Диагностика и надежность автоматизированных систем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Контрольная работа

по дисциплине «Диагностика и надежность автоматизированных систем»

Выполнил:

Проверил: проф.

Мусолин А.К.

Рязань, 2013

• Содержание
• 1. Общие понятие и определения теории надежности и технической диагностики 3
• 1.1 Система и ее элементы 3
• 1.2 Состояния и события перехода 4
• 1.3 Надежность и эффективность 8
• 2. Методы повышения надежности 12
• 3. Автоматический контроль автоматизированных систем (контроль работоспособности оборудования, контроль состояния режущего инструмента и т. д.). 14
• 4. Диагностики автоматизированных систем (методы и средства технической диагностики систем, режущего инструмента и т. д.). 18

• Список литературы

  22

• 1. Общие понятие и определения теории надежности и технической диагностики

1.1 Система и ее элементы

Термин «система» имеет широкий диапазон значений и в общем случае определяет ограниченное множество элементов, понятий, норм, условий с отношениями и связями между ними, образующих некоторую целостность.

В технике под системой понимается совокупность объектов, предназначенных для выполнения заданных функций в результате совместных действий. Объекты, образующие систему, представляют собой элементы системы.

Разбивка системы на элементы производится в зависимости от уровня исследования таким образом, чтобы каждый элемент выполнял определенные частные функции и имел самостоятельные характеристики надежности, информативности или состояния, используемые при расчетах. Элементы системы, представляющие собой технические устройства, их блоки, узлы, детали, при рассмотрении конкретных задач могут обозначаться как функциональные элементы или структурные единицы. Элементы, которые невозможно или нецелесообразно разбивать на составные части, называются первичными. Характеристики их надежности, установленные по результатам испытаний или опытной эксплуатации, приводятся в справочной литературе и нормативно-технической документации.

В состав системы в качестве ее элементов могут входить и нетехнические средства, такие, например, как программное и информационное обеспечение, человек-оператор и т. п. Системы различаются по составу и степени сложности в зависимости от вида и количества составляющих элементов, характера связей между ними и числа возможных перестроений структуры. Системы, имеющие в своем составе электрические и электромеханические элементы и устройства, называются электротехническими.

Применительно к конкретным условиям и уровню решаемых задач исследования и расчеты могут проводиться для всей системы в целом, для ее частей (подсистем) или для элементов, которые при необходимости могут рассматриваться как отдельные системы, состоящие из элементов более низкого уровня, в том числе и первичных. В соответствии с этим часто используется более общее понятие — объект исследования, или просто объект, под которым понимается предмет проводимого исследования. Это может быть и система, и ее часть, и элемент или любое другое техническое устройство.

Системы и их элементы (в общем случае — объекты исследования) подразделяются на восстанавливаемые, т. е. ремонтируемые без вывода из эксплуатации, и невосстанавливаемые. В качестве восстановительной операции может производиться замена отдельных частей или всего объекта в целом.

Решение многих задач надежности и технической диагностики связано с анализом процессов изменения свойств объекта. Обычно, особенно на стадии проектирования, необходимые для этого исследования проводят на базе диагностической модели. Под диагностической моделью объекта или процесса понимается его формальное описание с помощью табличных, математических, графических или иных представлений, позволяющее в определенных пределах имитировать изменение свойств и характеристик надежности реального объекта.

1.2 Состояния и события перехода

Под состоянием, или техническим состоянием объекта понимается совокупность его свойств, характеризуемых признаками, установленными технической (конструкторской и нормативно-технической) документацией для определенных условий и режимов использования объекта.

В число таких признаков могут входить как числовые и иные характеристики, определяющие свойства объекта, подверженные изменению в процессе эксплуатации, хранения, транспортирования или ремонта, так и характеристики, определяющие свойства объекта, изменение которых в расчетных условиях использования невозможны (или возможны в незначительных пределах). В качестве примера последних, присущих техническим объектам, можно привести такие признаки, как массогабаритные показатели, марки материала, типы комплектующих изделий, параметры первичных элементов, способы установки и крепления и т. п.

