книги / Проектирование бесконтактных управляющих логических устройств промышленной автоматики

мото здания. В один 'блок (Можно объединить узел 4 контроля времени движения и узел 5 движения вверх и вниз. Для реализации узла 2 разрешения движения, узла 7 Сигнализации и узла 13 связи е диспетчерским пунктом логические элементы не потре­ буются. Сигналы узла разрешения движения поступают при замыкании всех последова­ тельно включенных контактов дверей и дверных замков и при замыкании всех после­ довательно включенных контактов блокировочных и предохранительных устройств. Сигналы на лампочки узлов 7 и 13 поступают от узлов 2, 4, 10 контакта пола ПК, контакта ограничителя грузоподъемности КОГ, кнопки КВП и индуктивных датчиков.

Полученные структурные формулы на первый взгляд проще всего реализовать на логических элементах типа И, ИЛИ, НЕ. Однако элементы разного типа не всегда можно соединять в любом порядке, необходимо учитывать специфические особенности использования элементов данного трпа для выбранной элементной базы. Иногда целе­ сообразнее выполнить построение схем из элементов одного типа, реализующих уни­ версальную логическую функцию. Количество таких элементов одного типа, необходи­ мых для реализации схемы, может оказаться больше, чем при использовании элементов разного типа, тогда как габаритные размеры и стоимость — меньше.

Рис. 9-11. Узел открывания и закрывания дверей (два варианта: а, б\ число этажей п = 5).

В данном случае в качестве элементной базы выбраны элементы «Логика-Т» я проведено сравнение реализации унифицированных узлов в двух модификациях — на элементах типа ИЛИ — НЕ и на элементах- И, ИЛИ, НЕ. Принимая в виде критерия сравнения количество элементов, необходимое для реализации схемы, можно сделать вывод, что большинство узлов выгоднее реализовать на элементах типа И, ИЛИ, НЕ (рис. 9-2—9-11).

201

Г Л А В А Д Е С Я Т А Я

ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА УПРАВЛЯЮЩИХ ЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

10-1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Накопленный опыт эксплуатации бесконтактных УЛУ показывает их высокую надежность, в частности, при большой частоте операций, обусловленной режимом работы оборудования. Несмотря на существен­ ные преимущества бесконтактных управляющих логических устройств их применение сдерживается сложностью процессов контроля техниче­ ского состояния, особенно поиска повреждений. У персонала промыш­ ленных предприятий зачастую недостаточен опыт, отсутствуют докумен­ тация и специальные средства для наладки и контроля состояния бесконтактной аппаратуры.

Нужды производства требуют безотлагательной разработки мето­ дов и средств диагноза технического состояния бесконтактных управ­ ляющих логических устройств промышленной автоматики. Документа­ ция для диагноза технического состояния бесконтактных управляющих логических устройств может быть использована многократно: при про­ верке на заводах-изготовителях, после перевозок и после длительного хранения на складах, при наладке смонтированных устройств, при тех­ ническом обслуживании в процессе эксплуатации, при поиске неисправ­ ностей, возникающих при авариях, отказах и т. п. Разработку этой до­ кументации, естественно, должны производить авторы проектов соответствующих устройств. Особенно эффективна разработка доку­ ментации для систем управления серийного производства и для обору­ дования, аварийные простои которого связаны с большими экономиче­ скими потерями.

Теоретической основой для разработки такой документации являет­ ся быстро развивающаяся область пауки — техническая диагностика.

К настоящему времени техническая диагностика располагает рядом ме­ тодов составления контролирующих и диагностических тестов в про­ цессе проектной разработки управляющих логических устройств. Мно­ гие опубликованные труды носят, однако, в основном теоретический характер и в своем большинстве малодоступны для использования про­ ектными организациями и на производстве. Нужды развивающейся промышленности настоятельно требуют наряду с научными исследова­ ниями и теоретическими разработками ускорения применения уже раз­ работанных методов и средств диагноза.

Данная глава является результатом анализа опубликованных ма­ териалов, отбора и систематизации сведений по теории и методам тех­ нической диагностики, необходимых для практической инженерной ра­ боты в области промышленной автоматики.

Техническая диагностика определяется [70] как область знаний, охватывающая теорию, методы и средства, при помощи; которых дается заключение о техническом состоянии объектов диагноза.

Целью технической диагностики является определение техническо­ го состояния объекта диагноза, так как от технического состояния Объ­ екта зависит правильность его работы. При этом техническое состояние означает степень соответствия узла, агрегата, изделия, системы техни­ ческим условиям, представляющим собой совокупность определяемых технической документацией требований к узлу, агрегату, системе. Узел,

203

агрегат, изделие, система, техническое, состояние которых подлежит определению, называют объектом диагноза.

