при выпуске их на предприятии-изготовителе и в процессе эксплуатации.

Процесс определения технического состояния объекта называется техническим диагностированием. Состояние объекта диагностирования в целом рассматривается как функция, зависящая от состояния входящих в него элементов. Результатом диагностирования (технического диагноза) является заключение о техническом состоянии объекта с указанием его исправности или неисправности. При неисправности объекта должны быть указаны место, вид и причины дефекта (или нескольких дефектов). Место дефекта определяется с некоторой заданной точностью, которую называют глубиной поиска дефекта.

Для проведения процедуры диагностирования требуется решение следующих основных задач:

• 1. Выбор и построение модели объекта диагноза.
• 2. Построение алгоритма диагностирования.
• 3. Выбор технических средств диагностирования.

Различают функциональное и тестовое техническое диагностирование. Функциональное диагностирование осуществляется во время функционирования объекта, на который поступают только входные рабочие воздействия. Никакие воздействия на объект со стороны средств диагностирования не подаются. При тестовом диагностировании объект не используется по своему назначению. На него подаются тестовые воздействия, и фиксируется его отклик, т. е. реакция, которая сравнивается с эталонной. Такие проверяющие тестовые воздействия особенно часто применяются при диагностировании объектов, содержащих дискретные элементы.

Объекты диагноза делят на комбинационные и последовательностные. Комбинационные объекты — это объекты без элементов памяти. Они характеризуются взаимно однозначным соответствием между входными и выходными сигналами. Последовательностные объекты, или объекты с памятью, имеют выходные сигналы, значения которых зависят не только от значений входных сигналов, но и от состояния элементов памяти. Здесь мы будем рассматривать только комбинационные дискретные системы.

Различают безусловные алгоритмы диагностирования, предписывающие заранее фиксированный порядок выполнения элементарных проверок, и условные алгоритмы диагностирования, определяющих выбор очередных элементарных проверок результатами предыдущих элементарных проверок. Если диагноз составляется после выполнения всех элементарных проверок, предусмотренных алгоритмом, то такой алгоритм называется алгоритмом с безусловной остановкой. Если же анализ результатов делается после выполнения каждой элементарной проверки, то в этом случае алгоритм называется алгоритмом с условной остановкой.

Рис. 4.9. Безусловный алгоритм проверки исправности логического элемента И.

Для построения тестов и алгоритмов диагностирования необходимо иметь формальное описание объекта и его поведения в исправном состоянии. В качестве безусловного алгоритма тестового диагностирования приведем пример проверки исправности логического элемента И, имеющего два входа х_х и х₂ и один выход у (рис. 4.9, а). Логический единичный сигнал на выходе у этого элемента появится только тогда, когда будут присутствовать единичные логические сигналы на обоих его входах в соответствии с таблицей истинности, приведенной на рис. 4.9, б. Таблица истинности является математическим описанием объекта диагностирования — логического элемента И. Если на одном из входов будет нулевой сигнал, то сигнал на выходе также будет равен нулю. Проверка исправности элемента И осуществляется поочередной подачей на его входы трех тестовых воздействий: 01, 10и 11 — и измерением при этом выходных значений у. Если полученные значения на выходе элемента совпадут с соответствующими значениями в правом столбце у таблицы, то элемент исправен, а если не совпадут, то неисправен. Если диагноз составляется после получения всех значений выхода, то используется алгоритм с безусловной остановкой. Если же анализируется результат на выходе элемента после каждой проверки и в случае несоответствия проверка заканчивается выдачей заключения о неисправности элемента, то такой алгоритм является алгоритмом с условной остановкой.

Поиск неисправностей в неразветвленных электрических цепях с релейными элементами. Пусть имеется участок цепи, состоящий из последовательно включенных замыкающих контактов электромагнитных реле PI—Р8 (рис. 4.10), через которые подается сигнал на срабатывание реле Р. Устройство, в которое входит этот участок электрической цепи, будет работать только в том случае, если все восемь реле будут исправны, на катушки реле будут поданы напряжения и контакты этих реле окажутся замкнутыми. Если хотя бы один контакт не будет замкнут, то схема не будет работать. Схема имеет контрольные точки К1—К8, в которых можно измерять величину сигнала.

