Диагностики автоматизированных систем (методы и средства технической диагностики систем 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.

Контроль технического состояния систем в процессе их эксплуатации

АСУТП может нормально функционировать тогда и только тогда, когда создается возможность получать непрерывно информацию о ее техническом состоянии. Осуществить получение такой информации с помощью некоторого одного универсального метода невозможно из-за большого разнообразия элементов АСУТП и их функционального назначения. Процесс создания АСУТП всегда сопровождается процессом поиска наиболее подходящих методов контроля технического состояния системы и ее частей.
Существуют следующие основные виды контроля.
По целевому назначениюразличают:
- контроль работоспособности, который осуществляется с целью определения, в каком состоянии находится объект – работоспособном или неработоспособном;
- диагностический контроль, который определяет не только состояние объекта, но и причину его неисправности, если он находится в неисправном состоянии;
- прогнозирующий контроль предназначен не только для того, чтобы определить состояние объекта, но также и для того, чтобы определить, какие отказы возможны в объекте в ближайший момент времени, с тем, чтобы своевременно принять меры по их устранению.
По степени автоматизации различают:
- автоматический контроль, который осуществляется специальными устройствами и программой без вмешательства человека-оператора;
- автоматизированный контроль – с частичным вмешательством человека;
- ручной контроль – без средств автоматизации.
По временным характеристикам различают:
- периодический контроль;
- непрерывный контроль.
По полноте контроля может быть:
- полный контроль;
- частичный контроль.
По последовательности контрольных операций:
- последовательный контроль, при котором устройства объекта контролируются последовательно одно за другим;
- параллельный контроль, при котором устройства объекта контролируются одновременно.
По используемым методам контроль бывает:
- прямой контроль, который основан на непосредственном (прямом) измерении параметров, определяющих техническое состояние объекта. Он может быть программным и аппаратурным;
- косвенный контроль, который основан на наблюдениях косвенных (побочных, сопутствующих) признаков, которые могут быть использованы для определения или прогнозирования технического состояния (повышенный нагрев, повышенный шум и т. д.).
Программный контроль основан на использовании специальных программ. Он, в свою очередь, подразделяется на контроль программно-логический и тестовый.
Программно-логический контроль предназначен для контроля за правильностью функционирования системы и ее отдельных частей. Правильность функционирования системы может быть проверена повторением операций переработки информации или повторной пересылкой информации, а также с помощью сравнения получаемых результатов с эталонными.
Тестовый контроль (тестирование) предназначен для проверки состояния аппаратуры и программ с помощью специальных испытательных (тестовых) программ. На вход проверяемого объекта подается определенный набор входных данных, которому должен соответствовать определенный набор выходных данных. Анализ выходных данных позволяет определить состояние объекта и даже причину неисправного состояния.
Тестирование – основной метод измерения качества, определение корректности и реальной надежности функционирования программ на любых этапах разработки. Результаты тестирования и измерения показателей качества должны сравниваться с требованиями технического задания для определения степени соответствия предъявлявшимся требованиям, полученным разработчиком от заказчика. Такие достаточно полные эталоны, как совокупность требований технического задания и поэтапная их декомпозиция в спецификациях, необходимы для тестирования при промежуточных и завершающих испытаниях.
Важная особенность тестирования сложных ПС – необходимость достаточно полной их проверки при ограниченной длительности испытаний. Это определяет целесообразность тщательного планирования тестирования с учетом всех результатов, полученных на предыдущих этапах разработки. При планировании основная задача состоит в достижении максимальной достоверности испытаний, определения качества и надежности ПС при ограниченных затратах ресурсов на проведение тестирования.
Аппаратурный контроль – это контроль, осуществляемый с помощью специальной контрольной аппаратуры, введенной в структуру объекта. Контрольная аппаратура работает одновременно с основной. Большое разнообразие контролируемых объектов и широкие возможности в выборе методов контроля, каждый из которых обладает своими недостатками и преимуществами в конкретных условиях применения, привели к тому, что в инженерной практике используются многочисленные методы аппаратурного контроля. Наиболее распространенными являются: числовой по модулю; кодовый по модулю; аппаратурно-микропрограммный; мажоритарный; с использованием корректирующих кодов, шлейфовых каналов, контрольных сумм; основанный на проверке запрещенных выходных слов и запрещенных переходов.

О влиянии контроля на надежность АСУ ТП в общих чертах можно сказать следующее:
1. Контроль, рассматриваемый в узком смысле этого термина, т. е. только как средство обнаружения состояния объекта, не может влиять на повышение надежности объекта. Влияние контроля на повышение надежности обнаруживается тогда, когда он сопровождается восстановлением работоспособности, исправлением обнаруженных ошибок, устранением неблагоприятных явлений, обнаруженных в процессе контроля.
2. Контроль и диагностика в сочетании с восстановлением оказывают существенное влияние на показатели надежности объекта по следующим основным направлениям:
а) контроль обеспечивает нормальное функционирование объекта в заданной конфигурации и в заданных режимах; позволяет определить степень готовности объекта к включению, время переключения на резерв, необходимость формирования резервных направлений передачи данных. Новой конфигурации системы и т. п. Без средств контроля и диагностики невозможно нормальное функционирование большой системы;
б) контроль и восстановление повышают показатели безотказности объекта. Одним из показателей качества контроля служит время, затрачиваемое на восстановление работоспособности объекта, а оно существенно влияет на коэффициент готовности объекта;
в) контроль повышает достоверность информации при ее хранении, переработке и пересылке. Кодовый контроль по модулю 2 позволяет обнаружить все одиночные ошибки, т. е. ошибки в одном разряде кодовой комбинации. Кодовый контроль по модулю 3 дает возможность обнаружить ошибки, число которых не кратно 3; кодовый контроль по модулю 5 – ошибки, число которых не кратно 5.
Таким образом, увеличение модуля позволяет повысить достоверность кодового контроля, но приводит к усложнению контрольной аппаратуры;
г) усложнение основной аппаратуры за счет включения дополнительной контрольной аппаратуры может привести к снижению аппаратурной надежности, а ошибки в результатах контроля – к снижению достоверности.
Контроль с использованием корректирующих кодов позволяет свести время устранения ошибки к пренебрежимо малому значению, но требует еще большего усложнения аппаратуры.
Более детальный анализ количественного влияния контроля и восстановления на показатели надежности требует учета двойственного характера влияния контроля на надежность контролируемого изделия. Это означает, что при проектировании системы контроля необходимо проводить либо расчет, либо моделирование надежности изделия с учетом влияния контроля и на основании такого расчета выбирать оптимальную стратегию контроля.
В самом общем виде рекомендация по проектированию контроля в АСУ может быть сформулирована следующим образом:
в основу системы контроля должен быть положен системный принцип (подход), т. е. организация контроля должна учитывать многосторонний характер влияния контроля на характеристики АСУ и представлять по своей структуре сложную систему, в которой должны сочетаться различные методы и средства контроля. Система контроля должна иметь многоуровневый характер: на первом, самом низком, уровне – контроль состояния отдельных технических средств; на втором – контроль выполнения функциональных задач, решаемых различными подсистемами; на третьем – объединение всех видов контроля в единую систему, позволяющую получить информацию о состоянии системы и ее функционировании, а также управлять системой путем реорганизации ее структуры, подключения резервных средств, вывода отдельных технических средств на профилактику, применения приоритетного принципа обработки информации и т. д.