автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Обеспечение отказоустойчивости электротехнических систем за счет введения встроенных средств контроля и поддержания их работоспособности

На правах рукописи

РГ5 ОД

г--'.

КОЛОТОВ Андрей Викторович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗА СЧЕТ ВВЕДЕНИЯ ВСТРОЕННЫХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

(на примере систем управления токарного модуля и маркировочной машины)

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы,

включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2000

Работа выполнена в Саратовском государственном

техническом университете.

Научный руководитель - доктор технических наук профессор

В.С.Дрогайцев

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор

Б.М. Кузьмиченко кандидат технических наук Г.С. Говоренко

Ведущая организация - Саратовский научно-исследовательский

институт машиностроения

Защита диссертации состоится " " декабря 2000г. в " " часов на заседании диссертационного совета К063.58.08 в Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, ауд.216а.

С содержанием диссертации можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан

ноября 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы обусловлена возросшими в результате интеграции России в мировую экономику требованиями к надежности и эффективности функционирования электротехнических систем.

Развитие электроники и вычислительной техники внесло кардинальные изменения в конструкцию современных электротехнических систем. Значительное уменьшение персонала, обслуживающего электротехнические системы и комплексы, в условиях современной технологий 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 наблюдаемости станочных модулей 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% 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).

Цель работы - разработка и внедрение в процесс проектирования методического обеспечения анализа электротехнических систем и распределения встроенных средств обеспечения заданного уровня надежности по структуре объекта, необходимых для обеспечения отказоустойчивости проектируемых объектов.

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 критических 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 надежности; а 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.

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.

Реализация результатов работы. Разработанные методы, модели и формализованные процедуры составили основу комплекта взаимосвязанных инженерных методик, которые по заказам различных ведомств внедрены в производство на предприятиях: СНИИМ, ФГУП СНПЦ «РОСДОРТЕХ», ПО «Корпус», ЦНИИИА, АО КБ «Электроприбор» для решения . практических задач на стадии проектирования, в условию; серийнрго производства и эксплуатации сложных технических объектов. Результаты работы задействованы также в учебном процессе СГТУ при чтении курсов: "Информационно-измерительные комплексы", Интеллектуальные системы проектирования автоматизированных комплексов".

Теоретические результаты диссертации использовались, при выполнении работ по базовой тематике СГТУ (темы СПИ-196, СПИ-256 (Программа технического университета России), СПИ-208, шифр "Орбита", СГТУ-21). . .,„;

Разработанный в методах, способах и процедурах формализм обеспечения анализа, действий и выводов ориентирован на применение его в качестве источника знаний в интеллектуальных методах и средствах решения проблемы надежности электротехнических систем и комплексов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях по направлению "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (Пенза 1996-1998) и научно-технических семинарах СГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 180 страниц машинописного текста, включая 60 рисунков, 11 таблиц и список использованной литературы из 68 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показаны научная новизна и практическая ценность работы, приводятся положения, которые защищает автор.

В первой главе выделены область исследования, цель и задачи диссертации; обоснован базовый вариант структуры объекта рассматриваемого класса.

Рассмотрены возможности и технико-экономические ограничения двух основных подходов к обеспечению и поддержанию в процессе эксплуатации требуемого уровня надежности объекта. Обосновано, что требуемых безотказности и эффективности функционирования электротехнических систем целесообразно добиваться посредством реализации прямых методов повышения безотказности (устранением причин появления отказов) совместно с его контролем и устранением последствий отказов и сбоев.

В п. 1.3 приведена методика определения состава встроенных средств, необходимых для обеспечения отказоустойчивости структуры проектируемых электротехнических систем. Более подробно общая концепция и формализованные методы решения задач предлагаемой методики рассмотрены во второй и третьей главе.