Проверим работоспособность схемы, подав напряжение на катушки всех реле PI—Р8. Пусть выходное реле Р при этом не сработало и измерение показало, что в контрольной точке К8 напряжение отсутствует, т. е. сигнал в контрольной точке К8 равен нулю. Необходимо определить отказавший элемент цепи. Допустим, что произошел отказ реле Р1 и его контакты оказались разомкнутыми. Начнем поиск отказавшего элемента именно с первого реле, т. е. с реле Р1. Очевидно, что в этом случае первая проверка (измерение напряжения в точке К1, которое в этом случае будет равно нулю) приведет нас к желаемому результату — нахождению неисправного элемента Р1. Если же оказался разомкнутым контакт реле Р8, т. е. отказало реле Р8, и мы также начнем поиск неисправности с реле Р1, затем будем проверять контакты реле Р2, РЗ и т. д. в контрольных точках К2, КЗ и т. д., то в этом случае мы сможем обнаружить неисправный контакт только через семь шагов, т. е. через семь проверок. Л если бы мы начали проверку с контакта реле Р7, то обнаружили бы неисправность после первой проверки. Таким образом, при последовательной проверке контактов время поиска неисправности будет зависеть от места расположения неисправности и от направления ее поиска. Очевидно, что такой тривиальный метод проверки путем последовательного перебора не является оптимальным, особенно при проверке большого количества неисправных элементов. Более эффективным и обоснованным с научной точки зрения является метод половинного деления или метод дихотомии.

Рис. 4.10. Участок цени, состоящий из последовательно включенных контактов электромагнитных реле PI—Р8.

Рассмотрим суть этого метода на том же самом примере, но заменив для общности рассуждений контакты реле прямоугольниками с теми же самыми номерами, что и реле, считая, что в прямоугольнике в общем случае может быть любой дискретный направленный элемент электротехнического устройства (рис. 4.11). Сигнал в элементе может передаваться только в одном направлении: с входа элемента на его выход. Обратная передача сигнала отсутствует. Эти прямоугольники будем считать блоками, работоспособность которых требуется определить.

Рис. 4.11. Участок цепи, состоящий из последовательно включенных.

дискретных элементов Для начала будем считать, что в схеме имеется только одна неисправность, т. е. только один отказавший блок. Состояние блока обозначим прописной буквой X с индексом, равным номеру блока. Например, состояние блока 2 обозначим Х₂. Вход каждого последующего элемента подключен к выходу предыдущего элемента. К выходу каждого блока подключена соответствующая контрольная точка. Величину выходного сигнала блока будем обозначать строчной буквой х с индексом, соответствующим номеру блока.

Будем также считать, что каждый блок может находиться только в двух состояниях: исправном (обозначим это состояние 1) и неисправном (обозначим это состояние 0). Например, выражение х₂ = 1 означает, что на выходе второго блока имеется рабочий (допустимый) сигнал, который принимают за единицу.

В исправном состоянии при подаче единичного сигнала на вход блока на его выходе также появляется единичный сигнал. В нашем случае этот единичный сигнал и говорит об исправности элемента, т. е. о том, что контакт соответствующего реле замкнут. Нулевой же сигнал говорит о неисправности элемента, т. е. о том, что его контакт разомкнут. Неисправность такого вида, как приваривание контактов и появление единичного сигнала на выходе элемента при отсутствии сигнала на его входе, т. е. ложное срабатывание реле, рассматривать не будем. Также не будем рассматривать дребезг контактов реле и отклонение от нормы его временных параметров. Считаем, что монтаж выполнен правильно и провода, соединяющие элементы, не перепутаны.

Для составления алгоритма поиска неисправностей необходимо иметь формальное описание объекта и его неисправностей или математическую модель объекта диагноза. В качестве такой модели можно использовать таблицу неисправностей (табл. 4.3), имеющую восемь строк и восемь столбцов (по количеству элементов в схеме).

Таблица 43

Таблица неисправностей.

