автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Методы и средства диагностирования при случайных отказах в системах числового программного управления

/

/

/

Вологодский политехнический институт

На правах рукописи

Андреев Александр Николаевич

УДК 62-503.5; 681.325; 681.518.54

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПРИ СЛУЧАЙНЫХ ОТКАЗАХ В СИСТЕМАХ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО

УПРАВЛЕНИЯ

Специальность: 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы,

включая их управление и регулирование»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Рассудов Лев Николаевич

Вологда -1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1. УСТРОЙСТВА ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ И СРЕДСТВА ИХ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ..........................................................7

1.1. Резидентные и специализированные средства контроля и диагностики УЧПУ различных типов.....................................................................................8

1.1.1. Диагностика УЧПУ класса NUMERICAL CONTROL......................8

1.1.2. Средства диагностики устройств ЧПУ класса CNC.......................12

1.2. Автономные системы контроля, отладки и диагностирования УЧПУ .22

1.3. Показатели надежности станочных комплексов с числовым программным управлением.............................................................................30

1.4. Основные методы и средства диагностирования цифровых устройств, микропроцессорных систем, ЭВМ..................................................................36

1.5. Постановка задач исследования...............................................................38

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ..............................40

2.1. Характеристика объекта диагностирования и основные требования к аппаратуре для проведения диагностических экспериментов....................40

2.2. Оценка эффективности и производительности систем обслуживания, реализующих формальные методы контроля и диагностики......................47

3. СИНТЕЗ УПРАВЛЯЕМЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ТЕСТОВ И АНАЛИЗАТОРОВ ПЕРВИЧНОЙ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.......................54

3.1. Линейные последовательные переключательные схемы......................54

3.2. Генераторы линейных псевдослучайных последовательностей..........57

3.3. Управляемые генераторы тестов..............................................................67

3.3.1. Генераторы тестов последовательного типа....................................70

3.3.2. Генераторы тестов параллельного типа...........................................72

3.4. Синтез анализаторов первичной диагностической информации.........81

3.4.1. Регистровые структуры сигнатурных анализаторов.......................82

3.4.2. Сигнатурные анализаторы с регулярной структурой.....................88

4. ВАРИАНТЫ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ.................................................92

4.1. Комплекс технических средств с программной реализацией вычислений в алгебре многочленов по модулю два.....................................92

4.2. Аппаратный диагностический комплекс................................................99

4.2.1. Улучшение наблюдаемости диагностических параметров при аппаратном способе реализации систем диагностирования..................102

4.3. Комплекс технических средств с программно-аппаратной реализацией диагностических процедур и реконфигурируемой структурой внешнего диагностического модуля...............................................................................105

4.4. Комплекс технических средств с программно-аппаратной реализацией диагностических процедур, реализованный на базе системы САМАС -ВЕКТОР............................................................................................................108

5. СИНТЕЗ ОБОБЩЕННОГО АЛГОРИТМА ВЫЧИСЛЕНИЙ В АЛГЕБРЕ МНОГОЧЛЕНОВ ПО МОДУЛЮ ДВА И БАЗОВОЙ СТРУКТУРЫ СРЕДСТВ АППАРАТНОЙ ПОДДЕРЖКИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ.....................112

5.1. Алгоритм вычислений и базовая структура средств аппаратной поддержки для реализации вычислений в алгебре многочленов по модулю два.....................................................................................................................112

5.2. Построение информационных диагностических моделей цифровых объектов...........................................................................................................128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................134

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................................148

ВВЕДЕНИЕ

Конкурентоспособность выпускаемой продукции в условиях рыночной экономики достигается оптимальным соотношением организационных, технических, технологических и эксплуатационных показателей в структуре практически любого современного производства. Показатели надежности, полученные для станочных комплексов с числовым программным управлением в условиях мелкосерийного производства машиностроительных предприятий, объективно свидетельствует о недостаточном уровне эксплуатационного сопровождения электронных агрегатов. В явном виде прослеживается противоречие между техническим уровнем используемого оборудования и уровнем обслуживания. Указанное противоречие усугубляется интервенцией на российский рынок электронных изделий ведущих мировых компаний и их филиалов. При этом задача эксплуатационного сопровождения существенно усложняется для оборудования производственного характера, когда изделия поставляются в единичных экземплярах, и, зачастую, конечный пользователь априори находится в состоянии информационной неопределенности относительно детальной структуры, иерархии, комплектации, ноу-хау и других технических нюансов. Это связано с тем, что сервисные средства, предоставляемые изготовителем потребителю, являются в основном объектно-ориентированными, то есть направлены на поддержку технологического процесса, контроль качества изделий и т.п. Полномасштабный субъектно-ориентированный «сервис», за исключением средств контроля по принципу «исправен - неисправен», в большинстве случаев не предоставляется. Таким образом, проблема создания и совершенствования средств и методов эксплуатационного сопровождения, контроля и диагностирования изделий электроники, микропроцессорной и вычислительной техники в составе не только систем числового

программного управления остается актуальной как на микро-, так и на макро-уровнях.