Под диагнозом технического состояния подразумевается получение сведений о техническом состоянии, в котором находится объект диаг­ ноза.

Физическая величина, характеризующая техническое состояние объ­ екта диагноза, называется параметром объекта диагноза.

Технические средства, при помощи которых осуществляется диаг­ ноз технического состояния объекта, называются средствами диагноза.

Диагноз технического состояния объекта заключается в определе­ нии его ответов на различные входные воздействия. Воздействие, спе­ циально организованное для целей диагноза технического состояния и подаваемое на объект диагноза от средств диагноза, называется тесто­ вым воздействием.

Различают контролирующие (проверяющие) и диагностические те­ сты. Контролирующим тестом называется совокупность наборов вход­ ных воздействий, позволяющая осуществить проверку исправности или работоспособности объекта. Диагностическим тестом называется сово­ купность наборов входных воздействий, позволяющая осуществить по­ иск неисправности, т. е. определить место повреждения объекта диаг­ ноза.

Число наборов входных воздействий, составляющих тест, называ­ ется длиной теста. Тест, содержащий минимальное число наборов вход­ ных воздействий, необходимое для проверки работоспособности объекта диагноза или обнаружения неисправности, называется минимальным. Тест, содержащий все возможные наборы входных воздействий, назы­ вается тривиальным.

По значениям выходных сигналов судят о техническом состоянии диагностируемого объекта.

Объект диагноза и средства диагноза, взаимодействующие между собой, образуют систему диагноза.

Проверка исправности объекта представляет собой процесс выпол­

объектом диагноза, позволяющих указать имеющуюся в объекте неис­ правность или несколько возможных неисправностей, в число которых она входит.

Тестовые воздействия могут подаваться как на рабочие входы объ­ екта диагноза, так и на специально организованные для целей диагноза технического состояния дополнительные входы объекта диагноза.

Параметры, используемые для диагноза технического состояния, называются контролируемыми параметрами, а выходы объекта диагно­ за, в которых измеряются контролируемые параметры, называются кон­ трольными точками.

10-2. ХАРАКТЕРНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ ДИСКРЕТНОГО ОБЪЕКТА

Неисправность объекта диагноза определяется как следствие явле­ ний или действий, вызывающих переход объекта в неисправное со­ стояние.

На рис. 10-1 приведена структурная схема, иллюстрирующая клас­ сификацию неисправностей. Ниже поясняются отдельные виды неис­ правностей.

204

Одиночная неисправ­ ность — одна возможная неис­ правность, обычно возникаю­ щая в процессе эксплуатации.

Кратные неисправности —

кивание искр и т. п.

Произвольные неисправности — неисправности произвольного вида. Специальные неисправности — неисправности вида «константа 1»,

«константа 0» и т. п.

Детерминированные неисправности—'полностью определенные не­ исправности.

Стохастические неисправности — неисправности, определенные с ненекоторой вероятностью.

Существующие методы технической диагностики в основном позво­ ляют эффективно рассматривать лишь неисправности, соответствующие левому -столбцу схемы на рис. 10-1, т. е. одиночные устойчивые детер­ минированные неисправности вида «константа 1» или «константа 0». (постоянное присутствие или постоянное отсутствие сигнала в месте неисправности).

Дальнейшее изложение относится в основном к такому виду неис­ правностей. Введем некоторые обозначения, относящиеся к неис­ правностям. Пусть на каждом входе исправно работающего логического элемента и на его выходе сигнал может иметь значение 0 или 1. i

В этом случае возможны неисправности трех типов:

при любом наборе на входах элемента сигнал на выходе постоянно имеет значение 0;

при любом наборе на входах элемента сигнал на выходе постоянно

дующие обозначения:

Si — 1 — неисправность вида 1 вы хода г-го элем ента;

Si — 0 — неисправность вида 0 выхода £-го элемента;

Например, для элемента под номером 1, имеющего три входа, можно записать следующий перечень неисправностей:

Si — 0 — неисправность вида 0 выхода элемента;

205

схемы, состоящей из N «-входовых элементов, число неисправностей равно:

(2n + 2)N.

Неисправности подразделяются на различимые и неразличимые. Две неисправности называются различимыми, если существуют раз­ личные входные воздействия, при которых эти неисправности изменяют состояние сигнала на контролируемом выходе с правильного на непра­ вильное. Неисправности называются неразличимыми, если они проявляются (обнаруживаются) только при одинаковых входных воз­ действиях.

Для иллюстрации понятий различимых и неразличимых неисправ­ ностей рассмотрим перечень неисправностей для элемента ИЛИ с двумя входными переменными а и 6. В табл. 10-1 приведены значения выход­ ной переменной У в случае отсутствия неисправностей, при неисправ­

ностей, так как при этом наборе У должен быть равен 0, а в действи­ тельности его значение будет равно 1. В то же время неисправности вида а — 1 и 6 = 1 неразличимы, так как они обе проявляются: при одном и том же наборе.