Таблица неисправностей заполняется следующим образом. На пересечении /-го столбца и Z-й строки ставится 0, который обозначает отказ, т. е. нерабочее состояние /-го блока. На пересечении ]-го столбца с /-строкой ставится 0, если j-й блок может вызвать неработоспособное состояние /-го блока, и 1, если состояние j-го блока не влияет на состояние /-го блока.

Поскольку состояние элементов в таблице записано в двоичном коде, то она является логической моделью объекта диагноза.

Важным этапом в процессе диагностирования является получение информации о состоянии объекта. Перед началом диагностирования объект, имеющий N элементов, с точки зрения наблюдателя характеризуется большой степенью неопределенности состояния, которая оценивается энтропией H (N). Если система из N элементов может быть неисправна в результате отказа только одного какого-либо z-го элемента с вероятностью отказа р_г то энтропия такой системы.

Если вероятность отказа каждого блока одинакова и равна 1 /N, то энтропия системы максимальна:

В нашем случае энтропия H (N) = 11(8) = log₂ 8 = 3.

Каждая проверка схемы несет в себе определенное количество информации, и в результате энтропия системы (ее неопределенность) уменьшается. Количество информации, которое несет проверка каждого г-го блока, при условии, что отказы всех блоков, входящих в систему, будут равновероятными, в соответствии с табл. 4.3 оценивают соотношением.

Здесь тип — число нулей и единиц в z-й строке табл. 4.3, соответствующей номеру г проверяемого блока; N = т + п — количество элементов в схеме.

Например, при проверке второго, четвертого и шестого блоков получим следующее количество информации:

Зависимость количества информации от номера проверяемого блока приведена на рис. 4.12. Как следует из рис. 4.12 и полученных выше соотношений, максимальное количество информации получается при проверке четвертого блока, который находится в середине проверяемой цепи. В этом случае т = п = N / 2.

При проверке других блоков количество информации будет меньше (см. табл. 4.3). Количество информации можно оценить и проще, а именно произведением количества нулей и единиц (т • п) в строке, соответствующей номеру проверяемого блока, которое, как следует из табл. 4.3, также максимально для четвертого блока.

Рис. 4.12. Зависимость количества информации J от номера i проверяемого элемента Алгоритм диагностирования должен строиться таким образом, чтобы каждая проверка приносила максимальное количество информации. Поэтому целесообразно вместо последовательного перебора измерений в каждой точке выбрать алгоритм, построенный с использованием метода половинного деления или метода дихотомии. В этом случае при каждой проверке участок цепи делится на две равные группы гак, чтобы вероятности нахождения искомого неисправного элемента в каждой группе были бы равны значению 0,5. Тогда в результате одной проверки будет получена информация, равная 1 биту. Например, если мы проверим блок 4, то по результатам проверки точно будем знать, где находится неисправность: в первой половине элементов (1—4) или во второй половине (5—8). Если будет неисправна первая половина, то для нее так же, как и ранее, составляется таблица неисправностей (табл. 4.4).

Таблица 4.4

Таблица неисправностей.

Как следует из табл. 4.4, при проверке первой половины электрической цепи наибольшую информацию несет проверка блока 2, лежащего посередине первой группы. Следовательно, второй проверкой должна быть проверка блока 2, которая покажет, в какой половине находится неисправный элемент: в первой половине элементов (1, 2) или во второй (3, 4). Если на выходе элемента 2 сигнал отсутствует, т. е. неисправность находится в группе (1, 2), то третья проверка (проверка первого элемента — это как раз и будет половина первой группы элементов (1, 2)) точно определит неисправный элемент: первый или второй. Если на выходе элемента 1 сигнал отсутствует, значит, отказал элемент 1, а если сигнал есть, то отказал элемент 2. Таким образом, проверка заканчивается, когда будет обнаружен неисправный блок, на входе которого есть единичный сигнал, а на выходе — сигнал нулевой. На рис. 4.13 упрощенно показан принцип выбора проверяемого элемента по методу половинного деления.

