автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Методы и средства обнаружения и регистрации источников сбоев в системах и устройствах с кодоимпульсной модуляцией сигналов

6

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СИСТЕМ И УСТРОЙСТВ С КОДО

ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ СИГНАЛОВ.

1.1 Проблематика регистрации сбоев в технических системах.

1.2 Принципы построения систем и устройств с ко до-импульсной модуляцией сигналов.

1.3 Анализ цифровых вычислительных систем как средства обработки и преобразования информации на основе кодо-импульсной модуляции сигналов.

1.4 Системы автоматического управления и регулирования с кодо-импульсной модуляцией сигналов.

1.5 Режим сбоя. Экспериментальное подтверждение.

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ И ФОРМАЛИЗАЦИЯ ФАКТОРОВ СБОЯ.

2.1 Проблема сбоев в соединениях.

2.2 Анализ работы соединений в цепях БИС и СБИС.

2.3 Построение электрических моделей сбоя.

2.3.1 Синтез модели для получения и контроля третьего (сбойного) состояния соединителей.

2.3.2 Синтез моделей сбоя.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА УСТОЙЧИВЫХ К СБОЯМ УСТРОЙСТВ С КОДО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯШЕЙ СИГНАЛОВ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

И РЕГУЛИРОВАНИЯ.

Моделирование объекта управления.

Анализ статических характеристик.

Анализ частотных характеристик.

Расчет идентифицирующих характеристик объекта с дополнительным управлением в паузах кодо-импульсных сигналов (модифицированное кодо-импульсное управление).!

МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ СБОЕВ В ЭВМ.

Бесконтактный и радиоизмерительный методы в задачах контроля и диагностики сбоев высокопроизводительных вычислительных систем.

Стенд для регистрации сбоев высокопроизводительных вычислительных систем.

Регистрация сбоев в локальных вычислительных сетях.

Регистрация сбоев в многослойных печатных платах.

ГЛАВА 5 ПОСТРОЕНИЕ УСТОЙЧИВЫХ К СБОЯМ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ С КОДО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ СИГНАЛОВ.

5.1 Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП).

5.1.1 Системы управления электрической мощностью объекта.

5.1.2 Электрические системы контроля и диагностики.

5.2 Системы телевизионного и оптического контроля.

5.3 Прецизионные цифровые системы.

ГЛАВА 6 РАЗРАБОТКА ДАТЧИКОВ И ПРИБОРОВ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ

СБОЕВ.

6.1 Требования к датчикам и приборам, фиксирующих сбои в устройствах.

6.2 Бесконтактный датчик и прибор для регистрации сбоев.

6.3 Система батарейного зажигания двигателя внутреннего сгорания с регистрацией сигналов сбоя.

6.4 Измерение параметров фиксирующих сбои в электрических цепях и системах.

ГЛАВА 7 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ СБОЕВ В СИСТЕМАХ. И УСТРОЙСТВАХ, С КОДО-ИМПУЛЬСНОЙ, МОДУЛЯЦИЕЙ СИГНАЛОВ.

7.1 Сервопривод аналитического фотограмметрического прибора с кодо-импульсной модуляцией сигналов.

7.2 АСУ ТП выработки стекловолокна.

7.3 Регистрация режима сбоя соединителей высокопроизводительных вычислительных систем.

7.3.1 Определение информативных параметров режима сбоя.

7.3.2 Экспериментальное исследование режима сбоя.

7.4 Экспериментальное исследование бесконтактного датчика сбоев.

7.5 Внедрение приборов и средств бесконтактной регистрации сбоев в технических системах.

7.5.1 Высокопроизводительные вычислительные системы.

7.5.2 Локальные вычислительные сети.

7.5.3 Системы автоматического управления и регулирования.

Проблема сбоев в науке и технике как у нас в стране, так и за рубежом известна уже несколько десятков лет, начиная с 60-х годов предыдущего столетия и до наших дней [17], [27], [110], [115], [150], [215], [245] - [250]. Особое значение данная проблема имеет для вычислительной техники и систем управления (СУ), построенной на её основе. Развитие данной отрасли на современном этапе связано с высокопроизводительными вычислительными системами (ВС) - информационно-вычислительными, суперЭВМ, транспьютерами, транспьютероподобными системами, локальными вычислительными системами (ЛВС), большим набором управляемых и регулируемых параметров - скоростью, температурой, освещённостью, пространственным местоположением, временем задержки сигнала, вычислительной производительностью и широким частотным диапазоном их изменения - от долей герца до десятков и сотен мегагерц.