Кроме рассмотренных неисправностей могут быть необнаруживаемые неисправности, которые не влияют на изменение значения выход­ ного сигнала.

206

10-3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ НЕИСПРАВНОСТЕЙ

В качестве математических моделей неисправностей используются логические функции неисправностей: Y*(xu х2, . . . , хп), представляю­ щие собой алгебраические выражения, описывающие функционирова­ ние объекта диагноза при наличии неисправности, таблицы функций неисправностей (ТФН), а также модели конечных автоматов.

ТФН — это прямоугольная таблица, строки которой соответствуют наборам (входным воздействиям), а столбцы — исправному и каждому из неисправных состояний объекта диагноза [95]. На пересечении г-й строки и )-го столбца в ТФН указывается значение выходного сиг­ нала, когда на объект подано i-e воздействие и он находится в /-м со­ стоянии. Пример ТФН приведен в табл. 10-2.

Т а б л и ц а 10-3

Таблица покрытий для трехвходового логического элемента ИЛИ

Сигналы * Неисправности

По ТФН легко получить таблицу покрытий, которая в дальнейшем будет использоваться для получения минимальных тестов. Если при подаче на входы объекта г-гр набора и при наличии в объекте /-й неис­ правности значение выходного сигнала будет инверсно значению, ожидаемому при отсутствии неисправности, то в клетке таблицы по­ крытий на пересечении г-й строки и /-го столбца проставляется 1. В этом случае говорят, что данный набор обнаруживает или проявляет эту неисправность.

В табл. 10-3 приведена таблица покрытий для логического элемен­

должен быть 0, поэтому в тех клетках, где значения сигнала на выходе при данных неисправностях будут равны 1, нужно проставить 1 (неис­ правности 5щ )— 1, 5 ц2)— 1, Si(з)— 1, Si — 1). В клетках столбца S i — 0 для наборов 2— 8 нужно проставить 1, так как нормальное значение выходного сигнала должно быть равно 1, а при этой неисправности

,2,07

оно равно 0. Аналогично в клетках набора 5 при неисправности Si(i>— О, набора 3 — при неисправности S i(2) — 0 и набора 2 — при неисправности Si(3) — 0 проставляется 1, так как значения сигналов на выходе в ис­ правном состоянии должны быть равны 1, а не 0, что имеет место при наличии каждой из этих неисправностей.

Исправное логическое устройство может быть представлено опре­ деленной моделью конечного автомата. Наличие неисправности в устройстве дает некоторое новое устройство, функционирующее иначе, чем исправное, и, следовательно, имеющее другую модель. Таким обра­ зом, работа логического устройства может быть описана рядом моделей конечного автомата для его исправного состояния и при наличии неис­ правностей.

В дальнейшем изложении будут использоваться в основном первые две математические модели неисправностей: логические функции неис­ правностей и ТФН.

10-4. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ДИАГНОЗА

Классификация средств диагноза в соответствии с [70], приведена на рис. 10-2.

Программные средства диагноза включают в себя записанную на программоносителе сменную программу работы объекта, используемую для диагноза его технического состояния.

Аппаратурные средства диагноза состоят из аппаратуры, использу­ емой для диагноза технического состояния объекта.

Программно-аппаратурные средства диагноза представляют собой сочетание программных и аппаратурных средств диагноза.

Программные и программно-аппаратурные средства находят при­ менение для проверки объектов, работающих по сменной программе. Характерными примерами этих объектов являются универсальные и специализированные вычислительные или логические машины.

Рис, 10-2? Классификация средств диагноза.

208

Основными видами реализации программных средств диагноза яв­ ляются как рабочие программы объекта, содержащие дополнительныеоперации, необходимые для диагноза технического состояния объекта,, так и тест-программы, специально составленные, исходя из требований такого диагноза. С помощью рабочих программ диагноз технического состояния объекта осуществляется в процессе использования послед­ него по прямому назначению, в то время как реализация тест-программ требует перерыва в выполнении объектом его рабочих функций. Однако в первом случае также обычно необходимы непроизводительные за­ траты времени на выполнение дополнительных проверочных операций программы.

Аппаратурные средства могут быть применены для диагноза любых объектов.

Аппаратурные средства диагноза объекта могут быть встроенными или внешними.

Встроенные аппаратурные средства диагноза конструктивно объ­ единены с объектом диагноза. Они представляют собой дополнительную аппаратуру, входящую в состав объекта и работающую вместе с ним.