Ограничительные значения признаков, характеризующих все названные свойства объекта или пределы их допустимых при нормальной эксплуатации изменений, приводятся в технической документации на объект, составляющие его изделия или классы соответствующих изделий и носят название технических требований. Технические требования обычно приводят в таких документах, как чертежи, схемы, спецификации, программы испытаний, инструкции по обслуживанию, технические условия на поставку, стандарты и др.

Иногда для характеристики состояния объекта вместо термина «признак» используют термин «показатель». Однако он имеет более ограниченное применение и фактически представляет собой признак, выраженный в числовом или функциональном виде.

Свойства объекта после его изготовления непрерывно изменяются под действием различного рода факторов, таких, например, как воздействия внешней среды, внутренние воздействия, определяемые характером и режимом функционирования, деградационные процессы старения и изнашивания и т. п.

Степень влияния основных факторов на изменение свойств объекта устанавливают на стадиях его проектирования и испытания опытных образцов. При этом определяют минимальное необходимое количество признаков, контроль которых обеспечивает достоверную оценку наиболее характерных возможных изменений свойств объекта. Такие признаки называются диагностическими признаками, или диагностическими параметрами. Они приводятся в технической документации на объект и используются для контроля его состояния.

Совокупности различных технических состояний, удовлетворяющих или не удовлетворяющих определенным требованиям, образуют виды состояний. Применительно к задачам надежности и технической диагностики рассматривают следующие виды состояний:

1) исправное состояние (исправность) — состояние объекта, при котором он удовлетворяет всем техническим требованиям;

2) неисправное состояние (неисправность) — состояние объекта, при котором он не удовлетворяет хотя бы одному техническому требованию;

3) работоспособное состояние — состояние объекта, при котором он удовлетворяет всем техническим требованиям, характеризующим его способность выполнять заданные функции;

4) неработоспособное состояние — состояние объекта, при котором он не удовлетворяет хотя бы одному техническому требованию из числа характеризующих его способность выполнять заданные функции;

5) предельное состояние — состояние объекта, при котором дальнейшее его использование по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Признаки предельного состояния, характеризуемые значениями установленных диагностических параметров и показателей надежности, приводятся в технической документации на объект;

6) состояние правильного функционирования — состояние объекта, при котором он выполняет предписанный алгоритм функционирования при соответствии всех параметров, контролируемых визуально или штатными приборами и устройствами, техническим требованиям.

С изменением свойств объекта его состояние может изменяться в пределах одного вида или происходит переход в состояние другого вида. События перехода объекта из исправного в неисправное, но работоспособное состояние называется повреждением. Событие перехода объекта в неработоспособное состояние называется отказом.

Отказы можно классифицировать по различным признакам. Рассмотрим наиболее часто используемые при диагностировании и исследовании надежности виды отказов.

Внезапный отказ — отказ, которому не предшествуют наблюдаемые направленные изменения одного или нескольких диагностических параметров.

Постепенный отказ — отказ, которому предшествуют постепенные наблюдаемые изменения одного или нескольких диагностических параметров, т. е. имеет место процесс контролируемого изменения степени работоспособности объекта.

Явный отказ — отказ, характеризующийся выходом объекта из состояния правильного функционирования.

Скрытый отказ — отказ, выявляемый лишь при проведении технического обслуживания объекта или специальными средствами и методами диагностирования.

Частичный отказ — переход в неработоспособное состояние одного или нескольких элементов, не приводящий к общему отказу объекта.

Сбой — самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременному нарушению работоспособности.

Важной задачей является не только установление факта отказа, но и определение причин и способов его устранения.

Причинами отказа могут быть естественные процессы старения и изнашивания материала и узлов элементов объекта, отклонения условий эксплуатации, хранения, транспортирования от расчетных, нарушения правил эксплуатации, ошибки проектирования и конструирования, нарушение технологии изготовления и монтажа, дефекты в исходных материалах и комплектующих изделиях и т. п.

Причинами самоустраняющихся отказов могут быть помехи, дефекты программного обеспечения, кратковременные значительные изменения эксплуатационных условий и режимов.