Во второй главе рассматривается формализованный подход к описанию и анализу проектируемых электротехнических систем. Обоснованы варианты моделей представления исследуемых объектов

о

заданного класса в виде системы дифференциальных и алгебраических уравнений, отражающей законы управления, алгоритмы функционирования,' аналитические особенности и ограничения на вход-выходные1 параметры и условия внешней среды, и в виде логического направленного графа, описывающего структурно-функциональную, конструктивную сущность и логический формализм организации информационных потоков в структуре объекта. В качестве основного варианта, объединяющего структурную, функциональную и алгоритмическую модели, предлагается использовать многоуровневую модель вида логического направленного графа.' Количество уровней модели соответствует числу структурных уровней объекта. Многоуровневая структура моделей объекта достигается в результате допущения, что составной компонент любого уровня в моделях вышестоящих уровней может бьггь представлен своей развернутой моделью. Многоуровневая структура моделей объекта отвечает двум в определенном Смысле противоречивым требованиям: модель конкретна ввиду использования при ее построении реальных исходных данных, следовательно, модель применима для детальных расчетов, моделирования реальных механизмов отказов и т.п.; модель обозрима и применима для представления сложных объектов, в то же время позволяет управлять глубиной анализа, расчета, извлечения знаний и полнотой правил принятия решений.

В работе предлагается процедура управления процессом построения модели с помощью совокупности количественных критериев, ориентированная на управление глубиной анализа электротехнических систем, сущность которой состоит в оценке значимости составных компонентов на каждом уровне иерархии (начиная с самого низшего) и принятия решений по детализации или агрегированию вершин модели.

Предложен алгоритм, позволяющий распределять заданный уровень надежности объекта по составным компонентам с учетом их

функциональной и надежностной значимости для сложных расчетных структур, у которых в общем случае соединения компонентов не отвечают в полной мере последовательно-параллельным принципам.

В результате решения задач первого этапа методики, рассмотренных во второй главе, формируется исходный перечень аномальных состояний электротехнической системы, определяется глубина диагностирования на каждом уровне иерархии объекта, устанавливается значимость каждого компонента при нарушении нормального функционирования, что позволяет выработать рекомендации по использованию методов повышения надежности.

В третьей главе решаются задачи второго и третьего этапа предлагаемой методики.

В рамках второго этапа методики решаются вопросы организации моделирования процесса функционирования электротехнических систем в критических режимах и условиях внешней среды и обучения распознаванию отказов.

Для организации процесса моделирования предложена процедура выбора видов и точек установки избыточных средств, обеспечивающих диагноСтируемость проектируемых объектов. Обоснована совокупность критериев, позволяющих обнаружить в реальном времени заданное множество аномальных состояний (в том числе скрытых дефектов).

Для повышения разрешающей способности выходных параметров предложен способ формирования в критических условиях внешней среды и режимах функционирования исходного множества простых и сложных признаков. Сущность способа заключается в следующем: ♦ Основными и внешними средствами реализуется заданная последовательность событий, и в контрольных точках с заданной дискретностью регистрируются ответные реакции.

♦ С каждым моделируемым событием связывается обобщенное наблюдение Ш, которое представляет собой реакцию объекта в 1-й контрольной точке на сформированную ситуацию в виде наблюдаемого в скользящем окне отрезка переходного процесса, характеризующегося также принадлежностью к определенному классу аномальных состояний.

♦ Формирование исходного перечня информативных признаков в каждой контрольной точке производится с помощью метода главных кластеров, позволяющего выделить типовые особенности поведения объекта в виде отдельных групп наблюдений.

В результате решения задач второго этапа формируется исходный перечень информационных признаков и устанавливаются причинно-следственные связи между входными сигналами, условиями среды и состояниями выхода относительно множества аномальных состояний, составляющих основу содержания модели диагностирования.

В рамках третьего этапа методики предлагается метод определения состава встроенных средств в результате оптимизации процессов обнаружения и идентификации заданного множества аномальных состояний, а также принятия решений по прямому управлению процессом функционирования с целью поддержания заданного уровня работоспособности электротехнической системы при возникновении в ней явных отказов и скрытых дефектов.