Таким образом, вместо восьми последовательных проверок всех элементов оказывается достаточным сделать только три проверки для обнаружения неисправности в схеме. Действительно, число 8 можно получить восьмикратным суммированием: 8 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1, или возведением числа 2 в третью степень: 8 = 2³. В первом случае требуется восемь операций сложения, а во втором — три операции умножения (8 = 2 • 2 • 2). Здесь 2 — число возможных состояний проверяемого элемента: исправен (1) или неисправен (0).

Рис. 4.13. Принцип выбора проверяемого элемента по методу половинного деления.

На рис. 4.14 представлена схема алгоритма проверки работоспособности и поиска неисправного элемента в неразветвленной электрической цепи, показанной на рис. 4.11.

Приведенные выше таблицы неисправностей достаточно наглядны, но недостатком их являются большие размеры для схем, имеющих большое количество элементов. Гораздо проще представлять математическую модель в виде формул, составленных для схемы на рис. 4.11 с помощью математической логики, т. е. алгебры логики, и анализировать эти формулы с помощью интегрированного пакета MathCad. Как уже говорилось выше, алгебра логики оперирует логическими переменными и функциями, которые могут принимать только два значения: истинное (TRUE) или ложное (FALSE). В технике чаще применяют булеву алгебру, в которой аналогами значений «истинно» и «ложно» являются значения 1 и 0. Для составления функций, зависящих от логических переменных, используют следующие логические операции:

• 1) логическая операция И (логическое умножение, или конъюнкция), которая в системе MathCad обозначается как л;
• 2) логическая операция ИЛИ (логическое сложение, или дизъюнкция), которая в системе MathCad обозначается как v;
• 3) логическая операция НЕ (логическое отрицание, или инверсия), которая в системе MathCad обозначается какi.

Рис. 4.14. Алгоритм проверки работоспособности и поиска неисправного элемента в неразветвленной электрической цепи,

показанной на рис. 4.11.

Таблицы истинности этих логических операций приведены на рис. 4.1. Для анализа неразветвленной электрической цепи мы будем использовать две логические операции: логическое И и логическое НЕ. Заметим, что логическое умножение (логическая операция И) в двоичной алгебре дает те же результаты, что и обычное математическое умножение. Поэтому мы можем записать выражения для математической модели объекта диагностирования с дискретными элементами следующим образом:

На рис. 4.15 приведена составленная в системе MathCad математическая модель процесса диагностирования неразветвленной электрической цепи. В ней приведен вектор состояний X элементов электрической цепи, логические уравнения выходных сигналов х этих элементов (математическая модель объекта диагноза), а также логические уравнения г/, описывающие процесс диагностирования.

Для составления уравнений, описывающих процесс поиска неисправных элементов электрической цепи, используют алгоритм проверки, изображенный на рис. 4.14. В соответствии с этим алгоритмом составляют сначала словесное описание для отыскания каждой неисправности. Например, элемент 2 будет неисправен в том случае, если нет сигнала на восьмом, четвертом и втором элементах и есть сигнал на первом элементе. Это условие в MathCad записывается с помощью функции с условием if (если). Результат этой функции зависит от того, выполняется или не выполняется заданное условие. В скобках этой функции сначала записывается условие, затем два выражения: if (условие, выражение 1, выражение 2). Если условие, записанное в скобках, выполняется, то функция принимает значение, равное выражению 1. Если же условие не выполняется, то функция принимает значение, равное выражению 2. Условием для каждого неисправного элемента является истинность или равенство логической 1 словесного описания неисправности данного элемента, записанное с помощью логических операторов MathCad, находящихся на панели булевой логики. Жирный знак равенства в функции if — это не обычный знак равенства, который утверждает, что выражение слева равно единице. Жирный знак равенства входит в условие, которое может выполняться и может не выполняться. Этот жирный знак равенства, или знак выполнения условия, также набирается на панели булевой логики или одновременным нажатием клавиш [Ctrl] + [=].

На рис. 4.15 показан процесс диагностирования, когда в системе имеются два неисправных или два отказавших элемента — третий и шестой, что задано вектором X, характеризующим состояние элементов. Алгоритм, представленный на рис. 4.14, может обнаружить в процессе одной проверки только одну неисправность, и он обнаруживает неисправность первого неисправного элемента 3 (см. рис. 4.15), который находится ближе к первому элементу.