При разработке ВС и СУ, имеющих в своём составе большое (до нескольких тысяч и десятков тысяч) число потенциальных источников сбоя (многоконтактные соединители, контактирующие условия БИС и СБИС, контактные дорожки печатных плат, линии связи - интерфейсные шины, шины электропитания и заземления и т.д.), ключевой проблемой повышения надёжности является диагностика сбоев, что непосредственно связано с обнаружением и регистрацией источников сбоев в аппаратуре. Характерной особенностью систем управления различными техническими объектами и, в первую очередь, высокоточными объектами, является использование в них различных видов импульсной модуляции сигналов - амплитудной, фазовой, широтной - с проблемой обнаружения источников сбоев в аппаратуре никак не связанных. Результатом такого подхода является наличие многочисленных методов контроля, направленных не на выявление и устранение источника сбоев, а на результаты его проявления, при этом устраняется не сама причина (в данном случае источник сбоев), а следствие её (ошибки от сбоев) создавая тем самым потенциальную возможность существования в аппаратуре скрытых дефектов.

Решить задачу устойчивого к сбоям управления техническими объектами, их контроля и ранней диагностики в широком диапазона частот и большом спектре управляемых и регулируемых параметров представляется возможным, разработав новые устройства управления, контроля и диагностики с использованием наиболее помехозащищённой кодо-импульсной модуляции сигналов и предложив способы обработки сигналов в них, обеспечивающее обнаружение источников сбоя. Поэтому существует настоятельная потребность в создании эффективных моделей источников сбоя, что требует, в свою очередь, разработки методов анализа моделей источников сбоя, разработки и создания на их основе устройств контроля и диагностики источников сбоев, их синтеза с существующими и вновь разрабатываемыми системами управления и вычислительной техники.

Разработке и использованию методов и устройств с кодо-импульсной модуляцией (КИМ) сигналов в задачах управления, контроля и диагностики предшествовали работы отечественных и зарубежных ученых в области цифровых систем управления [1-7]. Развитие методов и средств управления с КИМ сигналов следует отметить в работах [8] (цифровые системы), [9] (оптико-электронные системы), [10] (аналитическое приборостроение).

Вместе с тем необходимо отметить определённую разрозненность публикаций по обнаружению и регистрации источников сбоев систем и устройств с КИМ сигналов в задачах управления, контроля и диагностики как по уровню публикаций (книги, статьи, авторские свидетельства и патенты), так и по области использования (транспорт, химия, приборостроение, металлургия, вычислительная техника). Обратим внимание, что высокие требования, предъявляемые к системам по надёжности, быстродействию, помехозащищённости, электромагнитной совместимости требуют дальнейшего развития теории и практики обнаружения и регистрации источников сбоев систем и устройств с КИМ сигналов. Указанные обстоятельства делают актуальной задачу исследования разработки и создания теории, методов и аппаратных средств обнаружения источников сбоя систем и устройств с КИМ сигналов для различных объектов автоматики и вычислительной техники. К этому следует добавить и наметившуюся тенденцию к обобщению методов использования КИМ сигналов в задачах управления, контроля и диагностики. Особо важно отметить широкий диапазон применения методов управления и контроля с КИМ сигналов по их частоте (от долей герца до сотен мегагерц). Немаловажное значение имеет и тот факт, что за последнее время наметилось определённое отставание теории от практики использование методов и средств обнаружения и регистрации источников сбоев систем и устройств с КИМ сигналов в указанных задачах. Вышесказанное делает задачу исследования и разработки теории, методов и аппаратных средств обнаружения и регистрации источников сбоев систем и устройств с КИМ сигналов также своевременной.

Поэтому целью настоящей работы является разработка теории, методов и аппаратных средств обнаружения и регистрации источников сбоев систем и устройств с кодоимпульсной модуляцией сигналов в рамках единого подхода в широком диапазоне частот на примерах различных объектов, связанных с такими распространёнными параметрами систем управления и вычислительной техники как скорость, температура, освещённость, пространственное местоположение, время задержки сигналов. Для достижения доставленной цели требуется решить следующие основные задачи:

- теоретически выявить и экспериментально подтвердить состояние потенциально дефектных элементов как источников сбоя и предложить совокупность информативных признаков, методов обработки сигналов и технических средств, позволяющих обнаружить и зарегистрировать источники сбоев в аппаратуре;

- исследовать и предложить модели сбойных состояний потенциально-дефективных элементов и узлов автоматики и вычислительной техники;

- разработать теорию построения средств с обнаружением регистрацией источников сбоев при кодо-импульсном управлении объектами;

- разработать и предложить модель и методику определения области существования параметров модели, соответствующей сбойным состояниям элементов автоматики и вычислительной техники;

- провести экспериментальные исследования для определения диапазона изменений параметров источников сбоев по различным информативным признакам;

- предложить методы обработки, преобразования и регистрации сигналов источников сбоев;

- разработать методы обнаружения и регистрации источников сбоев для систем и устройств с кодо-импульсной модуляцией сигналов;

- разработать средства обнаружения и регистрации источников сбоев;

- определить степень достоверности полученных результатов по обнаружению и регистрации источников сбоев.

