Обеспечение отказоустойчивости электротехнических систем за счет введения встроенных средств контроля и поддержания их работоспособности: На примере систем управления токарного модуля и маркировочной машины

Развитие электроники и вычислительной техники внесло кардинальные изменения в конструкцию современных электротехнических систем. Значительное уменьшение персонала, обслуживающего электротехнических системы и комплексы, в условиях современной технологии по-новому ставит многие вопросы их эксплуатации, а удешевление ЭВМ, увеличение быстродействия и объема памяти создают новые возможности для решения проблем эксплуатации и поддержания заданного уровня проектируемых объектов.

В настоящее время, в связи с возросшими требованиями к эффективности за счет повышения надежности функционирования электротехнических систем, приобретают особую актуальность проблемы создания отказоустойчивых структур проектируемых объектов и переноса центра тяжести на раннее выявление «слабых мест» в конструкторских решениях и устранение причин их появления. — Встроенные системы технического диагностирования, заложенные в конструкцию станочных модулей на стадии проектирования, как правило, не обеспечивают полной &bdquo-.наблюдаемости объектов, как в функциональном так и в параметрическом аспекте ввиду неоптимальной реализации для некоторых подсистем необходимых вход-выходных соотношений (т.е. невозможности однозначной идентификации соответствующих состояний через имеющиеся наблюдаемые выходы). Это приводит к тому, что в настоящее время до 50%[18] всех возникающих в процессе разработки научно-технических проблем выявляется на заключительном этапе проектирования в результате проведения испытаний объектов. Запоздалое выявление большого объема негативных факторов, как правило, требует проведения серьезных доработок при готовом образце, которые нередко бывают половинчатыми, и однозначно влекут за собой увеличение цикла проектирования и материальных затрат.

На стадии эксплуатации это приводит к ситуациям, в которых постепенные ненаблюдаемые изменения параметров элементов одних подсистем вызывают изменение режимов работы элементов других подсистем с перераспределением вероятностей отказов элементов, подверженных внезапным выходам из строя. При этом требуется проведение дополнительных работ, связанных с поиском мест возникновения отказов, что существенно увеличивает суммарное время восстановления работоспособного состояния (до 30% номинального фонда времени).

Опыт эксплуатации прецизионных станочных модулей, накопленный в нашей стране и за рубежом, позволяет проанализировать структуру их отказов, которая свидетельствует о том, что: механические узлы отказывают в 20−25% случаев, а время их ремонта составляет 35−45% времени общего простояэлектрооборудование-20−30% числа отказов и 25−35% времени ремонтагидрооборудование- 8−10% числа отказов и 10−15% времени ремонтанесовершенством системы управления обусловлено 25−45%) отказов и 20−2-5% времени ремонта. Отказы механических систем происходят преимущественно вследствие износа и наблюдаются через сравнительно постоянные интервалы времени. Значительная часть остановов по вине устройств ЧПУ (до 30%) обуславливается сбоями в работе устройств управления.

К настоящему времени разработано большое количество методов и средств, позволяющих существенно уменьшить поток отказов станочных модулей, особенно обусловленных отказами и сбоями в системе управления и в измерительных каналах. Однако применение этих методов и средств сдерживается отсутствием методического обеспечения определения состава встроенных средств, необходимых для обеспечения отказоустойчивости станочных модулей. Отсюда следует актуальность разработки и внедрения в процесс проектирования такого методического обеспечения.

На защиту выносятся научные результаты, полученные лично автором:

1 .Методика анализа проектируемых объектов и распределения встроенных средств по структуре объекта, необходимых для обеспечения отказоустойчивости электротехнических систем.

2. Метод управления по заданным критериям и показателям глубиной анализа электротехнических систем, обеспечивающий формирование исходного множества аномальных состояний и обоснование глубины диагностирования на каждом уровне иерархии объекта.

3. Формализованный способ формирования исходного множества простых и сложных признаков выходных параметров, обнаруживающих заданное множество аномальных состояний (в том числе скрытых дефектов) и составляющих основу модели диагностирования объекта.

4. Метод распределения избыточных средств по структуре объекта в результате оптимизации процессов самоконтроля, самодиагностирования и поддержания работоспособности электротехнических систем.

