Цели и задачи технической диагностики

Таблица 1

Задачи технического диагностирования по ГОСТ 20911-89	Задачи диагностики в технике в альтернативном представлении (в последовательности от низшего уровня к высшему)
1. Контроль технического состояния. 2. Поиск места и определение причины отказа (неисправности). 3. Прогнозирование технического состояния.	1. Поиск (распознавание) дефектов и мест их нахождения. 2. Распознавание причин возникновения и развития дефектов. 3. Создание модели развития дефекта. 4. Управление развитием выявленных дефектов. 5. Определение ресурса работоспособности. 6. Определение состава дефектов, устранение которых необходимо для восстановления требуемого ресурса работоспособности.

Применительно к сложному реальному изделию в целом схема диагностических задач должна состоять из набора (по количеству выявленных дефектов) подобных параллельных цепочек. Итоговый ресурс определяется наиболее быстро развивающимся и наименее поддающимся управлению дефектом (принцип слабого звена). Имея полную информацию о выявленных дефектах и о возможном влиянии каждого из них на остаточный ресурс изделия, можно без особых затруднений решить задачу определения объёма восстановительных работ, необходимого для доведения ресурса работоспособности изделия до требуемого уровня.

Оценка надёжности систем и их элементов по результатам испытаний

Виды испытаний на надежность
Наряду с расчетными методами определения показателей надежности систем применяются экспериментальные методами, основанные на использовании статистических данных, которые получаются при испытаниях систем на надежность.
В зависимости от цели проведения испытания на надежность делятся на [5]:

• 
  • определительные (исследовательские);
  
• 
  • контрольные.
  
• 
  ель определительных испытаний - нахождение фактических значений показателей надежности и при необходимости параметров законов распределения таких случайных величин, как время безотказной работы, наработка между отказами, время восстановления и др.
  
• 
  Цель контрольных испытаний - проверка соответствия фактических значений показателей надежности требованиям стандартов, технических заданий и технических условий.
  
• 
  Кроме оценки показателей надежности, целями испытаний обычно являются:
  
• 
  зучение причин и закономерностей возникновения отказов;
  
• 
  • выявление конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, влияющих на надежность;
  
• 
  • выявление наименее надежных элементов, узлов, блоков, технических средств;
  
• 
  • разработка мероприятий и рекомендаций по повышению надежности; уточнение продолжительности и объема технического обслуживания, количества запасных частей и др.
  

Испытания надежности можно проводить в лабораторных (стендовых) и эксплуатационных условиях.
Испытание надежности в лабораторных условиях (лабораторные) - это испытания выполняемые изготовителями технических средств, которые заключаются в имитировании воздействий внешней среды на систему, в условиях эксплуатации. Для этого служат специальные установки: термокамеры для изменения температуры, барокамеры для изменения давления, вибростенды для создания вибраций и т. д. Лабораторные испытания проходят при тех же воздействиях (температуре, влажности, вибрации и т. д.) и режимах работы, которые обычно имеют место при эксплуатации. Такие испытания могут быть как определительными, так и контрольными.
Иногда с целью быстрейшего получения показателей надежности устанавливают более тяжелые, форсированные условия и режимы работы по сравнению с эксплуатационными. Такие испытания называют ускоренными. Ускорение испытаний возможно, если при форсировании не искажается процесс естественного старения и износа, протекающий при нормальном режиме, если распределения изменений выходного параметра испытываемого изделия при нормальном и форсированном режимах аналогичны, а также близко разделение отказов по их причинам. Ускоряющими факторами могут быть механические воздействия, температура, электрическая нагрузка и др. Ускоренные испытания обычно проводятся для серийных технических средств и их элементов, выпускаемых в течение длительного времени по стабильной технологии.
Испытания надежности в условиях эксплуатации - это испытания, которые заключаются в сборе и обработке информации о поведении АСУТП и их элементов, о воздействии внешней среды при опытной и (или) промышленной эксплуатации АСУТП совместно с действующим технологическим объектом управления. Эти испытания обычно являются определительными.
Эксплуатационные и лабораторные испытания дополняют друг друга. Основными преимуществами эксплуатационных испытаний на надежность по сравнению с лабораторными являются:

• 
  • естественный учет влияния воздействий внешней среды, например температуры, вибрации, квалификации оперативного и ремонтного персонала и др.;
  
• 
  • низкая стоимость испытаний, так как их проведение не требует ни дополнительных затрат на оборудование, имитирующее условия эксплуатации, на обслуживание испытываемых изделий, ни расхода их ресурса;
  
• 
  • наличие большого числа однотипных образцов испытываемых локальных систем и средств, часто имеющихся на одном объекте, что позволяет в сравнительно короткие сроки получить статистически достоверную информацию.
  