В полученной в результате обучения исходной модели диагностирования режимы функционирования объекта отождествляются с устройствами подачи управляющих сигналов, необходимыми для их исполнения, а признаки выходных параметров с устройствами, необходимыми для их измерения. Для определения состава и точек установки встроенных средств предлагается метод, сущность которого состоит в пошаговом разбиении диагностируемых состояний на

обнаруживаемые и не обнаруживаемые до тех пор, пока подмножества не сведутся к одному состоянию или группе неопределенности. Для исключения полного перебора в процессе отбора наиболее информативных контрольно-диагностических экспериментов автором предложен критерий количественной оценки информационной значимости, учитывающий доступность измерения параметров встроенными средствами:

( I , " ,1 " и )

ь' = о; Г*, + и с ,>' (1)

где Пу ,л,у - число состояний, соответственно не обнаруживаемых (¿?,у = 0) и обнаруживаемых (Ву = 1) в результате исполнения / -го контрольно-диагностического эксперимента; й® - число не обнаруживаемых состояний ] -й проверкой; А/ - наибольшее число состояний в подмножестве; г - число подмножеств состояний, разделенных проверками; Су - оценка признака то сводному фактору условий измерений; к - коэффициент, отражающий значимость С).

Повышение достоверности принимаемых в процессе контроля и локализации отказов решений за счет уменьшения сходства полученных в результате оптимизации изображений состояний может быть получено реализацией формализованных процедур с использованием критерия максимума достоверности или по минимаксному критерию.

Оптимальное распределение избыточных средств по структуре объекта выполняется в следующей последовательности. Предварительно синтезируется структура целевой системы с учетом подходящей элементной базы и требуемой производительности. Затем оцениваются требования реального времени и решается вопрос о выборе структуры избыточной системы с учетом необходимости обнаружения и локализации отказов и поддержания работоспособности электротехнических систем.

В п.3.5 рассмотрена реализация методов предлагаемой методики на примере подсистемы привода подач токарного модуля ТПАРМ-100. В результате определен состав встроенных средств, необходимых для самоконтроля, самодиагностирования и поддержания заданного уровня надежности привода подач при эксплуатации объекта.

В четвертой главе приведены результаты использования автором предлагаемой методики в процессе проектирования. им не имеющей аналогов в России маркировочной машины РДТ-210. Принцип действия маркировочной машины основан на передовом безвоздушном способе нанесения разметочной краски (технология AIRLESS) с применением оборудования высокого давления (138 ат).

В настоящее время к форме и размерам дорожной разметки ГОСТ Р-51256-99 установлены жесткие требования. В случае нарушения предъявляемых к разметке требований дорожные организации, осуществляющие разметку дорог, несут существенные финансовые потери.

Для своевременного обнаружения и устранения возникающих в процессе работы отказов, которые могут повлиять на качество разметки, с участием автора по предлагаемой методике был организован процесс функционального контроля РДТ-210;

При включении блока автоматического управления начинает выполняться алгоритм диагностирования памяти. В ходе нанесения разметочных материалов автоматически выполняются следующие процедуры: контроль типа наносимой линии с помощью сигнатурного анализатора; контроль толщины нанесения разметочных материалов (для обеспечения требуемого расхода краски 600 г/м2) путем сопоставления данных датчика пройденного пути и датчика расхода краски; контроль скорости перемешивания краски в баке с помощью датчика скорости; аппаратный,контроль состояний механизмов (блокировки). Кроме того, в

системе управления РДТ-210 предусмотрены специальные контрольные точки и разработан ал горитм диагностирования СУ.

Технико-экономическая эффективность от использования методики в процессе проектирования определяется повышением коэффициента готовности на 40% и обеспечением высокой ремонтопригодности.

В заключении подводятся общие итоги работы.

По результатам исследований формируются следующие выводы:

1.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 организацией его контроля и последующего устранения отказов и последствий сбоев,

4.0боснован 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.

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

В приложениях приведены тексты разработанных программ.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Филиппов Ю.С., Колотов A.B., Бурденко A.B. Модели знаний в экспертной системе технического диагностирования // Проектирование и техническая диагностика автоматизированных комплексов: Межвуз. науч. сб.- Саратов: СГТУ, 1995,- С.22-28.

2. Колотов A.B. Разработка метода обеспечения надежности сложных производственных комплексов // Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: Мат. конф. - Пенза, 1996. - С.139-140.

3. Филиппов Ю.С., Чумаков В.А., Колотов A.B. Формирование механизма вывода с учетом времени экспертизы при техническом диагностировании // Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: Мат. конф.-Пенза, 1996. - С.33-34.

4. Колотое A.B., Куранов B.B. Оптимальное распределение ресурсов при повышении надежности объекта встроенными средствами И Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: Межвуз. науч. сб. - Саратов: СГТУ, 1996. - С.136-141.