Внешние аппаратурные средства диагноза конструктивно отделены от объекта диагноза. Они являются самостоятельной аппаратурой, под­ ключаемой к объекту по мере необходимости диагноза технического состояния последнего.

Среди аппаратурных средств диагноза различают универсальные, работающие по сменной программе и пригодные для определенного класса различных объектов диагноза, и специализированные, которые пригодны для объектов диагноза одного типа.

Аппаратурные средства диагноза можно делить на автоматические, автоматизированные (или полуавтоматические) и ручные в зависимо­ сти от степени участия человека в процессе диагноза.

Внешние средства диагноза могут принадлежать любому из этих классов, а встроенные средства обычно являются автоматическими и реже автоматизированными.

Лучшее решение задачи диагноза технического состояния сложных объектов в процессе производства и эксплуатации или хранении состоит в правильном сочетании как обоих видов средств диагноза: программ­ ного и аппаратурного, так и разных видов реализации этих средств. С точки зрения разработки и создания средств диагноза, важное зна­ чение имеют вопросы их унификации и универсализации.

10-5. М Е Т О Д Ы П О С Т Р О Е Н И Я Т Е С Т О В

Общие сведения о методах построения тестов

Методы построения тестов можно разделить на два класса, один из которых содержит методы, непосредственно использующие таблицы функций неисправностей, а второй — методы определения существен­ ных путей. Оба класса методов могут давать как точные, так и при­ ближенные решения.

По таблице функций неисправностей строится таблица покрытий, кратчайшее покрытие которой соответствует тесту минимальной длины. Получение кратчайшего покрытия может быть достигнуто известным алгебраическим преобразованием П2->-2П. Метод с использованием ТФН является общим методом, пригодным для любых объектов и для

любых неисправностей. Однако построение, обработка и хранение ТФН требуют значительных объемов вычислений и памяти, что делает невоз­ можным применение этого метода для задач большой размерности (с большим числом переменных и неисправностей).

Методы существенных путей хорошо приспособлены к получению приближенных решений и малопригодны для получения точных реше­ ний. Они в определенной степени позволяют обойти те трудности, кото­ рые появляются при применении методов с использованием ТФН.

В основе метода существенных путей [88] применительно к решению задач проверки исправности лежит следующее очевидное условие: данная неисправность объекта диагноза будет обнаружена, если найдется такой набор, подача которого на входы объекта диагноза установит последний в такое состояние, при котором изменение пара­ метров объекта, вызванное данной неисправностью, приведет к измене­ нию значений контролируемых сигналов. Иными словами, найдется такой набор, который делает существенным путь от места неисправно­ сти до хотя бы одного контролируемого выхода.

Здесь предварительное построение ТФН не обязательно, она может быть получена после построения тестов. При этом ТФН, как правило, по размерам получается значительно меньше, чем ТФН, построенная для всех возможных входных воздействий.

Разновидностью метода существенных путей является метод с ис­ пользованием ЭНФ (эквивалентной нормальной формы), предложенный Армстронгом [107] и предназначенный для обнаружения неисправно­ стей типа «константа 1» и «константа 0» в комбинационных схемах, состоящих из логических элементов: И, ИЛИ, НЕ—И, НЕ— ЦЛИ, НЕ, И— ИЛИ— НЕ и не имеющих логической избыточности. (Схема имеет логическую избыточность, если в ней имеются связи, обрыв которых не вызывает изменения выходного сигнала при любом входном наборе.)

В алгоритме Армстронга алгебраическое выражение, описывающее исходную схему, приводится к эквивалентной нормальной форме (ЭНФ), представляющей собой логическую сумму логических произве­ дений входных переменных или их инверсией с индексами, указываю­ щими путь прохождения сигнала от входа схемы к ее выходу. Построение тестов в этом методе производится по ЭНФ или ОЭНФ (обратной эквивалентной нормальной форме), получаемой путем ин­ вертирования ЭНФ. Развитие этого метода нашло отражение в работах [2 1 ,9 6 ,9 7 ].

При диагностике неисправностей ЭЦВМ находят применение: метод с использованием булевых разностей [86, 108], метод х-кубов [109], метод П-кубов [111] и вероятностные процедуры.

Ниже будет уделено внимание методам, имеющим, по мнению авторов, сравнительно небольшую трудоемкость и позволяющим вруч­ ную строить тесты для схем промышленной автоматики.

Все методы построения тестов, как правило, предусматривают сле­ дующие этапы: подготовка исходной документации; построение контро­ лирующих тестов для отдельных узлов и подсхем; построение диагностических тестов для отдельных узлов и подсхем; склеивание тестов узлов и подсхем с целью получения обобщенного контролирую­ щего или диагностического теста.

Некоторые методы требуют предварительного построения таблицы функций неисправностей.

210