Непосредственным следствием этих вышеперечисленных причин является возникновение дефектов, некоторые из которых и приводят к нарушению работоспособности объекта.

Дефектом считается каждое отдельное несоответствие объекта, его элементов, комплектующих изделий или материалов требованиям технической документации.

Примеры некоторых характерных дефектов: механическое разрушение детали или узла, выход размера детали за пределы допуска, неправильная сборка или установка, применение первичного элемента с параметрами, отличными от указанных в конструкторской документации, обрыв в электрической цепи, нарушение целостности электрической изоляции, царапина на защитном или декоративном покрытии и т. п.

Событие перевода отказавшего объекта в работоспособное состояние путем устранения дефекта без вывода объекта из эксплуатации называется восстановлением. Устранение дефекта при этом может производиться посредством ремонта или замены дефектных элементов.

1.3 Надежность и эффективность

Понятие надежности определяет свойство объекта сохранять во времени работоспособное состояние в заданных режимах и условиях эксплуатации, хранения, транспортирования. Надежность — понятие сложное, включающее в себя характеристики некоторой совокупности более простых (частных) свойств, определяющих пригодность объекта к нормальной эксплуатации. Эти частные свойства называют также сторонами надежности, или ее составными частями. К их числу относятся такие свойства, как безотказность, долговечность, сохраняемость, ремонтопригодность, контролепригодность.

В свою очередь, надежность является одной из составляющих частей более широкого понятия — эффективности. Под эффективностью в данном случае понимается обобщенное свойство объекта, характеризующее его приспособленность к выполнению поставленных задач с учетом пригодности к эксплуатации как в расчетных, так и в экстремальных условиях, качества выполнения заданного алгоритма действий, затрат на изготовление и эксплуатацию, характера воздействия на окружающую среду, степени безопасности эксплуатации и др.

Живучесть определяет свойство объекта сохранять состояние работоспособности или правильного функционирования при неблагоприятных воздействиях, не соответствующих расчетным условиям нормальной эксплуатации.

Качество функционирования характеризует уровень выполнения объектом части или всех функций в соответствии с заданным алгоритмом. Показатели обеспечиваемого качества функционирования приводятся в технической документации и могут входить в число диагностических параметров, обеспечивающих контроль таких, например, свойств, как быстродействие, точность, помехоустойчивость, пропускная способность и т. п.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. При этом под наработкой понимается как продолжительность работы, измеряемая в единицах времени, так и объем выполненной работы или произведенных действий (километраж пробега, число рабочих циклов, оборотов, запусков и т. п.).

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния в расчетных условиях использования при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Объект может перейти в предельное состояние, оставаясь работоспособным, если его дальнейшее применение по назначению станет недопустимым по требованиям безопасности, экономичности, эффективности и пр. или нецелесообразным с учетом возможности проведения восстановительного ремонта. В то же время объект, перешедший в неработоспособное состояние, может не достигнуть предельного состояния, если восстановление его работоспособности целесообразно и возможно.

Сохраняемость — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение всего времени хранения и (или) транспортирования, а также при перерывах в использовании. Для некоторых видов объектов сохраняемость включает требование сохранения установленного запаса работоспособности или же сохранения в заданных пределах показателей безотказности и долговечности.

Ремонтопригодность — свойство объекта, характеризующее его приспособленность к поддержанию и восстановлению работоспособного или исправного состояния путем технического обслуживания и ремонта. Иногда термин «ремонтопригодность» трактуется в более широком смысле, включающем в себя и приспособленность объекта к контролю технического состояния и обнаружению причин отказов. При дальнейшем изложении материала этот термин будет использоваться лишь в соответствии с вышеприведенным определением.

Частным видом ремонтопригодности является восстанавливаемость, характеризующая приспособленность объекта к восстановлению работоспособности без вывода его из эксплуатации.

Контролепригодность — свойство объекта, характеризующее его приспособленность к диагностированию, т. е. контролю технического состояния, определению работоспособности, выявлению причин отказа, определению места и вида дефекта, вызвавшего отказ, прогнозированию изменения состояния и показателей надежности. При оценке уровня контролепригодности используются диагностические показатели, технические требования к средствам диагностирования и конструктивному исполнению объекта.