5. Колотов A.B. Критерии обеспечения надежности объекта встроенными средствами II Прогрессивные направления развития технологий машиностроения Межвуз. науч. сб.- Саратов: СГТУ, 1996.-С. 132-136.

6. Колотов A.B., Данилина С.Ю. Анализ методов и средств обеспечения надежности сложных производственных комплексов // Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: Мат. конф. - Пенза, 1997. - С. 143-144.

7. Данилина С.Ю., Колотов A.B. К вопросу построения дерева отказов для анализа сложных объектов И Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: Мат. конф,- Пенза, 1997. - С.29-30.

8. Колотов A.B. Алгоритм обучения распознаванию отказов в контролируемом объекте // Проектирование и техническая диагностика автоматизированных комплексов: Межвуз. науч. сб. - Саратов: СГТУ, 1997. - С.32-36.

9. Колотов A.B., Данилина С.Ю. Определение исходного состава контролируемых признаков // Проектирование и техническая диагностика автоматизированных комплексов: Межвуз. науч. сб. -Саратов: СГТУ, 1997. - С.25-28.

10. Дрогайцев B.C., Гуляев Д.А., Колотов A.B., Коваленко К.А., Данилина С.Ю. Возможный подход к комплексированию модульных программно-аппаратных средств анализа технического совершенства сложных динамических комплексов // Проектирование и техническая диагностика автоматизированных комплексов: Межвуз. науч. сб. -Саратов: СГТУ, 1998. - С.61-69.

11. Колотов A.B., Дрогайцев B.C. Синтез структуры встроенных средств обеспечения надежности сложных динамических объектов // Проектирование и техническая диагностика автоматизированных комплексов: Межвуз. науч. сб. - Саратов: СГТУ, 1998. - С.3-5.

12. Дрогайцев B.C., Колотов A.B. Методология обеспечения надежности и качества сложных динамических объектов встроенными средствами II Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности

и качества приборов, устройств и систем: Мат. конф.- Пенза, 1998. -С.9-10.

КОЛОТОВ Андрей Викторович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗА СЧЕТ ВВЕДЕНИЯ ВСТРОЕННЫХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

(на примере систем управления токарного модуля и маркировочной машины)

Автореферат Ответственный за выпуск В.М. Таран Корректор Л.А. Скворцова

Лицензия ЛР N 020271 от 15.01.96

Подписано в печать24.11.2000 Еум.оберт. Тираж 100 экз.

Усл.-печ.л. 0,93 (1,0) Заказ 541

Формат 60 х 84 1/16 Уч.-илд.л. 0,9 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет 410054 г. Саратов, ул.Политехническая, 77 Копипринтер СГТУ, 410054 г.Саратов, ул.Политехиическая, 77

ВВЕДЕНИЕ.:.

1.ВСТРОЕННЫЕ СРЕДСТВА-КАК МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ

НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

1.1 .Выбор класса исследуемых объектов и базового варианта структуры обобщенного представителя класса.

1.2.Пути повышения надежности электротехнических систем

1.3.Методика определения состава встроенных средств, необходимых для обеспечения отказоустойчивости структуры проектируемых объектов.

2. ФОРМАЛИЗОВАННЫЙ ПОДХОД К ОПИСАНИЮ И АНАЛИЗУ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

2.1. Обоснование вида моделей объекта.

2.2.Модели представления алгоритмов функционирования и программно-аппаратных средств объектов.

2.3. Аналитическая оценка прогнозируемых показателей надежности проектируемых объектов.

2.4. Управление глубиной анализа проектируемого объекта

2.5. Анализ на основе системного подхода структуры привода подач токарного модуля ТПАРМ-100.

2.6. Выводы.

3. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

3.1. Распределение средств обнаружения отказов по структуре объектов.

3.2. Обучение при распознавании отказов проектируемого объекта.*

3.2.1. Обоснование видов и точек установки избыточных средств.

3.2.2. Обоснование видов и объемов ускоренных испытаний

3.2.3. Прогнозирование тенденции развития аномальных состояний.

3.2.4. Параметрическая идентификация функциональных зависимостей и формирование исходного перечня информативных признаков.