Цель исследований заключается в разработке принципов и методов синтеза автоматизированных систем идентификации (диагностирования) электронных агрегатов устройств числового программного управления, максимально ориентированных на их использование конечным потребителем в условиях эксплуатации. Для достижения поставленной цели предполагается наряду с анализом существующего положения в области эксплуатационного сопровождения устройств числового программного управления решить проблемы научно-технического и методологического характера, а именно:

- оценить эффективность формальных методов диагностирования и возможность расчета требуемой производительности диагностического оборудования в функции параметра интенсивности потока отказов;

- сформулировать основные требования к аппаратуре для проведения диагностических экспериментов в условиях эксплуатации;

- разработать алгоритмы формализованных процедур синтеза тестов и алгоритмы обработки и уплотнения диагностической информации;

- разработать схемы аппаратной реализации генераторов тестов и анализаторов первичной диагностической информации;

- разработать общий алгоритм интерактивного режима диагностирования и варианты структур комплексов технических средств диагностики;

- разработать методику построения информационных диагностических моделей объектов контроля, упрощающих алгоритмы локализации дефектов при технической реализации формальных методов контроля и диагностики.

Исследования выполнены с использованием комплексной методики, включающей применение элементов метода пространства состояний, элементов теории кодирования, теории конечных полей, теории конечных

автоматов, методов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований с использованием действующих образцов оборудования, изготовленного для практического использования.

Основными положениями выносимыми на защиту являются:

• принцип информационной эквивалентности элементов оперативной памяти со словарной организацией данных регистровым структурам той же информационной емкости;

• принцип формирования инверсной псевдослучайной последовательности;

• принцип секционирования адресного пространства элементов многоразрядной памяти с организацией специальных каналов мультиплексирования адреса и данных для обеспечения процедур генерации псевдослучайных тестов в функции псевдослучайных линейных последовательностей;

• инженерная методика синтеза специализированных модулей генераторов тестов и анализаторов первичной диагностической информации;

• обобщенный алгоритм вычислений в алгебре многочленов по модулю два и структура средств аппаратной поддержки названного алгоритма, предназначенные для решения задач контроля и диагностирования дискретных устройств;

• информационные диагностические модели цифровых объектов и методика их построения.

1. УСТРОЙСТВА ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ И СРЕДСТВА ИХ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Уровень и перспективы развития современного производства связаны с широким использованием и дальнейшим совершенствованием цифровых систем программного управления технологическими объектами и системами, в частности металлорежущими станками. С технико-экономической точки зрения системы подобного типа характеризуются максимальными коэффициентами готовности для их использования в единичном и мелкосерийном производстве с приближением технико-экономических показателей к показателям серийного и массового производств. При этом, технико-экономическая эффективность обеспечивается программно-структурной гибкостью /1/.

По классификации, приведенной в /2/ все устройства ЧПУ могут быть разделены на два основных класса: NUMERICAL CONTROL, реализованные аппаратно, и COMPUTER NUMERICAL CONTROL, содержащие в своем составе микропроцессоры и микро-ЭВМ. Устройства ЧПУ NC класса иногда называют системами с «жесткой» логикой. На этом основании к устройствам NC-класса могут быть отнесены микропроцессорные контроллеры, работающие по «жесткой» программе, объектные модули которой реализованы в виде схем постоянных запоминающих устройств. С учетом общей классификации устройств ЧПУ в /3/ приведены различные варианты организации систем контроля и диагностики, даны краткие описания ряда контрольно-диагностических устройств, приведен обширный библиографический перечень по рассматриваемой проблеме. Основные положения, изложенные в /3/, с изменениями и дополнениями находят отражение в настоящей главе.

1.1. Резидентные и специализированные средства контроля и диагностики

УЧПУ различных типов

1.1.1. Диагностика УЧПУ класса NUMERICAL CONTROL

Устройства ЧПУ Н22, НЗЗ, Контур-2П, система ЧПУ NC 431 производства ГДР относятся к классу систем с «жесткой» логикой. Для систем подобного типа характерен встроенный контроль, развитый на уровне ламп сигнализации о режимах работы, технологических параметрах, сбоях при вводе и отработке управляющих программ, сбоях автоматики управления электроприводами и вспомогательными технологическими операциями и т.п.

Кроме этого, для перечисленных устройств ЧПУ предусмотрены встроенные аппаратно реализованные средства контроля, позволяющие обслуживающему персоналу осуществлять в отладочных режимах контроль обработки цифровой информации в отдельных узлах с возможностью локализации возникающих в процессе эксплуатации сбоев и отказов.