Первоначально понятие "кодо-импульсная модуляция" тесно увязывалось с такой отраслью техники как "электросвязь", где данный вид модуляции признан одним из перспективных и, вследствие этого, интенсивно исследуемых. Первое использование КИМ (в связи используется также аббревиатура "ИКМ" - импульсно-кодовая модуляция) относится к передаче фототелеграфных и речевых сигналов. Однако вплоть до 60-х годов разработки аппаратуры с КИМ сигналов не выходили из стадии экспериментальных исследований по ряду причин, в частности, из-за несовершенства как самих импульсных схем, так и элементной базы, их реализующей. Широкое развитие методы и средства передачи сигналов с КИМ получили лишь после изобретения транзистора и разработки первого поколения электронных цифровых вычислительных машин. Интенсивному развитию системы с КИМ сигналов обязаны рядом преимуществ, основные из которых следующие:

- более высокая помехозащищённость по сравнению с другими видами модуляции и возможность использования, вследствие этого, на линиях с большим уровнем шумов;

- системы с КИМ допускают значительное нелинейные искажения в тракте передачи данных;

- простота сопряжения с электронными автоматическими телефонными станциями (АТС), что позволяет более простыми методами создавать интегральные сети связи

Особо следует подчеркнуть перспективность использования КИМ в волноводных и оптических линиях связи, вследствие их большой широкополосности. К сказанному следует также добавить широкое применение КИМ в телеметрии. В последнее время для повышения эффективности систем связи применяются адаптивные варианты КИМ, в которых параметры систем дискредитации меняются, подстраиваясь под дискретизируемый параметр или сигнал. В частности, к таким системам относится система дифференциальной КИМ сигналов.

Попытка использования идей кодо-импульсной модуляции сигналов в устройствах управления, контроля и диагностики различных систем начались еще с 60-х годов. В первых работах по применению КИМ в устройствах управления была показана возможность использования отдельных кодовых посылок в виде синусоидальных импульсов для разгона и торможения, мощных (десятки киловатт) электродвигателей [11], [12]. Полученный при этом эффект выражался в более высокой плавности регулирования скорости, простых схемных решениях узлов коммутации за счёт использования элементов цифровой техники и блоков сопряжения с управляющими ЭВМ. В дальнейшем (конец 60-х начало 70-х годов) исследования по использованию КИМ в устройствах управления (кодо-импульсное управление - КИУ) проводились в направлении расширения диапазона используемых нагрузок, в том числе при управлении электрическими двигателями малой (десятки ватт) мощности, а также типов исполнительных элементов. В частности, исследования автора [13] позволили показать универсальность методов КИУ не только для нагрузок с большим диапазоном изменения, но и с возможностью динамического управления в паузах между импульсами кода (модифицированная КИУ или МКИУ). Кроме того, была также показана универсальность используемых методов и по частоте питающей сети в промышленных установках (50 Гц) и на летательных аппаратах (400 Гц - авиация, 1000 Гц - ракетная техника). Необходимо и важно подчеркнуть отечественный приоритет в развитии данного направления, поскольку за рубежом идеи использования КИМ в устройствах управления, контроля и диагностики нашли своё воплощение гораздо позднее. Так известная зарубежная фирма Хьюлетт-Паккард (Hewlett-Packard), производящая измерительное и контрольно-измерительное оборудование с годовым оборотом в 40 млрд. долларов, использовала данный метод в одной из своих разработок сигнального анализатора (HP 5371 А) только в конце 80-х годов [14].