2. Методы повышения надежности

При выборе повышения надежности функциональных элементов АСУ следует выбирать способ, при котором максимальный дополнительный экономический эффект Этimax будет наибольшим.

,,

где Yi характеризует оптимальную меру повышения надежности элемента Тогда Наибольшее значение будет при наибольшем или наименьшем значение. Т. е. функциональный элемент системы имеет более высокую надежность, если

.

Существует ограниченное число методов повышения надежности АС, которые можно разделить на четыре группы.

· Введение избыточности (внутриэлеметной, структурной, информационной, алгоритмической) системы. Структурная избыточность (фактически-резервирование) позволяет создать надежность АС из ненадежных элементов.

· Применение более надежных компонентов. Т. е. при разработке АС применяются элементы, которые выполняют требуемые функции в заданных условиях, но при сопоставлении, имеют более высокие показателями надежности.

· Улучшение условий эксплуатации системы. Т. е. в процессе установки системы должна быть правильно выбрана компоновка элементов системы в блоках и обеспечен отвод тепла, выделяющегося при работе.

· Организация интенсивного профилактического обслуживания системы и отдельных ее элементов.

Первые две группы реализуются на этапе разработки системы, а другие два — на этапе эксплуатации.

При сопоставлении показателей надежности ряда элементов, выполняющих требуемые функции в заданных условиях эксплуатации, выбираются элементы с более высокими показателями надежности. Это является наиболее эффективным способом повышения надежности всей системы.

3. Автоматический контроль автоматизированных систем (контроль работоспособности оборудования, контроль состояния режущего инструмента и т. д.)

В основе мер обеспечения надежной работы автоматизированных систем лежит непрерывный или периодический контроль над ходом технологических процессов, реализуемых в этих системах. Для реализации этих функций в современном производстве используются микропроцессоры, лазерные системы и др.

Контроль — это проверка соответствия объекта установленным техническим требованиям. Под объектом технического контроля понимаются подвергаемая контролю продукция, процессы ее создания, применения, транспортирования, хранения, технического обслуживания и ремонта, а также соответствующая техническая документация.

Следовательно, объектом может быть как продукция, так и процесс ее создания.

Важным условием эффективной работы в автоматизированном режиме и быстрого восстановления работоспособности оборудования является его оснащение средствами диагностики.

Организация автоматизированного контроля в производственных системах.

Контроль в АП может быть межоперационным (промежуточным), операционным (непосредственно на станке), послеоперационным, окончательным. Автоматизированному контролю должны подвергаться все элементы технологической системы: деталь, режущий инструмент, приспособление, само оборудование. Предпочтительными являются методы прямого контроля, хотя методы косвенного контроля шире используются при контроле инструментов, диагностике состояния оборудования.

Контроль в процессе обработки является одной из наиболее активных форм технического контроля, так как позволяет повысить качество выпускаемой продукции при одновременном увеличении производительности труда. Поэтому разрабатываются самонастраивающиеся системы управляющего контроля.

Контроль самонастраивающийся управляющий — это управляющий контроль, при котором на основе информации, получаемой при изменяющихся условиях работы, автоматически изменяются параметры настройки средства контроля до обеспечения заданной точности при произвольно меняющихся внешних и внутренних возмущениях.

Контроль деталей и изделий в автоматизированных системах Непосредственно на участке механической обработки осуществляют контроль трех видов:

* установки заготовки в приспособление;

* размера изделия непосредственно на станке;

* выходной контроль детали.

Контроль установки заготовки в приспособление может осуществляться на конвейере перед станком или на станке непосредственно перед обработкой. В первом случае могут использоваться датчики положения, расположенные на конвейере, или специальные измерительные установки с роботами. Бесконтактные датчики положения регистрируют отклонение действительного положения измеряемой поверхности от запрограммированного или разность условной базы и измеряемой поверхности (датчики касания).