Например, плата контроля в устройстве ЧПУ Н22-1МТ /4/ производства Ржевского производственного объединения «Электромеханика» обеспечивает: управление работой ячеек индикации; блокировку отдельных сигналов; контроль отдельных сигналов.

Устройство контроля позволяет вывести на индикацию содержимое девяти регистров интерполятора и шести регистров устройства задания скорости в двоичном коде. Анализ состояния регистров устройства ЧПУ позволяет сделать выводы о правильном функционировании отдельных узлов и линий связи.

Устройство ЧПУ НЗЗ /5/ снабжено двумя платами, позволяющими осуществлять контроль системы в наладочных режимах. Плата контроля предназначена для проверки функционирования устройства. С ее помощью в

шаговом режиме проводится контроль содержимого регистров скорости привода главного движения, вспомогательных технологических команд, условий перемещения исполнительного устройства и регистра ввода с одновременной индикацией содержимого на ламповых индикаторах в двоичном коде. Плата индикации состояния регистров предназначена для визуального отображения кодов чисел эквидистанты, интерполятора и блока задания скорости. Одновременно индицируется состояние одного регистра.

В состав системы числового программного управления Размер 2М /6/ входит блок контроля, предназначенный для формирования кодов контрольного теста и проверки работы арифметического устройства, проверки на четность кодов, проходящих по шинам УЧПУ, формирования сигналов ошибок, запоминания времени появления ошибок и вывода на шины устройства кода, соответствующего зафиксированному времени появления ошибки. Поиск возможных неисправностей осуществляется с помощью встроенного логического пробника.

В устройстве ЧПУ N0 431 /7/ предусмотрены специальные информационные разъемы для подключения адаптерных модулей, позволяющих контролировать состояние всех регистров системы и цифровую информацию с датчиков обратных связей. Адаптерные модули не входят в комплект поставки, а придаются специализированным предприятиям по обслуживанию устройств ЧПУ названного типа.

Изложенные примеры иллюстрируют недостаточную оснащенность серийных систем ЧПУ класса N0 встроенными средствами контроля и диагностики, что вынуждает эксплуатационников при ремонтных и наладочных работах применять контрольно-измерительные приборы общего назначения: авометры, мосты переменного и постоянного тока, фазоуказатели, частотомеры, осциллографы, измерители параметров полупроводниковых приборов и т.п.

Перечисленные приборы позволяют вручную, часто с большими затратами времени, осуществлять обслуживающему персоналу практически все операции по наладке, контролю и диагностике систем числового программного управления. Интуитивные методы осуществления контрольно-диагностических операций наряду с дефицитом высококвалифицированного обслуживающего персонала не способствуют повышению эксплуатационной надежности оборудования, росту его производительности и эффективности. В /8/ указывается, что основным критерием эксплуатационной эффективности является минимизация отношения текущих эксплуатационных затрат к затратам на капитальный ремонт. Снижение эксплуатационных расходов за счет сокращения времени ремонтно-восстановительных и наладочных работ является одним из способов повышения технико-экономических показателей оборудования с ЧПУ. Эффективность направления по разработке специальных устройств контроля и диагностики для систем ЧПУ класса N0 подтверждается цифрами экономического эффекта. В /9/ сообщается о разработке устройства контроля отработки геометрической информации в устройстве ЧПУ НЗЗ с возможностью поиска канала ошибки. Процесс контроля осуществляется непрерывно в процессе работы, при этом фиксируются не только отказы, но и сбои в УЧПУ с последующей локализацией канала сбоя. Конструктивно устройство выполнено на двух печатных платах. Платы размещены в шкафу устройства ЧПУ. Достигнут годовой экономический эффект 50 тыс. руб. на двух станках модели ВФ ЗМ8 за счет снижения брака.

Здесь и далее численные значения экономического эффекта даны в расчетных ценах 1989 г.

Разработано устройство /10/ контроля систем числового программного управления типа ЫС 431, предназначенное для функционального контроля системы в процессе наладочных и ремонтно-профилактических операций. Устройство обеспечивает цифровую индикацию состояния всех регистров

системы ЧПУ, обнаружение и индикацию сбоя в регистрах, индикацию прохождения команд и сигналов управления, индикацию наличия импульсных последовательностей и сигналов считывания с перфоленты. Конструктивно устройство представляет собой прибор, состоящий из платы, размещенной в стойке ЧПУ, и выносного малогабаритного индикатора. Внедрение устройства сократило время ремонтно-профилактических и наладочных работ, повысило коэффициент загрузки оборудования. Годовой экономический эффект составил 25 тыс. руб. на группу из одиннадцати токарных станков Б8Т2, оснащенных системами ЧПУ ЫС 431.

С целью сокращения времени ремонтно-восстановительных работ на заводе «Мосремточстанок» для диагностики оборудования станков с ЧПУ используется мобильная диагностическая лаборатория на базе автомобиля УАЗ-452А с обслуживающим персоналом из тре