Особо перспективным представляется использование методов КИМ в таких прогрессирующих отраслях как радио- и электронная промышленность и ориентированных на разработку, изготовление и внедрение ВС. При этом одна из проблем, в решении которой методы КИМ призваны сыграть важную роль, является проблема обнаружения источника сбоев в аппаратуре. Анализ отечественных и зарубежных исследований по данному вопросу показал, что имеются многочисленные методы, направленные не на решение проблемы обнаружения источников сбоев, их контроля и диагностирования в аппаратуре, а на результаты их проявления, при этом устраняется не сама причина (в данном случае источник сбоев), а следствие ее. О таком подходе свидетельствуют как отечественные публикации и монографии, отраженные, в частности, в трудах таких ученых как П.П.Пархоменко [15], К.П.Литиков [16], В.М.Каган и И.Б.Мкртумян [17], Н.И.Яковлев [18], так и работы зарубежных (в том числе стран СНГ) авторов: Р.Р.Убара [19], Н.П.Байды [20], В.Н. Ярмольника [21], а также и разработки ведущих зарубежных фирм по контрольно-диагностической аппаратуре [22]- [24].

Анализ уровня развития современной элементной базы автоматических и высокопроизводительных вычислительных систем показывает, что наибольшую актуальность приобретает проблема применения высоконадёжных соединителей, число которых в данных системах может достигать несколько тысяч. Опыт эксплуатации современных ВС, таких, например, как суперЭВМ "Эльбрус-2", "Электроника СС БИС" и других, показал, что их непрерывной работе мешают сбои или сбойные явления, источником которых являются многочисленные с большим числом контактных пар соединители разных типов [25], [26]. Несмотря на последние достижения в области разработки и производства, соединителей с использованием современных методов контроля и диагностики, при работе ВС удаётся обнаружить 95% сбоев, а локализовать с точностью до печатной платы только 75% из них [27]. Столь низкий процент локализованных сбоев логично объяснить существование в элементах систем, в частности в соединителях, контактирующих устройствах, линиях связи, включая и металлизированные дорожки печатных плат, скрытых дефектов, не выявляемых существующими методами контроля, и тем обстоятельством, что на качество контактирования элементов соединителей влияет до 10 параметров, каждый из которых, в свою очередь, меняется в достаточно широких пределах [28].

В настоящее время разработаны и широко известны как у нас в стране, так и за рубежом способы контроля соединителей, в частности, по одному параметру [29]- [33], по нескольким параметрам [34]-[39], по вторичным признакам [40]-[43], а также способам контроля соединителей, основанные на их представлении в виде активно-ёмкостной, активно-индуктивной нагрузки [44] или в их совокупности [45], использующие методы анализа амплитудно-временных соотношений выходных сигналов с последующим сравнением с эталонными значениями в спектре частот от долей герца до единиц гигагерца [46], [47]. Достигнутый уровень развития проблемы контроля соединителей и соединений обеспечивался усилиями отечественных учёных в области аппаратных средств контроля (В.М.Шляндин, Г.В.Глебович, А.И.Мартяшин и др.), анализа явлений и процессов в электрических соединениях (А.П.Левин, А.Н.Бредихин и М.В.Хомяков, А.А.Шабанов и Р.Р.Хамидуллин, коллектив учёных ИПУ РАН и др.), а также значительными успехами в области моделирования элементной базы и современных средств и методов расчёта надёжности (Ю.Н.Кофанов, Ю.Х.Вермишелев, Л.П.Гаврилов, Л.Н.Кечиев и др.). Вместе с тем следует отметить, что в целом ряде случаев указанным выше подходам свойственна функциональная ограниченность, вследствие которой затруднительно производить контроль соединителей, находящихся или работающих в предельных режимах, т. е. на границе устойчивого работоспособного состояния. На предельные режимы работы соединитель выходит по следующим причинам: загрязнения, вносимые в него при изготовлении, чувствительность к внешним воздействиям, естественный процесс износа и другие причины [48].

В данной работе, используя методы и средства КИМ, а также введённое понятие "третье состояние соединителей", поставлены следующие задачи: обнаружение скрытых дефектов соединителей в процессе входного контроля, обнаружение сбоев автоматических и высокопроизводительных вычислительных систем, в состав которых входят данные соединители, вследствие неконтактных явлений в соединителях, линиях связи и печатных платах, как в процессе эксплуатации, так и при их ремонте и обслуживании. Поэтому с полным основанием можно утверждать, что если в период становления методов КИМ в задачи управления, контроля и диагностики для различных отраслей промышленности их успешному внедрению в значительной мере способствовало развитие цифровой вычислительной техники, то в последнее время наблюдается обратный процесс, т.е., образно говоря, методы КИМ отдают «долги» вычислительной технике.