К бесконтактным датчикам относятся: оптические измерители; лазерные датчики; датчики изображения (технического зрения). Выносной контроль заготовок и деталей в процессе их транспортирования не удлиняет производственного цикла, однако наиболее оперативным является контроль заготовок и деталей непосредственно на станке. При небольшом увеличении длительности обработки он существенно повышает ее качество, активно воздействуя на процесс обработки.

Состояние режущего инструмента (РИ) в период его эксплуатации на станке определяется согласно ГОСТ 25 751–83 совокупностью признаков, характеризующих способность режущего инструмента выполнять обработку резанием в заданных условиях с установленными требованиями. [5]

Состояние РИ характеризуется следующими признаками:

— способностью лезвия РИ срезать припуск;

— способностью лезвия РИ формировать поверхность обработки детали заданных размеров (геометрии), не выходя за пределы соответствующих допусков;

— способностью лезвия РИ формировать рельеф поверхности с параметрами, не выходящими за пределы соответствующих допусков.

Потеря лезвием хотя бы одной из этих способностей свидетельствует об отказе РИ и необходимости его замены.

Таким образом, задачу контроля инструмента можно сформулировать как задачу своевременной замены инструмента, предупреждающего порчу обрабатываемой детали и поломку инструмента, изготовление которого требовало бы много времени.

С целью предотвращения поломок РИ на практике идут, как правило, путем снижения режимов резания и вынужденного снижения производительности токарной обработки. Замену инструмента осуществляют комплектно, по истечении периода, установленного расчетным или опытным путем.

Для уменьшения простоев оборудования, связанных с неправильной работой инструмента, необходимо учитывать несколько аспектов.

Первый аспект — предохранение или своевременное обнаружение поломок инструмента в ходе резания.

Второй аспект — ликвидация нарушений нормального процесса резания, проявляющихся в виде изменения значений силы резания, амплитуды вибраций, температуры и т. д.

Третий аспект — определение момента, когда дальнейшее использование инструмента нежелательно по экономическим соображениям либо из-за ухудшения качества обработки деталей.

Помимо распознавания нарушений нормального резания и состояния инструмента в задачи контроля процесса резания и инструмента должны быть включены еще и задачи принятия решений в зависимости от вида и причины нарушений.

Таким образом, задачи оперативного контроля в части, связанной с контролем состояния инструмента, являются довольно сложными. Для их успешного решения необходимо решить следующие вопросы:

— обнаружение корреляционных связей между различными нарушениями нормального состояния инструмента и параметрами, измеренными в процессе резания;

— разработка критерия затупления инструмента и алгоритмов распознавания нарушений нормального состояния инструмента по результатам измерений различных параметров и алгоритмов принятия решений по результатам распознавания;

— разработка датчиков (первичных преобразователей) для измерения различных параметров;

— разработка систем и устройств оперативного (т.е. в процессе работы) контроля;

— определение условий их эффективного применения.

4. Диагностики автоматизированных систем (методы и средства технической диагностики систем, режущего инструмента и т. д.)

Одним из важнейших средств обеспечения и поддержания надежности АСУ является техническая диагностика.

Под технической диагностикой понимается область знаний, разрабатывающая методы и средства поиска отклонений в режимах работы (или состояниях) АС, обнаружения и устранения дефектов в системах (или ее элементах) и средства их локализации.

При диагностировании необходимо определить, прежде всего, техническое состояние системы в данный момент времени. Это означает, что нужно проверить исправность, работоспособность и (или) правильность функционирования системы (определить, находятся ли значения параметров системы в требуемых пределах, т. е. система не отказала и правильно выполняет заданную функцию) или обнаружить дефекты, нарушающие исправность, работоспособность и правильное функционирование системы. Тогда основную цель диагностирования АСУ можно сформулировать следующим образом: необходимо оценить выходные параметры системы и выявить причины их отклонения от заданных значений. При этом необходимо учитывать весь диапазон режимов работы системы и условий ее эксплуатации, а также возможность изменения выходных параметров во времени (так называемая параметрическая надежность).

Различают тестовое и функциональное диагностирование.

Тестовое диагностирование позволяет проверить техническое состояние системы по тестовому воздействию на нее. По тесту проверяются параметры системы и ее элементов и причины их отклонения от заданных значений.