3.3. Синтез отказоустойчивой структуры проектируемого объекта.

3.3.1. Определение состава и точек установки встроенных средств.

3.3.2. Условия и правила реконфигурации структуры объекта.

3.3.3. Синтез избыточной структуры объекта.

3.4. Обучение распознаванию отказов привода подач токарного модуля ТПАРМ-100.

3.4.1. Анализ структуры отказов канала управления привода подач токарного модуля и распределение средств обнаружения отказов.

3.4.2. Формирование исходного перечня признаков выхо-дых параметров, характеризующих работоспособность привода подач.

3.5. Определение состава встроенных средств привода подач токарного модуля ТПАРМ-100, необходимых для поддержания его работоспособности на этапе эксплуатации.

3.5.1. Анализ полученных результатов.

3.6. Выводы.

4. РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ В ПРОЦЕССЕ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ РДТ-210.

4.1 Анализ структуры и построение модели РДТ-210.

4.2. Распределение избыточных средств по структуре j ^

РДТ-210.

4.3. Выводы.

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 „.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 простоя; электрооборудование-20-30% числа отказов и 25-35% времени ремонта; гидрооборудование- 8-10% числа отказов и 10-15% времени ремонта; несовершенством 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 надежности; а 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.

1. Айвазян CA., Бежаева З.И., Староверов О.В. Классификация многомерных наблюдений М.: Статистика, 1974.

2. Аксенова Г.П. Необходимые и достаточные условия построения полностью проверяемых схем свертки по модулю 2 // Автоматика и телемеханика 1979 - N 9 - С. 126-135.

3. Барлоу Р., Прошан Ф. Математическая теория надежности -М.: Советское радио, 1969.

4. Блинов И.Н., Гаскаров Д.В., Мозгалевский A.B. Автоматический контроль систем управления Л.: Энергия, 1968.

5. Богомолов С.Е. Логический вывод на формулах с временными связками // Кибернетика и системный анализа 1992 - N 5 - С.63-70.

6. Борисенко И.И., Казаков И.Е. Синтез стратегий управления и обработки информации на основе декомпозиции и редуцирования многомерных динамических систем // Изв.АН СССР. Техническая кибернетика- 1991 -N 3-С. 198-225.

7. Бржозовский Б.М., Игнатьев A.A., Мартынов В.В. Обеспечение устойчивого функционирования прецизионных станочных модулей. -Саратов: Изд-во СГТУ, 1990. 120 с.

8. Гойхман Э.Ш., Лосев Ю.И. Передача информации в автоматизированных системах управления М.: Связь, 1971 - 16 с.

9. Горожин А.Д., Крайнов K.M. Построение полностью самопроверяемых комбинационных устройств с использованием полиномиальных форм // Автоматика и телемеханика 1979 - N12 - С. 159-166.

10. Грачев Л.И., Сахаров Н.Г., Антипов В.И. Автоматическое управление точностью обработки на токарных станках с ЧПУ. Обзор. -М.: НИИмаш, 1982-48 с.

11. Дадаев Ю.Г. Арифметические коды, исправляющие ошибки -М.: Советское радио, 1969 168 с.

12. Диагностика автоматических станочных модулей / Под ред. Б.М.Бржозовского Саратов.: СГТУ, 1987. - 152 с.

13. Диагностирование на граф-моделях / ЯЛ.Осис, Я.А.Гельфандбейн, З.П.Маркович, Н.В.Новожилова М.: Транспорт, 1991 -244 с.

14. Дмитриев А.К., Мальцев П.А. Основы теории построения и контроля сложных систем Л.:Энергоатомиздат, 1988 - 192 с.

15. Дмитриев А.К. Распознавание отказов в системах электроавтоматики -Л.: Энергоатомиздат, 1983.

16. Дрогайцев B.C., Филиппов Ю.С., Куранов В.В. Методы и средства обеспечения надежности технических систем. Саратов: СГТУ, 1997.-428 с.

17. Дюран П, Оделл Д. Кластерный анализ М.: Статистика, 1976.

18. Земляков Д.С., Рутковский В.Ю., Силаев A.B. Реконфигурация систем управления летательными аппаратами при отказах // Автоматика и телемеханика 1996. - N 1 - С.3-17.