С помощью введенного понятия - основного параметра (ОП) -показывается универсальность использования методов КИМ для различных объектов управления, в частности, связанных с таким ОП как скорость, температура, освещенность пространственное местоположение, время задержки сигнала. Данный перечень параметров и связанных с ними объектов применения, по мнению автора, не является окончательным. С этой точки зрения, перспективны такие отрасли науки как медицина, биология , экология, а предметом особого внимания должна стать нейрокомпьютерная техника, использующая одновременно методы аналоговой и дискретной обработки информации на повышенных (до 60 МГц) частотах. Характерная особенность использования методов КИМ при этом состоит в том, что если в задачах управления речь шла о десятках и сотнях герц частоты коммутируемой сети или генератора задающих сигналов, то в задачах контроля и диагностики речь идет уже о десятках и сотнях мегагерц.

Использование методов КИМ в ВС и системах управления (СУ) позволяет задействовать такой информационный параметр соединителя в режиме сбоя как амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и по новому решить проблему электромагнитной совместимости, связанную с тем, что основные компоненты ВС и СУ - цифровые интегральные микросхемы, микропроцессоры и полупроводниковые ЗУ - работают со всё меньшими уровнями сигналов, становятся всё более быстродействующими, а следовательно и более восприимчивыми импульсным электромагнитным помехам [49].

Следствием успешного решения перечисленных задач является кардинальное снижение аппаратно-программных, временных и финансовых затрат, массогабаритных показателей и резкое увеличение надёжности и помехоустойчивости аппаратуры.

В работе получены следующие новые научные результаты, выносимые на защиту:

1. Новое промежуточное между исправным и сбойным состоянием электрических элементов, названное предсбойным состоянием, базисной характеристикой которого является не регистрируемое существующими методами отклонение параметров от норм технических условий (ТУ); совокупность информативных признаков, методов обработки сигналов и технических средств, позволяющих обнаружить и зарегистрировать следующие источники сбоев: соединители (разъёмы), контактирующие узлы БИС и СБИС, контактные дорожки печатных плат, интерфейсные шины, неэкранированные одно- и многожильные провода, шины заземления и электропитания, клеммные колодки, места паек и заблаговременно изъять из эксплуатации потенциально дефектный блок с такими элементами, обеспечивая тем самым резкое повышение надёжности аппаратуры.

2. Электрические модели сбойных состояний следующих пассивных элементов и узлов автоматики и вычислительной техники: соединителей (разъемов), контактирующих узлов БИС и СБИС, клеммных колодок, мест паек (в электроконтакты), контактных дорожек печатных плат, интерфейсных шин, неэкранированных одно- и многожильных проводов, шин заземления и электропитания на основе параметров омического (К), индуктивного (Ь) и емкостного (С) сопротивлений и изменений при сбое активно-индуктивного характера сопротивления на активно-емкостной на аналоговых сигналов - в амплитудно-частотной области, для импульсных сигналов - во временной области.

3. Теория построения средств обнаружения и регистрации источников сбоев в широком (от долей герца до сотен мегагерц) в диапазоне частот в системах и устройствах с кодо-импульсной модуляции сигналов для объектов со следующими управляемыми и регулируемыми параметрами: скорость, температура, освещённость, пространственное местоположение, время задержки сигнала.

4. Методика анализа сигналов для обнаружения источников сбоев на примере объектов первого порядка с управлением по входу как по частоте импульсов (при постоянной амплитуде и длительности), так и по взаимному их расположению на временной оси, т.е. с кодо-импульсным управлением.

5. На примере широко распространённого в средствах вычислительной техники класса прямоугольных разъёмов для печатного монтажа типа РППМ 27 методика определения области существования параметров R, L, и С электрической модели сбойных состояний пассивных элементов автоматики и вычислительной техники.

6. Для соединителей типа РППМ 27 диапазоны изменения параметров R, L и С, характеризующих их состояние сбоя; диапазон регистрируемых резонансных частот в режиме сбоя; изменения отношения добротности в начале и в конце срока эксплуатации; диапазон изменения длительности отражённого сигнала при сбое.

7. Методы обработки, преобразования и регистрации сигналов источников сбоев в условиях повышенных (выше норм ТУ) электромагнитных излучений потенциально дефектных элементов, наличия сдвига фазы гармонического сигнала, проходящего через сбойный участок, образования и существования спектра резонансных частот в широком (до сотен мегагерц) диапазоне наличия субгармонических колебаний, изменения и выходе за пределы норм ТУ амплитудно-частотных характеристик гармонических сигналов и появления дополнительной задержки фронтов импульсных сигналов, выхода за пределы норм ТУ соотношения падающей и отражённой волны, дифференцирования проходящих через сбойный участок сигналов.