Функциональное диагностирование позволяет определить техническое состояние системы (или ее элементов) по рабочему воздействию на нее. Рабочее воздействие контролирует исполнение системой заданных функций при заданных параметрах и выявить причины нарушения ее функционирования.

Тестовое и функциональное диагностирование выполняется по так называемому алгоритму диагностирования.

Алгоритм диагностирования — совокупность элементарных проверок в контрольных точках системы и правил, устанавливающих последовательность их проведения, а также анализ результатов этих проверок, по которым можно определить исправное, работоспособное или состояние правильного функционирования от неисправного состояния и уметь отличать дефекты от неисправного состояния.

В алгоритмах тестового диагностирования контрольные точки определены предварительно и они одинаковы для всех проверок и подбираются только тестовые воздействия.

В алгоритмах функционального диагностирования предварительно определены входные воздействия, а выбору подлежат контрольные точки.

При проведении различных элементарных проверок могут требоваться различные затраты на их реализацию. Эти проверки могут давать разную информацию о техническом состоянии системы. Одни и те же элементарные проверки могут быть реализованы в различной последовательности. Т. е. для решения даже одной задачи диагностирования, можно построить несколько алгоритмов. Таким образом, встает задача разработки оптимальных алгоритмов диагностирования, при которых затраты на их реализацию будут уменьшены (задача минимизации в некоторых случаях может быть сильно затруднена, например, трудностями вычислений).

Эффективность диагностирования оценивается качеством алгоритмов диагностирования и качеством средств диагностирования. Средства диагностирования разделяют, прежде всего, на программные и аппаратные, а также внешние (конструктивно выполненные отдельно от системы) и встроенные (являющиеся составной частью системы); ручными, автоматизированными и автоматическими; специализированными и универсальными.

Методы диагностирования АСУ определяются различными факторами: выбором объекта диагностирования (узла, блока, элемента и т. п.), используемыми диагностическими параметрами (временные, силовые, электрические, виброакустические и др.), в зависимости от используемых средств диагностирования.

Широко применяется при диагностировании метод контрольных осциллограмм. Метод основан на использовании графиков функций различных параметров во времени, по которым оцениваются техническое состояние и работоспособность отдельных узлов, блоков и системы в целом.

Суть метода заключается в следующем. Составляют диагностическую модель, определяют диагностическую ценность разных параметров, оценивают трудоемкость использования параметров для диагностирования, предварительно определяют диагностические параметры, экспериментально проверяют чувствительность к дефектам и диагностическую ценность параметров, выбирают основные диагностические параметры для контрольной осциллограммы, определяют внешний вид и характерные особенности кривых выбранных параметров, амплитудные значения и допустимые пределы для кривых основных параметров, составляют и экспериментально проверяют контрольные осциллограммы, выявляют взаимосвязь между характерными признаками кривых и состоянием обследуемых объектов, накапливают и расшифровывают дефекты, составляют диагностические карты и инструкции для выполнения диагностирования.

Метод контрольных осциллограмм может быть реализован как средствами приборной диагностики, так и с помощью ЭВМ в автоматическом режиме. Использовать метод целесообразно также на специализированных испытательных стендах для контроля качества изготовления механизмов и узлов станков и в условиях эксплуатации.

автоматизированная производственная система диагностика

1. Основина О. Н. Диагностика и надежность автоматизированных систем. Методическое пособие. Старый Оскол. СТИ МИСиС, 2006. — 132 с.

2. Маслов Е. А. Татарникова А.А. Диагностика и надежность автоматизированных систем. Писменные лекции. Томск. 2009

3. Схиртладзе А. Г. Надежность и диагностика технологических систем: учеб. А. Г. Схиртладзе, М. С. Уколов, А. В. Сквордцов; - Москва: Новое знание, 2008;518 с.

4. Технические средства диагностирования: Справочник/ В. В. Клюев, П. П. Пархоменко, В. Е. Абрамчук и др.; Под общ. ред. В. В. Клюева. -М.: Машиностроение, 1989.-672 с.

5. База гостов РФ. — http://gostexpert.ru/gost/gost-25 751−83