19. Иыуду К.А., Кривощеков С.А. Математические модели отказоустойчивых вычислительных систем М.: Изд-во МАИ, 1989. - 144 с.

20. Иыуду К.А. Надежность, контроль и диагностика вычислительных машин и систем М.: Высш.шк., 1989 - 216 с.

21. Каравай М.Ф. Применение теории симметрии к анализу и синтезу отказоустойчивых систем // Автоматика и телемеханика 1996 -N 1 - С.159-173.

22. Козеев В.А. Повышение безопасности и точности нелинейных систем управления Л.: Энергоиздат, 1985.

23. Колотов A.B. Алгоритм обучения распознаванию отказов в контролируемом объекте // Проектирование и техническая диагностика автоматизированных комплексов: Межвуз.сб. Саратов: СГТУ, 1997 -С .32-36.

24. Колотов A.B., Данилина С.Ю. Анализ методов и средств обеспечения надежности сложных производственных комплексов // Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: Матер.конф. Пенза, 1997 - С. 143-144.

25. Колотов A.B., Данилина С.Ю. Определение исходного состава контролируемых признаков // Проектирование и техническая диагностика автоматизированных комплексов: Межвуз.сб. Саратов: СГТУ, 1997 - С.25-28.

26. Колотов A.B. Критерии обеспечения надежности объекта встроенными средствами // Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: Межвуз.сб. Саратов: СГТУ, 1996- С. 132136.

27. Колотов A.B., Куранов В.В. Оптимальное распределение ресурсов при повышении надежности объекта встроенными средствами // Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: Межвуз.сб. Саратов: СГТУ, 1996 - С. 136-141.

28. Колотов A.B. Разработка метода обеспечения надежности сложных производственных комплексов // Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: Матер.конф. Пенза, 1996 - С .139-140.

29. Контроль функционирования больших систем / Под ред. Г.П.Шибанова М.: Машиностроение, 1977 - 360 с.

30. Круг Г.К., Сосулин Ю.А., Фануев В.А. Планирование эксперимента в задачах идентификации и экстраполяции. М.: Наука, 1977 -207 с.

31. Лысенко И.В., Харченко B.C. Оценка живучести многоярусных мажоритарно-резервированных систем, функционирующих в условиях неблагоприятных воздействий импульсной природы // Автоматика и телемеханика 1997 - N 2 - С.209-218.

32. Малышенко Ю.В. Функциональные модели неисправностей аналоговых элементов // Автоматика и телемеханика 1992 - N 2 -С.136-143.

33. Манулик Н.Э. Использование моделей отказов при оценке результатов ускоренных испытаний интегральных схем // Надежность и контроль качество 1987. - N 1 - С.24-30.

34. Миркин Б.Г. Метод главных кластеров // Автоматика и телемеханика 1987.-N 10 -С. 131-143.

35. Мозгалевский A.B., Гаскаров Д.В. Автоматический поиск неисправностей Л.: Машиностроение, 1967.

36. Мозгалевский A.B., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика (непрерывные объекты). Учеб.пособие М.: Высш.шк., 1975. - 207 с.

37. Мозгалевский A.B., Койда А.Н. Вопросы проектирования систем диагноситрования Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 112 с. - (Б-ка по автоматике: Вып.648).

38. Мотгль В.В., Мучник И.Б. Алгоритм распознавания потока случайных событий // Автоматика и телемеханика 1986 - N 2 - С Л 42146.

39. Мотгль В.В., Мучник И.Б. Детерминистские модели и методы распознавания образов на оси времени // Автоматика и телемеханика -1991-N 3-С.120-132.

40. Мотгль В.В. Параметрическое обучение распознаванию потока случайных событий // Автоматика и телемеханика 1989 - N 6 -С.107-112.

41. Надежность и эффективность в технике: Справочник в 10 томах. Т9: Техническая диагностика / Под общ. ред. В.В.Клюева, П.П.Пархоменко М.: Машиностроение, 1987. - 352 с.

42. Проников A.C. Программный метод испытания металлорежущих станков. М: Машиностроение, 1985. - 288 с.

43. Руднев Ю.П. Принципы помехоустойчивого кодирования информации и их приложение в технике ЦВМ М.: Изд-во МИФИ, 1971. - 175 с.

