Обеспечение отказоустойчивости электротехнических систем за счет введения встроенных средств контроля и поддержания их работоспособности: На примере систем управления токарного модуля и маркировочной машины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Колотов, Андрей Викторович

• Колотов, Андрей Викторович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колотов, Андрей Викторович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение отказоустойчивости электротехнических систем за счет введения встроенных средств контроля и поддержания их работоспособности: На примере систем управления токарного модуля и маркировочной машины»

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

В настоящее время, в связи с возросшими требованиями к эффективности за счет повышения надежности функционирования электротехнических систем, приобретают особую актуальность проблемы создания отказоустойчивых структур проектируемых объектов и переноса центра тяжести на раннее выявление "слабых мест" в конструкторских решениях и устранение причин их появления. - Встроенные системы технического диагностирования, заложенные в конструкцию станочных модулей на стадии проектирования, как правило, не обеспечивают полной „.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.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Колотов, Андрей Викторович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колотов, Андрей Викторович, 2000 год

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