После того как первая обнаруженная неисправность будет устранена, производится новая проверка и находится оставшийся неисправный элемент — элемент 6 (рис. 4.16). После устранения этой неисправности диагностирование дает заключение об исправности электрической цепи (рис. 4.17).

Рис. 4.15. Математическая модель процесса диагностирования неразветвленной электрической цепи. Обнаружение первой неисправности.

Таким образом, алгоритм, представленный на рис. 4.14, позволяет диагностировать электрические цепи с несколькими неисправностями, если каждая обнаруженная неисправность будет устраняться, после чего проверка будет продолжаться.

На основании проведенного анализа, разумеется, может быть построен и такой алгоритм диагностирования, в котором обнаруженная неисправность запоминается системой, после чего система блокирует эту неисправность и продолжает проверку. В этом случае система работает в замкнутом цикле и заканчивает проверку после того, как все неисправности будут обнаружены и заблокированы. После этого выдается сообщение о результатах диагноза.

Рис. 4.16. Математическая модель процесса диагностирования неразветвленной электрической цепи. Обнаружение второй неисправности.

Заметим, что в соответствии с правилами математической логики диагностические уравнения можно упростить. Математическая модель процесса диагностирования неразветвленной электрической цепи после упрощения диагностических уравнений представлена на рис. 4.18.

В случае когда диагностируемый участок не делится на две равные половины, например, число элементов N = 7, берут ближайший к половине элемент: третий ((А^г — 1) / 2) или четвертый ((JV + l)/2). Проверка обоих этих элементов даст одинаковую наибольшую информацию.

Рис. 4.17. Математическая модель процесса диагностирования неразветвленной электрической цепи.

Выдача заключения об исправности Поиск неисправностей в разветвленных электрических цепях с релейными элементами. При диагностировании разветвленной электрической схемы (рис. 4.19) следует иметь в виду, что необходимо тестировать каждую параллельную ветвь. Последовательное соединение тестируется только один раз. Алгоритм проверки рассматриваемой цени с использованием метода половинного деления приведен на рис. 4.20. При отсутствии сигнала на шестом элементе проверка начинается со второго элемента.

Рис. 4.18. Математическая модель процесса диагностирования неразветвленной электрической цепи после упрощения диагностических уравнений.

На рис. 4.21 приведена составленная в системе MathCad математическая модель процесса диагностирования разветвленной электрической цепи. Здесь, так же, как и ранее, приведены:

• • вектор X состояний элементов электрической цени;
• • логические уравнения выходных сигналов х этих элементов;
• • логические уравнения у, описывающие процесс диагностирования.

В приведенных уравнениях дополнительно используется логическая функция ИЛИ (дизъюнкция).

Рис. 4.19. Разветвленная электрическая схема.

Выражения для математической модели объекта диагностирования разветвленной электрической цепи, приведенной на рис. 4.19, записываются следующим образом:

Рис. 4.20. Алгоритм процесса диагностирования разветвленной электрической цепи.

В математической модели диагностирования, представленной на рис. 4.21, имеются два неисправных или два отказавших элемента — третий и четвертый. Алгоритм, представленный на рис. 4.20, по которому составлена математическая модель диагностирования, может обнаружить за одну проверку только одну неисправность, и он обнаруживает неисправность элемента 3 (рис. 4.21).

оо со.

Рис. 4.24. Второй вариант математической модели процесса диагностирования разветвленной электрической цепи.

После того как обнаруженная неисправность будет устранена, производится новая проверка (рис. 4.22), и находится второй неисправный элемент — элемент 4. После устранения этой неисправности снова проводится диагностирование, в результате которого выдается заключение об исправности электрической цепи (рис. 4.23).

В заключение отметим, что для поиска неисправности в разветвленной электрической схеме может быть предложено несколько алгоритмов, которые не очень сильно отличаются друг от друга, но могут иметь разное число проверок (например, алгоритм, показанный на рис. 4.24).

Как правило, на практике выбирают такой алгоритм, который имеет меньшее число проверок, поскольку система диагностики, построенная по этому алгоритму, будет дешевле в эксплуатации.