44. Селлерс Ф. Методы обнаружения ошибок в работе ЭЦВМ -М.: Мир, 1972.

45. Скрипник В.М. Оценка надежности технических систем по цензурированным выборкам Минск: Наука и техника, 1981.

46. Смородинский С.С., Никульшин Б.В. Формирование и оценка вариантов структур сложных технических систем // Автоматика и вычислительная техника Минск: Высш.шк. - 1985. - вып. 14 - С .58-61.

47. Согомонян Е.С., Слабаков Е.В. Самопроверяемые устройства и отказоустойчивые системы М.: Радио и связь, 1989. - 208 с.

48. Судаков P.C. Испытания технических систем М.: Машиностроение, 1988. -272 с.

49. Точность и надежность автоматизированных прецизионных металлорежущих станков. Б.М.Бржозовский, А.А.Игнатьев, В.А.Доб-ряков, В.В.Мартынов, Саратов: Изд-во СГТУ, Часть 1, 1992. 160 с. Часть 2, 1994. 156 с.

50. Филин Б.П. Расчет коэффициента оперативной готовности систем с сетевой структурой //Автоматика и телемеханика 1992. - N 9 -С.179-186.

51. Хетагуров Я.А., Руднев Ю.П. Повышение надежности цифровых устройств методом избыточного кодирования М.: Энергия, 1974.

52. Шалыто А.А. Использование граф-схем и графов переходов при программной реализации алгоритмов логического управления // Автоматика и телемеханика 1996 - N 6 - С. 148-158.

53. Birolini A. Zuverlaessigke itssicherung // Technischer Systems BULLETIN 1986 -Tom 77. N 7 - P.353-360.

54. Erstellung komplexer Sysmemmodelle durch Seguentielle identifikation der Subsysteme Fresewinkel T. // Regelungstechnik 1984 - 32 - N 2 - P.51-55.

55. Gokery А.М/Patterns and paltera recognition robotics and Artieal In-tellegence // Proc. NATO ASJ. Series. 1984 P. 171-179.

56. Haire M., Maltese C., Sohmer R. A System Availability "Top-Pown" Apporttinment Method // Annual RELIABILITY AND MAITABILITY Symposium PROCEEDINGS OF THE PHILADELPHIA USA. - 1985 - P.306-314.

57. Hoel P.G/ Optimum desing for polinomial extrapolation Ann. Math. Statist, 1965,36.

58. Rose Ch. W. Achieving Reliability through Faulttolerant Listributed Control. "Inatrumentation Technology V. 26, N 10 - 32-39.

59. Rushdi Ali M. On Reliability by Network Decomposition II IEEE Transaction on Reliability. 1984. R - 33. N 5 - P.379-384.

60. Schneeweiss W. Minimale Pfade und Minimale Schnitte bei Zuverlässig Keeitsun tersuchungen // Regelungstechnik 1989. 28. N 9 - P. 289 - 293.

61. Zuve Iassi, Birolini A. Gkeitssicherung technischer Systeme Teil 2: Metoden // Bull SEV / VSE. 1986,77, N 7 - P.353-360.

62. Повышение эксплуатационной надежности гибких производственных модулей: Обзорн.информ. / Б.М.Бржозовский, В.А.Добряков, А .А .Игнатьев, В.В.Мартынов. М.: ВНИИТЭМР, 1990. - 48 с (Машиностроительное пр-во. Сер. Металлообрабатывающее оборудование. Вып.1.).

63. Зайцев С.И., Парпалыгин Ю.А. Средства самодиагностирования прецизионного токарного модуля ТП АРМ-100 // Анализ и диагностика технологических операций и средств автоматизации: Межвуз.сб. -Саратов: СПИ, 1987. С.35-37.

64. Кривошеин Ю.А. Диагностика трибосопряжений технологического оборудования // Проектирование и техническая диагностика автоматизированных комплексов: Межвуз.сб. Саратов: СГТУ, 1997. -С.114-119.

65. Синичкин С.Г., Лобанов С.Н., Сазонова Г.А. Диагностирование исполнительных устройств станков с ЧПУ и промышленных роботов // Надежность и диагностирование технологического оборудования. -М.: Наука, 1987. С.79-85.1.V 1