8. Методы бесконтактного (радиоизмерительного) и встроенного обнаружения и регистрации источников сбоев на базе датчиков предсбойных и сбойных состояний для систем и устройств с кодо-импульсной модуляцией сигналов.

9. Средства бесконтактного (радиоизмерительного) и встроенного обнаружения и регистрации источников сбоев. Требования для проектирования приборов бесконтактной диагностики регистрации сбоев с последующей их разработкой.

10. Разработанные по полученным информативным признакам датчики обнаружения и регистрации источников сбоев контактными и бесконтактными методами.

11. Достоверность полученных результатов по обнаружению и регистрации источников сбоев.

Диссертация состоит введения, семи глав, приложений, выводов по работе и списка использованной литературы. В первой главе "Аналитический обзор систем и устройств с кодо-импульсной модуляцией сигналов" рассмотрена проблематика регистрации источников сбоев в технических системах, принципе построения систем и устройств с кодо-импульсной модуляцией сигналов, даётся анализ цифровых вычислительных систем как средства обработки и преобразования информации на основе кодо-импульсной модуляции сигналов, рассмотрены системы автоматического управления и регулирования с кодо-импульсной модуляцией сигналов. Экспериментально получены предсбойное и сбойное состояния, сформулированы задачи исследования.

Во второй главе "Исследование и формализация факторов сбоя" рассмотрена проблема сбоев в соединениях, проведён анализ работы соединений в цепях БИС и СБИС, даны особенности построения электрических моделей источников сбоев. Рассмотрены режимы работы источников сбоев в виде третьего состояния соединителей.

В третьей главе "Теоретические методы анализа устойчивых к сбоям устройств с кодо-импульсной модуляции сигналов систем автоматического управления и регулирования" проведено моделирование объектов управления для случаев непосредственного (минуя цифроаналоговое преобразование) управления объектом, проведён анализ статистических и частотных характеристик объекта с дополнительным управлением в паузах кодо-импульсных сигналов.

В четвёртой главе "Методы регистрации сбоев в ЭВМ" приведены особенности поведения аппаратуры (ЭВМ) при бесконтактном контроле и диагностике сбоев, даются рекомендации по использованию радиоизмерительных методов в задачах контроля и диагностики сбоев в высокопроизводительных вычислительных системах, рассмотрены особенности построения стенда для регистрации сбоев высокопроизводительных вычислительных систем, а также методы регистрации сбоев в локальных вычислительных сетях в многослойных печатных платах.

Пятая глава "Построение устойчивых к сбоям систем управления с кодо-импульсной модуляцией сигналов" посвящена рассмотрению устойчивых к сбою следующих систем: АСУ ТП, системы управления электрической мощностью объекта, электрическими системами контроля и диагностики, телевизионного и оптического контроля, прецизионным цифровым системам.

В шестой главе "Разработка датчиков и приборов для регистрации сбоев" рассмотрены требования к датчикам и приборам, фиксирующим сбои в устройствах, приведены принципы построения бесконтактного датчика и прибора для регистрации сбоев, описана система батарейного зажигания двигателя внутреннего сгорания с регистрацией сигнала сбоя, даны особенности измерения параметров, регистрирующих сбои в электрических цепях и системах.

В седьмой главе "Экспериментальное исследование и регистрация сбоев в системах и устройствах с кодо-импульсной модуляцией сигналов" рассмотрены вопросы реализации названных устройств, а также методов и моделей, положенных в основу их построения. В главе освещены вопросы и приводятся результаты экспериментального исследования управления сервопривода аналитического фотограмметрического прибора с кодо-импульсной модуляцией сигналов, экспериментального исследования методов и устройств управления, контроля и -диагностики с кодо-импульсной модуляцией сигналов в автоматизированных системах управления технологическими процессами выработки стекловолокна, экспериментального исследования режима сбоя соединителей. Рассмотрены вопросы экспериментального исследования бесконтактного датчика сбоев, приведены результаты внедрения приборов и средств бесконтактной регистрации сбоев в технических системах: высокопроизводительные вычислительные системы, диагностические стенды, системы автоматического управления и регулирования, цифровые электроприводы, локальные вычислительные сети, станы холодной прокатки труб, специзделия, системы автоматического управления и регулирования, подтверждённые актами внедрения.

В приложениях приведены акты внедрения результатов диссертации в промышленность и народное хозяйство.