Недостатками эксплуатационных испытаний по сравнению с лабораторными являются:

• 
  • невозможность проводить активный эксперимент, изменяя по желанию экспериментатора параметры внешней среды АСУТП (вследствие чего эти испытания часто называют наблюдениями или подконтрольной эксплуатацией);
  
• 
  • ниже достоверность информации;
  
• 
  • меньше оперативность информации, так как начало ее получения может иметь место только после изготовления всех технических средств, монтажа и наладки АСУТП.
  

Поэтому перед началом испытаний необходимо выработать правило, согласно которому следует проводить испытания. Выработку такого правила называют планированием испытаний. Выбор плана диктуется целями поставленных испытаний. Поскольку проведение испытаний на надежность (особенно лабораторных) связано со значительными затратами средств, то планирование испытаний включает в себя определение объема выборки и критериев завершения испытаний исходя из заданной точности и достоверности их результатов. Формируют выборку таким образом, чтобы результаты ее испытаний могли быть распространены на совокупность систем или средств. Например, при лабораторных испытаниях изготовителем образцы для испытаний выбирают из числа принятых отделом технического контроля и прошедших приработку; для формирования выборки используют таблицу случайных чисел. Испытания следует проводить для тех же условий эксплуатации, при которых в технической документации установлены показатели надежности.
Во время испытаний проводятся техническое обслуживание, периодические проверки функционирования, измерение параметров, определяющих отказы
Одним из показателей проектируемой системы является ее надежность. Надежность создаваемых систем можно рассчитывать по характеристикам надежности звеньев и элементов, входящих в систему. Однако реальные характеристики надежности важные для пользователей, могут быть достоверно определены лишь в результате опыта. Такие сведения обычно имеются в распоряжении разработчиков. Кроме того, характеристики надежности звеньев, а также систем можно получить из следующих источников:

• 
  статистических данных, полученных в результате эксплуатации элементов в других системах:
  
• 
  статистических данных, полученных в результате специальных испытаний элементов и систем на надежность в различных условиях и режимах.
  

Испытания на надежность промышленного объекта представляющие собой испытания в реальных условиях эксплуатации, рекомендуется проводить следующими методами:

• 
  испытание изделий с заданным объёмом выборки:
  
• 
  испытание методами однократной или двукратной выборки (по ГОСТ 18049-72);
  
• 
  испытания последовательным методом (по ГОСТ 17331-71)
  

Испытания на надёжность с заданным объёмом выборки проводятся для получения истинных значений числовых характеристик надёжности. При этом о точности оценки судят по доверительным интервалам.
Испытания на надёжность методами однократной и двукратной выборок, а также последовательным методом проводятся с целью проверки реальных характеристик надёжности требованиям технических условий.
Основной характеристикой надёжности, определяемой в процессе испытаний, является величина среднего времени наработки до отказа T₁ и наработки на отказ T₂ . Если для изделий справедлив экспоненциальный закон надёжности, то обработка статистических данных упрощается..
Испытания разрабатываемых изделий на надежность могут быть исследовательскими, определительными и контрольными. Исследовательские испытания предназначены для установления моделей и уровня надежности новых изделий. Они проводятся в процессе разработки или усовершенствования изделий. Их результаты содержат информацию об отказах, вследствие конструктивных несовершенств изделия. Определительные испытания предназначены для установления тактических характеристик надежности и проводятся после окончания разработки или усовершенствования изделий. Контрольные испытания имеют целью контроль соответствия надежности серийно выпускаемых изделий требуемой и проводятся периодически в процессе эксплуатации изделий.
Результаты контрольных испытаний на надёжность содержат некоторую статистическую погрешность, т.к. количество испытываемых изделий и время испытания конечны. Мерой статистической погрешности является доверительный интервал, ограниченный доверительными пределами. (Доверительным интервалом называют интервал значений характеристики надёжности, построенный по результатам экспериментов; фактическое значение показателя надёжности находится в этом интервале с заданной доверительный вероятностью).
На практике находят применение несколько планов контрольных испытаний, применяемых как в лабораторных условиях, так и в условиях эксплуатации. Из них можно выделить следующие четыре плана для заданного объема выборки N, которые являются достаточно общими для многих автоматических изделий и простыми в отношении постановки эксперимента и методики статистической обработки.

• 
  Испытание невосстанавливаемых изделий до достижения заданного числа отказов n.
  
• 
  Испытание восстанавливаемых изделий до n-го отказа (заданного числа отказов n_пред).
  
• 
  Испытание не восстанавливаемых изделий в течение заданного предельного времени t_пр наработки.
  
• 
  Испытание восстанавливаемых изделий в течение заданного предельного времени наработки t_пр
  

Объём собираемой информации определяется поставленной перед испытаниями целью, то есть тем, какие характеристики надёжности необходимо получить. Так, например, для определения P(t), Т и выявления наименее надёжных элементов необходимы следующие сведения об отказавшем изделии:
а) наименование и тип элемента (узла) по причине которого наступил отказ в изделии;
б) сведения о времени наступления отказа;
в) сведения о наработке изделия с начала эксплуатации или испытаний;
Г) сведения о причине возникновения отказа.
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.