Новизна научных результатов:

1 .Для представления электротехнических систем предложен вид многоуровневой модели, описывающей структурные, алгоритмические и функциональные особенности на стадии проектирования объекта. Многоуровневая структура модели отражает функциональную и надежностную значимость составных компонентов объекта и обеспечивает «управление с помощью совокупности 'предложенных критериев глубиной анализа технического состояния исследуемого объекта.

2. Предложен метод формирования исходного множества признаков, обнаруживающих в реальном времени заданное множество аномальных состояний, по данным моделирования процесса функционирования объекта в критичных режимах и условиях.

3. Предложен метод распределения встроенных средств обеспечения заданного уровня надежности по структуре объекта в результате оптимизации процессов самоконтроля, самодиагностирования и поддержания работоспособности, апробированный на ряде электротехнических систем.

Практическая ценность работы заключается в применении результатов, полученных в диссертации, в технических разработках при создании электротехнических систем, для обеспечения заданных показателей их надежностиа также в том, что научные результаты объединены с методологией проектирования сложных объектов, предусматривают комплексный анализ разнородных данных, характеризующих техническое совершенство проектируемого объекта, и ориентированы на машинную реализацию методов и формализованных процедур.

Разработанные модели, методы и формализованные процедуры доведены до инженерных методик, которые внедрены и используются разработчиками электротехнических систем на этапах эскизного и технического проектирования, в условиях производства и эксплуатации.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на меж дународных научно-технических конференциях в г. Пензе и научно' технических семинарах СГТУ.

• ¦ ЗАКЛЮЧЕНИЕ: и!—.

В работе предложена методика анализа электротехнических систем и распределения встроенных средств по структуре объекта, необходимых для обеспечения заданного уровня надежности проектируемых объектов, в основу которой положен принцип соблюдения единства методологического, информационного и программного обеспечения на этапе проектирования объектов и на всех последующих этапах их жизненного цикла.

По результатам исследований формируются следующие выводы:

Предлагаемая для представления электротехнических систем многоуровневая совмещенная граф-модель, совмещающая модели вида системы дифференциальных и алгебраических уравнений и вида логического направленного графа, позволяет адекватно описать структурные, функциональные и алгоритмические особенности проектируемого объекта. Многоуровневая структура модели позволяет отразить значимость составных компонентов объекта и обеспечить управление глубиной анализа технического совершенства станочных модулей.

2.Предложенный метод управления по заданным критериям глубиной анализа электротехнических систем обеспечивает формирование исходного множества аномальных состояний и обоснование глубины диагностирования на каждом уровне иерархии структуры объекта.

3.Исследована совокупность встроенных методов и средств обеспечения работоспособности объектов, определены их технико-экономические возможности. Требуемый уровень надежности проектируемых электротехнических систем предлагается обеспечивать реализацией прямых методов повышения безотказности объекта (распознаванием и устранением причин возникновения аномальных явлений) совместно с.

I гл организацией сто контроля: и последующего устранения отказов: и" последствий сбоев.

4.Обоснован перечень количественных и качественных критериев обнаружения в многомерном пространственно-временном представлении вход-выходных параметров заданного множества возможных аномальных состояний.

5.Предложены: способ выявления моделированием проектируемых объектов в критичных условиях внешней среды и режимах функционирования причинно-следственных связей между управляющими сигналами, внешними воздействующими факторами и состояниями выхода объекта относительно заданного множества аномальных состояний и метод формирования по данным моделирования исходного множества признаков выходных параметров, обнаруживающих в реальном времени заданное множество аномальных состояний и составляющих информационную основу модели диагностирования объекта.

6.Предлагаемая методика позволяет определить состав встроенных средств, необходимых для обеспечения отказоустойчивости электротехнических систем.

Разработанные методы и модели составили основу комплекта взаимосвязанных' инженерных методик, которые внедрены на предприятиях СНИИМ, ФГУП СНПЦ «РОСДОРТЕХ», «Корпус», АО КБ «Электроприбор», ЦНИИ ИА для решения практических задач на стадии проектирования, в условиях серийного производства и эксплуатации.