Данная работа выполнялась в ряде институтов и организаций: Московском авиационном институте (исследование кодо-импульсного управления исполнительными асинхронными двухфазными двигателями -соавторы: Колосов С.П., Вьюшков Ю.А., Некрасов В.Н., Сидоров Ю.А.), в Центральном конструкторском бюро Красногорского механического завода (телевизионные устройства контроля с использованием методов кодо-импульсной модуляции - соавторы: Чернов Б.С., Раев Б.К., Шабеницкий К.А.), в НПО "Стеклопластик", бывшем Всесоюзном научно-исследовательском институте стекловолокна и стеклопластиков (методы кодо-импульсной модуляции в устройствах управления, контроля и диагностики АСУ ТП выработки стекловолокна - соавторы: Любутин О.С., Янцев П.Г., Давыдов Э.Н., Каплан Е.Д., Степанов В.В.), в Центральном научно-исследовательском институте геодезии, аэросъёмки и картографии (использование методов кодо-импульсной модуляции при управлении скоростью и положением графического органа координотографа аналитического фотограмметрического прибора -соавтор Зотов Г.А.), в научно-исследовательском институте "Квант" (кодо-импульсная динамическая модель соединителя - соавторы: Белов В.Г., Мартынюк Д.В., Царёв Б.Д.), в АОЗТ "ЗИЛ-КАР"- AMO "ЗИЛ" (внедрение датчиков сбоя и их модернизация - соавторы: Поликер Б.Е., Михальский Л.Л., Ильинский В.А.), в МГИУ (систематизация полученных результатов и их оформление, научные консультации д.т.н. Широкова Л.А.).

Результаты работы внедрены на Первоуральском Новотрубном заводе [182], где при сопряжении электрических двигателей прокатного стана с управляющей ЭВМ за счёт использования метода КИМ удалось добиться плавного регулирования скорости указанных двигателей. Принципы построения контрольно-диагностического аппаратуры для ранней диагностики скрытых дефектов в виде сбоев от неконтактных явлений в элементах, блоках и узлах и сконструированные на их основе датчики бесконтактного обнаружения сбоев внедрены в НИИ "Квант" (г. Москва) при разработке, изготовлении и эксплуатации диагностического автоматизированного комплекса ДАК-1.

Результаты работы внедрены при разработке специализированного комплекса в ЦКБ ПО "Красногорский завод" при разработке структуры построения контрольно-диагностической и пультовой аппаратуры комплекса. При этом был разработан и внедрён метод контроля параметров объекта х использованием кодо-импульсной модуляции сигналов, снижающий уровень помех при контроле, в частности телевизионных трактов сигналов и повышающий степень помехозащищённости аппаратуры [52].

Метод кодо-импульсного управления исполнительными двигателями, обеспечивающий такие преимущества по сравнению с ранее известными, как: простота сопряжения исполнительного элемента с управляющей ЭВМ за счёт исключения из контура управления цифро-аналоговых преобразователей, более высокая плавность регулирования скорости исполнительного элемента, в частности асинхронных двигателей; минимизация массогабаритных показателей аппаратуры; снижение уровня создаваемых радиопомех вследствие коммутации усилительных элементов, в частности тиристоров в нуле фазы питающего напряжения сети, внедрён в ЦНИИ "Гранит" (г. Санкт-Петербург).

Результаты работы внедрены также и в ряде других организаций и ВУЗов: ГП "ЭЛИДАП", СП "ЕМС Гарантпост", НПО "Измерительная техника" (г. Калининград, Моск. обл.), AMO "ЗИЛ"-"ЗИЛ-КАР" (г. Москва), МИРЭА, ВТИ (г. Воронеж).

Основные результаты работы нашли своё отражение в свыше 47 публикациях (из них 25 работ выполнены автором без соавторов), в том числе 16 изобретений на способы и устройства. Опытные образцы бесконтактного датчика сбоев в ЭВМ, разработанных и испытанных в соответствии с рекомендациями данной работы, были представлены на Международных выставках в г. Москве: "Конверсия-92" в 1992 году и "Авиационно-космический салон" в 1993 году.

Консультации по диссертационной работе давали академики - Лауреат Премии Правительства РФ, д.т.н., проф. Ю.Н.Кофанов и д.т.н. проф. Л.А.Широков, за что автор выражает им глубокую благодарность. Автор признателен также коллективу учёных и сотрудников НИИ "Квант" во главе с член-корреспондентом РАН В.К.Левиным за большую помощь и поддержку в процессе выполнения данной работы.

В процессе разработки, изготовления и внедрения в промышленность электрических датчиков сбоя (ДБС-1) большую помощь и поддержку оказал коллектив сотрудников АОЗТ "ЗИЛ-КАР" - AMO "ЗИЛ" во главе с Генеральным директором, к.т.н. Поликером Б.Е., которому автор выражает свою признательность и благодарность.

В настоящей работе приняты следующие обозначения: - электрический ток.

1Р (1Ь, /с) - электрический ток в оммической индуктивной, ёмкостной) цепи. Кг - длительность импульса или паузы 1-го участка кода. Ь{$) - электрическая индуктивность. - число периодов Т, равное сдвигу единичного символа по оси времени. Мс - коэффициент вариации ёмкости. Ма - коэффициент вариации проводимости. Мь - коэффициент вариации индуктивности. т - число участков импульсов и пауз на периоде кода. Рэ - электромагнитная мощность.

Я - электрическое(активное) сопротивление. гКу - активное сопротивление роторной обмотки, приведённое к числу витков статорной обмотки управления. Т - период питающей сети. Тс - период сигнала при управлении с кодо ипульснойи число - импульсной модуляцией сигналов.

ТяХ (Тт2) - постоянные времени объекта управления при действии (отсутствии) мпульса. ? - время. ик (у'Ш) - дискретно амплитудо - фазовый спектр. ит - амплитудное значение напряжения. и(0 - кодо - импульсное напряжение общего вида. АГт1 (АТт2) - вариация постоянной времени объекта при действии (отсутствии) импульса, и - основной параметр объекта управления; относительная скорость.

С(1), С - электрическая ёмкость.

0(1) - электрическая проводимость. кI - число разрядов ЭВМ. ин ) " значения основного параметра в начальный момент действия импульса(паузы).

- установившееся значение основного параметра при действии (отсутствии) импульса, х - относительная продолжительность включения объекта, ф - угол сдвига фазы. О - круговая частота первой гармоники, со - круговая частота, со о ~ круговая частота основной гармоники.

С - состояние работоспособности системы. к0 - амплитуда импульсов в коде. К1 - линейный коэффициент усиления; масштабный коэффициент. Кдв - коэффициент усиления двигателя.

- спектральная плотность белого шума. т - относительная глубина модуляции.

29

II х,и у- управляющая функция соответственно по осям X, У

- модулирующая функция.

УХ,У - скорость перемещения по координатам X, У. }¥(р) - передаточная функция. X, У - прямоугольные координаты соответственно по осям абцисс и ординат X, У.

Хвх (хвых ) " входной(выходной) сигнал. Z(p) -Ъ-преобразование. 8 [п ] - дискретная ошибка.

- коэффициент колебательности.

Рким ' вероятность искажения сигнала при ко до импульсной модуляции. Ф(7) - световой поток.

0 - передаточная функция ошибки замкнутой системы /гр - граничная частота. Котр - коэффициент отражения волны.

- паразитная индуктивность.

Ь5 (Св) - погонная индуктивность(ёмкость). tф{tф0) - длительность фронта зондирующего(отражённого) сигнала. II. - входной сигнал. ип (1/0) - напряжение падающей (оотражённй волны). Ж - волновое сопротивление.

- длительность фронта.

Р - частота сигнала. К - коэффициент деления. К1 - линейный коэффициент усиления. Котр - коэффициент отражения волны. Ь - расстояние между захватами.

N - число отверстий в модуляционном диске датчика скорости. N1 - номер соединителя. п - скорость двигателя. Я - радиус окружности.

V - скорость конвейера. Хк(Ук) -оси координатографа, т - время задержки сигнала.

Сокращения в тексте

АФП - аналитический фотограмметрический прибор.

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика.

БДС - бесконтактный датчик сбоев.

БДО - бесконтактный датчик обрыва.

БМК - базовый матричный кристалл.

ВС - высокопроизводительная вычислительная система.

ВЧ - высокочастотный.

ИК - инфракрасный.

КЗ - короткое замыкание.

КИМ - кодо-импульсная модуляция, кодо-импульсный модулятор.

Результаты работы в виде моделей синтеза параметров кодо-импуль-ых сигналов модуляции с учетом параметров технологических объектов я получения требуемых значений управляемых и регулируемых пара-тров, способов бесконтактного, встроенного и радиоизмерительного кон-оля и диагностики сбоев в аппаратуре, аналитических моделей и горитмов применения кодо-импульсной модуляции при контроле, диагнос-ке и управлении используется в 'учебном процессе кафедры атематического моделирования технологических систем" при чтении кций и проведении практических занятий по дисциплине "Математические тоды и модели в расчетах на ЭВМ" для студентов технологического и мического профиля.

Зам.зав.кафедрой доцент, к.т.н.

Матвеев М.Г,